高铁接触网零部件超细片状锌铝防腐涂层应用研究.pdf

世界有色金属2023年8月上202高铁接触网零部件超细片状锌铝防腐涂层应用研究刘如久（中铁建电气化局集团轨道交通器材有限公司，江苏 常州 2 1 3 1 6 9）摘 要：目前接触网典型金属件表面防腐技术各具优势的同时也各有弊端。本文主要对电弧喷涂超细片状锌铝涂层防腐新技术的保护膜形成与耐腐蚀机理进行阐述，并根据实际应用情况提出目前常用的金属表面防腐方法的不足。后续应用该防腐方法分别对材质为铝合金、碳钢和铜合金的典型高铁接触网零部件进行多种腐蚀试验。通过试验验证了电弧喷涂超细片状锌铝涂层具有优异的金属表面防腐性能，并且证明该技术在金属表面防腐领域具有一定的优势，为高铁接触网零部件表面防腐提供了更好的选择。关键词：高铁接触网；金属防腐；锌铝涂层中图分类号：U2 2 6.8 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 5-0 2 0 2-3Study on the application of ultra-fine flake zinc-aluminum anti-corrosion coating for high-speed railway catenary componentsLIURu-jiu(C h i n a Ra i l w a y C o n s t r u c t i o n E l e c t r i f i c a t i o n B u r e a u G r o u p Ra i l T r a n s i t E q u i p me n t C o.,L t d.,C h a n g z h o u 2 1 3 1 6 9,C h i n a)Abstract:A t p r e s e n t,t h e s u r f a c e a n t i-c o r r o s i o n t e c h n o l o g y o f t y p i c a l me t a l p a r t s o f o v e r h e a d c o n t a c t s y s t e m h a s i t s o w n a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s.T h i s p a p e r ma i n l y d e s c r i b e s t h e f o r ma t i o n o f p r o t e c t i v e f i l m a n d c o r r o s i o n r e s i s t a n c e me c h a n i s m o f t h e n e w t e c h n o l o g y o f a r c s p r a y i n g u l t r a-f i n e f l a k e z i n c a l u mi n u m c o a t i n g c o r r o s i o n p r o t e c t i o n,a n d p u t s f o r w a r d t h e s h o r t c o mi n g s o f t h e c u r r e n t c o mmo n l y u s e d me t a l s u r f a c e c o r r o s i o n p r o t e c t i o n me t h o d s a c c o r d i n g t o t h e a c t u a l a p p l i c a t i o n.S u b s e q u e n t l y,t h e c o r r o s i o n p r o t e c t i o n me t h o d i s a p p l i e d t o c a r r y o u t v a r i o u s c o r r o s i o n t e s t s o n t y p i c a l h i g h-s p e e d r a i l w a y c a t e n a r y c o mp o n e n t s ma d e o f a l u mi n u m a l l o y,c a r b o n s t e e l a n d c o p p e r a l l o y.T h e t e s t v e r i f i e s t h a t t h e a r c s p r a y i n g u l t r a-f i n e f l a k e z i n c-a l u mi n u m c o a t i n g h a s e x c e l l e n t me t a l s u r f a c e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e,a n d p r o v e s t h a t t h i s t e c h n o l o g y h a s c e r t a i n a d v a n t a g e s i n t h e f i e l d o f me t a l s u r f a c e c o r r o s i o n p r o t e c t i o n,p r o v i d i n g a b e t t e r c h o i c e f o r t h e s u r f a c e c o r r o s i o n p r o t e c t i o n o f h i g h-s p e e d r a i l w a y c a t e n a r y c o mp o n e n t s.Keywords:Hi g h-s p e e d r a i l w a y c a t e n a r y;me t a l a n t i-c o r r o s i o n;z i n c a l u mi n u m c o a t i n g收稿日期：2 0 2 3-0 5作者简介：刘如久，男，生于1 9 7 9 年，汉族，湖北襄樊人，本科，高级工程师，研究方向：铁道电气化。随着材料学与防腐技术的发展，国内众多科研院所和高校开始聚焦于开发金属表面防腐新方法，为接触网零部件的表面防腐提供了更多的选择。本文阐述了电弧喷涂超细片状锌铝涂层防腐新技术的成膜与耐蚀机理，并针对典型接触网铝合金件、碳钢件和铜合金件进行试验，验证了该涂层能在多种试验环境下保持良好的耐蚀性能。1 电弧喷涂超细片状锌铝涂层超细片状锌铝涂层是将超细片状锌粉、超细片状铝粉、无铬钝化剂及其他助剂按一定比例配成涂液，能在金属基体表面形成具有极佳耐蚀性能的防腐涂层，其具有良好的附着性、可塑性。由于钝化剂中的Cr6+具有毒性，对环境和人体有很大危害，所以在涂层配料的选用中应避免使用带有铬元素的钝化剂1-3。电弧喷涂是一种有利于加强金属表面防腐蚀效果和增强涂层稳定性的热喷涂技术。应用于超细片状锌铝涂层能够提升涂层沉积效率和涂层质量，使金属锌充分起到阴极保护的作用、使金属铝充分起到钝化保护的作用；并且能减少氧化锌等有害生成物的产生，降低对生态环境和身体健康造成的危害。1.1 涂层的成膜机理超细片状锌铝涂层成膜机理是将超细片状锌粉和铝粉混合后以涂液形式堆叠在基体表面，在混合、涂覆与固化过程中，金属粉末与无铬钝化剂发生氧化还原反应生成钝化膜；并且在固化过程中，金属粉末与无铬钝化剂发生络合反应，生成具有粘结作用的氧化络合物，使片状的金属粉末与基体的结合更为紧密，提高了二者的结合强度；并且在固化过程中，由于水分的逐渐蒸发，生成的络合物可填充至金属粉之间的空隙，使合金粉之间的结合更为紧密，最终形成致密性与结合性极好的耐蚀保护膜。该保护膜呈银灰色，厚度一般在515m之间，其耐蚀性比传统钝化膜或氧化膜高710倍。1.2 涂层的耐蚀机理在超细片状锌铝涂层中，金属锌的电化学保护作用和金属铝的钝化保护作用相结合，使该涂层具有良好的防腐性能。其耐蚀机理可归结为以下4个方面：隔离作用、钝化保护作用、电化学保护作用和自修复作用。（1）隔离作用。逐层堆叠排列的片状锌铝合金粉减少了涂层粉末中的空隙，使涂层粉末间具有较小的孔隙以及较高的结合强度，形成了非常有效的隔离层；并且合金间隙被与钝化剂反应产生的络合物所填充，从而提高了涂层的致密度，有效阻止了水、氧气、氯离子等腐蚀介质的渗入。（2）钝化保护作用。在固化成膜过程中，钝化剂会与合金粉、基体发生复杂的化学反应，合金粉被氧化后会在其逐层堆叠排列的表面形成若干层致密的钝化膜。若最表层涂层被腐蚀破坏，次表层涂层的耐蚀性不会显著下降，仍然可以起到耐腐蚀的作用，从而使零部件在一段时间内仍能保持良好的耐蚀性。（3）电化学保护作用。锌和铝的化学活性大于铁和铜，2023年8月上 世界有色金属 203金属性更强、更易发生化学反应。当涂层部分破损导致零部件的金属基体与外界腐蚀环境发生接触时，锌铝金属可直接作为牺牲极为基体提供电化学保护。（4）自修复作用。当涂层局部破损时，锌与金属基体间发生化学反应，生成Zn(OH)2，ZnCO3等更大体积的腐蚀产物可以逐渐将破损处填充，从而使涂层恢复耐蚀性。2 铝合金件表面防腐试验接触网铝合金零部件种类众多，可通过锻造、铸造、折弯、挤压等多种方法成型。目前铝合金件常用防腐方法有阳极氧化、钝化与微弧氧化等4,5。阳极氧化法中铸铝合金中的硅元素将阻碍氧化膜的形成，并且杂质硅可能导致偏析和“挂灰”情况的出现。钝化法中的钝化膜存在孔隙，高温高湿与酸碱腐蚀等恶劣环境中的腐蚀介质或污染源易通过膜孔吸附至金属基体，造成表面腐蚀。微弧氧化法中生成陶瓷保护膜的表面存在形似火山口的微孔，可能使腐蚀介质与金属基体发生接触而导致保护失效；并且陶瓷保护膜越薄，发生腐蚀的可能性越大，因此部分零件后续还需要进行封孔处理。本文为验证超细片状锌铝涂层技术对铝合金件的防腐效果进行如下试验。2.1 铜加速乙酸盐雾试验该试验是针对表面喷涂超细片状锌铝涂层的典型接触网铝合金钝化件进行120h人工盐雾腐蚀。试验参照GB/T 10125-2012标准；盐雾沉降率为1.58mL/(80cm2h)；检测设备为盐雾腐蚀试验箱YWX/Q-250(YW03)；合格标准为经96h铜加速乙酸盐雾试验后，保护评级Rp4级（缺陷面积5%）。承力索座本体试验前 承力索座本体试验后钩型压板试验前 钩型压板试验后图1铝合金件铜加速乙酸盐雾试验图可以看出，经120h铜加速乙酸盐雾试验后的零件本体并未产生明显的腐蚀。将样件表面盐渍清洗后，表面评级均为10级。该试验的试验时间和表面评级均远高于96h和4级的试验合格标准，所以超细片状锌铝涂层应用于铝合金件能够满足铝合金件防腐需求，并且优势明显。2.2 中性盐雾试验该试验是针对表面喷涂超细片状锌铝涂层的典型接触网铝合金钝化件进行1000h人工中性盐雾腐蚀。试验参照GB/T 10125-2012标准；检测设备为盐雾腐蚀试验箱YWX/F-010；合格标准为经500h中性盐雾腐蚀试验后，保护评级Rp4级（缺陷面积5%）。该试验增加了高空抛落磕碰模拟的附加条件。图2销钉套筒试验后可以看出，经1000h中性盐雾试验后的零件本体并未产生明显的锈迹，保护评级Rp远大于4级，并且右侧附加高空抛落条件的工件并未产生表面腐蚀。所以超细片状锌铝涂层应用于铝合金件，能够起到良好防腐作用，并且磕碰伤害对防腐效果影响较小。3 碳钢件表面防腐试验目前碳钢件防腐措施主要为热浸镀锌法，常用镀锌层厚度为50m100m。在沿海、重污染等地区，要求H型钢柱镀锌层厚度200m，其他钢结构零件镀锌层厚度110m。通过实际应用发现，长期服役于恶劣环境中的镀锌碳钢零部件并不能一直保持良好的防腐性能。例如沿海地区的盐雾、高湿高温及酸性较强的恶劣环境会导致镀锌层被破坏，导致该零部件存在发生提前失效的风险。在严重恶劣环境下服役的镀锌碳钢零部件采取热浸镀锌最高级别的3级防腐处理后，仍会出现腐蚀现象，会给高铁安全运行带来隐患6。为验证超细片状锌铝涂层技术对碳钢件的防腐效果进行如下试验。3.1 中性盐雾试验该试验是针对表面喷涂超细片状锌铝涂层的典型接触网碳钢件进行500h中性盐雾腐蚀。试验参照GB/T 10125-2012标准；检测设备为盐雾腐蚀试验箱YWX/F-010；合格标准为经500h中性盐雾腐蚀试验后，保护评级Rp4级（缺陷面积5%）。该试验增加了高空抛落磕碰模拟的附加条件。图3支撑管卡子抱箍试验后可以看出，经500h中性盐雾试验的零件本体未产生明显的腐蚀，保护评级Rp满足4级要求，并且右侧附加高空抛落条件的工件并未产生明显的表面腐蚀。所以超细片状锌铝涂层应用于碳钢件能够起到良好防腐作用，并且磕碰伤害对防腐效果影响较小。世界有色金属2023年8月上2043.2 中性盐雾试验该试验是在前文试验的基础上，更改附加条件为加载力矩安装。M 2 0*1 0 0 螺栓试验后 M 2 0 螺母试验后图4碳钢紧固件中性盐雾试验图可以看出，经500h中性盐雾试验的零件本体在加载力矩安装后产生了明显的腐蚀，说明经过加载力矩的转动摩擦后，镀层脱落导致防腐失效，附着力有待加强。3.3 中性盐雾试验该试验是在前文试验的基础上，将时间延长至1500h。腕臂底座试验后 旋转平双耳试验后图5碳钢件中性盐雾试验图可以看出，经1500h中性盐雾试验的零件表面无腐蚀，说明超细片状锌铝涂层应用于碳钢件能够起到良好防腐作用。4 铜合金件表面防腐试验目前铜合金防腐技术曾采用络合致钝法，但其工艺过程十分复杂，并且防腐性能不稳定，后期已不再采用。现行技术标准与技术规格书未对铜合金件提出防腐要求7。为验证超细片状锌铝涂层技术对铜合金件的防腐效果进行如下试验。4.1 恒温恒湿试验该试验是针对表面喷涂超细片状锌铝涂层的典型接触网铜合金件进行24h恒温恒湿腐蚀。试验参照GB/T2423.3-2016标准；检测设备为恒温恒湿试验箱HS-1000(HJ04)；合格标准为保护评级Rp4级（缺陷面积5%）。电连接线夹压块试验前 电连接线夹压块试验后图6铜合金件恒温恒湿试验图可以看出，经24h恒温恒湿腐蚀试验的零件表面无腐蚀，保护评级为10级，远大于合格标准4级。说明超细片状锌铝涂层应用于铜合金件在恒温恒湿环境中能够起到良好防腐作用。4.2 中性盐雾试验该试验是针对表面喷涂超细片状锌铝涂层的典型接触网铜合金件进行48h中性盐雾腐蚀。试验参照GB/T 1宋雪曙.锌铝合金涂层与有机涂层的耐盐雾腐蚀性能对比研究J.现代涂料与涂装,2009,12(12):48-50.2ZengQiaoetal.In-situpreparationofsuperhydrophobicZn-AllayereddoublehydroxidecoatingsforcorrosionprotectionofaluminumalloyJ.MaterialsLetters,2022,328.3刘彬,林志峰,程旭东,王洪伦,任全强.新型环保锌铝合金涂层的研究现状J.腐蚀科学与防护技术,2017,29(03):301-306.4黄从树,叶章基,邓玉,等.表面处理工艺对铝合金防腐涂层性能影响研究J.涂料工业,2014,44(9):6-10.5王正曦.5182铝合金防腐表面处理研究D.重庆理工大学,2018.6闫军芳.沿海湿热环境接触网装备适应性分析J.电气化铁道,2021,32(03):16-22.7谌建民.既有高速铁路接触网提质达速关键技术研究J.铁道建筑技术,2021(03):151-154.10125-2012标准；检测设备为盐雾腐蚀试验箱YWX/F-010；合格标准为保护评级Rp4级（缺陷面积5%）。压块试验前 压块试验后图7铜合金件中性盐雾试验图可以看出，经48h中性盐雾试验的零件表面无腐蚀，保护评级满足4级要求，说明超细片状锌铝涂层应用于铜合金件能够起到良好防腐作用。4.3 二氧化硫腐蚀试验该试验是针对表面喷涂超细片状锌铝涂层的典型接触网铜合金件进行24h二氧化硫腐蚀。试验参照GB/T 9789-2008标准；SO2浓度为0.067%；检测设备为二氧化硫腐蚀试验箱F-SO2-90(YW01)；合格标准为保护评级Rp4级（缺陷面积5%）。电连接线夹压块试验前 电连接线夹压块试验后图8铜合金件二氧化硫腐蚀试验图可以看出，经24h二氧化硫腐蚀试验的零件表面无腐蚀，保护评级为10级，远大于合格标准4级。说明超细片状锌铝涂层应用于铜合金件在二氧化硫腐蚀环境中能够起到良好防腐作用。5 总结通过分别对典型接触网铝合金件、碳钢件和铜合金件进行的试验，验证了电弧喷涂超细片状锌铝涂层具有优异的表面防腐性能，为接触网零部件表面防腐提供了更好的方法。