余兆國，葛志銳，牛致森，祝振宇，陳可寧

高速鐵路接觸網(wǎng)不銹鋼零件銹蝕分析與防腐研究

余兆國，葛志銳，牛致森，祝振宇，陳可寧

（中鐵建電氣化局集團(tuán)軌道交通器材有限公司，江蘇 常州 213179）

介紹了奧氏體不銹鋼材料的特性與腐蝕類型，梳理了電氣化鐵路接觸網(wǎng)不銹鋼零件的使用狀況與服役環(huán)境，分析了污染物成分及產(chǎn)生的原因，針對問題提出了幾種防腐處理方法與措施，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及效果對比，明確了不銹鋼防腐方法與工藝，可慢慢推廣到接觸網(wǎng)零件防腐控制。

接觸網(wǎng)；不銹鋼；銹蝕分析；防腐工藝

不銹鋼材料普遍應(yīng)該用于接觸網(wǎng)零件，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件》（TB/T 2073）中5.2.11規(guī)定，不銹鋼應(yīng)符合《不銹鋼棒》（GB/T 1220—2007）的規(guī)定，宜采用奧氏體不銹鋼?！峨姎饣F路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件》（TB/T 2073）中5.7.3規(guī)定，關(guān)鍵零部件的螺栓、螺母、墊圈一般在 M14 及以下采用奧氏體不銹鋼材質(zhì)，其機(jī)械性能應(yīng)符合A2-70級及以上規(guī)定。目前，國內(nèi)大多項(xiàng)目及簡統(tǒng)化新標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼零件均采用牌號12Cr18Ni9不銹鋼。

1 不銹鋼零件腐蝕問題

一般環(huán)境中，奧氏體不銹鋼在大氣中能自發(fā)形成明顯的 Cr2O3薄膜，俗稱“鈍化膜”。不銹鋼的“不銹”是相對的，在氧化性介質(zhì)中，不銹鋼鈍化膜較穩(wěn)定，具有良好的耐腐蝕性；在還原性介質(zhì)中，不銹鋼鈍化膜穩(wěn)定性較差，耐腐蝕性相對薄弱；在含有能破壞鈍化膜的陰離子（如F-、Cl-）介質(zhì)中，耐蝕性變得更差。

隨著工業(yè)化發(fā)展，越來越多物質(zhì)在空氣中造成環(huán)境愈發(fā)惡劣，在空氣中所含活性氯離子的作用下，不銹鋼鈍化膜較薄或磕傷部位、含有硫化物或碳化物的部位極易發(fā)生溶解現(xiàn)象。這樣不但破壞了不銹鋼零件表面原形成的鈍化膜，更阻礙鈍化膜的自生修復(fù)，從而出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 鈍化膜1

圖3 鈍化膜3

針對不銹鋼的銹蝕問題，分析不銹鋼銹蝕類型及影響因素，同時對出現(xiàn)銹蝕零件進(jìn)行污染物分析，提出可行性防腐措施，并進(jìn)行驗(yàn)證和對比，確定最終不銹鋼防腐處理工藝。

2 不銹鋼零件腐蝕類型以及產(chǎn)生原因

由于沿線環(huán)境復(fù)雜多樣，造成不銹鋼銹蝕的原因也復(fù)雜多樣。常見的分為外部因素與內(nèi)部因素。外部因素主要有環(huán)境中介質(zhì)的組成、pH值、溫度、壓力以及零件受力狀況；內(nèi)部因素主要有材料化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、晶粒晶間狀況和表面情況等。點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕等是不銹鋼常見的腐蝕類型。

2.1 不銹鋼點(diǎn)蝕

點(diǎn)蝕分布隨機(jī)，孔徑小，孔口常有腐蝕產(chǎn)物覆蓋，可誘發(fā)其他形式的局部腐蝕，常見的蝕點(diǎn)一般為較淺的蝕坑，孔徑小于1.0 mm，深度大于表面孔徑。

2.1.1 不銹鋼點(diǎn)蝕的產(chǎn)生原因

當(dāng)鈍化膜受到破壞，膜未破壞區(qū)域和破壞已裸露基體區(qū)域形成活化-鈍化腐蝕電池，鈍化表面為陰極且面積比膜破壞處的活化區(qū)大，腐蝕就向深處發(fā)展而形成蝕孔。鹵素離子對不銹鋼引起小孔腐蝕敏感性的作用順序?yàn)镃l-＞Br-＞I-，特殊陰離子在合金表面的不均勻腐蝕，導(dǎo)致膜被不均勻破壞。點(diǎn)蝕是個多電極體系，蝕孔外表面陰極極化，陰極反應(yīng)電流大于陽極，蝕孔內(nèi)表面陽極極化，陽極反應(yīng)電流大于陰極，閉塞電池形成過程也是閉塞區(qū)的自腐蝕由吸氧腐蝕向析氫腐蝕轉(zhuǎn)變過程。

2.1.2 不銹鋼發(fā)生點(diǎn)蝕的影響因素

針對不銹鋼零件服役環(huán)境，分析空氣中Cl-等侵蝕性陰離子、氧化離子Fe3+、Cu2+等，這些離子是造成不銹鋼點(diǎn)蝕的影響因素。高鐵沿線存在不少會污染大氣的廢氣，污染超標(biāo)與環(huán)境惡劣影響不銹鋼鈍化膜修復(fù)與再生功能。

2.2 不銹鋼晶間腐蝕

晶間腐蝕是由于晶界區(qū)域與晶內(nèi)成分或應(yīng)力有差別，引起晶界區(qū)域電極電位顯著降低而造成的一種有選擇性的腐蝕破壞，它與一般選擇性腐蝕不同的是腐蝕的局部性屬于顯微尺度。

2.2.1 不銹鋼晶間腐蝕的產(chǎn)生原因

晶間腐蝕的影響因素主要分為內(nèi)部因素與外部因素，內(nèi)部因素是當(dāng)Cr元素低于臨界濃度12.5%時，不銹鋼材料隨即產(chǎn)生晶間腐蝕敏感性。外部因素是溫度導(dǎo)致，當(dāng)材料加熱或冷卻通過450～850 ℃時，碳便從奧氏體中析出分布在晶界上。它的析出消耗晶界附近大量的鉻，鉻的擴(kuò)散速度很慢，消耗的鉻不能從晶粒中通過擴(kuò)散及時得到補(bǔ)充，晶界附近的含鉻量低于鈍化最低的含量比，形成貧鉻區(qū)，因而鈍態(tài)受到破壞，晶界附近區(qū)域電位下降，而晶粒本身仍維持鈍態(tài)，電位較高，晶粒與晶界構(gòu)成活態(tài)-鈍態(tài)微電偶電池，電池具有大陰極小陽極的面積比，造成晶間腐蝕。

2.2.2 不銹鋼晶間腐蝕的影響因素

2.2.2.1 化學(xué)元素影響

C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.08%時，在晶界形成碳化物概率也隨之降低，晶界處不易形成貧鉻區(qū)。Cr含量的增加，在低敏化溫度區(qū)會加速晶間腐蝕；在高敏化溫度區(qū)，會延長出現(xiàn)晶間腐蝕的時間。Ni含量的增加，可消除殘余的鐵素體，不具備形成微電池的能力產(chǎn)生腐蝕。但隨著Ni含量的增加，會降低C在奧氏體不銹鋼中的溶解度，從而使碳化物析出傾向增強(qiáng)，增大晶間腐蝕的敏感性。不銹鋼中Ti、Nb 等與C的結(jié)合能力比Cr更強(qiáng)的元素，能夠與C結(jié)合合成穩(wěn)定的碳化物，可以避免在奧氏體中形成貧鉻區(qū)造成的晶界貧鉻現(xiàn)象，增強(qiáng)晶間抗蝕能力。

2.2.2.2 固溶處理影響

單相奧氏體組織保證奧氏體不銹鋼耐蝕性，將其加熱至1 100 ℃左右，碳化物相全部或基本溶解，C固溶于奧氏體中，然后快速冷卻至室溫，使C達(dá)到過飽和狀態(tài)?？梢韵嚓P(guān)應(yīng)力與軟化，便于繼續(xù)加工或成型，消除晶界處形成貧鉻區(qū)隱患，降低發(fā)生晶間腐蝕的概率。

2.3 不銹鋼應(yīng)力腐蝕

不銹鋼應(yīng)力腐蝕的初期階段為腐蝕引起裂紋或蝕坑，導(dǎo)致應(yīng)力集中的裂紋源生核孕育，屬于裂紋的潛伏期與誘導(dǎo)期，這階段應(yīng)力影響比較小，時間長。中期為裂紋擴(kuò)展階段，由裂紋源或蝕坑發(fā)展到單位面積所能承受最大載荷的所謂極限應(yīng)力值，最后是失穩(wěn)純力學(xué)的裂紋擴(kuò)展階段，直至斷裂失效。

2.3.1 不銹鋼應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生原因

奧氏體不銹鋼的腐蝕幾乎是由Cl-引起的，盡管某些環(huán)境Cl-濃度極低，但也存在點(diǎn)腐蝕和應(yīng)力腐蝕。氯化物應(yīng)力腐蝕破裂的形態(tài)多呈穿晶破裂且易產(chǎn)生分枝，由于腐蝕釋放的氫擴(kuò)散到尖端金屬內(nèi)部引起氫脆斷裂。裂紋在腐蝕和脆斷的反復(fù)作用下快速延伸，形成穿過晶粒的穿晶破裂與沿晶界破裂的晶間破裂。

2.3.2 不銹鋼應(yīng)力腐蝕的影響因素

化學(xué)成分的影響。奧氏體不銹鋼中的Ni、Si元素能提高其耐應(yīng)力腐蝕斷裂能力，在Cl-濃度較高環(huán)境中，N、P等元素降低了奧氏體不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕能力。

服役環(huán)境的影響。當(dāng)線路溫度較高，存在微量的Cl-，隨著pH值遞減，腐蝕破裂的可能性隨之越大。長期露天服役，產(chǎn)品表面常覆蓋泥土、鈣鹽、腐蝕產(chǎn)物等各種沉淀物，不僅在傳熱面上形成絕熱層，而且妨礙離子等的擴(kuò)散，以致加劇腐蝕進(jìn)度。

材料應(yīng)力的影響。接觸網(wǎng)不少不銹鋼零件采用冷彎工藝，如吊弦雙耳、心型環(huán)等冷彎程度大、不銹鋼終端線夾折彎處焊接等制造過程中的殘余應(yīng)力一般很難消除徹底，這也一定程度上影響了耐應(yīng)力腐蝕能力。

3 不銹鋼腐蝕零件與腐蝕物質(zhì)分析

通過對奧氏體不銹鋼主要腐蝕類型產(chǎn)生的原因和影響因素分析，根據(jù)接觸網(wǎng)不銹鋼零件服役環(huán)境，結(jié)合產(chǎn)品安裝特點(diǎn)，選用線路銹蝕情況相比凸顯的標(biāo)準(zhǔn)件。對零件進(jìn)行銹蝕物分析，深層次分析不銹鋼腐蝕原因，制訂合理可行防腐工藝措施。

3.1 銹蝕零件的宏觀分析

對線路返回零件進(jìn)行宏觀觀察，螺栓的光桿表面分布著白色產(chǎn)物，螺紋段出現(xiàn)黃褐色銹蝕區(qū)，如圖4所示。止動墊片邊緣部位可見黃褐色銹蝕痕跡，且局部可見擦傷痕跡，如圖5所示。

圖4 螺紋段黃褐色銹蝕區(qū)

圖5 局部擦傷痕跡

3.2 表面產(chǎn)物微觀形貌及能譜成分分析

用導(dǎo)電膠粘取少量螺栓上的銹蝕產(chǎn)物和白色產(chǎn)物，進(jìn)行能譜分析，桿部表面白色產(chǎn)物由泥狀和顆粒狀物質(zhì)堆積在一起，螺紋區(qū)的銹蝕產(chǎn)物呈顆粒狀形態(tài)。結(jié)果表明：白色產(chǎn)物主要為 Zn 的氧化物；銹蝕區(qū)產(chǎn)物除了 Fe 的氧化物外，還含有少量的 Si、Al、Ca、K、Zn及腐蝕性介質(zhì) S、Cl。螺栓銹蝕區(qū)微觀形貌及能譜分析如圖6所示。

在掃描電鏡下觀察止動墊片銹蝕區(qū)和正常區(qū)微觀形貌，分析表明：銹蝕產(chǎn)物成分主要含有 Fe、C、O、Cr 及少量的 Si、K、Al、Cu、Na 和少量腐蝕性介質(zhì) S、Cl。正常區(qū)比較平整，部分區(qū)域有點(diǎn)狀凹坑和銅層附著，如圖7所示。銹蝕產(chǎn)物比較致密，局部呈離散的粒狀和龜裂狀分布。

圖6 螺栓銹蝕區(qū)微觀形貌及能譜分析

圖7 掃描電鏡下止動墊片銹蝕區(qū)和正常區(qū)微觀形貌

3.3 藍(lán)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)分析

對螺栓、墊片表面鈍化膜進(jìn)行藍(lán)點(diǎn)檢測，濾紙浸漬藍(lán)點(diǎn)液后，貼附于待測表面并開始計(jì)時，25 s時螺帽位置開始出現(xiàn)藍(lán)點(diǎn)，29 s時螺桿出現(xiàn)藍(lán)點(diǎn)，84 s停止試驗(yàn)，試驗(yàn)后螺帽、螺桿、螺母和墊片表面均存在藍(lán)點(diǎn)。

3.4 銹蝕產(chǎn)物分析結(jié)果與結(jié)論

上述分析表明，螺栓、墊片表面均發(fā)生腐蝕，并形成銹蝕產(chǎn)物，銹蝕產(chǎn)物以Fe的氧化物為主，并分析出腐蝕性介質(zhì)元素S和Cl。含硫離子或硫酸根離子以及Cl離子的外來物沉積在不銹鋼零件表面，會破壞不銹鋼表面的鈍化膜，使不銹鋼基體發(fā)生腐蝕。不銹鋼表面的鈍化質(zhì)量不良或不致密時，裸露的不銹鋼表面會更容易被腐蝕。

綜上所述，螺栓、止動墊片等不銹鋼零件表面沉積含S、Cl的腐蝕性物質(zhì)與安裝過程中的擦傷是這些零件表面發(fā)生斑點(diǎn)狀腐蝕的主要原因，零件表面鈍化不良是次要原因。

4 不銹鋼零件腐蝕控制方案與措施

通過對牌號12Cr18Ni9零件腐蝕類型和腐蝕機(jī)理的分析，結(jié)合行業(yè)現(xiàn)狀，從材料選型、表面防腐處理、服役過程中維護(hù)保養(yǎng)等三個方面制定防腐措施。

4.1 材料的選用

可選用同樣為奧氏體不銹鋼的022Cr17Ni12Mo2，因其含有適當(dāng)?shù)你f元素和較高的鉻元素。鉬元素可以使不銹鋼表面鈍化膜更加致密、牢固、穩(wěn)定；較高的鉻元素含量可以使不銹鋼鈍化膜的修復(fù)能力和再生能力進(jìn)一步提高，且避免冷變形材料中鉻的擴(kuò)散形成貧鉻區(qū)。

4.2 表面防腐處理

可對不銹鋼零件表面進(jìn)行鈍化處理，提高零件在各種環(huán)境介質(zhì)中的耐腐蝕性。對于惡劣環(huán)境選用電鍍鋅、表面磷化、電鍍鎘、電鍍鉻、表面鍍銀、鍍鎳、表面滲鋅等鍍層處理，但出于環(huán)保與經(jīng)濟(jì)成本角度考慮，需要進(jìn)行最佳效果優(yōu)勢對比選用。

4.3 服役過程中維護(hù)保養(yǎng)

預(yù)配、轉(zhuǎn)運(yùn)、安裝過程應(yīng)確保不銹鋼件避免受到碰撞、敲擊等行為，以免鈍化膜破損喪失表面防腐功能，檢查維護(hù)過程中，加大環(huán)境惡劣地區(qū)的巡查力度，對于表面損傷嚴(yán)重的、銹蝕嚴(yán)重的零件，予以更換。

5 不銹鋼防腐效果驗(yàn)證

針對以上防腐控制方案，選用牌號為022Cr17Ni12Mo2的原材料不銹鋼板，表面進(jìn)行電鍍鉻處理，并人為用鐵榔頭敲擊形成傷痕。按照《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》（GB/T 10125—2012）進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)驗(yàn)證，并滿足試驗(yàn)時間500 h，出現(xiàn)腐蝕面積占全部表面積的比例小于等于5%的防腐要求。經(jīng)過500 h鹽霧試驗(yàn)，沒有出現(xiàn)銹蝕。

6 結(jié)論

綜上所述，對不銹鋼材料腐蝕類型、控制因素、表面污染物成分以及腐蝕原理進(jìn)行了分析，判斷出高速鐵路接觸網(wǎng)不銹鋼零件表面腐蝕原因。從材料選型、表面防腐處理、服役過程中維護(hù)保養(yǎng)等三個方面制定可行措施進(jìn)行防腐措施改進(jìn)，并進(jìn)行破壞式實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，不銹鋼防腐性能得到了較大提高。

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U226.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.012

2095－6835（2019）16－0031－03

余兆國（1991—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)殡姎饣F路。葛志銳（1984—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)榻饘俨牧?。牛致森?967—），男，本科，高級工程師，研究方向?yàn)椴牧瞎こ?。祝振宇?966—），男，本科，高級工程師，研究方向?yàn)殡姎饣F路。陳可寧（1987—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)榻佑|網(wǎng)。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕