金屬構件多元合金共滲技術

李瑞平

摘 要：高鐵及其鐵軌鋼構件的技術創新和快速發展推動了高鐵走向世界并改變世界。然而，高鐵在使用過程中因長期暴露在自然環境中，其鐵軌上的零部件易受到不同程度的腐蝕，進而縮短了高鐵的使用壽命，埋下了安全隱患。因此，高鐵鐵軌所用的零部件必須具備較強的防腐性能。介紹了金屬防腐技術的種類及特點，闡述了高鐵金屬構件防腐工藝的發展現狀，并著重介紹了多元合金共滲技術原理、工藝以及技術瓶頸。

關鍵詞：耐腐蝕材料；鐵路；多元合金共滲；金屬防腐技術

中圖分類號：TG711 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.139

隨著社會經濟的快速發展，人類文明不斷進步，但大規模的工業化也給人類賴以生存的環境造成了一定程度的破壞。類似酸雨等自然現象對環境具有破壞性的腐蝕能力。腐蝕不僅消耗了人們生活中不可缺少的自然資源，而且嚴重破壞了自然環境及工業生產的正常運行，腐蝕造成的巨大經濟損失和嚴重的環境污染已成為影響現代社會可持續發展的重要因素之一。據統計，全世界每年因腐蝕造成的直接經濟損失約為7 000億美元，是地震、水災、臺風等自然災害總和的6倍；我國每年為腐蝕支付的直接與間接費用總和達5 000億元，約占GDP的5%以上。

1 金屬防腐技術

金屬材料的腐蝕和防護是當今世界面臨的迫切需要解決的問題。金屬防腐的方法有很多，具體分為以下4種。

1.1 添加耐腐蝕材料

在制造金屬零件的過程中，添加不易與周圍介質發生反應的耐腐蝕材料。比如添加鉻、鎳鈦等在空氣中不易氧化，能生成致密的印化溥膜，可以抵抗酸、堿、鹽等的腐蝕，將其加入到鐵或銅中，可制成防腐蝕性優異的金屬制品。利于金屬粉末冶金可對各種金屬元素進行靈活配比，利用添加不同性能的金屬粉末來獲得防腐蝕性能優異的金屬零件。鐵碳合金等金屬材料還可通過采用熱處理方法來防止腐蝕。

1.2 采用涂層金屬防腐法

涂層法包括三大類，即涂覆和噴涂、鍍層、化學轉化膜。在金屬表面上制成保護層可隔開金屬與腐蝕介質的接觸，從而減少腐蝕。

涂覆是將有機和無機化合物涂覆在金屬表面，常用的方法是涂漆和塑料涂層。噴涂是通過噴槍或碟式霧化器，借助壓力或離心力將有機和無機化合物分散成均勻、微細的霧滴，施涂于被涂物表面的涂裝方法，主要為分電弧噴涂、等離子噴涂、靜電噴涂、手工噴涂等。

金屬鍍層是一種利用金屬粉末在工件表面形成鍍層的工藝，主要包括電鍍、熱鍍、噴鍍、滲鍍、化學鍍、機械鍍、真空鍍等。

化學轉變膜是采用化學或電化學方法使金屬表面形成穩定的化合物膜層，根據成膜時所采用的介質，可將化學轉化膜分為氧化物膜、磷酸鹽膜、鉻酸鹽膜等。

根據構成涂層法保護層的物質，可將其分為2類：①非金屬保護層。比如油漆、塑料、玻璃鋼、橡膠、瀝青、搪瓷、混凝土、琺瑯、防銹油等。②金屬保護層。在金屬表面鍍上一種金屬或合金，作為保護層，以減慢腐蝕速度。用作保護層的金屬通常有鋅、錫、鋁、鎳、鉻、銅、鎘、鈦、鉛、金、銀、鈀、銠及各種合金等。

1.3 處理腐蝕介質

處理腐蝕介質就是改變腐蝕介質的性質，降低或消除介質中的有害成分，以防止腐蝕。這種方法只能在腐蝕介質數量有限的條件下進行，對充滿空間的大氣是無法處理的。處理腐蝕介質一般分以下2類：①去掉介質中的有害成分，改善介質性質。比如在熱處理爐中通過保護氣體以防止氧化，在酸性土壤中摻入石灰進行中和，防止土壤腐蝕等。②在腐蝕介質中加入緩蝕劑。在腐蝕介質中加入少量的緩蝕劑可使金屬腐蝕的速度大大減慢，此種物質稱為緩蝕劑或腐蝕抑制劑。比如在自來水系統中加入定的苛性鈉或石灰，以去除水中過多的一氧化碳，防止水管腐蝕，在鋼鐵酸洗溶液中加緩蝕劑，以抑制過酸洗和氫脆性等。

1.4 電化學保護金屬防腐法

用直流電改變被保護的金屬電位，從而使腐蝕減緩或停止的保護法稱為電化學保護。這類保護方法主要有外電源陰極保護法、保護器保護法和陽極保護法三種。

2 高鐵鐵軌金屬構件防腐

自2013年開始，我國高鐵憑借高速、高安全和高性價比的技術優勢，逐漸走向世界和改變世界，甚至已成為21世紀群雄逐鹿的標志。然而，高鐵在使用過程中，由于鐵軌上的零部件長期暴露在自然環境中，承受著日曬雨淋，機械振動、沖擊、磨損以及野外高溫、高寒、高濕等惡劣氣候環境等破壞，因此，其防腐工作顯得尤其重要。鐵軌金屬構件的防腐直接影響著列車的運行安全。此外，鋼構件在生產和運輸過程中易生銹，施工連接時難以配合，且生銹后耐用性差，即使采用表面涂防銹油的方法也難以在惡劣的戶外條件下長時間維持鋼構件的防銹性能，傳統的電鍍、單一的鋅鉻涂層等工藝都難以滿足鋼鐵制件的使用要求。

為了防止腐蝕對金屬構件造成的損害，延長鋼鐵材料和設備的使用壽命，國內外學者對防腐技術進行了長期研究和工業化開發。其中，涂層防腐技術在金屬構件防護中被廣泛應用，包括熱浸鍍鋅或鋁等涂層、鋅及鋁等擴散涂層、電鍍鋅及其合金涂層和化學轉化涂層、電鍍鋅（離子鍍或離子注入等）、冷鍍鋅（機械鍍、化學鍍、涂刷鍍等）及熱鍍鋅涂層、達克羅防腐涂層、粉末真空多元合金共滲等防腐技術。

隨著防腐技術的不斷發展，涂層防腐技術不斷推陳出新，不僅要求涂層的防腐性能好，更要注重涂層工藝對環境的二次污染問題。由于熱浸鍍鋅存在鋅廢料和鋅蒸汽等污染，電鍍鋅法有“三廢”排放，進而被淘汰；達克羅（DACROMET）即片狀鋅基鉻鹽防護涂層因存在“六價鉻”，對環境造成了嚴重的污染，目前，國外已限制達克羅涂層的工業應用。

我國武漢材料保護研究所于20世紀60年代就開展了對粉末滲鋅工藝的研究；北京有色冶金設計研究總院于1984年開始對粉末滲鋅工藝進行探索性試驗研究，1986—1988年實現了工業化生產，開發出粉末滲鋅成套設備和粉末滲鋅產品等國家專利，為在國內全面推廣這項新工藝提供了技術基礎。而多元合金共滲技術是在粉末滲鋅和真空滲鋅的基礎上發展和創新出來的最新的防腐處理技術，是目前金屬構件防腐的熱門技術。

3 多元合金共滲技術

3.1 多元合金共滲技術的原理

鋼鐵制件的多元合金共滲過程實際上是多種金屬元素與鐵元素之間的熱力學和動力學的過程，取決于各金屬元素與鐵元素的相平衡信息和擴散路徑。多元合金共滲的技術原理是利用物理、化學吸附沉積和機械碰撞使多元金屬粉在工件表面形成鍍層。由于其他金屬元素的引入，使滲層由類似多種合金組成，從而提高滲層的防銹性能。由于采用了以鋅粉、鋁粉、稀土金屬等材料為主要組分，其中的金屬元素達到了3個以上，所以稱為多元滲劑。而將采用多元滲劑進行浸滲處理稱為多元合金共滲。其共滲過程是將多元微納米滲鋅劑與鋼鐵制件置于真空滲鋅爐中，加熱到350～420 ℃，多元活性鋅等金屬原子則由表及里地向鋼鐵制件滲透。同時，鐵元素由內向外擴散，在鋼鐵制件的表層形成鋅-鐵多元金屬間化合物，即多元鍍鋅層。這種鍍層與其他鋅鍍層相比，具有結合強度高、鍍層硬度高、無氫脆危害、鍍層厚度均勻性好、工藝簡單、節省原料等優點。

3.2 多元合金共滲裝置及工藝

多元合金共滲的發生裝置是共滲爐，主要由爐膽（裝料筒）、爐體（加熱體）、電機、底座、支撐架、滾筒、控制系統、定位裝置和外部降塵部件組成，其外觀如圖1所示。

多元合金共滲技術主要包括下料、機加工、除油，拋丸、多遠合金共滲等多種工藝，其工藝流程如圖2所示。

3.2.1 下料

利用火焰切割、等離子切割或沖裁等方式將鋼板切割成需要的坯料。

3.2.2 機加工

將鋼坯料通過機械加工、拼焊和清理，制成鋼鐵制件。

3.2.3 除油

對鋼鐵制件進行表面除油處理，目的是獲得良好的多元合金共滲層質量。

3.2.4 拋丸

將直徑在0.5～2.0 mm的鑄鐵丸子在0.2～0.4 MPa壓縮空氣的作用下拋向鋼鐵制件表面，目的是除銹并降低鋼鐵制件表面粗糙度，以獲得良好的表面質量。

3.2.5 多元合金共滲

在滲鋅爐中，將鋼鐵金屬制件埋在滲鋅劑中，控制爐膛裝填量為70%～75%，爐膛轉速為2～3.8 r/min，滲鋅溫度400～480 ℃。

3.2.6 檢測

對合金共滲層的厚度、硬度、抗腐蝕性能進行檢測。

3.2.7 封閉

對檢驗合格的多元合金共滲鋼鐵制件通過噴漆或鈍化進行表面封閉處理，提高鋼鐵制件的耐腐蝕性能。

3.2.8 檢測

對封閉處理后的鋼鐵制件按照圖紙要求進行全面檢驗。

3.2.8 包裝

對終檢合格的鋼鐵制件（產品）進行包裝。

3.3 多元合金共滲的技術瓶頸

雖然多元合金共滲防腐技術有很多優點，但在工業化生產中，仍然存在以下瓶頸和亟待解決的技術問題：①現有多元合金共滲層配方鋅粉用量大、成本高。需要對鐵路混泥土鋼鐵制件的使用環境設計多元合金共滲層配方和封閉涂層配方，以延長使用壽命，并降低鋅粉用量。②現有多元合金共滲過程加熱保溫周期長、能耗大。整個滲鋅過程中從加熱到保溫至少需要4.5 h，生產效率低。③滲鋅爐滲鋅完成后，取出金屬構件時的粉塵較大，既污染環境，又影響生產工人的身體健康，靠自然降塵需要等待3 h左右，降低了生產效率。④在現有滲鋅爐的滲鋅過程中，易導致金屬構件滾動、碰撞，造成金屬構件如螺栓牙紋損壞，成品合格率低，生產成本進一步加大。

4 結束語

目前，高鐵、地鐵、橋梁等交通基礎建設所需的大量緊固件和連接件等金屬構件要求按新標準生產。由于高速鐵路、地鐵和橋梁有其自身的特點和使用環境，對金屬材料的防腐性能要求高。為了滿足高鐵、地鐵和橋梁等基礎設施建設的需要，金屬防腐技術仍需深入研究。多元合金共滲技術只有解決其在生產實踐中存在的問題，才能進一步推廣和應用。

〔編輯：張思楠〕