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

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，并進行實驗驗證以及效果對比，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)標準《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。《電氣化鐵路接觸網(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)，其機械性能應(yīng)符合A2-70級及以上規(guī)定。目前，國內(nèi)大多項目及簡統(tǒng)化新標準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，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)銹蝕零件進行污染物分析，提出可行性防腐措施，并進行驗證和對比，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)境復雜多樣，造成不銹鋼銹蝕的原因也復雜多樣。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成分、組織結(jié)構(gòu)、晶粒晶間狀況和表面情況等。點腐蝕、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 不銹鋼點蝕

點蝕分布隨機，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 不銹鋼點蝕的產(chǎn)生原因

當鈍化膜受到破壞，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為Cl-＞Br-＞I-，特殊陰離子在合金表面的不均勻腐蝕，導致膜被不均勻破壞。點蝕是個多電極體系，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，污染超標與環(huán)境惡劣影響不銹鋼鈍化膜修復與再生功能。

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。外部因素是溫度導致，當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，鉻的擴散速度很慢，消耗的鉻不能從晶粒中通過擴散及時得到補充，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 化學元素影響

C的質(zhì)量分數(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，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達到過飽和狀態(tài)。可以消除相關(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期，這階段應(yīng)力影響比較小，時間長。中期為裂紋擴展階段，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)純力學的裂紋擴展階段，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散，以致加劇腐蝕進度。

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，選用線路銹蝕情況相比凸顯的標準件。對零件進行銹蝕物分析，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

用導電膠粘取少量螺栓上的銹蝕產(chǎn)物和白色產(chǎn)物，進行能譜分析，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 藍點實驗分析

對螺栓、墊片表面鈍化膜進行藍點檢測，濾紙浸漬藍點液后，貼附于待測表面并開始計時，25 s時螺帽位置開始出現(xiàn)藍點，29 s時螺桿出現(xiàn)藍點，84 s停止試驗，試驗后螺帽、螺桿、螺母和墊片表面均存在藍點。

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?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能力和再生能力進一步提高，且避免冷變形材料中鉻的擴散形成貧鉻區(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)濟成本角度考慮，需要進行最佳效果優(yōu)勢對比選用。

4.3 服役過程中維護保養(yǎng)

預(yù)配、轉(zhuǎn)運、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，對于表面損傷嚴重的、銹蝕嚴重的零件，予以更換。

5 不銹鋼防腐效果驗證

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《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》（GB/T 10125—2012）進行中性鹽霧試驗驗證，并滿足試驗時間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，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、服役過程中維護保養(yǎng)等三個方面制定可行措施進行防腐措施改進，并進行破壞式實驗，結(jié)果顯示，不銹鋼防腐性能得到了較大提高。

［1］楊玉珍，楊修德.腐蝕和腐蝕控制原理［M］.北京：中國石化出版社，2007.

［2］羅健.高速鐵路接觸網(wǎng)零部件應(yīng)用與研究［M］.北京：中國鐵道出版社，2018.

［3］王正蕉，吳幼林.不銹鋼［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2007.

［4］劉永輝，張佩芬.金屬腐蝕學原理［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1993.

［5］中國標準化委員會.GB/T 10125—2012 人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗［S］.北京：中國標準出版社，2013.

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，研究方向為電氣化鐵路。葛志銳（1984—），男，本科，工程師，研究方向為金屬材料。牛致森（1967—），男，本科，高級工程師，研究方向為材料工程。祝振宇（1966—），男，本科，高級工程師，研究方向為電氣化鐵路。陳可寧（1987—），男，本科，工程師，研究方向為接觸網(wǎng)。

〔編輯：嚴麗琴〕