彈條滲鋅工藝及防腐性能的研究

張松琦 張遠慶 于毫勇 汝繼來 呂明奎

（1.北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司，北京 102206；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

防腐性能的優劣直接關系到彈條的可靠性和使用壽命。為保證彈條的防腐性能，已有多種防腐方式應用于彈條，粉末滲鋅便是其中一種。粉末滲鋅工藝是一種固態多元熱擴散涂層加工技術，也是一種熱擴散表面強化技術，已廣泛應用于鋼鐵件的防腐處理。采用該工藝可以明顯改善金屬材料表面的耐腐蝕性，同時提高耐磨損、抗氧化、抗沖擊等性能［1］。粉末滲鋅技術形成的鋅-鐵合金層具有以下保護功能：作為阻擋層可將鋼基體與周圍的環境隔開，使之免遭腐蝕；在潮濕或者海洋環境下，滲鋅層作為犧牲陽極材料，對鋼基體起到電化學保護作用。目前，熱擴散粉末滲鋅技術已發展成為一種高質量、高性能、高效益的鋼鐵工件表面防腐處理技術［2］。

研究表明，影響滲鋅層厚度、物相組成等的因素有滲鋅溫度、滲鋅時間、升溫速率等［3-4］。此外，不同的滲鋅方法對滲鋅質量也有重要影響。張躍等［5］采用機械能助滲法在Q235 鋼片表面制備滲鋅層，發現機械能助滲法制備的滲鋅層比傳統粉末包埋法的滲鋅層更厚，抗高溫氧化性能更優。因此，機械能助滲法在滲鋅處理中獲得了較廣泛的應用。本文采用的滲鋅方法即為機械能助滲法。

粉末滲鋅過程主要有3 個步驟：前處理→滲鋅→后處理。前處理為拋丸處理，處理后的彈條表面無油、無銹、無氧化皮；后處理為封閉處理。在保證前處理和后處理工藝不變的條件下，影響滲鋅質量的因素主要是滲鋅處理時的滲鋅溫度和滲鋅時間。確定滲鋅溫度和滲鋅時間的關鍵依據是滲鋅時密封罐內部溫度隨時間的變化規律。

本文通過試驗研究滲鋅處理時密封罐內部溫度隨時間的變化規律，并在此基礎上選取不同滲鋅工藝處理的彈條，對其滲鋅層及防腐性能進行研究，以確定適宜的彈條滲鋅工藝。

1 試驗內容

1.1 材料選用

選用60Si2Mn彈條進行滲鋅處理。滲鋅劑主要由鋅粉、助滲劑、石英砂組成。

1.2 滲鋅工藝參數設定

設定不同的滲鋅溫度和滲鋅時間，組合成3 種滲鋅工藝，見表1。

1.3 試驗內容及儀器

1）采用測溫儀跟蹤測量密封罐內部溫度。

2）采用光學顯微鏡觀察并測量滲鋅層厚度。

3）采用顯微維氏硬度計測量滲鋅層顯微硬度。

4）依據Q/CR 563—2017《彈條Ⅰ型扣件》［6］，對滲鋅彈條進行防腐試驗。包括：①120 h 二氧化硫試驗；②120 h 中性鹽霧試驗；③噴砂后48 h 二氧化硫試驗；④噴砂后120 h中性鹽霧試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 滲鋅溫度

密封罐內加入400 kg 彈條，并按配方比例加入鋅粉、助滲劑、石英砂等，設定爐溫為A［3］。將加熱設備升到設定爐溫進行預熱，保持溫度不變，再將裝有測溫裝置的密封罐放入加熱設備，并按設定時間T進行滲鋅處理。

根據測溫儀的記錄，得出滲鋅全過程密封罐內部溫度隨滲鋅時間的變化規律，見圖1。

圖1 密封罐內部溫度隨滲鋅時間的變化曲線

由圖1可知，隨著滲鋅時間增加，密封罐內部溫度逐漸升高，且前期升溫快，后期升溫慢；當滲鋅時間達到設定的T時，密封罐內部溫度達到設定的A。

滲鋅要求最低溫度為350 ℃［7］。本文的3 種滲鋅工藝均符合要求。按3種工藝的參數設定滲鋅溫度和時間進行彈條滲鋅試驗研究。

2.2 滲鋅層厚度

測量采用3種滲鋅工藝進行處理的彈條的滲鋅層厚度，如圖2所示。測量結果統計見表2。

圖2 測量彈條滲鋅層厚度（單位：μm）

表2 滲鋅層厚度統計

由表2 可知：相同的滲鋅溫度（395～405 ℃）下，滲鋅時間從4.5 h 延長至5.5 h，滲鋅層厚度增加約22 μm；相同的滲鋅時間（4.5 h）下，滲鋅溫度由385～395 ℃增至395～405 ℃，滲鋅層厚度增加約13 μm。滲鋅層厚度隨滲鋅溫度和滲鋅時間的增加而增加。由于滲鋅溫度越低對工件的力學性能影響越小，因此滲鋅溫度不宜過高。

2.3 滲鋅層硬度

選取工藝3 處理的彈條，結合滲鋅層厚度，采用HV0.1 測試力測量彈條表面不同位置的滲鋅層顯微硬度，部分位置的測量結果及均值見表3。其中均值為全部測量結果的平均值。

表3 滲鋅層顯微硬度測量結果

由表3 可知，彈條表面滲鋅層硬度約350 HV，遠高于電鍍鋅、熱浸鍍鋅、達克羅及靜電噴涂的涂層硬度［8-9］。因此，滲鋅層具有很好的耐磨性。滲鋅工藝適用于在運輸、搬運、安裝和使用過程中不可避免出現磕碰和磨損的彈條的防腐處理。

2.4 防腐試驗

對工藝1—工藝3滲鋅處理彈條分別進行120 h二氧化硫、120 h中性鹽霧、噴砂后48 h二氧化硫、噴砂后120 h 中性鹽霧試驗。每種工藝進行每種防腐試驗的試件均為6 件。120 h 中性鹽霧試驗后所有試件均無明顯銹蝕。另3種防腐試驗后滲鋅彈條的表面狀況如圖3—圖5所示。試驗結果統計見表4。

圖3 3種工藝滲鋅彈條120 h二氧化硫銹蝕對比

圖4 3種工藝滲鋅彈條噴砂后48 h二氧化硫銹蝕對比

圖5 3種工藝滲鋅彈條噴砂后120 h中性鹽霧銹蝕對比

表4 防腐試驗結果統計

由表4 可知：3 種工藝處理的滲鋅彈條，均滿足中性鹽霧要求；工藝1、工藝2的耐二氧化硫、噴砂區域耐中性鹽霧及耐二氧化硫性能明顯低于工藝3。工藝3的綜合防腐性能明顯優于工藝1和工藝2。因此，該滲鋅設備處理彈條的滲鋅工藝應優選工藝3，其對應的滲鋅層厚度大于40 μm。

3 結論

1）采用測溫儀測量密封罐的內部溫度，得出彈條滲鋅處理時密封罐內部溫度隨時間的變化規律。

2）在設定爐溫下，滲鋅層厚度隨滲鋅時間的增加而增加。

3）當滲鋅層厚度大于40 μm 時，滲鋅彈條的綜合防腐性能良好。

4）彈條的滲鋅工藝適宜滲鋅溫度為395～405 ℃，滲鋅時間不低于5.5 h。