高速鐵路接觸網(wǎng)零部件熱鍍鋅的研究

俞先軍

（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）

目前中國高速鐵路行業(yè)中的接觸網(wǎng)零部件大量采用鋼鐵制品，其中有腕臂系統(tǒng)、底座裝置、下錨裝置、隧道內(nèi)補(bǔ)償裝置及H形支柱等，高鐵產(chǎn)品服役地區(qū)廣泛，既在濕冷的隧道，又在腐蝕性強(qiáng)的近海地區(qū)，加上近年來局部地區(qū)的環(huán)境污染越來越重，高鐵零部件的防腐控制越來越重要，目前鋼制零部件的防腐主要還是采用熱鍍鋅工藝，熱鍍鋅的工藝越來越得到重視。

1 高速鐵路接觸網(wǎng)零部件熱鍍鋅技術(shù)的研究背景

1.1 技術(shù)基礎(chǔ)

在高鐵接觸網(wǎng)中，熱鍍鋅工藝主要應(yīng)用于H形支柱、棘輪連接件、腕臂底座、下錨零部件等，接觸網(wǎng)零部件制造種類多，鋼材厚度不一，各產(chǎn)品對表面熱鍍鋅要求不同，通過改進(jìn)研究，解決了產(chǎn)品鋅層不均勻性，鋅層暴鋅、漏鍍等問題。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)

2 熱鍍鋅技術(shù)的研究

2.1 熱鍍鋅技術(shù)的原理

熱鍍鋅鋅錠主要成分是鋅，鋅的化學(xué)成分活潑，在常溫的空氣中，可以生成堿式碳酸鋅膜，可阻止基體進(jìn)一步氧化。化學(xué)符號是Zn，它的原子序數(shù)是30。熱鍍鋅大多采用的是高純電解鋅錠，一般含鋅量為99.995%，在熔池中確保熔融鋅中的雜質(zhì)總含量（鐵、錫除外）不應(yīng)超過總質(zhì)量的1.5%。鋅的熔點(diǎn)是

國內(nèi)接觸網(wǎng)零部件的熱鍍鋅技術(shù)的難點(diǎn)主要有：①產(chǎn)品漏鍍、暴鋅，主要分局部漏鍍和氣旋造成的漏鍍和成片狀的鋅層脫落；②鋅層厚度不達(dá)標(biāo)，主要有主體和組合部件的厚度不達(dá)標(biāo)；③表面流掛，主要為長條狀產(chǎn)品；④鋅層色差明顯，主要為大平面鋼件；⑤產(chǎn)品生白銹。419.53℃，一般大結(jié)構(gòu)件熱鍍鋅溫度控制在435～450℃之間。需要離鋅的螺紋件施鍍溫度一般在520～540℃之間。

熱鍍鋅的3個(gè)步驟如下：①產(chǎn)品表面被鋅液溶解，鐵基表面被鋅液溶解形成鋅-鐵合金相成。②合金層中的鋅離子進(jìn)一步向基體擴(kuò)散形成鋅-鐵互溶層；鐵在被鋅液溶解的過程中形成鋅-鐵合金，并繼續(xù)向周圍擴(kuò)散。③在鋅-鐵合金層的表面包裹著鋅層，鋅層在常溫下冷卻結(jié)晶，形成鍍層。

2.2 鋅液中加鋁改善性能

在實(shí)際的施鍍過程中，往往為了增強(qiáng)鋅液的流動(dòng)性和鋅層的綜合性能，要在鋅池中加入一定含量的鋁。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，鋅液中鋁含量低于0.15%時(shí)，鋅-鐵化合物之間形成不完整的FeAl抑制層，鍍層的塑性大大降低。當(dāng)鋅液鋁含量高于0.15%時(shí)，就會(huì)形成完整致密的FeAl抑制層，保證了合金層的均勻性和厚度，有利于鍍鋅層的綜合性能。鋅液中的鋁含量一般控制在0.16%～0.20%之間較為適宜[1]。當(dāng)然還要根據(jù)施鍍的產(chǎn)品類型、環(huán)境溫度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2.3 鍍鋅工藝的實(shí)施

熱鍍鋅的工藝主要有以下步驟：工件→脫油、脫脂→酸洗→浸助鍍劑→烘干預(yù)熱→熱鍍鋅→冷卻→鈍化→檢驗(yàn)。

脫油、脫脂酸洗主要是在施鍍前處理工件表面的氧化皮、油污和其他影響鍍鋅的污染物，酸洗的時(shí)間及溫度應(yīng)根據(jù)工件的銹蝕程度和天氣進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)天氣溫度低時(shí)應(yīng)加長酸洗時(shí)間和提高酸洗介質(zhì)的溫度，脫脂和酸洗處理不好將會(huì)對鍍鋅附著力和漏鍍產(chǎn)生影響。浸助鍍劑，可保持在浸鍍前工件具有一定活性，避免二次氧化，以增強(qiáng)鍍層與基體結(jié)合。在施鍍前應(yīng)對工件進(jìn)行預(yù)熱，熱干水分，避免在鋅池中造成濺暴。熱鍍鋅時(shí)應(yīng)根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)大小、施鍍方位制作施掛合適的掛具，從鋅鍋上方傾斜緩慢侵入，應(yīng)控制好下降速度，一般保持在1.5 m/min，根據(jù)工件的厚度和鍍鋅厚度的要求控制好鍍鋅時(shí)間，一般工件施鍍時(shí)間應(yīng)為3～5 min，起鍍時(shí)應(yīng)緩慢提升，一邊起升一邊刮除工件上的流掛鋅液，也可采用在掛具上方采取振動(dòng)裝置在起升時(shí)振動(dòng)，減少工件鋅瘤鋅刺的產(chǎn)生。鈍化是利用鈍化液（鉻酸鹽鈍化液）中的氧化性物質(zhì)與金屬產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，促使在金屬表面生成一層金屬的氧化物，達(dá)到有效保護(hù)金屬的目的，這一過程屬于化學(xué)反應(yīng)。工件表面產(chǎn)生的鈍化膜致密、完整不易被破壞，預(yù)防白銹的產(chǎn)生。

3 熱鍍鋅質(zhì)量缺陷的研究

3.1 產(chǎn)品漏鍍、暴鋅

在管件和角鋼類零部件的施鍍中存在局部漏鍍和成片狀的鋅層脫落。漏鍍主要分為芝麻粒狀和不規(guī)則片狀的漏鍍，布局廣泛，如圖1所示。暴鋅則為局部鋅層脫落，主要是鋅層附著力不達(dá)標(biāo)，如圖2所示。

圖1 漏鍍

圖2 暴鋅

漏鍍一方面是工件在酸洗方面去除表面油污雜質(zhì)不到位，酸洗時(shí)間較短等因素，另一方面是由于工件本身的設(shè)計(jì)原因，如結(jié)構(gòu)未開倒角，造成施鍍時(shí)局部氣旋無法排出，或是管狀出氣孔處由于要排出氣體，氣體上沖把孔邊緣的鋅層破壞造成局部漏鍍。解決方法主要是加強(qiáng)工件表面的油污酸洗；加強(qiáng)對工件本身的設(shè)計(jì)，例如管類產(chǎn)品要開出氣孔，筋板類焊接后要留出倒角孔，方便施鍍時(shí)氣體通暢，便于鋅液流淌；開孔的位置應(yīng)設(shè)置合理，避免出氣影響本體鍍鋅面。

鋅層脫落主要是由于工件表面的氧化物質(zhì)未清除干凈和薄的工件鋅層鍍的過厚造成本體的附著力降低導(dǎo)致。解決方法是采取更優(yōu)的表面處理工藝清除表面的氧化物質(zhì)，根據(jù)板材的厚度設(shè)計(jì)施鍍鋅層厚度。

3.2 鋅層厚度不達(dá)標(biāo)

鐵標(biāo)TB/T 2073—2010中對零部件的鋅層厚度作出一、二、三級的要求，如表1所示。

表1 零部件的鋅層厚度要求

對于鋅層厚度而言，50μm、70μm、80μm所指的是測量本體上的局部厚度，通常采用手持式鋅層測厚儀來檢測表面的鋅層厚度，即磁性法。其工作原理為：采用電磁感應(yīng)法測量涂（鍍）層的磁性金屬表面覆蓋層的厚度，即位于部件表面的探頭產(chǎn)生一個(gè)閉合的磁回路，隨著探頭與鐵磁性材料間的距離的改變，該磁回路將發(fā)生不同程度的改變，引起磁阻及探頭線圈電感的變化，利用這一原理可以精確地測量探頭與鐵磁性材料間的距離，即涂（鍍）層厚度。當(dāng)然，并不是說測量一個(gè)點(diǎn)的鋅層厚度就判定鋅層不達(dá)標(biāo)，而是取平均值。

GB/T 13912《金屬覆蓋層 鋼鐵制件熱浸鍍鋅層技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》中提到在每個(gè)不小于1 000 mm2的基本測量面內(nèi)采用磁性法測量時(shí)，應(yīng)至少取5個(gè)點(diǎn)測量測厚，其算術(shù)平均值即為該基本測量面的鍍層局部厚度。所以在測量時(shí)，允許個(gè)別點(diǎn)低于局部厚度或平均值[2]。但是當(dāng)局部厚度或平均厚度仍然不達(dá)標(biāo)時(shí)，那么整批次產(chǎn)品的鍍層厚度就是不達(dá)標(biāo)了。

不達(dá)標(biāo)的主要原因有：①鍍鋅時(shí)間短，上鋅量不夠；②工件表面處理不到位；③一種產(chǎn)品中既有厚件，又有薄件；④工件一端鋅層達(dá)標(biāo)，另一端不達(dá)標(biāo)。

解決辦法為：①增加鍍鋅時(shí)間，鋅層厚度隨著鍍鋅時(shí)間的增加而增加。②工件采取拋丸工藝處理，增加表面粗糙度，清除表面異物。拋丸時(shí)要注意工件的結(jié)構(gòu)，防止工件拋丸后變形。如空腔件、薄件產(chǎn)品不宜采用履帶式拋丸機(jī)，應(yīng)采用掛拋機(jī)垂直旋轉(zhuǎn)施拋。一般采用Φ0.3 mm的圓鋼珠，拋丸時(shí)間為3～10 min。③采用合適的掛具將工件兩頭掛起，先浸入鋅池的一端先起鍋，可以避免后下的先起鍋，造成鍍鋅時(shí)間不夠，引起兩端鋅層厚度不一致的問題。

3.3 鋅層表面流掛

接觸網(wǎng)零部件分為長條狀產(chǎn)品和管類狀產(chǎn)品，在熱鍍鋅時(shí)會(huì)出現(xiàn)流掛現(xiàn)象，有些還比較嚴(yán)重，嚴(yán)重影響表面的美觀度和鋅層的均勻度。流掛的原因主要有：鍍鋅鋅池溫度不高，流動(dòng)性差；工件掛點(diǎn)采取不合適；鋅池成分配比不到位等。對此，要對鍍鋅池內(nèi)的溫度保持持續(xù)控制，防止因長時(shí)間施鍍造成池溫降低；根據(jù)鍍件的結(jié)構(gòu)采取合適的掛點(diǎn)接觸點(diǎn)，防止面層鋅液流掛；對鋅池的成分進(jìn)行檢測，添加適量的鋁提高鋅液流動(dòng)性等方法。

3.4 鋅層色差

鍍鋅產(chǎn)品的色差主要呈灰色或暗灰色，影響產(chǎn)品整體的美觀度。這個(gè)原因是多方面的，主要受工件本身含有的元素影響，如硅（Si）和磷（P）。在一定的成分范圍內(nèi)，硅和磷會(huì)導(dǎo)致形成不均勻的光亮色和（或）暗灰色鍍層。另外鍍后修復(fù)也要避免大面積使用自噴漆對工件表面進(jìn)行修復(fù)，因?yàn)樵诠ぜ郯肽昊蚋煤螅瑳]有修復(fù)的工件表面會(huì)氧化發(fā)暗，而修復(fù)過的工件表面還是會(huì)顯示亮白色，造成色差，如圖3所示。

圖3 明顯的色差

3.5 產(chǎn)品表面白銹的生成

白銹生成的原因?yàn)椋哄冧\層表面若粘附一層凝結(jié)水，與空氣中的氧氣、二氧化碳、酸性物質(zhì)接觸以及其他化學(xué)氣體作用后，變成了一種具有腐蝕性的水溶液而附著于鍍鋅層表面，形成一種電解液。這種電解液與化學(xué)穩(wěn)定性較差的鋅層發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，從而產(chǎn)生粉末狀腐蝕產(chǎn)物，稱為白銹[3]。尤其是在管件互相接觸或板材鍍鋅后存放時(shí)相互緊密接觸，在潮濕的環(huán)境下，最容易生成白銹，如圖4所示。

圖4 管件表面嚴(yán)重白銹

處理方法：輕微白銹可以用軟毛刷刷去白銹，嚴(yán)重時(shí)必須返鍍處置。

預(yù)防措施：①鋅板堆放時(shí)，做好防潮措施，表面避免有凝結(jié)水。運(yùn)輸時(shí)，根據(jù)天氣情況做好防護(hù)，避免被雨水淋濕浸泡。管類產(chǎn)品應(yīng)采取措施將縱向和橫向都用隔板隔開，避免接觸，保持通風(fēng)。板類產(chǎn)品要用發(fā)泡袋或珍珠棉進(jìn)行隔離包裝。②儲存?zhèn)}庫中應(yīng)保持空氣流通，空氣相對濕度不應(yīng)高于80%以上。③物件堆放不應(yīng)有有害氣體及過多的灰塵。④對鍍鋅層表面進(jìn)行鈍化處理。

3.6 管狀產(chǎn)品的熱鍍鋅工裝的改進(jìn)措施

管體鍍鋅要達(dá)到鍍鋅要求，對于三級熱鍍鋅（80μm以上），鍍鋅要準(zhǔn)備專門吊鍍工裝，如圖5所示，平腕臂、定位管采用2頭穿鋼筋的方式鍍鋅，斜腕臂采用一頭穿在單耳里，一頭穿在管臂里的鍍鋅方式，支撐管可采用掛鍍方式，總體是避免在管體上有任何接觸點(diǎn)，因?yàn)橛薪佑|點(diǎn)后采取打磨修銼會(huì)對管體鋅層造成破壞，影響整體的防腐性能，從工裝上進(jìn)行改進(jìn)可以有效避免接觸點(diǎn)的產(chǎn)生，減少后期接觸點(diǎn)的修復(fù)，達(dá)到本質(zhì)鋅層不受損傷的目的。

圖5 吊鍍工裝

3.7 復(fù)合鋼件產(chǎn)品的鍍鋅控制

當(dāng)一種產(chǎn)品由型鋼、角鋼和薄板組成時(shí)，要考慮型鋼和角鋼的鍍鋅時(shí)間控制，往往當(dāng)型鋼和角鋼鋅層厚度滿足，薄板卻不能得到滿足，那么就要提前將薄板進(jìn)行表面拋丸處置，增加表面粗糙度，提高同步上鋅時(shí)間。一般厚度低于2 mm板材或網(wǎng)孔狀板材易造成鍍鋅變形，應(yīng)當(dāng)注意避免。

4 結(jié)論

通過上述對接觸網(wǎng)零部件熱鍍鋅存在的質(zhì)量問題進(jìn)行研究解決，提高了高速接觸網(wǎng)零部件產(chǎn)品的熱鍍鋅質(zhì)量，提高了產(chǎn)品的防腐性能和穩(wěn)定性，為高速鐵路事業(yè)發(fā)展作出了一定貢獻(xiàn)。高速鐵路零部件的防腐腳步不會(huì)停止，一定會(huì)隨著時(shí)代的發(fā)展繼續(xù)發(fā)展。