典型環境中電氣化接觸網零部件的腐蝕研究

王一舒，張小琴，高棚雲，冀耀華

1 鋁合金和接觸網零件

鋁合金在金屬工件中占了相當大的比例，是目前在機械制造中占比較高的金屬材料之一，從材料性能特點上分析，鋁合金有比重較小、便于強化、塑性好、耐腐蝕、便于加工處理等的優點。純鋁合金的比例大小通常為二點七，約為普通鑄鐵和鋁合金比例大小的三分之一。純鋁合金的硬度并不高，但在經過合金化和熱處理過程以后、自身特性就會有所改善。而鋁合金的電負性也不高，在與氧氣接觸的過程中就會表現出很大的親和性。而鋁合金的導電和導熱性都低于銀，導電率為銀的百分之六十四，是鐵的四倍。因此鋁合金材質的熱加工直接關系到機械的特性，而各種熱處理狀態所對應動力學特性的如表一所示。

2 陽極氧化膜層生成機理和特點

鋁合金工件的陽極氧化處理的原理是在電解液中將鋁合金工件表面作為陰極，鉛板為陽極，通電以后能夠在一定的電流、電壓作用下在工件表面上產生陽極氧化膜層。在鋁合金陽極氧化的過程中，因為鋁的表面存在一層在空氣中形成的氧化膜，在電解液中與溶液發生氧化膜的溶解，但在通電的條件下，工件表面上會生成新的氧化膜。當電壓、電流調節至合適的工藝范圍，氧化膜的溶解和形成會協調進行，同時發生，最終形成的鋁合金的陽極氧化膜是抗腐蝕性能較高的致密膜層。

3 微弧氧化成膜的原理和特點

微弧氧化是在陽極氧化處理技術工藝技術基礎上進一步發展出來的一類較為高級的材料表面處理。利用電解液溫度變化與相應電源、電流等參數的相互融合，從而在弧型放電產生的瞬間升溫作用下，生長出由基體金屬氧化物組成的氧化物層。由于微弧氧化物材料表層硬度良好，耐磨性能較好，生產工藝簡單可靠，使用簡便，是綠色的環保型技術形式。微弧氧化法是一類可以直接在鋁合金表層原位上生長金屬氧化層的氯化環保處理技術，會使用專門的微弧氧化電源來對鋁合金表層增加高壓，也會擊穿在其表層上產生絕緣性能的金屬氧化層，從而形成等離子微弧放電現象，形成瞬時升溫，從而促進絕緣層的快速冷卻。當將熔融絕緣層燒結生成的晶態氧化物以后，還會在晶體表面上產生一段連續性的抗氧化物層，進而有效地提高了產品的耐磨性能。微弧氧化是一個可以被直接地作用于鋁合金材料表層原位生長金屬氧化層上的綠色保護技術形式，在使用微弧氧化電源的情形下會對鋁合金材料表層施以高壓電流，穿透表層并形成絕緣性能的金屬氧化物層，從而形成等分子微弧放電現象。微弧放電在氧化過程的時候會形成大量的基本類型，而伴隨化學反應進行的則是表面膜層結構的改變，在基體中氧化鋁與水溶液的氧會形成氧化反應。在導電以前，金屬陰離子的形成主要是由于硅酸鈉與氫氧化鈉溶液在水底發生了電離，而導電以后鋁合金零元件所聯結在電源上的正極也可被看作是金屬陽極。

4 腐蝕機理

材料在腐蝕介質中進行電化學或化學反應，而使其組織損傷、機械性能下降、功能破壞，甚至喪失的過程叫做金屬腐蝕現象，而根據侵蝕原理的不同，又可以把金屬腐蝕現狀分成物理化學侵蝕和電化學性質侵蝕二大類。

4.1 化學腐蝕性

化學反應侵蝕，是指金屬材料在與周圍環境介質中的非電解質物相接觸時，僅產生化學反應所引起的侵蝕現象。這種腐蝕常在干燥環境中發生，腐蝕破壞處會因氧化還原反應而產生氧、氯、硫等元素的化合物，金屬基體被化合物占據并逐漸向內部擴展。在腐蝕過程中，如果生成的化合物能形成致密的薄膜，就會附著在金屬表面上，故能阻止腐蝕破壞的進一步發生，如鋁與鉻發生化學腐蝕時產生的氧化物Al2O3、Cr2O3就具備這種性質。如形成的物質不夠致密，則化學侵蝕會繼續進行。化學腐蝕的特點是電子在金屬與氧化性物質之間直接得失而造成化合價升降，從而使金屬被氧化，該腐蝕發生時電子不發生定向移動，因此沒有電流產生。由化學腐蝕造成的金屬破壞程度較小。

4.2 電化學腐蝕

電化學傳感器銹蝕現象是指金屬表面和導電介質成為原電池，從而產生電化學傳感器效應而產生的銹蝕現象。當腐蝕產生時，由于金屬表面內層水分電子流和周圍介質物體中的金屬氧化物離子流構成了閉合電路，因此陽極反應必須和陰極反應一起完成。陽極反應是金屬氧化物離子缺乏電子進而被氧化物的步驟，而陰極反應則是周圍介質物體中得到電子產品進而被氧化還原的步驟。

5 各種材料電氣化接觸網零部件防腐方法

5.1 鈍化處理

鈍化處理法是指利用鈍化劑對金屬材料表層經過鈍化處理，在其表面形成鈍化膜，降低金屬材料零件表面活性的防腐方法，目前鈍化處理后的合金薄膜厚度為10μm ～40μm，滿足鹽霧腐蝕試驗要求。鈍化處理主要應用在定位環、連接單耳、承力索座、雙耳套筒等鍛件或鑄件產品中，在電氣化接觸網零件中，該技術應用十分廣泛。

5.2 微弧氧化處理

微弧氧化是利用高壓放電原理激活鋁合金表面氧化層，在高溫狀態下氧化層熔融，最終凝結為一層強度很高的陶瓷薄膜的防腐處理方法。生成的陶瓷膜層與鋁合金基體之間的融合力度特別強烈，而膜層本身也富有高硬度、良好的物理化學穩定性和耐磨性。就耐磨性來談，陽極氧化膜層的摩擦系數初始值較高，當時間加長后，摩擦系數急劇下降，最終接近鋁合金基體的水平，可見陽極氧化層的強度不高，容易破壞。而微弧氧化層的摩擦系數始終為0.6 左右，這個數值并不隨著時間而變化，說明這種氧化膜非常堅硬耐磨，黏著性強而不易剝落。在電氣化航空接觸網零部件中，鋁合金鑄鍛件旋轉平雙耳、定位環、吊線鉤等零件已經普遍應用該防腐技術。實踐證明，鋁合金零部件表面微弧氧化防腐后，可以在酸堿、風沙、隧道等惡劣的環境中使用。

5.3 碳鋼防腐

普通碳鋼制件的抗腐蝕性能較差，需要根據使用環境及制件用途安排不同的表面處理工藝，目前碳鋼類零部件主要通過電鍍鋅、電鍍鎘、電鍍鋅鎳、電鍍鎘鈦、化學氧化、磷化及噴漆來防止腐蝕發生。

5.4 熱浸鍍鋅

熱浸鍍鋅是將碳鋼類零件放入高溫鋅液中，使其表面獲得均勻鋅層的表面防腐技術，當鋼制件浸入鋅液后，基體與鍍層之間通過高溫化學反應、溶解、相互擴散等方式緊密結合，最終形成被鋅層包裹的金屬復合體。熱浸鍍鋅是接觸網零部件應用最廣泛的防腐技術。從近幾年的鍍鋅鋼鐵零部件服役情況來看，鍍鋅層并不能長時間在惡劣的環境中保持完好，尤其在雨水較多、酸性較強的地方，鍍鋅層容易被破壞，致使碳鋼類零件提前失效。

5.5 VCI 涂層防腐

VCI 是一種金屬腐蝕抑制劑，是經過專用設備及工藝加工而成的鋅鋁復合材料防腐物質。該防腐過程是將VCI 抑制劑通過一定的方法氣化，使其黏著在金屬表面，由于金屬基體對該氣體具有很強的吸附性，故最終在表面形成幾個分子厚度的保護膜，達到防腐效果。VCI 涂層厚度非常薄，但防腐效果比熱浸鍍鋅強，這是因為分子尺度的薄膜非常致密，沒有金屬基體通向空氣的孔隙，而熱鍍鋅層在宏觀上較厚，在微觀層面卻存在較小的孔隙，腐蝕介質通過孔隙與基體反應而逐漸使零件失效。

5.6 氣體多元共滲防腐

氣體多元共滲是將需要進行表面防腐處理的鋼制零部件放進特制的密封設備中，在高壓高溫條件下通入多種元素的氣體，這些氣體原子滲入零件表面形成不同于基體的多元金屬間化合物，改變零件表面抗腐蝕性能的方法。氣體多元共滲的元素有C、O、N 等，滲入厚度隨著溫度、壓力不同而各異，一般可達100μm 以上，可根據服役條件調整共滲參數。

5.7 銅合金防腐

在電氣化接觸網控制系統中，終端錨固性能線夾、定位線夾、中心錨結線夾、彈性吊物線夾等主要零件使用了CuNi2Si、QAl10-4-4 等牌號的變形銅合金所制成，這些銅合金表面能夠自然生成一層鈍化狀態的保護膜，可以抵抗海水、鹽酸、硫酸等物質的腐蝕。但在濕度較大或硝酸含量較高的介質中，銅合金的抗腐蝕性能受到抑制，當銅合金表面臨界濕度超過60%時，大氣中的CO2、NO2等氧化物與水分子結合，可以破壞銅合金表面的鈍化膜。目前接觸網銅合金零部件的防腐方法主要有光飾防腐與鉻合致鈍防腐兩種。

5.8 光飾防腐

光飾防腐也稱為光整防腐，將需要表面處理的銅合金零部件放入光飾機容器中，再添加適當比例的添加劑與磨料，通過設置一定頻率與時間的周期性振動，使磨料與添加劑充分與零件表面摩擦，最終去除零件表面的污漬，使表面變得非常光滑并具有強烈的金屬光澤。這種光斑閃耀的表面很少附著其他污染物，所以具有較好的抗腐蝕性能。

5.9 鉻合致鈍防腐

鉻合致鈍技術是銅合金材料防腐蝕發展的最新方向，和鋁合金材料防腐蝕技術類似，也就是在表面產生了一個致密的金屬保護層，膜和金集體之間通過強化學鍵結合，而且結合力也很強。這種技術最大的特點是當保護膜與空氣接觸時具有自修復功能，從而保證零件表面不與空氣直接接觸，達到長期防腐的目的。鉻合致鈍防腐工藝過程較復雜，目前并沒能在電氣化接觸網中大范圍應用。

5.10 不銹鋼防腐

不銹鋼材料可分成馬氏體不銹耐酸鋼、鐵素體不銹鋼材料、奧氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼材料等多種，而Cr 含量較高是不銹鋼的一大特點，固溶體中的Cr 含量達到12.5%原子比時，材料電極電位會突然升高，并能在表面形成穩定的氧化膜。但在實際生產中，不銹鋼局部區域的Cr 含量不會準確達到12.5%原子比，所以不銹鋼腐蝕現象依舊存在。在使用不銹鋼零部件時，主要通過選擇合理的不銹鋼類型與不銹鋼鈍化來提高材料的抗腐蝕性能。在電氣化航空接觸網系統中，常用的不銹鋼類型有304 型與316 型，使用時要根據介質中氯離子的含量確定類型。

6 電氣化接觸網零部件防腐性能檢驗內容與評價方法

6.1 電氣化接觸網防腐性能檢驗內容

經過幾十年的發展，電氣化接觸網零部件腐蝕性能檢驗方法已經趨于成熟，主要通過鹽霧腐蝕試驗、結合力試驗、濕熱試驗、孔隙率測定試驗、鍍層微硬度測定、鍍層內應力測試等多項試驗來驗證防腐蝕性能。其中一些檢測項目已經形成國家標準或行業標準，目前防腐性能的檢測方法正在加快標準化進程。

6.2 電氣化接觸網防腐性能評價方法

金屬腐蝕速率受環境溫度、濕度以及腐蝕物質含量的影響，為了有效評價電氣化接觸網零部件的防腐蝕性能，研究人員制定了多種評價方法，主要有通用值法、IOS CORRAG 評價法等。

6.3 通用值法

通用值法是采用通用數值來表征金屬表面腐蝕速率的方法，通過指定熱帶、溫帶、郊區、中等工業區、重工業區等大氣環境的腐蝕壽命值，來判斷不同涂層厚度的金屬抗腐蝕性能。這種方法估算的腐蝕性能數值具有離散性，對于需要精確評價防腐性能的零件并不適用。

6.4 IOS CORRAG

該評價方法是由國際標準組織ISO 開發頒布的，是根據金屬周圍SO2含量、鹽濃度、潤濕時間等因素將金屬服役環境分為不同的類別，較精確地估算出某一地區某種材料的防腐性能，計算結果比通用值法精確，但仍然屬于近似估算法。在進行電氣化航空接觸網零部件防腐性能評價時，可以將通用值法與IOS CORRAG 法結合起來，以獲取較科學的防腐性能參數。

7 金屬腐蝕原因分析與防腐建議

7.1 原因分析

鍍鋅層的大氣腐蝕行為主要取決于腐蝕產物的類型。腐蝕產物在不同的大氣環境中是不同的。通常，由于鋅涂層表面潮濕或液膜的存在，會在其表面形成氫氧化鋅，從而導致表面液膜pH 值升高。由于空氣中存在CO2，氫氧化鋅將與空氣中的CO2反應，形成堿性碳酸鋅保護膜。因此，鋅鍍層在潔凈大氣中具有一定的耐蝕性。但在大氣環境中，一方面空氣濕度高，容易在鍍鋅層表面形成液膜；另一方面，氯鹽含量相對較高，導致液膜中存在大量氯離子。這樣，具有一定保護作用的堿式碳酸鋅會轉化為堿式氯化鋅而失去保護作用，導致鍍鋅層在大氣環境中受到嚴重腐蝕。如果大氣環境受到SO2、HF 和N0 的影響。如果被酸性氣體污染，鋅涂層表面的液膜呈酸性，這將顯著加速鋅涂層的溶解，形成硫酸鹽、氟化物和氯化物的混合物，最終導致鋅涂層在受污染的大氣環境中嚴重腐蝕。鋁和鋅具有相似的化學性質，屬于活性金屬。鋁比鋅更活潑。鋁合金在一定環境介質中具有一定耐蝕性的原因是鋁具有活性，容易在表面形成氧化膜。然而，這種氧化膜具有多孔性，因此鋁合金在含有氯離子的腐蝕介質中容易發生腐蝕。這也表明鋁合金接觸網組件在大氣環境中，尤其是在污染的大氣環境中也會發生點蝕。此外，當鋁合金極限定位器與其他金屬零件接觸時，不同的電極電位決定了電化學腐蝕的必然性。特別是在極端環境條件下（高溫高濕），其耐腐蝕性和防護能力降低。在含硫和瓷磚燃燒粉塵的大氣環境中，鋁合金的腐蝕更為嚴重。調查還發現，如果航空線路附近有廢氣排放源，如附近的瓷磚廠，瓷磚燒制過程中會產生SO2、HF 和N0。和其他酸性廢氣，則接觸網的金屬部件將受到嚴重腐蝕。

7.2 接觸網金屬部件防腐措施建議

研究表明，在正常大氣環境條件下，接觸網金屬構件的防腐性能良好，但在空氣污染嚴重的情況下，其防腐性能不容樂觀。例如，接觸網采用的平懸臂、斜懸臂等碳鋼部件，在潮濕環境中會因加速腐蝕而失去保護；鋁合金具有良好的耐大氣腐蝕性，但在典型的沿海環境條件下，其耐腐蝕性和防護能力也會降低。因此，結合大氣環境的腐蝕特點，建議在現有鍍鋅防腐的基礎上增加有機涂層防腐系統，以實現對接觸網金屬構件的有效腐蝕控制，從而提高接觸網金屬構件的使用壽命，保證航行安全運行的可靠性。

8 結語

隨著防腐技術的發展，國內眾多高校、企業、科研院所等機構相繼開發了各式各樣的金屬表面防腐方法，有些方法已經應用于電氣化航空接觸網零部件中，有些方法由于成本、效率等問題沒能充分應用，但關于金屬表面防腐問題的研究一直沒有中斷，高效、快捷的新型防腐手段層出不窮。在大力發展國家高速航空的同時，應該充分融合現代科技力量，認真研究防腐機理，延長接觸網零部件的服務周期，并響應環保國策，將更多的防腐方法應用到接觸網零部件開發過程中。