钢轨腐蚀与防护研究述评

肖锋

（中铁物资集团有限公司，北京100143）



钢轨腐蚀与防护研究述评

肖锋

（中铁物资集团有限公司，北京100143）

摘要：为突破钢轨腐蚀防护技术难以大规模推广使用的困局，国内外相关科技工作者进行了多方面的理论研究与技术探索。从钢轨腐蚀机理、影响因素以及防腐蚀方法三个方面，综述国内外的研究成果与最新动态，指出当前研究的不足，并从成分优化、冶炼与轧制技术提升、涂层与表面处理工艺开发以及铁路日常养护等方面提出建议。

关键词：钢轨；腐蚀；影响因素；防腐蚀

为提高钢轨耐蚀性能，国内外相关科技工作者从化学成分、热处理工艺以及表面处理工艺等进行了多方面的理论研究与技术探索，但实际应用却进展缓慢。本文将综述国内外钢轨腐蚀机理、影响因素以及防腐蚀方法三个方面的研究成果与研究动态，评述国内外钢轨腐蚀与防护的研究现状，为进一步提高钢轨耐蚀性能提出相关建议。

1　钢轨腐蚀机理的研究

国内对于钢轨腐蚀问题的研究更多倾向于实际运用，即针对特定环境下钢轨的腐蚀现象，研究通过添加合金元素和表面处理等方法减缓钢轨腐蚀的发生，并提出铁路日常养护的具体措施；国外对钢轨腐蚀机理的研究相对更早更透彻，在公认的电化学腐蚀机理基础[1]之上，Evans通过进一步的研究发现，在干湿交替的情况下，带有锈层的钢轨会被加速腐蚀[2]。在相对湿度较大的条件下，锈层可以起到强氧化剂的作用，直接参与阴极反应，即在Fe和Fe3O4的界面上发生Fe→Fe2++2e的阳极反应，在Fe3O4和FeOOH的界面上发生8FeOOH+Fe2++2e→3Fe3O4+4H2O的阴极反应；在相对湿度下降时，锈层和底部基体金属的局部微电池成开路，锈层内的Fe2+重新被氧化成Fe3+，发生Fe3O4+O2+6H2O→12FeOOH的反应。

2　钢轨腐蚀影响因素的研究

钢轨腐蚀的影响因素比较复杂，主要受环境的湿度、温度及大气中污染物等的影响。Robles等人的研究指出，在湿润的空气、盐离子、雨水和杂散电流存在时，钢轨与轨底垫板接触面会发生严重的腐蚀现象，迅速降低钢轨的服役寿命[3]。陈泽昊等人叙述隧道内钢轨腐蚀特点及其腐蚀损坏形式，对国内外钢轨防腐蚀技术研究现状进行述评[4]。罗虞霞等人通过对广铁集团公司管内大瑶山隧道、株洲北站等工段钢轨的腐蚀因素分析，发现机械和疲劳伤损会加速电化学腐蚀的发生[5]。对于城市轨道的腐蚀问题，国内外均认为杂散电流是加速腐蚀的主要因素[6]。

3　钢轨防腐方法的研究情况

提高钢轨耐蚀性能方法概括起来主要有以下几种：一是采用外加电流阴极保护的方法，由于使用直流电，容易干扰铁路信号，控制操作比较复杂；二是“牺牲阳极”的阴极保护法，由于阳极（通常选择锌片）更换次数较频繁，后期养护成本较高；三是采用改善化学成分的方法，在冶炼过程中添加Cr、Mo、Cu等合金元素以提高钢轨耐蚀性能，但生产成本相对较高；四是采用表面涂层保护的方法，由于目前研制生产的涂层与钢轨基体的结合力较低，容易脱落，使用寿命短；五是采用电弧或火焰喷涂锌、铝或锌-铝合金的方法，但前期需要通过喷丸或喷砂清除表面氧化物，工艺复杂，成本较高。上述方法各有利弊，目前均没有大规模的推广运用。

3.1国外研究动态

针对隧道铁路，尤其是海底隧道铁路，以及沿海地区铁路突出的钢轨腐蚀问题，国外做了大量的探索和实践。在合金化方面，日本从上世纪60年代末开始钢轨材料试验，通过对含Cr、Cu、Mo等元素的20多种钢轨材质的研究发现，在干湿交替的环境中，通过中、低水平的合金化，钢轨10年内的腐蚀量可降低60%左右；在表面处理技术方面，瑞士采用喷涂防锈油的方法，但有效作用时间较短，每两年需喷涂一次；日本曾在隧道内进行过25种防护方法的研究，结果表明，在钢轨表面喷涂金属最有效；法国铁路则采用复合防护的方式，即在钢轨表面经喷砂除锈后，先喷涂锌、铝或锌-铝合金，然后再施加高分子涂层，试验表明此种方法的防护效果最好。针对城市轨道，英国还推出了杂散电流收集系统[7]，结果证明该系统能有效地收集泄露的电流，降低钢轨电化学腐蚀速率。此外，英国、法国、日本、澳大利亚、前苏联等也在钢轨廓形优化、热处理工艺改变金相组织等方面进行过大量的研究与探索，但收效甚微。

3.2国内研究动态

上世纪50年代，铁科院金化所对隧道内的金属部件开展了包括防锈油膏、热浸镀锌、渗锌、玛脂、涂料等防锈试验，但防锈效果不佳。国内四家钢轨生产企业对钢轨耐蚀性能的研究都有不同程度的进展，武钢通过优化合金成分，已成功开发出了U68CuCr高强度耐蚀钢轨，目前正在沿海地区进行挂片试验，耐蚀效果有待进一步观察；攀钢设计采用在钢轨表面自动喷涂透明的专用防锈油的办法[8]，油膜厚度控制在（30-50±5）μm，涂装后的钢轨可在1年内钢轨踏面不完全锈蚀，轨底、轨腰无锈蚀；包钢通过成分中添加稀土元素，可大大钢轨提高耐蚀性能，同时也开发了自主知识产权的防锈漆自动喷涂装置；中南大学成功研究出了TEOS-KH570有机-无机复合涂层[9]，其以正硅酸乙酯（TEOS）作为无机前躯体，硅烷偶联剂KH570为改性剂，采用溶胶-凝胶法制备，结果表明，覆有该复合涂层的金属基板与裸金属基板相比电极体系的极化电流显著下降1-2个数量级，复合涂层有效增强了金属基体的抗腐蚀能力。

4　结束语

由于钢轨腐蚀机理本身的复杂性，同时对腐蚀防护技术的系统性、可操作性、有效性及低经济成本等的严格要求，目前国内外均没有可以大规模推广使用的提高钢轨腐蚀性能的方法。对于未来钢轨腐蚀与防护问题的研究，建议如下：

（1）对于耐蚀钢轨研究，建议在总体成分C-Si -Mn合金系基础上，继续通过优化微合金成分、细化晶粒组织等措施，在不大幅增加经济成本的情况下实现高耐蚀性能。

（2）钢轨生产厂家应加强对耐蚀钢轨关键冶炼、轧制以及质量控制技术的开发，形成一整套满足高速耐蚀轨标准要求的生产工艺和质量监督体系。

（3）由于有机-无机复合涂层综合性能优良，且具备制作工艺简单、环境友好以及低经济成本等特点，在钢轨防腐蚀应用上具有良好的发展前景，未来应加强涂料层与钢轨基体的结合力方面的研究，提高涂层使用寿命。

（4）加强对表面处理工艺的研究，在保证工艺质量的前提下，做到节能减排、环境友好、经济实惠，未来表面处理工艺与涂层工艺相结合使用，钢轨耐蚀性能必将得到大幅提升。

（5）铁路日常养护中，保持钢轨清洁，及时清除油污，密切监测钢轨腐蚀情况，对钢轨进行周期性探伤，对腐蚀严重的钢轨及时更换下道，确保铁路运营安全。

参考文献：

[1]何业东，齐慧滨.材料腐蚀与防护概论[M].北京：冶金工业出版社，2004:5.

[2]杨德钧，沈卓身.金属腐蚀学[M].北京:冶金工业出版社，1999:2.

[3]F.C.Robles Hernandez，G.Plascencia，K.Koch.Rail base corro sion problem for North American transit systems[J].Engineer ing Failure Analysis，2009，（16）:281-294.

[4]陈泽昊，常欣，孙健，等.运营隧道内钢轨防腐蚀技术的研究[J].铁道建筑，1998，（11）：21-22.

[5]罗虞霞，张志伟，郭吉安，等.广铁管内钢轨的腐蚀机理探讨[J].铁路科学与工程学报，2011，8（3）:78-90.

[6]陆渭岐.浅谈地铁排流对杂散电流及钢轨电位的影响[J].中国科技信息，2014，（10）:157-159.

[7]A.C Charalambous，I.Cotton and P.Aylott.A simulation tool to predict the impact of soil topologies on coupling between a light rail system and buried third-party infrastructure[J].IEEE Trans.Veh.Technol，2008，57（3）:1404-1415.

[8]张隐.采用喷涂方法解决铁路钢轨耐大气腐蚀[J].重型机械，2010，（82）：178-180.

[9]罗虞霞.钢轨的腐蚀机理及有机-无机复合涂层防护技术的研究[D].长沙：中南大学，2012：49-62.

中图分类号：U177.1

文献标识码：B

文章编号：1672-545X（2016）04-0157-02

收稿日期：2016-01-02

作者简介：肖锋（1984-），男，湖北宜昌人，硕士，工程师，主要研究方向：铁路钢轨技术。

Review on Research Of Rail Corrosion and Protection

XIAO Feng
（China Railway Material Group Co.，Ltd，Beijing 100143，China）

Abstract:In order to break through the situation which is difficult to popularize the use of large scale of rail corrosion and protection，lots of related domestic and foreign scientific and technical workers have carried out a number of theoretical research and technical exploration.It summarizes the research achievements of rail corrosion and protection from three aspects of mechanism，influencing factors and anti-corrosion methods，points out problems and shortage existing in current research，makes suggestions from the composition optimization，smelting and rolling technology，coating and surface treatment process development，railway maintenance and so on.

Key words:rail；corrosion；influencing factor；anti-corrosion