高铁铝合金接触网零部件防腐性能研究

王维广



高铁铝合金接触网零部件防腐性能研究

王维广

针对高速铁路铝合金接触网零部件出现霉点腐蚀及表面处理层剥落现象，提出阳极氧化与微弧氧化2种防腐处理措施；通过在工艺机理、膜层厚度、硬度、盐雾腐蚀等方面进行性能差异对比及全寿命周期成本分析，确定铝合金微弧氧化处理方案更具优势，可消除铝合金接触网零部件线路腐蚀等隐患，降低运营成本，满足高铁线路安全运行的需要。

接触网零部件；腐蚀；对比分析；防腐措施

0 引言

我国幅员辽阔，南北跨越热带、亚热带、温带和寒带，海洋湿热气候与内陆干寒气候并存，南方酸雨、内陆盐湖、沿海地带等地域环境差异较大。腕臂、定位装置等零部件大量使用铝合金材料，在大气环境下具有良好的机械性能和耐腐蚀性，但是随着工业化进程的加快，环境污染日趋严重，并进一步恶化。高铁接触网零部件长期经受潮湿、酸雨及工业废气（特别是氨气）的影响，在越来越多特殊腐蚀环境中应用易产生电化学腐蚀，铝合金接触网零部件的腐蚀问题已不容忽视。

通常，国内针对不同工艺的铝合金零部件采用表面阳极氧化和表面钝化2种处理方式。表面钝化处理可以在一定程度上提高接触网铝合金零部件的防腐性能，但是对于环境恶劣地区，其防腐性能难以达到要求，铝合金零部件存在较明显的腐蚀问题，而且钝化处理所需时间较长，效率低。表面阳极氧化所形成的氧化膜致密性和耐腐蚀性较差，难以显著提高接触网铝合金零部件的防腐性能，为了明显提高膜层耐腐蚀性能，阳极氧化膜层厚度需增加至硬质阳极氧化厚度，造成成本增加。此外，阳极氧化还存在成膜困难及环境污染问题。因此，开发性能优异、经济可行的接触网铝合金零部件新型环保防腐技术已迫在眉睫，具有较大的工程应用价值和广阔的市场应用前景。

本文将从阳极氧化和微弧氧化的膜层形成机理入手，对比分析铝合金零部件表面阳极氧化防腐和微弧氧化防腐的优缺点及耐腐蚀性能的差异，加以试验验证，并提出恶劣环境下铝合金零部件防腐性能改进方案。

1 阳极氧化膜层生成机理及特点

铝合金工件的表面阳极氧化处理是在电解液中将铝合金工件作为阳极，铝板作为阴极，通电后在工件表面生成氧化膜的过程。铝合金阳极氧化的原理实质上就是水电解的原理，当电流通过时，在阴极上释放出氢气，在阳极上析出的氧不仅是分子氧，还包括原子氧和离子氧（在反应中通常以分子氧表示），阳极的铝被其上析出的氧所氧化，形成无水的氧化铝膜。

一般采用在硫酸电解液中进行阳极氧化，铝合金工件作为阳极，在阳极氧化开始较短的时间内，表面氧化均匀，生成薄而致密的膜层。由于电解液中硫酸的作用，在膜层的晶界、杂质密集点、晶格缺陷或结构变形处会发生局部溶解，产生大量孔隙，使工件基体金属能与进入孔隙的电解液接触，电流继续传导，新生成的氧离子用来氧化新的基体，并继续展开，最后汇合，在旧膜层与基体金属之间形成新膜层。随着处理时间的延续，膜层不断溶解或修补，氧化反应向工件基体继续深入，使工件表面生成由薄而致密的内层和厚而多孔的外层组成的氧化膜。

阳极氧化膜的硬度和耐磨性较低，铝基体的硬度为HV100，普通阳极氧化膜的硬度约为HV300，硬质氧化膜硬度约为HV500。

2 微弧氧化成膜原理及特点

微弧氧化是在阳极氧化工艺基础上发展而来的一种更为先进的表面处理工艺，通过电解液与相关电源及电流参数的组合，依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，在铝合金表面生长出以基体金属氧化物为主的氧化层。微弧氧化具有材料表面硬度高、耐磨性能好、防腐能力强、工艺可靠、设备简单、操作方便、污染少等特点，属于绿色环保技术。目前，该技术在美国、俄罗斯应用和发展迅速，在我国各高校均有不同程度研究，工业应用上刚刚起步。如果采用微弧氧化技术能够在接触网铝合金零部件表面制备出具有以上优点的氧化层，可极大地提高产品的耐磨和耐腐蚀性能，从而提高铁路运营的安全性与稳定性。

微弧氧化是一种直接在铝合金表面原位生长氧化层的绿色环保表面处理技术。采用专用的微弧氧化电源对铝合金工件施加高电压，击穿其表面具有绝缘性质的氧化膜，产生等离子微弧放电，形成瞬间高温高压（大约2×103～3×103℃，102 MPa）微区，促使绝缘膜薄弱处熔化并快速冷却，将熔化的绝缘膜烧结成晶态氧化物，由此可在工件表面形成一层均匀、连续且具有优异耐磨性能的氧化层。

Al-3e-®Al3+

在强电场的作用下，阴离子OH-朝向阳极表面移动，与Al3+阳离子在阳极附近发生反应：

Al3++ 4OH-®

氧化层由γ-Al2O3、a-Al2O3组成，通过以下反应生成：

2Al(OH)3®Al2O3+ 3H2O

2Al3++ 3O2-®Al2O3

同时，大量氧气和氢气分别在阳极和阴极表面形成，随着电压的升高，阳极表面的气泡被击穿，形成大量高能低温等离子体，高能等离子体加速电化学反应，并促进微弧氧化过程，即

2H++2e-®H2­

4(OH)-®2H2O + O2­+4e-

从而得出微弧氧化膜层的形成过程为：等离子体产生局部高温熔化了周围微区的铝基体和氧化膜，并将其排出放电区域和气化放电微区。由于压力减小，熔融的氧化铝会被挤出放电通道，并将流向低压区的电解液高温汽化，一些固体分子（如二氧化硅）附着于熔融氧化铝表面的离子上，与熔融物一起被冷萃形成复合相氧化物。

微弧氧化工艺克服了硬质阳极氧化的缺陷，提高了氧化膜层综合性能，具有以下特点：

（1）微弧氧化膜层含高温转变相a-Al2O3，可提高铝合金零部件的表面硬度，显微硬度HV在 1 000～2 000范围内，具有良好的耐磨损性能；

（2）致密层孔隙率低，提高了氧化层的耐腐蚀性能；

（3）含a-Al2O3和γ-Al2O3相，赋予了氧化膜层较高的韧性；

（4）膜层从基体生出，与基体结合紧密，致密均匀，不易脱落；

（5）膜层厚度易控制，根据不同使用需要，可调整工艺参数及电解液成分、改变工艺条件、调整膜层微观结构，以实现膜层不同功能，工艺稳定，设备简单，操作方便，易掌握；

（6）氧化膜层耐热冲击性能优良，经300 ℃水中淬火35次无变化，经1 300 ℃热冲击5次未见脱落，且不会因温度的骤降而发生龟裂或脱落；

（7）溶液为环保型，符合环保排放要求。

3 防腐效果对比

通过模拟高速电气化铁路现场的潮湿、酸雨及工业废气（特别是氨气）等恶劣环境，在试验室内对接触网典型关键受力铝合金零部件进行盐雾腐蚀（CASS-铜加速乙酸盐雾96 h）试验，对阳极氧化处理和微弧氧化处理的防腐效果进行比较。

试验依据的标准为GB∕T 10125-2012，判定标准为GB∕T 6461-2002，具体试验参数为

试验温度：50℃±2℃；

盐雾溶液：（50±5）g/L的NaCl，（0.26± 0.02）g/L的CuCl；

盐雾沉降率：每80 cm²面积（1.0～2.0）ml/h；

试验时间：96 h；

使用设备：YWX∕Q-016盐雾腐蚀试验箱。

图1为高速铁路铝合金接触网零部件55双耳套筒在阳极氧化后经过CASS-铜加速乙酸盐雾 96 h试验的图片；图2为高速铁路铝合金接触网零部件套管座在表面微弧氧化处理后经过CASS-铜加速乙酸盐雾96 h试验的图片。

可以看出，图1铝合金55双耳套筒零件经阳极氧化处理后，表面颜色较深，未能很好地保持铝合金的本色，膜层厚度较低，经CASS试验后，表面盐渍堆积较多，保护评级（Rp）为3级，表面出现锈蚀的面积约为5%～10%，不满足行业标准4级的要求；图2铝合金套管座表面颜色比阳极氧化颜色浅，膜层厚度较厚，盐雾腐蚀试验中，表面几乎无盐渍堆积，经清洗后表面评级为8级，腐蚀面积约为0.1%～0.25%，满足行业标准4级的要求。

由此可以看出，无论在颜色、膜层厚度及盐雾腐蚀试验等方面，微弧氧化的铝合金零件较阳极氧化处理的零件性能优势明显。

图1 阳极氧化处理前后及96 h乙酸铜加速盐雾试验后

图2 微弧氧化处理前后及96 h乙酸铜加速盐雾试验后

4 全寿命周期成本分析

对于铝合金接触网零部件来说，全寿命周期成本是指产品在制造、施工、运维等全过程中所投入的全部费用。现以一套在工业污染较严重或沿海环境中使用的铝合金腕臂定位零件为例，寿命周期按30年考虑。采用阳极氧化处理约每8年需对腕臂连接件等进行更换，微弧氧化处理则不需更换。假定资金贷款年利率为7%，采用等额本息还款，贷款截止年限按接触网周期考虑。将全寿命周期的总投入成本进行粗略估计，见表1。

表1 单套铝合金腕臂定位零件全寿命周期成本分析

从表1中可以看出，虽然微弧氧化处理零件在建设阶段单套价格高于阳极氧化处理零件，但是阳极氧化处理零件的全寿命周期总成本却高于微弧氧化处理零件约22%，分析其原因是由于阳极氧化零件在后期运营过程中，部分出现表面腐蚀的零件需要后期维护（人工、车辆消耗等）更换，故维护成本较高。

从以上分析可以得出结论，针对恶劣环境，考虑全寿命周期，铝合金接触网零部件微弧氧化处理方案更具优势。

5 结语

通过对比分析，对于接触网铝合金零部件防腐，微弧氧化处理的零部件耐磨性和耐腐蚀性都优于钝化和阳极氧化处理的零部件，但因其造价较高，可考虑在隧道内、隧道口、海洋环境和工业污染严重的环境中使用。后续可进一步优化微弧氧化处理工艺，降低成本，提高效率，在高速铁路接触网铝合金零部件中推广应用，全面提高高速铁路接触网系统的防腐性能及运行安全性。

[1] 王虹斌，方志刚，蒋百灵. 微弧氧化技术及其在海洋环境中的应用[M]. 北京：国防工业出版社，2010.

[2] 方志刚. 铝合金防腐蚀技术问答[M]. 北京：化学工业出版社，2012.

[3] 杨丁，黄芸珠，杨崛. 铝合金表面处理技术[M]. 北京：化学工业出版社，2012.

[4] 许建国. 微弧氧化电解液成分对接触网铝件陶瓷膜影响[J]. 电气化铁道，2016，27（5）：1-4.

[5] 闫军芳，路海健. 工艺参数对接触网铝合金件微弧氧化的影响[J]. 电气化铁道，2017，28（2）：48-51.

With regard to the mildew stains and peeling of surface treatment layer of aluminum alloy OCS fittings for high speed railway, the paper proposes two anti-corrosion treatment of anodic oxidation and micro-arc oxidation; by comparison of performance differences in terms of process mechanics, thickness of film layer, hardness and salt fog corrosion as well as the full life cycle cost analysis, it is determined that the scheme by means of aluminum alloy micro-arc oxidation treatment is more advantageous, and is able to eliminate the potential risks of corrosion of OCS aluminum alloy fittings, lower the operation cost and meet the requirements on safety operation of high speed railways.

OCS fittings; corrosion; comparative analysis; anti-corrosion measure

U225.4

B

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.010

1007-936X(2018)01-0043-04

2017-07-28

王维广.京沈铁路客运专线辽宁有限责任公司，高级工程师。