高速铁路接触网不锈钢零件锈蚀分析与防腐研究

余兆国，葛志锐，牛致森，祝振宇，陈可宁

高速铁路接触网不锈钢零件锈蚀分析与防腐研究

余兆国，葛志锐，牛致森，祝振宇，陈可宁

（中铁建电气化局集团轨道交通器材有限公司，江苏 常州 213179）

介绍了奥氏体不锈钢材料的特性与腐蚀类型，梳理了电气化铁路接触网不锈钢零件的使用状况与服役环境，分析了污染物成分及产生的原因，针对问题提出了几种防腐处理方法与措施，并进行实验验证以及效果对比，明确了不锈钢防腐方法与工艺，可慢慢推广到接触网零件防腐控制。

接触网；不锈钢；锈蚀分析；防腐工艺

不锈钢材料普遍应该用于接触网零件，行业标准《电气化铁路接触网零部件技术条件》（TB/T 2073）中5.2.11规定，不锈钢应符合《不锈钢棒》（GB/T 1220—2007）的规定，宜采用奥氏体不锈钢。《电气化铁路接触网零部件技术条件》（TB/T 2073）中5.7.3规定，关键零部件的螺栓、螺母、垫圈一般在 M14 及以下采用奥氏体不锈钢材质，其机械性能应符合A2-70级及以上规定。目前，国内大多项目及简统化新标准不锈钢零件均采用牌号12Cr18Ni9不锈钢。

1 不锈钢零件腐蚀问题

一般环境中，奥氏体不锈钢在大气中能自发形成明显的 Cr2O3薄膜，俗称“钝化膜”。不锈钢的“不锈”是相对的，在氧化性介质中，不锈钢钝化膜较稳定，具有良好的耐腐蚀性；在还原性介质中，不锈钢钝化膜稳定性较差，耐腐蚀性相对薄弱；在含有能破坏钝化膜的阴离子（如F-、Cl-）介质中，耐蚀性变得更差。

随着工业化发展，越来越多物质在空气中造成环境愈发恶劣，在空气中所含活性氯离子的作用下，不锈钢钝化膜较薄或磕伤部位、含有硫化物或碳化物的部位极易发生溶解现象。这样不但破坏了不锈钢零件表面原形成的钝化膜，更阻碍钝化膜的自生修复，从而出现锈蚀现象，如图1、图2、图3所示。

图1 钝化膜1

图3 钝化膜3

针对不锈钢的锈蚀问题，分析不锈钢锈蚀类型及影响因素，同时对出现锈蚀零件进行污染物分析，提出可行性防腐措施，并进行验证和对比，确定最终不锈钢防腐处理工艺。

2 不锈钢零件腐蚀类型以及产生原因

由于沿线环境复杂多样，造成不锈钢锈蚀的原因也复杂多样。常见的分为外部因素与内部因素。外部因素主要有环境中介质的组成、pH值、温度、压力以及零件受力状况；内部因素主要有材料化学成分、组织结构、晶粒晶间状况和表面情况等。点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等是不锈钢常见的腐蚀类型。

2.1 不锈钢点蚀

点蚀分布随机，孔径小，孔口常有腐蚀产物覆盖，可诱发其他形式的局部腐蚀，常见的蚀点一般为较浅的蚀坑，孔径小于1.0 mm，深度大于表面孔径。

2.1.1 不锈钢点蚀的产生原因

当钝化膜受到破坏，膜未破坏区域和破坏已裸露基体区域形成活化-钝化腐蚀电池，钝化表面为阴极且面积比膜破坏处的活化区大，腐蚀就向深处发展而形成蚀孔。卤素离子对不锈钢引起小孔腐蚀敏感性的作用顺序为Cl-＞Br-＞I-，特殊阴离子在合金表面的不均匀腐蚀，导致膜被不均匀破坏。点蚀是个多电极体系，蚀孔外表面阴极极化，阴极反应电流大于阳极，蚀孔内表面阳极极化，阳极反应电流大于阴极，闭塞电池形成过程也是闭塞区的自腐蚀由吸氧腐蚀向析氢腐蚀转变过程。

2.1.2 不锈钢发生点蚀的影响因素

针对不锈钢零件服役环境，分析空气中Cl-等侵蚀性阴离子、氧化离子Fe3+、Cu2+等，这些离子是造成不锈钢点蚀的影响因素。高铁沿线存在不少会污染大气的废气，污染超标与环境恶劣影响不锈钢钝化膜修复与再生功能。

2.2 不锈钢晶间腐蚀

晶间腐蚀是由于晶界区域与晶内成分或应力有差别，引起晶界区域电极电位显著降低而造成的一种有选择性的腐蚀破坏，它与一般选择性腐蚀不同的是腐蚀的局部性属于显微尺度。

2.2.1 不锈钢晶间腐蚀的产生原因

晶间腐蚀的影响因素主要分为内部因素与外部因素，内部因素是当Cr元素低于临界浓度12.5%时，不锈钢材料随即产生晶间腐蚀敏感性。外部因素是温度导致，当材料加热或冷却通过450～850 ℃时，碳便从奥氏体中析出分布在晶界上。它的析出消耗晶界附近大量的铬，铬的扩散速度很慢，消耗的铬不能从晶粒中通过扩散及时得到补充，晶界附近的含铬量低于钝化最低的含量比，形成贫铬区，因而钝态受到破坏，晶界附近区域电位下降，而晶粒本身仍维持钝态，电位较高，晶粒与晶界构成活态-钝态微电偶电池，电池具有大阴极小阳极的面积比，造成晶间腐蚀。

2.2.2 不锈钢晶间腐蚀的影响因素

2.2.2.1 化学元素影响

C的质量分数低于0.08%时，在晶界形成碳化物概率也随之降低，晶界处不易形成贫铬区。Cr含量的增加，在低敏化温度区会加速晶间腐蚀；在高敏化温度区，会延长出现晶间腐蚀的时间。Ni含量的增加，可消除残余的铁素体，不具备形成微电池的能力产生腐蚀。但随着Ni含量的增加，会降低C在奥氏体不锈钢中的溶解度，从而使碳化物析出倾向增强，增大晶间腐蚀的敏感性。不锈钢中Ti、Nb 等与C的结合能力比Cr更强的元素，能够与C结合合成稳定的碳化物，可以避免在奥氏体中形成贫铬区造成的晶界贫铬现象，增强晶间抗蚀能力。

2.2.2.2 固溶处理影响

单相奥氏体组织保证奥氏体不锈钢耐蚀性，将其加热至1 100 ℃左右，碳化物相全部或基本溶解，C固溶于奥氏体中，然后快速冷却至室温，使C达到过饱和状态。可以消除相关应力与软化，便于继续加工或成型，消除晶界处形成贫铬区隐患，降低发生晶间腐蚀的概率。

2.3 不锈钢应力腐蚀

不锈钢应力腐蚀的初期阶段为腐蚀引起裂纹或蚀坑，导致应力集中的裂纹源生核孕育，属于裂纹的潜伏期与诱导期，这阶段应力影响比较小，时间长。中期为裂纹扩展阶段，由裂纹源或蚀坑发展到单位面积所能承受最大载荷的所谓极限应力值，最后是失稳纯力学的裂纹扩展阶段，直至断裂失效。

2.3.1 不锈钢应力腐蚀的产生原因

奥氏体不锈钢的腐蚀几乎是由Cl-引起的，尽管某些环境Cl-浓度极低，但也存在点腐蚀和应力腐蚀。氯化物应力腐蚀破裂的形态多呈穿晶破裂且易产生分枝，由于腐蚀释放的氢扩散到尖端金属内部引起氢脆断裂。裂纹在腐蚀和脆断的反复作用下快速延伸，形成穿过晶粒的穿晶破裂与沿晶界破裂的晶间破裂。

2.3.2 不锈钢应力腐蚀的影响因素

化学成分的影响。奥氏体不锈钢中的Ni、Si元素能提高其耐应力腐蚀断裂能力，在Cl-浓度较高环境中，N、P等元素降低了奥氏体不锈钢的耐应力腐蚀能力。

服役环境的影响。当线路温度较高，存在微量的Cl-，随着pH值递减，腐蚀破裂的可能性随之越大。长期露天服役，产品表面常覆盖泥土、钙盐、腐蚀产物等各种沉淀物，不仅在传热面上形成绝热层，而且妨碍离子等的扩散，以致加剧腐蚀进度。

材料应力的影响。接触网不少不锈钢零件采用冷弯工艺，如吊弦双耳、心型环等冷弯程度大、不锈钢终端线夹折弯处焊接等制造过程中的残余应力一般很难消除彻底，这也一定程度上影响了耐应力腐蚀能力。

3 不锈钢腐蚀零件与腐蚀物质分析

通过对奥氏体不锈钢主要腐蚀类型产生的原因和影响因素分析，根据接触网不锈钢零件服役环境，结合产品安装特点，选用线路锈蚀情况相比凸显的标准件。对零件进行锈蚀物分析，深层次分析不锈钢腐蚀原因，制订合理可行防腐工艺措施。

3.1 锈蚀零件的宏观分析

对线路返回零件进行宏观观察，螺栓的光杆表面分布着白色产物，螺纹段出现黄褐色锈蚀区，如图4所示。止动垫片边缘部位可见黄褐色锈蚀痕迹，且局部可见擦伤痕迹，如图5所示。

图4 螺纹段黄褐色锈蚀区

图5 局部擦伤痕迹

3.2 表面产物微观形貌及能谱成分分析

用导电胶粘取少量螺栓上的锈蚀产物和白色产物，进行能谱分析，杆部表面白色产物由泥状和颗粒状物质堆积在一起，螺纹区的锈蚀产物呈颗粒状形态。结果表明：白色产物主要为 Zn 的氧化物；锈蚀区产物除了 Fe 的氧化物外，还含有少量的 Si、Al、Ca、K、Zn及腐蚀性介质 S、Cl。螺栓锈蚀区微观形貌及能谱分析如图6所示。

在扫描电镜下观察止动垫片锈蚀区和正常区微观形貌，分析表明：锈蚀产物成分主要含有 Fe、C、O、Cr 及少量的 Si、K、Al、Cu、Na 和少量腐蚀性介质 S、Cl。正常区比较平整，部分区域有点状凹坑和铜层附着，如图7所示。锈蚀产物比较致密，局部呈离散的粒状和龟裂状分布。

图6 螺栓锈蚀区微观形貌及能谱分析

图7 扫描电镜下止动垫片锈蚀区和正常区微观形貌

3.3 蓝点实验分析

对螺栓、垫片表面钝化膜进行蓝点检测，滤纸浸渍蓝点液后，贴附于待测表面并开始计时，25 s时螺帽位置开始出现蓝点，29 s时螺杆出现蓝点，84 s停止试验，试验后螺帽、螺杆、螺母和垫片表面均存在蓝点。

3.4 锈蚀产物分析结果与结论

上述分析表明，螺栓、垫片表面均发生腐蚀，并形成锈蚀产物，锈蚀产物以Fe的氧化物为主，并分析出腐蚀性介质元素S和Cl。含硫离子或硫酸根离子以及Cl离子的外来物沉积在不锈钢零件表面，会破坏不锈钢表面的钝化膜，使不锈钢基体发生腐蚀。不锈钢表面的钝化质量不良或不致密时，裸露的不锈钢表面会更容易被腐蚀。

综上所述，螺栓、止动垫片等不锈钢零件表面沉积含S、Cl的腐蚀性物质与安装过程中的擦伤是这些零件表面发生斑点状腐蚀的主要原因，零件表面钝化不良是次要原因。

4 不锈钢零件腐蚀控制方案与措施

通过对牌号12Cr18Ni9零件腐蚀类型和腐蚀机理的分析，结合行业现状，从材料选型、表面防腐处理、服役过程中维护保养等三个方面制定防腐措施。

4.1 材料的选用

可选用同样为奥氏体不锈钢的022Cr17Ni12Mo2，因其含有适当的钼元素和较高的铬元素。钼元素可以使不锈钢表面钝化膜更加致密、牢固、稳定；较高的铬元素含量可以使不锈钢钝化膜的修复能力和再生能力进一步提高，且避免冷变形材料中铬的扩散形成贫铬区。

4.2 表面防腐处理

可对不锈钢零件表面进行钝化处理，提高零件在各种环境介质中的耐腐蚀性。对于恶劣环境选用电镀锌、表面磷化、电镀镉、电镀铬、表面镀银、镀镍、表面渗锌等镀层处理，但出于环保与经济成本角度考虑，需要进行最佳效果优势对比选用。

4.3 服役过程中维护保养

预配、转运、安装过程应确保不锈钢件避免受到碰撞、敲击等行为，以免钝化膜破损丧失表面防腐功能，检查维护过程中，加大环境恶劣地区的巡查力度，对于表面损伤严重的、锈蚀严重的零件，予以更换。

5 不锈钢防腐效果验证

针对以上防腐控制方案，选用牌号为022Cr17Ni12Mo2的原材料不锈钢板，表面进行电镀铬处理，并人为用铁榔头敲击形成伤痕。按照《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》（GB/T 10125—2012）进行中性盐雾试验验证，并满足试验时间500 h，出现腐蚀面积占全部表面积的比例小于等于5%的防腐要求。经过500 h盐雾试验，没有出现锈蚀。

6 结论

综上所述，对不锈钢材料腐蚀类型、控制因素、表面污染物成分以及腐蚀原理进行了分析，判断出高速铁路接触网不锈钢零件表面腐蚀原因。从材料选型、表面防腐处理、服役过程中维护保养等三个方面制定可行措施进行防腐措施改进，并进行破坏式实验，结果显示，不锈钢防腐性能得到了较大提高。

［1］杨玉珍，杨修德.腐蚀和腐蚀控制原理［M］.北京：中国石化出版社，2007.

［2］罗健.高速铁路接触网零部件应用与研究［M］.北京：中国铁道出版社，2018.

［3］王正蕉，吴幼林.不锈钢［M］.北京：化学工业出版社，2007.

［4］刘永辉，张佩芬.金属腐蚀学原理［M］.北京：航空工业出版社，1993.

［5］中国标准化委员会.GB/T 10125—2012 人造气氛腐蚀试验盐雾试验［S］.北京：中国标准出版社，2013.

U226.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.012

2095－6835（2019）16－0031－03

余兆国（1991—），男，本科，工程师，研究方向为电气化铁路。葛志锐（1984—），男，本科，工程师，研究方向为金属材料。牛致森（1967—），男，本科，高级工程师，研究方向为材料工程。祝振宇（1966—），男，本科，高级工程师，研究方向为电气化铁路。陈可宁（1987—），男，本科，工程师，研究方向为接触网。

〔编辑：严丽琴〕