高速铁路接触网零部件热镀锌的研究

2022-03-14俞先军

科技与创新 2022年5期

俞先军

（中铁建电气化局集团轨道交通器材有限公司，江苏常州213179）

目前中国高速铁路行业中的接触网零部件大量采用钢铁制品，其中有腕臂系统、底座装置、下锚装置、隧道内补偿装置及H形支柱等，高铁产品服役地区广泛，既在湿冷的隧道，又在腐蚀性强的近海地区，加上近年来局部地区的环境污染越来越重，高铁零部件的防腐控制越来越重要，目前钢制零部件的防腐主要还是采用热镀锌工艺，热镀锌的工艺越来越得到重视。

1 高速铁路接触网零部件热镀锌技术的研究背景

1.1 技术基础

在高铁接触网中，热镀锌工艺主要应用于H形支柱、棘轮连接件、腕臂底座、下锚零部件等，接触网零部件制造种类多，钢材厚度不一，各产品对表面热镀锌要求不同，通过改进研究，解决了产品锌层不均匀性，锌层暴锌、漏镀等问题。

1.2 技术难点

2 热镀锌技术的研究

2.1 热镀锌技术的原理

热镀锌锌锭主要成分是锌，锌的化学成分活泼，在常温的空气中，可以生成碱式碳酸锌膜，可阻止基体进一步氧化。化学符号是Zn，它的原子序数是30。热镀锌大多采用的是高纯电解锌锭，一般含锌量为99.995%，在熔池中确保熔融锌中的杂质总含量（铁、锡除外）不应超过总质量的1.5%。锌的熔点是

国内接触网零部件的热镀锌技术的难点主要有：①产品漏镀、暴锌，主要分局部漏镀和气旋造成的漏镀和成片状的锌层脱落；②锌层厚度不达标，主要有主体和组合部件的厚度不达标；③表面流挂，主要为长条状产品；④锌层色差明显，主要为大平面钢件；⑤产品生白锈。419.53℃，一般大结构件热镀锌温度控制在435～450℃之间。需要离锌的螺纹件施镀温度一般在520～540℃之间。

热镀锌的3个步骤如下：①产品表面被锌液溶解，铁基表面被锌液溶解形成锌-铁合金相成。②合金层中的锌离子进一步向基体扩散形成锌-铁互溶层；铁在被锌液溶解的过程中形成锌-铁合金，并继续向周围扩散。③在锌-铁合金层的表面包裹着锌层，锌层在常温下冷却结晶，形成镀层。

2.2 锌液中加铝改善性能

在实际的施镀过程中，往往为了增强锌液的流动性和锌层的综合性能，要在锌池中加入一定含量的铝。实验结果得出，锌液中铝含量低于0.15%时，锌-铁化合物之间形成不完整的FeAl抑制层，镀层的塑性大大降低。当锌液铝含量高于0.15%时，就会形成完整致密的FeAl抑制层，保证了合金层的均匀性和厚度，有利于镀锌层的综合性能。锌液中的铝含量一般控制在0.16%～0.20%之间较为适宜[1]。当然还要根据施镀的产品类型、环境温度进行适当调整。

2.3 镀锌工艺的实施

热镀锌的工艺主要有以下步骤：工件→脱油、脱脂→酸洗→浸助镀剂→烘干预热→热镀锌→冷却→钝化→检验。

脱油、脱脂酸洗主要是在施镀前处理工件表面的氧化皮、油污和其他影响镀锌的污染物，酸洗的时间及温度应根据工件的锈蚀程度和天气进行调整，当天气温度低时应加长酸洗时间和提高酸洗介质的温度，脱脂和酸洗处理不好将会对镀锌附着力和漏镀产生影响。浸助镀剂，可保持在浸镀前工件具有一定活性，避免二次氧化，以增强镀层与基体结合。在施镀前应对工件进行预热，热干水分，避免在锌池中造成溅暴。热镀锌时应根据工件的结构大小、施镀方位制作施挂合适的挂具，从锌锅上方倾斜缓慢侵入，应控制好下降速度，一般保持在1.5 m/min，根据工件的厚度和镀锌厚度的要求控制好镀锌时间，一般工件施镀时间应为3～5 min，起镀时应缓慢提升，一边起升一边刮除工件上的流挂锌液，也可采用在挂具上方采取振动装置在起升时振动，减少工件锌瘤锌刺的产生。钝化是利用钝化液（铬酸盐钝化液）中的氧化性物质与金属产生氧化还原反应，促使在金属表面生成一层金属的氧化物，达到有效保护金属的目的，这一过程属于化学反应。工件表面产生的钝化膜致密、完整不易被破坏，预防白锈的产生。

3 热镀锌质量缺陷的研究

3.1 产品漏镀、暴锌

在管件和角钢类零部件的施镀中存在局部漏镀和成片状的锌层脱落。漏镀主要分为芝麻粒状和不规则片状的漏镀，布局广泛，如图1所示。暴锌则为局部锌层脱落，主要是锌层附着力不达标，如图2所示。

图1 漏镀

图2 暴锌

漏镀一方面是工件在酸洗方面去除表面油污杂质不到位，酸洗时间较短等因素，另一方面是由于工件本身的设计原因，如结构未开倒角，造成施镀时局部气旋无法排出，或是管状出气孔处由于要排出气体，气体上冲把孔边缘的锌层破坏造成局部漏镀。解决方法主要是加强工件表面的油污酸洗；加强对工件本身的设计，例如管类产品要开出气孔，筋板类焊接后要留出倒角孔，方便施镀时气体通畅，便于锌液流淌；开孔的位置应设置合理，避免出气影响本体镀锌面。

锌层脱落主要是由于工件表面的氧化物质未清除干净和薄的工件锌层镀的过厚造成本体的附着力降低导致。解决方法是采取更优的表面处理工艺清除表面的氧化物质，根据板材的厚度设计施镀锌层厚度。

3.2 锌层厚度不达标

铁标TB/T 2073—2010中对零部件的锌层厚度作出一、二、三级的要求，如表1所示。

表1 零部件的锌层厚度要求

对于锌层厚度而言，50μm、70μm、80μm所指的是测量本体上的局部厚度，通常采用手持式锌层测厚仪来检测表面的锌层厚度，即磁性法。其工作原理为：采用电磁感应法测量涂（镀）层的磁性金属表面覆盖层的厚度，即位于部件表面的探头产生一个闭合的磁回路，随着探头与铁磁性材料间的距离的改变，该磁回路将发生不同程度的改变，引起磁阻及探头线圈电感的变化，利用这一原理可以精确地测量探头与铁磁性材料间的距离，即涂（镀）层厚度。当然，并不是说测量一个点的锌层厚度就判定锌层不达标，而是取平均值。

GB/T 13912《金属覆盖层钢铁制件热浸镀锌层技术要求及试验方法》中提到在每个不小于1 000 mm2的基本测量面内采用磁性法测量时，应至少取5个点测量测厚，其算术平均值即为该基本测量面的镀层局部厚度。所以在测量时，允许个别点低于局部厚度或平均值[2]。但是当局部厚度或平均厚度仍然不达标时，那么整批次产品的镀层厚度就是不达标了。

不达标的主要原因有：①镀锌时间短，上锌量不够；②工件表面处理不到位；③一种产品中既有厚件，又有薄件；④工件一端锌层达标，另一端不达标。

解决办法为：①增加镀锌时间，锌层厚度随着镀锌时间的增加而增加。②工件采取抛丸工艺处理，增加表面粗糙度，清除表面异物。抛丸时要注意工件的结构，防止工件抛丸后变形。如空腔件、薄件产品不宜采用履带式抛丸机，应采用挂抛机垂直旋转施抛。一般采用Φ0.3 mm的圆钢珠，抛丸时间为3～10 min。③采用合适的挂具将工件两头挂起，先浸入锌池的一端先起锅，可以避免后下的先起锅，造成镀锌时间不够，引起两端锌层厚度不一致的问题。

3.3 锌层表面流挂

接触网零部件分为长条状产品和管类状产品，在热镀锌时会出现流挂现象，有些还比较严重，严重影响表面的美观度和锌层的均匀度。流挂的原因主要有：镀锌锌池温度不高，流动性差；工件挂点采取不合适；锌池成分配比不到位等。对此，要对镀锌池内的温度保持持续控制，防止因长时间施镀造成池温降低；根据镀件的结构采取合适的挂点接触点，防止面层锌液流挂；对锌池的成分进行检测，添加适量的铝提高锌液流动性等方法。

3.4 锌层色差

镀锌产品的色差主要呈灰色或暗灰色，影响产品整体的美观度。这个原因是多方面的，主要受工件本身含有的元素影响，如硅（Si）和磷（P）。在一定的成分范围内，硅和磷会导致形成不均匀的光亮色和（或）暗灰色镀层。另外镀后修复也要避免大面积使用自喷漆对工件表面进行修复，因为在工件服役半年或更久后，没有修复的工件表面会氧化发暗，而修复过的工件表面还是会显示亮白色，造成色差，如图3所示。

图3 明显的色差

3.5 产品表面白锈的生成

白锈生成的原因为：镀锌层表面若粘附一层凝结水，与空气中的氧气、二氧化碳、酸性物质接触以及其他化学气体作用后，变成了一种具有腐蚀性的水溶液而附着于镀锌层表面，形成一种电解液。这种电解液与化学稳定性较差的锌层发生了电化学腐蚀，从而产生粉末状腐蚀产物，称为白锈[3]。尤其是在管件互相接触或板材镀锌后存放时相互紧密接触，在潮湿的环境下，最容易生成白锈，如图4所示。

图4 管件表面严重白锈

处理方法：轻微白锈可以用软毛刷刷去白锈，严重时必须返镀处置。

预防措施：①锌板堆放时，做好防潮措施，表面避免有凝结水。运输时，根据天气情况做好防护，避免被雨水淋湿浸泡。管类产品应采取措施将纵向和横向都用隔板隔开，避免接触，保持通风。板类产品要用发泡袋或珍珠棉进行隔离包装。②储存仓库中应保持空气流通，空气相对湿度不应高于80%以上。③物件堆放不应有有害气体及过多的灰尘。④对镀锌层表面进行钝化处理。

3.6 管状产品的热镀锌工装的改进措施

管体镀锌要达到镀锌要求，对于三级热镀锌（80μm以上），镀锌要准备专门吊镀工装，如图5所示，平腕臂、定位管采用2头穿钢筋的方式镀锌，斜腕臂采用一头穿在单耳里，一头穿在管臂里的镀锌方式，支撑管可采用挂镀方式，总体是避免在管体上有任何接触点，因为有接触点后采取打磨修锉会对管体锌层造成破坏，影响整体的防腐性能，从工装上进行改进可以有效避免接触点的产生，减少后期接触点的修复，达到本质锌层不受损伤的目的。