电气化铁路接触网铝合金零部件微弧氧化防腐工艺优化研究

2022-07-22员鹏博

现代制造技术与装备 2022年5期

员鹏博

（中铁建电气化局集团轨道交通器材有限公司，常州 213179）

我国电气化铁路建设正处于飞速发展阶段。铁路系统的运营量与速度均持续提升，对基础建设的要求也越来越严苛。优质的接触网零部件，才能确保提供稳定的受流质量。现对高铁接触网所用的铝合金零部件展开表面抗腐蚀性能研究，分析如何优化微弧氧化防腐工艺技术。

1 接触网铝合金零部件应用的主要问题

铝合金材料具备成本低、抗腐蚀性能强、易成型、加工性能良好、强度高及密度比较小等优势，在当前高铁牵引供电系统的接触网中得到了大量应用。为了使铝合金材料制成的零部件拥有更好的防腐性能，一般会在其表面采用防腐保护工艺，如阳极氧化、硬质阳极氧化以及钝化等[1]。当处于一般性腐蚀条件时，零部件可保持较为稳定的防腐蚀性能。但是，在隧道、化工以及沿海等特殊重污染区段时，零部件的抗腐蚀性能会变差，表面多处会产生严重腐蚀问题。

2 微弧氧化防腐工艺概述

2.1 技术应用原理

微弧氧化工艺通过弧光放电激活阳极上的反应并得到增强，从而使镁、钛、铝等金属以及相应的合金材料制成零部件表面生成强化陶瓷膜[2]。微弧氧化电源将电压施加给零部件，使电解质溶液和金属材料之间相互作用，随之零部件表面出现微弧放电现象。放电时，零部件表面形成3 000 K 的高温，铝基体快速进行氧化反应，产生熔融状氧化物。阳极生成的物质与氧化物同时从放电通道中向外溢出，电解液可发挥冷却作用，在电场与高温的共同作用下，在金属表面覆盖陶瓷膜，从而起到保护零部件的作用。

2.2 技术特点

微弧氧化技术的应用范围较为广泛，可用于钛、镁、铝与合金材质的零部件的表面处理，提高表面硬度，使材料的显微硬度在500 ～1 500 HV，甚至已经超过经过热处理的高速工具钢、高合金钢以及高碳钢等材料的硬度[3]。它能够强化被处理材料的耐磨损性能、抗腐蚀性能与耐热性能，同时绝缘性能很强，绝缘电阻为100 MΩ。防腐工艺应用期间产生的环保型溶液，符合当前的环保排放要求。它需要使用的设备操作方法简单，工艺可靠性强。在常温条件下，它可实现防腐保护目标，可控性强，最终形成的陶瓷膜具有均匀致密的特点。

2.3 影响因素

影响微弧氧化工艺处理效果的因素诸多，如不同零部件微弧氧化时的夹具设计，电解液成分及浓度，实施微弧氧化时的温度及时间，封闭处理时透明漆与水配比等。本文针对接触网不同零部件的结构形式，优化设计专用微弧氧化夹具，对微弧氧化封闭处理工艺进行研究分析，重新确定了微弧氧化封闭处理时透明漆与水的最佳配比。

3 接触网零部件微弧氧化工艺优化

3.1 优化带孔型零部件微弧氧化专用夹具

微弧氧化工艺步骤一般为预处理、清洗、上挂、处理、再清洗、初步烘干、封闭以及再烘干[4]。在夹具上安装待处理零部件的步骤是上挂，零部件和夹具都是处理中的阳极，当二者之间接触不良时，连接部位会出现放电现象，不仅会降低氧化膜质量，还会引发局部烧蚀，阻碍微弧氧化防腐工艺的正常使用。当前可用的夹具还没有形成统一标准，一般需要结合零部件的具体结构形式展开专门的夹具设计。如果需要处理的零部件上带有孔洞，往往在圆孔处连接夹具。采用微弧氧化表面处理时，夹具也会产生氧化膜，导致零部件与夹具的电气连接被阻断，零部件上的防腐氧化膜受到不良影响。所以，一般通过锉刀将夹具上的氧化膜除去。但是，这种操作会导致夹具变窄，数次使用后零部件和夹具不能实现紧密接触，将导致处理后的零部件防腐性能不达标，需要更换新的夹具，增加了生产成本。

优化后专用夹具由原本的300 mm延长至400 mm，并顺沿挂具采取对称化分布方式，同时将垫块设置到夹具中，进一步加大夹具间的距离，从而使产品与夹具之间形成更强的接触力。如果夹具的端部出现磨损，为了延长挂具的使用时间，可把零部件转移到中心位置上，有利于降低生产成本。

微弧氧化工艺中使用的夹具需要符合以下几方面要求：夹具应当具备导电性能，以满足大电流的技术要求；夹具不能给电解液造成污染；产品与夹具需保持紧密贴合，否则难以保持电气连接的有效性；夹具不能和待处理部位接触，否则氧化膜难以保持完整性。当前所用的夹具大多为硬铝材质，其刚性与强度均能满足工艺应用的要求。

3.2 优化带螺纹型零部件微弧氧化专用夹具

一些零部件自身带有螺纹，如承力索座、腕臂连接器与套筒双耳42/55 等[5]。对这类零部件实施防腐处理时，要将螺纹与夹具连接。如果螺纹间有配合间隙，所用的电解液会从间隙进入零部件内部，会使螺纹上产生氧化膜而难以拆卸，导致零部件报废，如图1 所示。为了提升微弧氧化的成品率与生产效率，对微弧氧化处理工艺进行优化，不选择螺纹处作为连接处，另制作专用的M12 尼龙碰撞螺栓，表面处理前先将尼龙螺栓安装到螺纹的另一面。实施工艺期间，尼龙螺栓在受热膨胀后可发挥封堵作用，预防电解液渗入，如图2 所示。优化后的微弧氧化零部件不仅报废率降低，而且大幅提高了在螺栓孔位置的微弧氧化膜层的各项性能，规避了铁路在长期运行过程中零部件螺栓孔位置出现点腐蚀的情况。

3.3 优化微弧氧化封闭处理工艺

防腐保护膜形成期间，各个膜层之间会有放电气孔。温度瞬间升高后，氧化物与微区金属将熔化，进入到槽液中后又在较短的时间进行冷却，最终形成微小裂纹，导致氧化膜层产生孔隙。氧化膜层在孔隙的影响下，原本的抗腐蚀性能会被削弱。零部件如果进入腐蚀环境，腐蚀介质可通过零部件上的各处缺陷部位抵达基体并直接腐蚀基体。为了使氧化膜拥有更好的耐蚀性能，应当依靠封闭技术方法使微裂纹与微孔闭合。

完成微弧氧化处理工作后，利用化学方法或者物理方法在氧化膜内部引进目标物质，使这些物质在缺陷部位沉积，以实现封闭处理目标。可选择丙烯酸水性树脂透明漆材料完成封闭处理，它的主要成分包括水性溶剂、丙烯酸树脂和各类添加剂，需要加入一定量的水来稀释，且需严格控制配比。如果加入过量的纯水，会使封闭膜的厚度过薄无法形成符合预期的封闭效果；如果加入的纯水量过少，溶液会呈现粘稠状态。封闭处理期间，需要在烘箱中完成烘干处理。这种封闭工艺需要极高的实施成本，但是生产率不高，处理后产品可能残留花斑或者出现流挂等表面缺陷。

经多次试验验证及工艺改进，确定微弧氧化封闭处理优化方案。在进行封闭处理时，调节稀释所用的纯水温度，使其处于25 ℃±3 ℃的范围内。透明漆与纯水的比例设为0.8 ∶1 为最佳。在这种配比下，封闭膜能够在较短的时间内转为干燥状态，可获得最佳封闭处理后的效果。

4 优化后微弧氧化膜层主要性能参数比较

选择优化后微弧氧化的接触网零部件与优化前的微弧氧化零部件、阳极零部件氧化膜层主要性能参数进行实际试验检测对比，试验结果如表1 所示。

表1 微弧氧化优化后与优化前、阳极氧化膜层性能对比

从表1 可以看出，优化后的微弧氧化工艺克服了优化前和阳极氧化的缺陷，提高了陶瓷膜的综合性能。

5 微弧氧化工艺技术应用前景

微弧氧化技术将物理放电活动与电化学活动结合，解决传统氧化工艺存在的问题，强化高压放电区域的产品性能，借助高压放电对氧化膜产生击穿作用，生成微弧放电与等离子体。经过微弧氧化工艺处理的零部件不仅中性盐雾试验可达2 000 h 以上，而且在大风沙区、化工区、跨海大桥或者沿海区的高铁系统中也有良好的性能表现。

当前，微弧氧化工艺已经进入建筑民用、航空航天、电子、国防、汽车与机械等多领域，主要用来对铝基零部件实施表面处理，确保零部件可以形成极高的绝缘性、耐热耐冲击性、耐蚀性以及耐磨性。在民用工业与工程建设领域，对于铝基材往往有着较为严格的耐蚀耐磨性能要求，同时有装饰方面的需求，可完成表面处理工作。本文针对高铁接触网上的零部件的防腐技术应用需求，对微弧氧化工艺进行优化改进。由于必须在高压条件下处理，因此要做好安全防护工作，避免出现用电隐患。