彈條滲鋅工藝及防腐性能的研究

張松琦 張遠(yuǎn)慶 于毫勇 汝繼來 呂明奎

（1.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京 102206；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

防腐性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到彈條的可靠性和使用壽命。為保證彈條的防腐性能，已有多種防腐方式應(yīng)用于彈條，粉末滲鋅便是其中一種。粉末滲鋅工藝是一種固態(tài)多元熱擴(kuò)散涂層加工技術(shù)，也是一種熱擴(kuò)散表面強(qiáng)化技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于鋼鐵件的防腐處理。采用該工藝可以明顯改善金屬材料表面的耐腐蝕性，同時(shí)提高耐磨損、抗氧化、抗沖擊等性能［1］。粉末滲鋅技術(shù)形成的鋅-鐵合金層具有以下保護(hù)功能：作為阻擋層可將鋼基體與周圍的環(huán)境隔開，使之免遭腐蝕；在潮濕或者海洋環(huán)境下，滲鋅層作為犧牲陽極材料，對鋼基體起到電化學(xué)保護(hù)作用。目前，熱擴(kuò)散粉末滲鋅技術(shù)已發(fā)展成為一種高質(zhì)量、高性能、高效益的鋼鐵工件表面防腐處理技術(shù)［2］。

研究表明，影響滲鋅層厚度、物相組成等的因素有滲鋅溫度、滲鋅時(shí)間、升溫速率等［3-4］。此外，不同的滲鋅方法對滲鋅質(zhì)量也有重要影響。張躍等［5］采用機(jī)械能助滲法在Q235 鋼片表面制備滲鋅層，發(fā)現(xiàn)機(jī)械能助滲法制備的滲鋅層比傳統(tǒng)粉末包埋法的滲鋅層更厚，抗高溫氧化性能更優(yōu)。因此，機(jī)械能助滲法在滲鋅處理中獲得了較廣泛的應(yīng)用。本文采用的滲鋅方法即為機(jī)械能助滲法。

粉末滲鋅過程主要有3 個(gè)步驟：前處理→滲鋅→后處理。前處理為拋丸處理，處理后的彈條表面無油、無銹、無氧化皮；后處理為封閉處理。在保證前處理和后處理工藝不變的條件下，影響滲鋅質(zhì)量的因素主要是滲鋅處理時(shí)的滲鋅溫度和滲鋅時(shí)間。確定滲鋅溫度和滲鋅時(shí)間的關(guān)鍵依據(jù)是滲鋅時(shí)密封罐內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

本文通過試驗(yàn)研究滲鋅處理時(shí)密封罐內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上選取不同滲鋅工藝處理的彈條，對其滲鋅層及防腐性能進(jìn)行研究，以確定適宜的彈條滲鋅工藝。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 材料選用

選用60Si2Mn彈條進(jìn)行滲鋅處理。滲鋅劑主要由鋅粉、助滲劑、石英砂組成。

1.2 滲鋅工藝參數(shù)設(shè)定

設(shè)定不同的滲鋅溫度和滲鋅時(shí)間，組合成3 種滲鋅工藝，見表1。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容及儀器

1）采用測溫儀跟蹤測量密封罐內(nèi)部溫度。

2）采用光學(xué)顯微鏡觀察并測量滲鋅層厚度。

3）采用顯微維氏硬度計(jì)測量滲鋅層顯微硬度。

4）依據(jù)Q/CR 563—2017《彈條Ⅰ型扣件》［6］，對滲鋅彈條進(jìn)行防腐試驗(yàn)。包括：①120 h 二氧化硫試驗(yàn)；②120 h 中性鹽霧試驗(yàn)；③噴砂后48 h 二氧化硫試驗(yàn)；④噴砂后120 h中性鹽霧試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 滲鋅溫度

密封罐內(nèi)加入400 kg 彈條，并按配方比例加入鋅粉、助滲劑、石英砂等，設(shè)定爐溫為A［3］。將加熱設(shè)備升到設(shè)定爐溫進(jìn)行預(yù)熱，保持溫度不變，再將裝有測溫裝置的密封罐放入加熱設(shè)備，并按設(shè)定時(shí)間T進(jìn)行滲鋅處理。

根據(jù)測溫儀的記錄，得出滲鋅全過程密封罐內(nèi)部溫度隨滲鋅時(shí)間的變化規(guī)律，見圖1。

圖1 密封罐內(nèi)部溫度隨滲鋅時(shí)間的變化曲線

由圖1可知，隨著滲鋅時(shí)間增加，密封罐內(nèi)部溫度逐漸升高，且前期升溫快，后期升溫慢；當(dāng)滲鋅時(shí)間達(dá)到設(shè)定的T時(shí)，密封罐內(nèi)部溫度達(dá)到設(shè)定的A。

滲鋅要求最低溫度為350 ℃［7］。本文的3 種滲鋅工藝均符合要求。按3種工藝的參數(shù)設(shè)定滲鋅溫度和時(shí)間進(jìn)行彈條滲鋅試驗(yàn)研究。

2.2 滲鋅層厚度

測量采用3種滲鋅工藝進(jìn)行處理的彈條的滲鋅層厚度，如圖2所示。測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。

圖2 測量彈條滲鋅層厚度（單位：μm）

表2 滲鋅層厚度統(tǒng)計(jì)

由表2 可知：相同的滲鋅溫度（395～405 ℃）下，滲鋅時(shí)間從4.5 h 延長至5.5 h，滲鋅層厚度增加約22 μm；相同的滲鋅時(shí)間（4.5 h）下，滲鋅溫度由385～395 ℃增至395～405 ℃，滲鋅層厚度增加約13 μm。滲鋅層厚度隨滲鋅溫度和滲鋅時(shí)間的增加而增加。由于滲鋅溫度越低對工件的力學(xué)性能影響越小，因此滲鋅溫度不宜過高。

2.3 滲鋅層硬度

選取工藝3 處理的彈條，結(jié)合滲鋅層厚度，采用HV0.1 測試力測量彈條表面不同位置的滲鋅層顯微硬度，部分位置的測量結(jié)果及均值見表3。其中均值為全部測量結(jié)果的平均值。

表3 滲鋅層顯微硬度測量結(jié)果

由表3 可知，彈條表面滲鋅層硬度約350 HV，遠(yuǎn)高于電鍍鋅、熱浸鍍鋅、達(dá)克羅及靜電噴涂的涂層硬度［8-9］。因此，滲鋅層具有很好的耐磨性。滲鋅工藝適用于在運(yùn)輸、搬運(yùn)、安裝和使用過程中不可避免出現(xiàn)磕碰和磨損的彈條的防腐處理。

2.4 防腐試驗(yàn)

對工藝1—工藝3滲鋅處理彈條分別進(jìn)行120 h二氧化硫、120 h中性鹽霧、噴砂后48 h二氧化硫、噴砂后120 h 中性鹽霧試驗(yàn)。每種工藝進(jìn)行每種防腐試驗(yàn)的試件均為6 件。120 h 中性鹽霧試驗(yàn)后所有試件均無明顯銹蝕。另3種防腐試驗(yàn)后滲鋅彈條的表面狀況如圖3—圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表4。

圖3 3種工藝滲鋅彈條120 h二氧化硫銹蝕對比

圖4 3種工藝滲鋅彈條噴砂后48 h二氧化硫銹蝕對比

圖5 3種工藝滲鋅彈條噴砂后120 h中性鹽霧銹蝕對比

表4 防腐試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由表4 可知：3 種工藝處理的滲鋅彈條，均滿足中性鹽霧要求；工藝1、工藝2的耐二氧化硫、噴砂區(qū)域耐中性鹽霧及耐二氧化硫性能明顯低于工藝3。工藝3的綜合防腐性能明顯優(yōu)于工藝1和工藝2。因此，該滲鋅設(shè)備處理彈條的滲鋅工藝應(yīng)優(yōu)選工藝3，其對應(yīng)的滲鋅層厚度大于40 μm。

3 結(jié)論

1）采用測溫儀測量密封罐的內(nèi)部溫度，得出彈條滲鋅處理時(shí)密封罐內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

2）在設(shè)定爐溫下，滲鋅層厚度隨滲鋅時(shí)間的增加而增加。

3）當(dāng)滲鋅層厚度大于40 μm 時(shí)，滲鋅彈條的綜合防腐性能良好。

4）彈條的滲鋅工藝適宜滲鋅溫度為395～405 ℃，滲鋅時(shí)間不低于5.5 h。