高速鐵路接觸網零部件熱鍍鋅的研究

俞先軍

（中鐵建電氣化局集團軌道交通器材有限公司，江蘇 常州213179）

目前中國高速鐵路行業(yè)中的接觸網零部件大量采用鋼鐵制品，其中有腕臂系統(tǒng)、底座裝置、下錨裝置、隧道內補償裝置及H形支柱等，高鐵產品服役地區(qū)廣泛，既在濕冷的隧道，又在腐蝕性強的近海地區(qū)，加上近年來局部地區(qū)的環(huán)境污染越來越重，高鐵零部件的防腐控制越來越重要，目前鋼制零部件的防腐主要還是采用熱鍍鋅工藝，熱鍍鋅的工藝越來越得到重視。

1 高速鐵路接觸網零部件熱鍍鋅技術的研究背景

1.1 技術基礎

在高鐵接觸網中，熱鍍鋅工藝主要應用于H形支柱、棘輪連接件、腕臂底座、下錨零部件等，接觸網零部件制造種類多，鋼材厚度不一，各產品對表面熱鍍鋅要求不同，通過改進研究，解決了產品鋅層不均勻性，鋅層暴鋅、漏鍍等問題。

1.2 技術難點

2 熱鍍鋅技術的研究

2.1 熱鍍鋅技術的原理

熱鍍鋅鋅錠主要成分是鋅，鋅的化學成分活潑，在常溫的空氣中，可以生成堿式碳酸鋅膜，可阻止基體進一步氧化?；瘜W符號是Zn，它的原子序數(shù)是30。熱鍍鋅大多采用的是高純電解鋅錠，一般含鋅量為99.995%，在熔池中確保熔融鋅中的雜質總含量（鐵、錫除外）不應超過總質量的1.5%。鋅的熔點是

國內接觸網零部件的熱鍍鋅技術的難點主要有：①產品漏鍍、暴鋅，主要分局部漏鍍和氣旋造成的漏鍍和成片狀的鋅層脫落；②鋅層厚度不達標，主要有主體和組合部件的厚度不達標；③表面流掛，主要為長條狀產品；④鋅層色差明顯，主要為大平面鋼件；⑤產品生白銹。419.53℃，一般大結構件熱鍍鋅溫度控制在435～450℃之間。需要離鋅的螺紋件施鍍溫度一般在520～540℃之間。

熱鍍鋅的3個步驟如下：①產品表面被鋅液溶解，鐵基表面被鋅液溶解形成鋅-鐵合金相成。②合金層中的鋅離子進一步向基體擴散形成鋅-鐵互溶層；鐵在被鋅液溶解的過程中形成鋅-鐵合金，并繼續(xù)向周圍擴散。③在鋅-鐵合金層的表面包裹著鋅層，鋅層在常溫下冷卻結晶，形成鍍層。

2.2 鋅液中加鋁改善性能

在實際的施鍍過程中，往往為了增強鋅液的流動性和鋅層的綜合性能，要在鋅池中加入一定含量的鋁。實驗結果得出，鋅液中鋁含量低于0.15%時，鋅-鐵化合物之間形成不完整的FeAl抑制層，鍍層的塑性大大降低。當鋅液鋁含量高于0.15%時，就會形成完整致密的FeAl抑制層，保證了合金層的均勻性和厚度，有利于鍍鋅層的綜合性能。鋅液中的鋁含量一般控制在0.16%～0.20%之間較為適宜[1]。當然還要根據施鍍的產品類型、環(huán)境溫度進行適當調整。

2.3 鍍鋅工藝的實施

熱鍍鋅的工藝主要有以下步驟：工件→脫油、脫脂→酸洗→浸助鍍劑→烘干預熱→熱鍍鋅→冷卻→鈍化→檢驗。

脫油、脫脂酸洗主要是在施鍍前處理工件表面的氧化皮、油污和其他影響鍍鋅的污染物，酸洗的時間及溫度應根據工件的銹蝕程度和天氣進行調整，當天氣溫度低時應加長酸洗時間和提高酸洗介質的溫度，脫脂和酸洗處理不好將會對鍍鋅附著力和漏鍍產生影響。浸助鍍劑，可保持在浸鍍前工件具有一定活性，避免二次氧化，以增強鍍層與基體結合。在施鍍前應對工件進行預熱，熱干水分，避免在鋅池中造成濺暴。熱鍍鋅時應根據工件的結構大小、施鍍方位制作施掛合適的掛具，從鋅鍋上方傾斜緩慢侵入，應控制好下降速度，一般保持在1.5 m/min，根據工件的厚度和鍍鋅厚度的要求控制好鍍鋅時間，一般工件施鍍時間應為3～5 min，起鍍時應緩慢提升，一邊起升一邊刮除工件上的流掛鋅液，也可采用在掛具上方采取振動裝置在起升時振動，減少工件鋅瘤鋅刺的產生。鈍化是利用鈍化液（鉻酸鹽鈍化液）中的氧化性物質與金屬產生氧化還原反應，促使在金屬表面生成一層金屬的氧化物，達到有效保護金屬的目的，這一過程屬于化學反應。工件表面產生的鈍化膜致密、完整不易被破壞，預防白銹的產生。

3 熱鍍鋅質量缺陷的研究

3.1 產品漏鍍、暴鋅

在管件和角鋼類零部件的施鍍中存在局部漏鍍和成片狀的鋅層脫落。漏鍍主要分為芝麻粒狀和不規(guī)則片狀的漏鍍，布局廣泛，如圖1所示。暴鋅則為局部鋅層脫落，主要是鋅層附著力不達標，如圖2所示。

圖1 漏鍍

圖2 暴鋅

漏鍍一方面是工件在酸洗方面去除表面油污雜質不到位，酸洗時間較短等因素，另一方面是由于工件本身的設計原因，如結構未開倒角，造成施鍍時局部氣旋無法排出，或是管狀出氣孔處由于要排出氣體，氣體上沖把孔邊緣的鋅層破壞造成局部漏鍍。解決方法主要是加強工件表面的油污酸洗；加強對工件本身的設計，例如管類產品要開出氣孔，筋板類焊接后要留出倒角孔，方便施鍍時氣體通暢，便于鋅液流淌；開孔的位置應設置合理，避免出氣影響本體鍍鋅面。

鋅層脫落主要是由于工件表面的氧化物質未清除干凈和薄的工件鋅層鍍的過厚造成本體的附著力降低導致。解決方法是采取更優(yōu)的表面處理工藝清除表面的氧化物質，根據板材的厚度設計施鍍鋅層厚度。

3.2 鋅層厚度不達標

鐵標TB/T 2073—2010中對零部件的鋅層厚度作出一、二、三級的要求，如表1所示。

表1 零部件的鋅層厚度要求

對于鋅層厚度而言，50μm、70μm、80μm所指的是測量本體上的局部厚度，通常采用手持式鋅層測厚儀來檢測表面的鋅層厚度，即磁性法。其工作原理為：采用電磁感應法測量涂（鍍）層的磁性金屬表面覆蓋層的厚度，即位于部件表面的探頭產生一個閉合的磁回路，隨著探頭與鐵磁性材料間的距離的改變，該磁回路將發(fā)生不同程度的改變，引起磁阻及探頭線圈電感的變化，利用這一原理可以精確地測量探頭與鐵磁性材料間的距離，即涂（鍍）層厚度。當然，并不是說測量一個點的鋅層厚度就判定鋅層不達標，而是取平均值。

GB/T 13912《金屬覆蓋層 鋼鐵制件熱浸鍍鋅層技術要求及試驗方法》中提到在每個不小于1 000 mm2的基本測量面內采用磁性法測量時，應至少取5個點測量測厚，其算術平均值即為該基本測量面的鍍層局部厚度。所以在測量時，允許個別點低于局部厚度或平均值[2]。但是當局部厚度或平均厚度仍然不達標時，那么整批次產品的鍍層厚度就是不達標了。

不達標的主要原因有：①鍍鋅時間短，上鋅量不夠；②工件表面處理不到位；③一種產品中既有厚件，又有薄件；④工件一端鋅層達標，另一端不達標。

解決辦法為：①增加鍍鋅時間，鋅層厚度隨著鍍鋅時間的增加而增加。②工件采取拋丸工藝處理，增加表面粗糙度，清除表面異物。拋丸時要注意工件的結構，防止工件拋丸后變形。如空腔件、薄件產品不宜采用履帶式拋丸機，應采用掛拋機垂直旋轉施拋。一般采用Φ0.3 mm的圓鋼珠，拋丸時間為3～10 min。③采用合適的掛具將工件兩頭掛起，先浸入鋅池的一端先起鍋，可以避免后下的先起鍋，造成鍍鋅時間不夠，引起兩端鋅層厚度不一致的問題。

3.3 鋅層表面流掛

接觸網零部件分為長條狀產品和管類狀產品，在熱鍍鋅時會出現(xiàn)流掛現(xiàn)象，有些還比較嚴重，嚴重影響表面的美觀度和鋅層的均勻度。流掛的原因主要有：鍍鋅鋅池溫度不高，流動性差；工件掛點采取不合適；鋅池成分配比不到位等。對此，要對鍍鋅池內的溫度保持持續(xù)控制，防止因長時間施鍍造成池溫降低；根據鍍件的結構采取合適的掛點接觸點，防止面層鋅液流掛；對鋅池的成分進行檢測，添加適量的鋁提高鋅液流動性等方法。

3.4 鋅層色差

鍍鋅產品的色差主要呈灰色或暗灰色，影響產品整體的美觀度。這個原因是多方面的，主要受工件本身含有的元素影響，如硅（Si）和磷（P）。在一定的成分范圍內，硅和磷會導致形成不均勻的光亮色和（或）暗灰色鍍層。另外鍍后修復也要避免大面積使用自噴漆對工件表面進行修復，因為在工件服役半年或更久后，沒有修復的工件表面會氧化發(fā)暗，而修復過的工件表面還是會顯示亮白色，造成色差，如圖3所示。

圖3 明顯的色差

3.5 產品表面白銹的生成

白銹生成的原因為：鍍鋅層表面若粘附一層凝結水，與空氣中的氧氣、二氧化碳、酸性物質接觸以及其他化學氣體作用后，變成了一種具有腐蝕性的水溶液而附著于鍍鋅層表面，形成一種電解液。這種電解液與化學穩(wěn)定性較差的鋅層發(fā)生了電化學腐蝕，從而產生粉末狀腐蝕產物，稱為白銹[3]。尤其是在管件互相接觸或板材鍍鋅后存放時相互緊密接觸，在潮濕的環(huán)境下，最容易生成白銹，如圖4所示。

圖4 管件表面嚴重白銹

處理方法：輕微白銹可以用軟毛刷刷去白銹，嚴重時必須返鍍處置。

預防措施：①鋅板堆放時，做好防潮措施，表面避免有凝結水。運輸時，根據天氣情況做好防護，避免被雨水淋濕浸泡。管類產品應采取措施將縱向和橫向都用隔板隔開，避免接觸，保持通風。板類產品要用發(fā)泡袋或珍珠棉進行隔離包裝。②儲存?zhèn)}庫中應保持空氣流通，空氣相對濕度不應高于80%以上。③物件堆放不應有有害氣體及過多的灰塵。④對鍍鋅層表面進行鈍化處理。

3.6 管狀產品的熱鍍鋅工裝的改進措施

管體鍍鋅要達到鍍鋅要求，對于三級熱鍍鋅（80μm以上），鍍鋅要準備專門吊鍍工裝，如圖5所示，平腕臂、定位管采用2頭穿鋼筋的方式鍍鋅，斜腕臂采用一頭穿在單耳里，一頭穿在管臂里的鍍鋅方式，支撐管可采用掛鍍方式，總體是避免在管體上有任何接觸點，因為有接觸點后采取打磨修銼會對管體鋅層造成破壞，影響整體的防腐性能，從工裝上進行改進可以有效避免接觸點的產生，減少后期接觸點的修復，達到本質鋅層不受損傷的目的。

圖5 吊鍍工裝

3.7 復合鋼件產品的鍍鋅控制

當一種產品由型鋼、角鋼和薄板組成時，要考慮型鋼和角鋼的鍍鋅時間控制，往往當型鋼和角鋼鋅層厚度滿足，薄板卻不能得到滿足，那么就要提前將薄板進行表面拋丸處置，增加表面粗糙度，提高同步上鋅時間。一般厚度低于2 mm板材或網孔狀板材易造成鍍鋅變形，應當注意避免。

4 結論

通過上述對接觸網零部件熱鍍鋅存在的質量問題進行研究解決，提高了高速接觸網零部件產品的熱鍍鋅質量，提高了產品的防腐性能和穩(wěn)定性，為高速鐵路事業(yè)發(fā)展作出了一定貢獻。高速鐵路零部件的防腐腳步不會停止，一定會隨著時代的發(fā)展繼續(xù)發(fā)展。