表面處理技術在鐵道車輛制動系統(tǒng)產(chǎn)品中的應用綜述

張海軍，劉寶安，程 鑫（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

制動系統(tǒng)作為鐵道車輛的重要組成部分，系統(tǒng)部件的配置要求其具有穩(wěn)定的可靠性、功能性和視覺美觀性，而表面處理技術正是強化產(chǎn)品上述特性的最有效方法。特別是在我國HX型大功率機車、CRH型動車組制動系統(tǒng)技術的國產(chǎn)化過程中，充分體現(xiàn)表面處理技術的應用價值。

1 表面處理技術的作用

表面處理技術的應用可以促進機電產(chǎn)品性能的提高、成本降低、外形美觀，并有利于節(jié)約資源、保護環(huán)境等。在我國HX型大功率機車、CRH型動車組制動系統(tǒng)部件國產(chǎn)化過程中，表面處理技術應用的作用具體體現(xiàn)在以下3個方面。

1.1 裝飾性作用

我國HX型大功率機車、CRH型動車組作為現(xiàn)今我國鐵路裝備制造業(yè)的代表，產(chǎn)品整體的外觀設計帶給人們一種先進性和具有時代感的視覺效果，體現(xiàn)了產(chǎn)品設計和工藝的精湛性，而這種視覺效果正是表面處理技術應用的體現(xiàn)。

制動系統(tǒng)作為鐵道車輛重要組成部分，產(chǎn)品的外觀設計需要考慮這種先進性和時代感的作用，考慮產(chǎn)品的外觀裝飾作用，所以需要應用合理的表面處理技術強化產(chǎn)品的外觀特性，提高產(chǎn)品的附加值和競爭力。

1.2 防護性作用

鐵道車輛制動系統(tǒng)產(chǎn)品所處的運用環(huán)境，決定了其運用過程中不可避免受到外界物理或化學作用。如基礎制動裝置，容易受到外界磕碰、磨損、化學或電化學腐蝕等。上述現(xiàn)象在一定程度上將影響產(chǎn)品的可靠性性能，需要通過產(chǎn)品優(yōu)化設計避免或減輕，而最有效和經(jīng)濟的手段是表面處理技術的合理應用。

1.3 功能性作用

在鐵道制動系統(tǒng)產(chǎn)品中，對于工程材料的功能性要求主要體現(xiàn)在活塞動密封面具有好的密封性、抗磨損性和自潤滑性，離合器面的接觸摩擦力，零件基體絕緣特性，抗腐蝕性能等。上述特性在產(chǎn)品設計中依靠單一材料性能已很難滿足這種工程需要，而表面處理技術的應用是滿足產(chǎn)品特殊性能的有效方法。

2 表面處理技術的應用狀況

在HX型大功率機車、CHR型動車組制動系統(tǒng)國產(chǎn)化產(chǎn)品中，表面處理技術得到了大量的應用，對于提高產(chǎn)品性能、增強產(chǎn)品可靠性、延長產(chǎn)品使用壽命、提高產(chǎn)品可維護性等方面具有重要的作用。如圖1所示CRH3動車組制動夾鉗單元外部零件表面處理技術的應用。

（1）噴漆提高產(chǎn)品外在美觀性和防護性；

（2）達克羅給予螺栓抗腐蝕性和潤滑性；

（3）陽極氧化提高鋁材基體硬度和耐腐蝕性；

圖1 CRH3動車制動夾鉗單元

（4）磷化提高鋼材基體防腐蝕性；

（5）鍍鋅提高基材的耐磨性和硬度；

（6）鈍化提高不銹鋼基材的耐腐蝕性。

在已有制動系統(tǒng)國產(chǎn)化產(chǎn)品中，表面處理技術的應用按照成型原理可以劃分為3大類：鍍層技術、涂覆技術和表面轉化技術。

2.1 鍍層技術

鍍層技術在制動系統(tǒng)產(chǎn)品中的應用主要為電鍍鋅和化學鍍鎳，工藝過程是依靠外力使被鍍金屬沉積到零件表面，賦予基體表面被鍍金屬特性或?qū)w的犧牲保護作用。

電鍍鋅的表面處理防護鍍層能夠顯著提高產(chǎn)品的防腐要求及外觀效果，在已有電鍍、鈍化基礎上如果結合封閉處理，可以使鍍層鹽霧試驗時間提高到200h以上。如圖1中的防護板電鍍鋅的應用。

化學鍍鎳在基體表面獲得NI-P合金鍍層，能顯著提高基體的耐磨性和防腐性，如圖2所示，機車CCBII制動機EBV內(nèi)凸輪的整體化學鍍鎳。

圖2 凸輪

2.2 涂覆技術

涂覆技術在制動系統(tǒng)產(chǎn)品中的應用主要包括傳統(tǒng)的涂裝、“達克羅”涂層、“PTFE”涂層及零部件的中轉涂油防護等。工藝過程是將被涂材料通過特殊工藝覆蓋于物體表面，形成具有一定功能且牢固附著的連續(xù)薄膜，從而用以保護和裝飾被涂物體。

涂裝能夠顯著提高產(chǎn)品的美觀性，同時提高產(chǎn)品腐蝕性、抗沖擊性、耐磨性等，如圖1中的夾鉗單元；“達克羅”涂層主要用于提高高強度結構零件的防腐性，如高等級螺栓、螺母；“PTFE”涂層與硬質(zhì)陽極化膜的復合使用，能夠使基體表面具有極強的自潤滑特性，如圖3所示動車制動系統(tǒng)中壓力變化閥產(chǎn)品中的反向閥體表面處理要求。

壓力變化閥產(chǎn)品特性要求反向閥體活塞工作表面具有高耐磨性，而閥體基體為鋁材，材質(zhì)比較軟，為了達到產(chǎn)品特性要求采用硬質(zhì)陽極化表面提高基體表面的硬度，再通過PTFE涂層降低表面的摩擦系數(shù)，繼而滿足產(chǎn)品特性的要求，使產(chǎn)品疲勞測試達到106的要求。

圖3 反向閥體

2.3 表面轉化技術

表面轉化技術在制動系統(tǒng)產(chǎn)品中的應用主要包含磷化、鈍化和陽極氧化。工藝過程是將基體侵入化學溶液中通過化學或電化學方法處理改變基體材料表面的化學成分，在零件表面產(chǎn)生特殊成分和性能的表面防護層。

磷化的主要作用體現(xiàn)為防腐、潤滑和涂裝打底；鈍化處理能夠提高表面的防腐能力和裝飾性，包括不銹鋼鈍化和鋁材鈍化兩種。陽極氧化在金屬基體表面生成氧化膜能夠顯著提高基體的防腐性、耐磨性、裝飾性，且具有絕緣特性。如圖4所示，機車16部閥體的陽極氧化處理。

圖4 16控制模塊閥體

3 表面處理技術的應用設計

產(chǎn)品由各種零部件構成，而任何一個實體零部件都存在表面界，所以對于產(chǎn)品的構成絕不能忽略產(chǎn)品表面的存在，只有將零部件的表面設計融入到產(chǎn)品整體的設計過程，才能使產(chǎn)品設計達到盡可能的完美。

表面界面的應用是一項復雜的工程，涉及多方面內(nèi)容，是一項經(jīng)驗性很強的應用性技術，所以在其應用過程中需要經(jīng)驗的積累和相關知識的理解，參考現(xiàn)有的特例和應用狀況。

3.1 應用設計包含的內(nèi)容

表面界面設計應用以產(chǎn)品表面為基礎，以表面行為為研究對象，以滿足產(chǎn)品特殊性能為目標，所以在產(chǎn)品設計過程中，需要理解產(chǎn)品表面特性，表面行為，產(chǎn)品特性需要，表面處理技術等。在表面處理技術設計過程中，涉及的相關內(nèi)容如圖5所示。

圖5 表面工程設計體系

3.2 應用設計原則

由表面處理技術涉及的相關工程技術可知表面處理技術的應用不是簡單的拼湊，需要綜合各方面內(nèi)容實現(xiàn)應用的可行性和合理性，為了使這種復雜過程簡單化，在實際操作中可以遵循以下原則。

（1）表面處理膜層具有優(yōu)異的性能，滿足使用要求；

（2）表面處理技術設計工藝上可行，適應現(xiàn)有工業(yè)環(huán)境狀況；

（3）表面處理技術與基材具有優(yōu)良的適應性，滿足基材表面狀態(tài)要求。如圖6所示，由于鑄造表面存在復雜的區(qū)域，不利于電鍍處理，所以處理后表面存在漏鍍區(qū)域。

圖6 測速齒輪電鍍鋅

（4）表面處理技術的應用不能帶來產(chǎn)品其他的潛在風險。如圖7所示高強度鋼電鍍帶來的氫脆風險 ；

圖7 電鍍鋅氫脆性裂紋

（5）表面處理膜層的作用壽命與產(chǎn)品的維護、檢修和壽命周期相協(xié)調(diào)，不要造成功能的浪費；

（6）綜合分析，在提高性能、延長壽命的情況下使產(chǎn)品擁有合理的成本。

3.3 應用設計方法

表面處理技術的應用設計，需要理解產(chǎn)品特性和要求，掌握表面處理技術應用中涉及的相關知識，所以對設計人員提出了更高的要求。而在實際應用中可以采用相對簡單的方法“類似法”，參考已有的應用案例，分析共同點和不同點，采用相同或類似的技術、裝置和技術方案即可實現(xiàn)優(yōu)化設計。類似法的應用，類比內(nèi)容如下。

（1）表面狀態(tài)的設計要求；

（2）結構材料和表面狀態(tài)；

（3）滿足要求的表面處理技術；

（4）表面處理技術類型和指標的選擇；

（5）表面處理技術工藝過程的施加與控制；

（6）表面處理技術性能指標的測試和驗收。

以CRH3動車制動夾鉗單元產(chǎn)品的外觀涂裝設計為例，如圖1所示，分析表面處理技術類似法的應用。制動夾鉗單元產(chǎn)品要求外觀具有與車輛轉向架、車體配套的裝飾作用，同時要能夠抵御產(chǎn)品惡劣環(huán)境破壞的防護作用。制動夾鉗單元涂裝表面處理設計流程如圖8所示，需要考慮的詳細內(nèi)容如下。

（1）產(chǎn)品表面狀態(tài)。分析基材表面狀態(tài)是否滿足涂裝應用要求，考慮涂層結合力性能和涂層防護性能滿足裝飾性和防護性要求；

（2）產(chǎn)品運用環(huán)境。針對產(chǎn)品涂裝的裝飾性和防護性作用，提出產(chǎn)品運用環(huán)境要求，如顏色、光澤、耐油、耐溫、耐候等指標；

（3）涂裝生產(chǎn)。根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)狀況，考慮涂裝設計與現(xiàn)有生產(chǎn)狀況和涂裝生產(chǎn)工藝的適應性；

圖8 制動夾鉗單元涂裝設計

（4）涂層性能指標。依照產(chǎn)品運用環(huán)境和生產(chǎn)狀況，明確涂裝防護層的生產(chǎn)指標和最終性能指標；

（5）涂層結構。根據(jù)涂層性能指標設計涂層結構，如單一涂層、復合涂層或者表面處理技術的復合防護結構；

（6）涂料的種類。根據(jù)產(chǎn)品基體狀態(tài)、設計要求、運用環(huán)境要求、生產(chǎn)狀況和已有的案例，確定合理的涂料類型。

（7）性能指標的驗證。通過試驗設備驗證涂裝設計性能指標，通過長期的實際使用效果逐步完善設計狀態(tài)。

4 表面處理技術應用的標準化體系

在HX型大功率機車、CRH型動車組制動系統(tǒng)部件國產(chǎn)化過程中，產(chǎn)品表面處理技術的應用實現(xiàn)了標準化、體系化，形成了適合企業(yè)自身產(chǎn)品的標準化管理體系，充分感受到其管理模式的優(yōu)越性。而在自主產(chǎn)品中，由于對表面技術缺乏深入理解，導致表面處理技術的應用缺乏合理性，主要表現(xiàn)在設計不規(guī)范，功能不明確，指標不詳?shù)取?/p>

通過在國產(chǎn)化過程中積累的經(jīng)驗，參考國外企業(yè)的管理經(jīng)驗和我國的工業(yè)環(huán)境，以及制動系統(tǒng)產(chǎn)品特性，本文提出建立表面處理技術應用設計標準化體系，推行企業(yè)標準化管理在表面處理技術設計、生產(chǎn)和質(zhì)量管理中的應用。

4.1 標準化體系及作用

表面處理技術的企業(yè)標準化及體系的建立，需要明確體系的構成元素和其在企業(yè)日常管理中的作用。

（1）表面處理技術的標準化

現(xiàn)階段表面處理技術在制動系統(tǒng)產(chǎn)品中的設計應用，由于國內(nèi)行業(yè)標準不足和企業(yè)自身標準缺乏，處于不規(guī)范的狀態(tài)。應用設計的不規(guī)范導致后期生產(chǎn)和管理的混亂，主要表現(xiàn)為工藝過程無法確定，指標無法檢測和衡量，繼而無法進行有效的管理。

表面處理技術應用設計標準化的推行能夠使應用設計過程獲得最佳秩序，使設計、生產(chǎn)和管理規(guī)范化，對于提高企業(yè)運行效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的作用。

（2）表面處理技術的企業(yè)標準化

企業(yè)標準化建立在企業(yè)產(chǎn)品特點、生產(chǎn)資源和管理模式基礎上。建立企業(yè)標準化能夠使企業(yè)在自身特點基礎上，從設計、生產(chǎn)、經(jīng)營和管理過程中提高效率，獲得最佳效益。

開展制動系統(tǒng)產(chǎn)品表面處理技術應用設計的企業(yè)標準化工作，主要內(nèi)容是根據(jù)產(chǎn)品特性和要求制定適合企業(yè)運行的相關標準，包括設計標準、工藝標準、質(zhì)量管理標準，以及企業(yè)運行流程等。

（3）表面處理技術的企業(yè)標準化體系

企業(yè)標準化體系是對企業(yè)標準的系統(tǒng)整合，將表面處理技術的企業(yè)標準系統(tǒng)化就形成了企業(yè)標準化體系。

根據(jù)制動系統(tǒng)產(chǎn)品特點和企業(yè)運行狀況，建立表面處理技術企業(yè)標準化體系，能夠充分保證產(chǎn)品質(zhì)量，簡化管理，獲得最佳的企業(yè)效益。

4.2 標準化體系的構成

表面處理技術標準化體系構成元素涉及的內(nèi)容包含設計、生產(chǎn)、質(zhì)量控制和日常管理。上述構成內(nèi)容相輔相成，設計決定工藝，明確質(zhì)量指標；工藝過程是設計的實現(xiàn)和質(zhì)量的保證；質(zhì)量管理是對設計的保證和生產(chǎn)的驗證；而日常管理則是協(xié)調(diào)各階段的工作，使其有序開展。在標準化體系構成中，主要包含的標準及其內(nèi)容如下。

（1）設計標準化

表面處理技術的應用設計內(nèi)容，根據(jù)功能、工業(yè)環(huán)境、企業(yè)資源和產(chǎn)品特點確定。設計標準化是設計、生產(chǎn)和質(zhì)量管理的信息橋梁，內(nèi)容包含表面處理技術的作用、類型、等級、設計標注，以及標注結構的含義等。

按照企業(yè)標準化內(nèi)容，設計人員能夠簡單、準確的進行表面處理技術的選擇和產(chǎn)品設計圖紙的標注。例如用于增強金屬基體與涂裝附著力的表面處理技術的應用，選擇磷酸表面轉化膜方法，其在圖紙中的技術要求設計標注為：

上述設計標注的內(nèi)在含義指磷酸鋅的溶液（Znph）用于黑色金屬（Fe）的防腐保護（r），每單位面積的質(zhì)量5g／m2，要求后處理涂油脂（f）封閉。此設計標注充分體現(xiàn)了設計目標、工藝施加、質(zhì)量指標和管理方法。

（2）工藝過程標準化

表面處理技術工藝過程膜層的生成過程是一種微觀的機械、化學或電化學反應過程?；w狀態(tài)、溶液溫度、濃度、工藝時間等參數(shù)的微小變化，都能夠影響最終質(zhì)量，所以有必要對工藝過程進行標準化，避免多樣性工藝造成的產(chǎn)品差異。

表面處理技術應用的工藝過程標準化能夠充分保障設計和質(zhì)量要求，標準化工藝內(nèi)容包含了工藝的執(zhí)行過程和技術指標要求。例如鋼鐵基體磷化處理的基本流程：除油除銹→水洗→中和→水洗→磷化→水洗→脫水油封閉→晾干，標準文件中詳細給出了每道工序的參數(shù)和指標。

（3）質(zhì)量控制標準化

表面處理的生產(chǎn)通常委托專業(yè)廠家，為了對委外加工的質(zhì)量進行驗證和約束，委托方通常通過進貨檢驗對加工質(zhì)量進行驗收。而表面處理質(zhì)量指標的驗證通常會存在多種方法，為了協(xié)調(diào)生產(chǎn)，易于溝通，保證質(zhì)量，需要推行標準化的質(zhì)量控制。

表面處理質(zhì)量控制標準化建立在企業(yè)設備配置基礎上，從質(zhì)量控制流程、技術要求、檢驗方法等方面加以規(guī)范化，且充分考慮（滿足技術要求前提下）檢驗方法的統(tǒng)一性，可操作性，簡單性。

5 結束語

產(chǎn)品表面界面設計在產(chǎn)品設計中具有重要的作用和價值，是產(chǎn)品的重要組成部分，需要充分重視。而表面界面設計不是表面處理技術的簡單重疊，包含豐富的內(nèi)容，與產(chǎn)品、企業(yè)資源、工業(yè)環(huán)境等息息相關。

隨著HX大功率機車、CRH動車組制動系統(tǒng)部件國產(chǎn)化的深入開展，對于表面處理技術的應用有了更新的認識。但在自主產(chǎn)品的開發(fā)過程中，產(chǎn)品表面界面的設計沒有得到足夠的認知和重視，仍然停留在照搬階段。所以本文從產(chǎn)品表面界面的重要性，表面處理技術的應用、作用、設計，以及如何開展表面處理技術的管理進行論述，其目標是強化表面處理技術在制動系統(tǒng)產(chǎn)品中的應用，建立制動系統(tǒng)表面處理技術應用的標準化體系。

［1］李金桂，吳再思.防腐蝕表面工程技術［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2002.

［2］李國英.表面工程手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998.

［3］徐濱士，劉世參.中國材料工程大典［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2006.

［4］黃健中，左 禹.材料的耐蝕性和腐蝕數(shù)據(jù)［M］.北京：化學工業(yè)出版社，1998.