鐵路客車(chē)不銹鋼水箱漏水故障分析及防治措施

吳濤 王立航 周洪昌 袁彩霞

摘要：通過(guò)材料顯微分析結(jié)果，結(jié)合不銹鋼腐蝕機(jī)理，對(duì)鐵路客車(chē)不銹鋼水箱漏水故障進(jìn)行現(xiàn)象-機(jī)理分析，焊接熱影響區(qū)貧鉻和金屬表面存在活性Cl離子是造成不銹鋼水箱快速腐蝕漏水的主要原因，為減少直至消除不銹鋼水箱漏水故障，提出防治措施。

關(guān)鍵詞：鐵路客車(chē);水箱;腐蝕漏水;防治措施

1.背景

304材質(zhì)不銹鋼水箱是鐵路低速客車(chē)水汽系統(tǒng)重要儲(chǔ)水裝置，容積為1000L，由冷軋304不銹鋼板拼焊而成，客車(chē)制造廠在完成水箱組裝焊接后，需進(jìn)行充水試驗(yàn)，充水試驗(yàn)過(guò)的水箱在擱置一段時(shí)間后（1～2個(gè)月）發(fā)生了漏水現(xiàn)象，漏水點(diǎn)主要集中在水箱箱體焊縫附近。漏水點(diǎn)形貌為貫穿板厚的小孔（如圖一所示）。

圖一 水箱滲漏點(diǎn)外觀形貌

客車(chē)制造廠的工程技術(shù)人員根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，首先對(duì)庫(kù)存不銹鋼板材進(jìn)行了外觀檢查和理化性能檢測(cè)，檢驗(yàn)結(jié)果表明水箱材料的宏觀組織和理化性能全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求，初步判定漏水孔為試水后的腐蝕穿孔。

2.不銹鋼腐蝕機(jī)理分析

不銹鋼的耐腐蝕性主要是因?yàn)樵阡撝刑砑恿溯^高含量的Cr元素，Cr元素易于氧化，能在鋼的表面迅速形成致密的Cr2O3氧化膜，不銹鋼的耐腐蝕性能主要依靠表面覆蓋的這一層極薄的（約1nm）致密的鈍化膜，這層鈍化膜與腐蝕介質(zhì)隔離，是不銹鋼耐腐蝕的基本屏障，如果鈍化膜不完整或有缺陷被破壞，不銹鋼仍會(huì)被腐蝕。鐵路客車(chē)水箱材料為304不銹鋼，304不銹鋼為奧氏體耐蝕不銹鋼，其鉻含量超過(guò)12%，正常情況下其材料在加工過(guò)程中被破壞的鈍化膜有自愈性，只有當(dāng)被破壞的鈍化膜處的母材出現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象或鈍化膜長(zhǎng)時(shí)間處在腐蝕介質(zhì)中時(shí)，才能造成鈍化膜不能自愈或鈍化膜破壞，致使不銹鋼能夠在腐蝕介質(zhì)中被腐蝕。

3.顯微分析

對(duì)漏水水箱采取冷加工方法截取了實(shí)物試樣，對(duì)漏水孔洞用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，并進(jìn)行能譜分析。

結(jié)合掃描電子顯微鏡顯示的不銹鋼水箱孔洞特征，腐蝕孔洞恰好分布在焊縫熱影響區(qū)。通過(guò)對(duì)實(shí)樣進(jìn)行能譜分析的結(jié)果表明，熱影響區(qū)晶界孔洞處的鉻含量高于基體材料，能譜分析同時(shí)還發(fā)現(xiàn)試樣裂紋斷面處和內(nèi)表面都有Cl元素存在（如圖二所示）。

圖二 斷裂面能譜分析

Cl元素的存在更加速了不銹鋼水箱的腐蝕。一般情況下，處于鈍態(tài)的金屬仍有一定的反應(yīng)能力，即鈍化膜的溶解和修復(fù)（再鈍化）處于動(dòng)平衡狀態(tài)。當(dāng)介質(zhì)中含有活性陰離子（常見(jiàn)的如氯離子）時(shí)，平衡便受到破壞，溶解占優(yōu)勢(shì)。其原因是氯離子能優(yōu)先地有選擇地吸附在鈍化膜上，把氧原子排擠掉，然后和鈍化膜中的陽(yáng)離子結(jié)合成可溶性氯化物，結(jié)果在新露出的基底金屬的特定點(diǎn)上生成小蝕坑（孔徑多在20～30μm），這些小蝕坑稱(chēng)為孔蝕核，亦可理解為蝕孔生成的活性中心。根據(jù)電化學(xué)腐蝕機(jī)理，處于活化態(tài)的不銹鋼較之鈍化態(tài)的不銹鋼其電極電位要高許多，電解質(zhì)溶液就滿(mǎn)足了電化學(xué)腐蝕的熱力學(xué)條件，活化態(tài)不銹鋼成為陽(yáng)極，鈍化態(tài)不銹鋼作為陰極，腐蝕點(diǎn)只涉及到一小部分金屬，其余的表面是一個(gè)大的陰極面，在電化學(xué)反應(yīng)中，陰極反應(yīng)和陽(yáng)極反應(yīng)是以相同速度進(jìn)行的，因此集中到陽(yáng)極腐蝕點(diǎn)上的腐蝕速度非常顯著，有明顯的穿透作用，這樣形成了點(diǎn)腐蝕。

結(jié)合掃描電子顯微照片，漏水孔洞同時(shí)具有點(diǎn)蝕特征（如圖三所示），因此分析判定漏水孔洞是晶間腐蝕和電化學(xué)點(diǎn)蝕共同作用的結(jié)果，亦即焊接熱影響區(qū)貧鉻和金屬表面存在活性Cl離子是產(chǎn)生不銹鋼水箱快速腐蝕的直接因素。

圖三 水箱滲漏點(diǎn)迎水面顯微鏡下形貌

4.不銹鋼水箱漏水故障防治措施

通過(guò)腐蝕試樣金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察到的特征現(xiàn)象以及能譜分析得到的數(shù)據(jù)，可以分析判定不銹鋼水箱制造和充水試驗(yàn)過(guò)程中存在焊接熱影響區(qū)貧鉻和金屬表面存在活性Cl離子是造成漏水孔洞的直接原因，根據(jù)問(wèn)題原因建議以下防治措施：

（1）加強(qiáng)不銹鋼水箱用原材料的采購(gòu)過(guò)程管理，加強(qiáng)原材料復(fù)檢監(jiān)督，出現(xiàn)鉻、鎳、碳元素接近上下極限值時(shí)做必要的耐蝕性試驗(yàn)。

（2）水箱生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格按焊接工藝規(guī)程操作，強(qiáng)化對(duì)焊接操作者的技能要求，在確保焊接工藝參數(shù)的情況下盡可能提高焊接速度，以減小焊接熱影響區(qū)停滯時(shí)間，加快焊接冷卻速度，防止熱影響區(qū)貧鉻現(xiàn)象發(fā)生。

（3）嚴(yán)格控制母材和焊材含碳量，焊縫金屬含碳量越高， 碳和鉻形成碳化物的機(jī)率越大，在晶界上產(chǎn)生的晶間腐蝕的傾向越大。

（4）嚴(yán)格控制水箱焊接后焊接飛濺打磨質(zhì)量，尤其要杜絕過(guò)量打磨，打磨過(guò)量會(huì)造成點(diǎn)蝕加速。

（5）對(duì)原材料復(fù)檢項(xiàng)目增加顯微組織評(píng)定，對(duì)水箱母材碳化物分布嚴(yán)格控制。

（6）水箱生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)禁用鐵錘等尖銳器具進(jìn)行板材調(diào)修和裝配，避免板材鈍化膜破壞。建議采用木錘、塑料錘或包裹非金屬材料的金屬錘。

（7）不銹鋼點(diǎn)腐蝕的直接原因之一是充水試驗(yàn)用水活性氯離子含量過(guò)高，因此必須杜絕用工業(yè)管網(wǎng)水做充水試驗(yàn)，建議采用生活飲用水做充水試驗(yàn)。

5.結(jié)束語(yǔ)

以上措施在實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)得到實(shí)施，不銹鋼水箱漏水故障明顯減少，本文提出的防腐措施可供同類(lèi)產(chǎn)品制造過(guò)程中借鑒參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]表面處理工藝手冊(cè)編審委員會(huì)編.《表面處理工藝手冊(cè)》第一章第五節(jié).金屬的腐蝕與防護(hù).上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1991

作者簡(jiǎn)介：

吳濤（1966—）， 男，中級(jí)質(zhì)量工程師，從事鐵路客車(chē)質(zhì)量工程技術(shù)工作。