鋼軌腐蝕與防護(hù)研究述評

肖鋒

（中鐵物資集團(tuán)有限公司，北京100143）

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鋼軌腐蝕與防護(hù)研究述評

肖鋒

（中鐵物資集團(tuán)有限公司，北京100143）

摘要：為突破鋼軌腐蝕防護(hù)技術(shù)難以大規(guī)模推廣使用的困局，國內(nèi)外相關(guān)科技工作者進(jìn)行了多方面的理論研究與技術(shù)探索。從鋼軌腐蝕機(jī)理、影響因素以及防腐蝕方法三個(gè)方面，綜述國內(nèi)外的研究成果與最新動態(tài)，指出當(dāng)前研究的不足，并從成分優(yōu)化、冶煉與軋制技術(shù)提升、涂層與表面處理工藝開發(fā)以及鐵路日常養(yǎng)護(hù)等方面提出建議。

關(guān)鍵詞：鋼軌；腐蝕；影響因素；防腐蝕

為提高鋼軌耐蝕性能，國內(nèi)外相關(guān)科技工作者從化學(xué)成分、熱處理工藝以及表面處理工藝等進(jìn)行了多方面的理論研究與技術(shù)探索，但實(shí)際應(yīng)用卻進(jìn)展緩慢。本文將綜述國內(nèi)外鋼軌腐蝕機(jī)理、影響因素以及防腐蝕方法三個(gè)方面的研究成果與研究動態(tài)，評述國內(nèi)外鋼軌腐蝕與防護(hù)的研究現(xiàn)狀，為進(jìn)一步提高鋼軌耐蝕性能提出相關(guān)建議。

1　鋼軌腐蝕機(jī)理的研究

國內(nèi)對于鋼軌腐蝕問題的研究更多傾向于實(shí)際運(yùn)用，即針對特定環(huán)境下鋼軌的腐蝕現(xiàn)象，研究通過添加合金元素和表面處理等方法減緩鋼軌腐蝕的發(fā)生，并提出鐵路日常養(yǎng)護(hù)的具體措施；國外對鋼軌腐蝕機(jī)理的研究相對更早更透徹，在公認(rèn)的電化學(xué)腐蝕機(jī)理基礎(chǔ)[1]之上，Evans通過進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，在干濕交替的情況下，帶有銹層的鋼軌會被加速腐蝕[2]。在相對濕度較大的條件下，銹層可以起到強(qiáng)氧化劑的作用，直接參與陰極反應(yīng)，即在Fe和Fe3O4的界面上發(fā)生Fe→Fe2++2e的陽極反應(yīng)，在Fe3O4和FeOOH的界面上發(fā)生8FeOOH+Fe2++2e→3Fe3O4+4H2O的陰極反應(yīng)；在相對濕度下降時(shí)，銹層和底部基體金屬的局部微電池成開路，銹層內(nèi)的Fe2+重新被氧化成Fe3+，發(fā)生Fe3O4+O2+6H2O→12FeOOH的反應(yīng)。

2　鋼軌腐蝕影響因素的研究

鋼軌腐蝕的影響因素比較復(fù)雜，主要受環(huán)境的濕度、溫度及大氣中污染物等的影響。Robles等人的研究指出，在濕潤的空氣、鹽離子、雨水和雜散電流存在時(shí)，鋼軌與軌底墊板接觸面會發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，迅速降低鋼軌的服役壽命[3]。陳澤昊等人敘述隧道內(nèi)鋼軌腐蝕特點(diǎn)及其腐蝕損壞形式，對國內(nèi)外鋼軌防腐蝕技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行述評[4]。羅虞霞等人通過對廣鐵集團(tuán)公司管內(nèi)大瑤山隧道、株洲北站等工段鋼軌的腐蝕因素分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)械和疲勞傷損會加速電化學(xué)腐蝕的發(fā)生[5]。對于城市軌道的腐蝕問題，國內(nèi)外均認(rèn)為雜散電流是加速腐蝕的主要因素[6]。

3　鋼軌防腐方法的研究情況

提高鋼軌耐蝕性能方法概括起來主要有以下幾種：一是采用外加電流陰極保護(hù)的方法，由于使用直流電，容易干擾鐵路信號，控制操作比較復(fù)雜；二是“犧牲陽極”的陰極保護(hù)法，由于陽極（通常選擇鋅片）更換次數(shù)較頻繁，后期養(yǎng)護(hù)成本較高；三是采用改善化學(xué)成分的方法，在冶煉過程中添加Cr、Mo、Cu等合金元素以提高鋼軌耐蝕性能，但生產(chǎn)成本相對較高；四是采用表面涂層保護(hù)的方法，由于目前研制生產(chǎn)的涂層與鋼軌基體的結(jié)合力較低，容易脫落，使用壽命短；五是采用電弧或火焰噴涂鋅、鋁或鋅-鋁合金的方法，但前期需要通過噴丸或噴砂清除表面氧化物，工藝復(fù)雜，成本較高。上述方法各有利弊，目前均沒有大規(guī)模的推廣運(yùn)用。

3.1國外研究動態(tài)

針對隧道鐵路，尤其是海底隧道鐵路，以及沿海地區(qū)鐵路突出的鋼軌腐蝕問題，國外做了大量的探索和實(shí)踐。在合金化方面，日本從上世紀(jì)60年代末開始鋼軌材料試驗(yàn)，通過對含Cr、Cu、Mo等元素的20多種鋼軌材質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，在干濕交替的環(huán)境中，通過中、低水平的合金化，鋼軌10年內(nèi)的腐蝕量可降低60%左右；在表面處理技術(shù)方面，瑞士采用噴涂防銹油的方法，但有效作用時(shí)間較短，每兩年需噴涂一次；日本曾在隧道內(nèi)進(jìn)行過25種防護(hù)方法的研究，結(jié)果表明，在鋼軌表面噴涂金屬最有效；法國鐵路則采用復(fù)合防護(hù)的方式，即在鋼軌表面經(jīng)噴砂除銹后，先噴涂鋅、鋁或鋅-鋁合金，然后再施加高分子涂層，試驗(yàn)表明此種方法的防護(hù)效果最好。針對城市軌道，英國還推出了雜散電流收集系統(tǒng)[7]，結(jié)果證明該系統(tǒng)能有效地收集泄露的電流，降低鋼軌電化學(xué)腐蝕速率。此外，英國、法國、日本、澳大利亞、前蘇聯(lián)等也在鋼軌廓形優(yōu)化、熱處理工藝改變金相組織等方面進(jìn)行過大量的研究與探索，但收效甚微。

3.2國內(nèi)研究動態(tài)

上世紀(jì)50年代，鐵科院金化所對隧道內(nèi)的金屬部件開展了包括防銹油膏、熱浸鍍鋅、滲鋅、瑪脂、涂料等防銹試驗(yàn)，但防銹效果不佳。國內(nèi)四家鋼軌生產(chǎn)企業(yè)對鋼軌耐蝕性能的研究都有不同程度的進(jìn)展，武鋼通過優(yōu)化合金成分，已成功開發(fā)出了U68CuCr高強(qiáng)度耐蝕鋼軌，目前正在沿海地區(qū)進(jìn)行掛片試驗(yàn)，耐蝕效果有待進(jìn)一步觀察；攀鋼設(shè)計(jì)采用在鋼軌表面自動噴涂透明的專用防銹油的辦法[8]，油膜厚度控制在（30-50±5）μm，涂裝后的鋼軌可在1年內(nèi)鋼軌踏面不完全銹蝕，軌底、軌腰無銹蝕；包鋼通過成分中添加稀土元素，可大大鋼軌提高耐蝕性能，同時(shí)也開發(fā)了自主知識產(chǎn)權(quán)的防銹漆自動噴涂裝置；中南大學(xué)成功研究出了TEOS-KH570有機(jī)-無機(jī)復(fù)合涂層[9]，其以正硅酸乙酯（TEOS）作為無機(jī)前軀體，硅烷偶聯(lián)劑KH570為改性劑，采用溶膠-凝膠法制備，結(jié)果表明，覆有該復(fù)合涂層的金屬基板與裸金屬基板相比電極體系的極化電流顯著下降1-2個(gè)數(shù)量級，復(fù)合涂層有效增強(qiáng)了金屬基體的抗腐蝕能力。

4　結(jié)束語

由于鋼軌腐蝕機(jī)理本身的復(fù)雜性，同時(shí)對腐蝕防護(hù)技術(shù)的系統(tǒng)性、可操作性、有效性及低經(jīng)濟(jì)成本等的嚴(yán)格要求，目前國內(nèi)外均沒有可以大規(guī)模推廣使用的提高鋼軌腐蝕性能的方法。對于未來鋼軌腐蝕與防護(hù)問題的研究，建議如下：

（1）對于耐蝕鋼軌研究，建議在總體成分C-Si -Mn合金系基礎(chǔ)上，繼續(xù)通過優(yōu)化微合金成分、細(xì)化晶粒組織等措施，在不大幅增加經(jīng)濟(jì)成本的情況下實(shí)現(xiàn)高耐蝕性能。

（2）鋼軌生產(chǎn)廠家應(yīng)加強(qiáng)對耐蝕鋼軌關(guān)鍵冶煉、軋制以及質(zhì)量控制技術(shù)的開發(fā)，形成一整套滿足高速耐蝕軌標(biāo)準(zhǔn)要求的生產(chǎn)工藝和質(zhì)量監(jiān)督體系。

（3）由于有機(jī)-無機(jī)復(fù)合涂層綜合性能優(yōu)良，且具備制作工藝簡單、環(huán)境友好以及低經(jīng)濟(jì)成本等特點(diǎn)，在鋼軌防腐蝕應(yīng)用上具有良好的發(fā)展前景，未來應(yīng)加強(qiáng)涂料層與鋼軌基體的結(jié)合力方面的研究，提高涂層使用壽命。

（4）加強(qiáng)對表面處理工藝的研究，在保證工藝質(zhì)量的前提下，做到節(jié)能減排、環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，未來表面處理工藝與涂層工藝相結(jié)合使用，鋼軌耐蝕性能必將得到大幅提升。

（5）鐵路日常養(yǎng)護(hù)中，保持鋼軌清潔，及時(shí)清除油污，密切監(jiān)測鋼軌腐蝕情況，對鋼軌進(jìn)行周期性探傷，對腐蝕嚴(yán)重的鋼軌及時(shí)更換下道，確保鐵路運(yùn)營安全。

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中圖分類號：U177.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-545X（2016）04-0157-02

收稿日期：2016-01-02

作者簡介：肖鋒（1984-），男，湖北宜昌人，碩士，工程師，主要研究方向：鐵路鋼軌技術(shù)。

Review on Research Of Rail Corrosion and Protection

XIAO Feng
（China Railway Material Group Co.，Ltd，Beijing 100143，China）

Abstract:In order to break through the situation which is difficult to popularize the use of large scale of rail corrosion and protection，lots of related domestic and foreign scientific and technical workers have carried out a number of theoretical research and technical exploration.It summarizes the research achievements of rail corrosion and protection from three aspects of mechanism，influencing factors and anti-corrosion methods，points out problems and shortage existing in current research，makes suggestions from the composition optimization，smelting and rolling technology，coating and surface treatment process development，railway maintenance and so on.

Key words:rail；corrosion；influencing factor；anti-corrosion