微弧氧化工藝在高速鐵路棘輪裝置上的應(yīng)用

0 引言

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的不斷提升，電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)速度不斷提高。高速鐵路的棘輪裝置是接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)中使承力索和接觸線保持恒定張力的關(guān)鍵裝置，需具備強(qiáng)度高、耐腐蝕、少維修、少維護(hù)等特點(diǎn)。而鎂鋁硅合金因其具有密度低、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、可塑性高以及加工性能良好、抗腐蝕能力強(qiáng)和價(jià)格低廉等特點(diǎn)，普遍被應(yīng)用于鐵路接觸網(wǎng)棘輪裝置的生產(chǎn)中。隨著高速鐵路線路的不斷延伸和增加，棘輪裝置被廣泛應(yīng)用于不同地理環(huán)境和氣候條件中，在化工企業(yè)周邊地區(qū)、空氣中含有鹽、堿和酸性等腐蝕性物質(zhì)的地區(qū)、沿海地區(qū)或鐵路隧道內(nèi)的強(qiáng)堿性滴漏區(qū)段等惡劣環(huán)境區(qū)段，對(duì)高鐵棘輪的抗腐蝕性能提出更高的要求。本文基于該現(xiàn)狀，對(duì)高鐵棘輪裝置的表面氧化技術(shù)進(jìn)行研究。

1 微弧氧化技術(shù)的來(lái)源和原理特點(diǎn)

20世紀(jì)30年代初，Gǜinterschulz等人首次發(fā)現(xiàn)金屬浸在液體之中后，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下金屬表面會(huì)發(fā)生火花放電現(xiàn)象，且放出的火花對(duì)金屬表面的氧化膜具有破壞作用。隨后人們利用這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在金屬表面制作出了氧化膜涂層，并應(yīng)用于鎂合金防腐。微弧氧化技術(shù)是在傳統(tǒng)陽(yáng)極氧化技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，美國(guó)、德國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開(kāi)展對(duì)微弧氧化工藝機(jī)理的研究，國(guó)內(nèi)在1996年才有這方面的研究論文。

微弧氧化表面處理技術(shù)是一種利用強(qiáng)電場(chǎng)作用下金屬表面發(fā)生電火花產(chǎn)生弧光放電，激活并增強(qiáng)陽(yáng)極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而可直接在鈦合金、鋁合金、鎂合金等材料的金屬表面原位形成一層優(yōu)質(zhì)的強(qiáng)化陶瓷膜涂層的綠色環(huán)保表面處理技術(shù)。微弧氧化技術(shù)采用專(zhuān)用的微弧氧化電源對(duì)閥金屬施加高電壓，擊穿金屬表面具有絕緣性質(zhì)的氧化膜，使零件表面金屬層與配制的微弧氧化溶液發(fā)生互相反應(yīng)，在零件表面形成微弧放電，從而產(chǎn)生瞬時(shí)的高溫高壓（溫度可達(dá)2 000～3 000℃，壓強(qiáng)約為102 MPa）微區(qū)。在高溫高壓、強(qiáng)電場(chǎng)等因素的作用下，絕緣膜薄弱處熔化并快速冷卻，將熔化的絕緣膜燒結(jié)成晶態(tài)氧化物，由此可在金屬表面形成一層均勻、連續(xù)且具有優(yōu)異耐磨性能的氧化層（類(lèi)似于陶瓷膜），從而達(dá)到強(qiáng)化工件表面，提高其耐腐蝕性能的目的。

采用微弧氧化技術(shù)后，金屬表面形成了一層耐腐蝕性較強(qiáng)的陶瓷膜，而形成該陶瓷膜的零件具備如下優(yōu)良特性：（1）微弧氧化表面處理后形成的陶瓷膜其硬度在1 000～2 000 HV之間，很大程度上提高了零件表面硬度，增加其耐磨性。某些合金表面生成的陶瓷膜的顯微硬度甚至可達(dá)3 000 HV，大幅超過(guò)硬質(zhì)合金以及熱處理后的高速工具鋼等的硬度，使金屬合金應(yīng)用范圍更廣；（2）微弧氧化形成的陶瓷膜具有良好的密閉性，極大提高了金屬的耐熱及抗腐蝕性，從根本上克服了鎂、鋁、鈦及其合金材料在應(yīng)用中易腐蝕的缺點(diǎn)；（3）表面形成的微弧氧化陶瓷膜具有良好的耐磨損性能；（4）陶瓷導(dǎo)電性能低，可用于絕緣，微弧氧化形成的陶瓷層的電阻高達(dá)108W，可應(yīng)用于高絕緣性要求的設(shè)備裝置中；（5）合金金屬零件表面生成的陶瓷膜與合金零件本體結(jié)合緊固且陶瓷膜致密均勻；（6）微弧氧化工藝穩(wěn)定可靠，可在常溫下進(jìn)行，生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便；（7）溶液為環(huán)保型，生產(chǎn)中不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，符合環(huán)保排放要求。

2 微弧氧化設(shè)備

微弧氧化設(shè)備采用三相380 V電源，因?yàn)樵O(shè)備對(duì)電壓的要求較高（一般在510～700 V之間），所以微弧氧化設(shè)備為非標(biāo)設(shè)備，需進(jìn)行專(zhuān)門(mén)定制。微弧氧化設(shè)備通常采用硅變壓器，電源輸出電壓：0～750 V之間，可調(diào)電源輸出最大電流為5、10、30、50、100A等可選。微弧氧化反應(yīng)槽體可選用絕緣的PP、PVC等材質(zhì)，反應(yīng)槽外部可使用不銹鋼進(jìn)行加固和增強(qiáng)美觀性。由于反應(yīng)產(chǎn)生高溫高壓，可在反應(yīng)槽外部加裝冷卻設(shè)施或配冷卻內(nèi)膽。如果需進(jìn)行微弧氧化處理的零件為鋁質(zhì)材料，其掛具可選用鋁或鋁合金材質(zhì)以防止雜質(zhì)混入，陰極材料選用不溶性金屬材料，推薦不銹鋼。

微弧氧化設(shè)備由交流電源配電柜、冷卻裝置、微弧氧化工藝流程槽等組成。冷卻系統(tǒng)分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)2部分。

3 棘輪微弧氧化的工藝過(guò)程和溶液配制

3.1 棘輪

棘輪是一種外緣或內(nèi)緣上具有剛性齒形表面或摩擦表面的齒輪，是組成棘輪機(jī)構(gòu)的重要構(gòu)件，由棘爪推動(dòng)作步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，類(lèi)似于齒輪，是與號(hào)盤(pán)配合、控制號(hào)盤(pán)變換的零件。在高速鐵路上，棘輪是不可或缺的接觸網(wǎng)零件，棘輪的性能對(duì)高速鐵路的安全運(yùn)行影響較大。

3.2 棘輪微弧氧化的工藝流程

棘輪微弧氧化的工藝流程：預(yù)處理、棘輪上掛、超聲波清洗、純水漂洗、微弧氧化處理、噴淋清洗、烘干處理、封閉處理、表面質(zhì)量檢驗(yàn)。

（1）在微弧氧化前對(duì)棘輪零件進(jìn)行清潔，去除表面與反應(yīng)無(wú)關(guān)的雜質(zhì)（經(jīng)熱處理后棘輪表面會(huì)殘留機(jī)械加工金屬碎屑、毛刺、鑄造浮砂等），以減少對(duì)槽液的污染，延長(zhǎng)槽液的使用周期。

（2）超聲波清洗，去除棘輪表面的油漬等。

（3）漂洗，用純凈水洗去棘輪表面粘附的超聲波溶液。

（4）微弧氧化，對(duì)棘輪進(jìn)行表面氧化處理。微弧氧化處理的方式包括恒流法和恒壓法，根據(jù)棘輪的特性和材質(zhì)，采用恒流法對(duì)其表面進(jìn)行氧化處理，具體電流參數(shù)、微弧氧化處理時(shí)間需根據(jù)電流密度與棘輪表面積進(jìn)行計(jì)算。

（5）漂洗噴淋，用自來(lái)水沖刷去棘輪表面粘附的氧化溶液。

（6）烘干處理。

（7）封閉，對(duì)微弧氧化后的棘輪進(jìn)行表面封閉處理，使棘輪具有防水性能。

3.3 溶液配制

微弧氧化超聲波清洗用溶液由磷酸三鈉和自來(lái)水配制而成，自來(lái)水加熱至40～50℃，按一定比例配制溶液，攪拌均勻，配制好溶液后使用PH試紙測(cè)試其PH值，超聲波溶液PH值要求在10～14范圍內(nèi)。

微弧氧化用溶液由硅酸鈉、六偏磷酸鈉、丙三醇、NaOH、純水、鎢酸鈉等按一定比例配制而成。在配制微弧氧化溶液時(shí)，因六偏磷酸鈉的溶解特性（溶解于純水速率較慢），應(yīng)先按配方計(jì)算、稱量配制溶液所需的六偏磷酸鈉，加熱純水至40～50℃，然后將六偏磷酸鈉溶解于盛有40～50℃純水的塑料桶中，再將溶解后的溶液倒入微弧氧化槽中（六偏磷酸鈉倒入純水中時(shí)需均勻抖動(dòng)撒入，并均勻攪拌使其易于融化，切忌整勺或整體倒入，防止試劑溶解困難）。溶液配制完成后，開(kāi)啟氣泡將試劑溶解。

4 棘輪夾具的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

棘輪的微弧氧化需經(jīng)過(guò)工業(yè)化的生產(chǎn)工藝，夾具設(shè)計(jì)是一個(gè)不容忽視的環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)前期對(duì)其他零件夾具的實(shí)驗(yàn)和總結(jié)，設(shè)計(jì)棘輪夾具必須滿足以下基本條件：（1）夾具必須選用導(dǎo)電性良好的材料，保證微弧氧化過(guò)程中大電流的安全通過(guò)；（2）夾具材料不會(huì)污染微弧氧化溶液，對(duì)不需要微弧氧化處理的表面應(yīng)進(jìn)行保護(hù)處理。（3）夾具與處理的工件必須緊密結(jié)合，保證優(yōu)良的導(dǎo)電性，以免局部放電燒損工件；（4）工件需要處理的部分不能與夾具發(fā)生接觸，以保證微弧氧化層的完整性。

圖1所示為目前棘輪微弧氧化所用的夾具。由于夾具需要通電，因此采用導(dǎo)電性能良好的鋁合金框架和銅片作為夾具制作材料，熱縮管用于保護(hù)不用處理的表面且不污染微弧氧化溶液，可多次利用以節(jié)約成本。微弧氧化溶液呈堿性，對(duì)夾具具有腐蝕作用，熱縮管包裹夾具是為了更好地保護(hù)夾具的完整性，防止微弧氧化溶液對(duì)夾具的腐蝕。

圖1 棘輪微弧氧化所用的夾具

5 微弧氧化中影響棘輪陶瓷膜層的因素

微弧氧化中影響棘輪陶瓷膜厚度的因素包括工作電壓、氧化溶液溫度、電流密度和氧化時(shí)間等。

（1）工作電壓。工作電壓不能過(guò)高也不能過(guò)低，若電壓過(guò)低，則成膜的速度慢，膜層較薄，硬度也較低；若電壓過(guò)高，不利于熔融態(tài)的氧化物凝固結(jié)晶，且易出現(xiàn)氧化膜局部被擊穿現(xiàn)象，對(duì)膜層的耐腐蝕性不利。工作電壓與膜層厚度的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 微弧氧化中電壓與膜層厚度的關(guān)系

（2）氧化溶液溫度。由于棘輪在微弧氧化處理工程中處于強(qiáng)電場(chǎng)作用下，且生成的微弧氧化陶瓷膜層的絕緣電阻較大，會(huì)發(fā)生電流熱現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的熱量，導(dǎo)致氧化溶液溫度升高。而微弧氧化膜層的生長(zhǎng)速度不僅與氧離子向棘輪內(nèi)部擴(kuò)散的速度有關(guān)，還與微弧氧化溶液中氧離子的濃度、化學(xué)勢(shì)及向棘輪表面的擴(kuò)散速度有關(guān)，這幾方面都與微弧氧化槽液的溫度密切相關(guān)。如果反應(yīng)槽內(nèi)的溶液溫度未控制在合理范圍內(nèi)，溶液在棘輪表面易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象，該現(xiàn)象不僅會(huì)加快微弧氧化膜層的溶解速度，而且使微弧氧化溶液中陽(yáng)離子損耗較大，導(dǎo)致其電解質(zhì)濃度降低以及微弧氧化膜層生成質(zhì)量下降。因此，棘輪在微弧氧化過(guò)程中必須加裝冷卻效果較好且具有循環(huán)功能的冷卻裝置。

（3）電流密度。微弧氧化膜層的生長(zhǎng)率與電流密度密切相關(guān)，同時(shí)電流密度對(duì)氧化膜層的厚度和表面質(zhì)量也產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，在一定范圍內(nèi)氧化膜層隨工作電流的增大而增厚，所以電流應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)。

（4）氧化時(shí)間。氧化時(shí)間越長(zhǎng)，氧化膜層越厚，但膜層厚度增加的越慢，如果時(shí)間足夠長(zhǎng)，膜層厚度將趨于穩(wěn)定不再增加。但是微弧氧化時(shí)間過(guò)會(huì)會(huì)導(dǎo)致氧化膜層表面變得粗糙，還會(huì)降低微弧氧化生產(chǎn)效率[5]。因此微弧氧化需在一定時(shí)間內(nèi)完成，時(shí)間不能太長(zhǎng)也不能太短。氧化時(shí)間與膜層厚度的關(guān)系如圖3所示。

圖3 微弧氧化的氧化時(shí)間與膜層厚度的關(guān)系

6 棘輪微弧氧化效果

微弧氧化是對(duì)高速鐵路棘輪零件進(jìn)行表面處理最實(shí)用且理想的一種方法，其可在棘輪表面形成一層致密的氧化陶瓷膜層，該膜層能隔絕鎂鋁合金與外界水、空氣等介質(zhì)的接觸，起到防腐蝕作用，能降低高鐵接觸網(wǎng)中棘輪裝置的維護(hù)頻率，節(jié)約線路日常維護(hù)成本，減少生產(chǎn)中金屬材料的使用。

微弧氧化工藝極大增強(qiáng)了棘輪表面的氧化膜層，提高了棘輪的耐磨性、抗腐蝕性和美觀性，棘輪微弧氧化前后表面的對(duì)比如圖4所示。

圖4 棘輪零部件微弧氧化前后對(duì)比

經(jīng)微弧氧化處理后的棘輪在高鐵上推廣應(yīng)用，提高了高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全性能，增加了棘輪材料的耐磨性及耐腐蝕性，增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度和硬度，極大地提高了材料的耐用性，對(duì)高鐵安全性能的提高有著極其重要的作用。另外，微弧氧化技術(shù)還可更多地應(yīng)用于高鐵接觸網(wǎng)其他零部件中，如接觸網(wǎng)定位裝置、連接裝置等，使接觸網(wǎng)可更好地適應(yīng)復(fù)雜、惡劣的氣候條件，確保列車(chē)在惡劣地區(qū)的行車(chē)安全，降低接觸網(wǎng)日常維護(hù)成本。

7 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)棘輪微弧氧化用設(shè)備、工藝流程、溶液配制及棘輪夾具進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)微弧氧化中影響陶瓷膜層因素進(jìn)行分析，并對(duì)比了棘輪微弧氧化前后的情況，驗(yàn)證了微弧氧化技術(shù)在高速鐵路棘輪裝置上的應(yīng)用效果。

從微弧氧化技術(shù)在高速鐵路棘輪裝置上的成功應(yīng)用可以看出，微弧氧化技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊，為高鐵接觸網(wǎng)在氣候惡劣地區(qū)的建設(shè)以及列車(chē)行車(chē)安全提供有利保障。

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