機(jī)車齒輪箱磁性螺堵鍍鋅層脫落問題調(diào)查

謝 添 郭學(xué)慶 江 浪

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

磁性螺堵屬于機(jī)車齒輪箱上廣泛運(yùn)用的一種關(guān)鍵配件，其作用是吸附齒輪箱在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的一些鐵質(zhì)磨屑，保持潤滑油的清潔度，從而保證齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的正常溫升和運(yùn)用可靠性。

中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司是國內(nèi)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的權(quán)威制造商，生產(chǎn)的各型齒輪箱已廣泛運(yùn)用在高鐵、機(jī)車以及城軌領(lǐng)域。在某型機(jī)車鋁合金齒輪箱的制造過程中，檢查發(fā)現(xiàn)磁性螺堵經(jīng)常出現(xiàn)鍍鋅層脫落的情況，其中部分磁性螺堵鍍鋅層表層有明顯脫落(見圖1)。如若放任此問題件流轉(zhuǎn)，后續(xù)將會(huì)污染齒輪箱油的純凈度，如出現(xiàn)大面積剝落，則會(huì)對車輛運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，所以需對磁性螺栓及時(shí)更換，由此對物料使用和供給造成了不良影響，為排查真正原因，針對此情況進(jìn)行了相關(guān)調(diào)查及驗(yàn)證。

圖1 出現(xiàn)鍍鋅層脫落問題的磁性螺堵

1 現(xiàn)場情況調(diào)查

針對齒輪箱磁性螺栓的組裝工藝進(jìn)行了調(diào)查，其生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場齒輪箱磁性螺栓組裝流程

根據(jù)現(xiàn)場操作人員反饋介紹，在進(jìn)行磁性螺栓的組裝前，會(huì)對其表面狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，故組裝前的磁性螺栓表面狀況均完好，無鍍鋅層脫落。在油漆過后，外觀確認(rèn)環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)鍍鋅層脫落。由此確認(rèn)磁性螺堵鍍鋅脫落出現(xiàn)在油漆環(huán)節(jié)。

結(jié)合磁性螺堵做中性鹽霧試驗(yàn)(NSS試驗(yàn))時(shí)的條件，采用5%的氯化鈉鹽水溶液，溶液PH值范圍為6.5～7.2，試驗(yàn)溫度范圍為(35±2) ℃，沉降量為(1.5±0.5) mL/80 (cm2·h)。加速鍍鋅層腐蝕需要溫度和PH值兩個(gè)條件。

對油漆工藝做進(jìn)一步調(diào)查，油漆的具體工藝流程如下：清洗處理→表面檢查→防護(hù)→噴砂處理/打磨處理→除塵→表面清潔度的目視檢查→二次除塵→表面灰塵等級評估→刷涂和噴涂底層涂料→流平→烘干→防護(hù)檢查→打磨→除塵→刷涂和噴涂面層涂料→流平→烘干→后處理→檢驗(yàn)。

在油漆工序時(shí)，通常會(huì)采用烘干的方式，加速油漆干燥，加熱溫度通常高于35 ℃，溫度可以滿足加速腐蝕的條件，現(xiàn)需要查找另外影響環(huán)境酸堿性的因素。

對磁性螺栓的安裝工藝流程進(jìn)行排查跟蹤，發(fā)現(xiàn)由于該磁性螺栓安裝于齒輪箱的底部(見圖3)，該部位齒輪箱內(nèi)部較難清理，懷疑齒輪箱在經(jīng)過清洗工序后，箱體內(nèi)部可能仍殘留有少量清洗溶液，安裝磁性螺栓位置為齒輪箱內(nèi)最低點(diǎn)，殘留液體會(huì)在此處聚集(見圖4)，溶液直接接觸到磁性油栓端部或者磁鋼端部。由于清洗液為弱堿性物質(zhì)，如果接觸到鍍層，可能會(huì)對鍍層造成腐蝕，引起脫落，為此對現(xiàn)場用清洗溶液進(jìn)行取樣和模擬試驗(yàn)。

圖3 組裝磁性螺堵的位置

圖4 安裝磁性螺堵的齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

為排查驗(yàn)證磁性螺堵本身鍍鋅性能，對本批磁性螺堵隨機(jī)抽樣進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，根據(jù)GB/T 10125——2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》中性鹽霧試驗(yàn)，樣件經(jīng)300 h鹽霧試驗(yàn)后表面未出現(xiàn)紅銹，由于本批磁性螺堵為相同鍍鋅工藝，所以證明磁性螺堵表面鍍鋅層符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。

為了驗(yàn)證用于清洗齒輪箱的清洗劑溶劑是否會(huì)對鍍鋅層產(chǎn)生不利影響，從生產(chǎn)現(xiàn)場采集部分清洗劑溶劑。將同批次表面狀態(tài)良好的磁性螺栓浸泡在清洗劑溶劑中(見圖5、圖6)。

圖5 浸泡前磁性螺堵 圖6 浸泡試驗(yàn)中的磁性螺堵

浸泡20 h后，觀察磁性螺栓表面，發(fā)現(xiàn)鍍鋅層脫落明顯(見圖7)；浸泡40 h后，觀察磁性螺栓表面，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)塊狀白斑(見圖8)。

圖7 試驗(yàn)20 h 圖8 試驗(yàn)40 h

40 h后螺堵表面出現(xiàn)的白斑與之前問題螺栓表面情況較為一致，且螺栓經(jīng)300 h鹽霧試驗(yàn)，表面未出現(xiàn)紅銹，所以判斷磁性螺堵表面鍍鋅層脫落是由于浸泡在清洗劑溶劑中，發(fā)生了電化學(xué)腐蝕而引起的鍍鋅層脫落。

3 原因分析

清洗劑溶劑成分主要是烷基磺酸鈉、脂肪醇醚硫酸鈉、泡沫劑、增溶劑、香精、水、色素和防腐劑等。烷基磺酸鈉和脂肪醇醚硫酸鈉都是陰離子表面活性劑，是常用的用以去除油污的主要物質(zhì)。一般情況下，構(gòu)成電化學(xué)腐蝕，必須具備3個(gè)條件：(1)不同金屬或者是同一金屬要有電位差；(2)具有不同電位的金屬要短路相接；(3)互相短路的金屬要共存于電解質(zhì)液中[1]。而清洗劑溶劑正好提供了電解質(zhì)液。清洗劑溶劑液呈堿性，磁性螺栓表面鋅膜層易發(fā)生吸氧腐蝕，從而導(dǎo)致脫落。

正極：2H2O+O2+4e-=4OH-

負(fù)極：2Zn-4e-=2Zn2+

溶液中有了自由移動(dòng)的離子，形成了原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬失去電子而被氧化，發(fā)生了電化學(xué)腐蝕。

同時(shí)對腐蝕表面進(jìn)行了能譜元素測試驗(yàn)證(見圖9)，此處存在明顯腐蝕情況。經(jīng)能譜對腐蝕區(qū)域測試發(fā)現(xiàn)(見圖10)，在腐蝕區(qū)域含Na和S元素，Na和S元素為腐蝕的主要原因，其主要來源是清洗劑溶劑的成分。具體元素含量如表1所示，圖譜3為腐蝕區(qū)域元素占比，圖譜2為正常區(qū)域元素占比。其中腐蝕嚴(yán)重部分比正常鍍層部分多含了Na元素，證明鍍鋅層對堿性耐蝕性較差，較容易發(fā)生腐蝕。

表1 譜圖2和譜圖3各元素占比情況

圖9 腐蝕位置金相圖 圖10 腐蝕位置能譜圖

鍍鋅層對鋼基體防護(hù)作用主要有鋅對鋼基體的陰極保護(hù)作用以及鋅所生成的氧化物、氫氧化物和各種堿式鹽等腐蝕產(chǎn)物對腐蝕的抑制作用。為保證零部件表面鍍鋅層保護(hù)能長久有效，從電化學(xué)腐蝕的3個(gè)必備條件出發(fā)，可以從兩個(gè)方面防止鍍鋅層的加速腐蝕：

(1)避免電解質(zhì)液的堆積，避免形成回路。在組裝過程中避免使用堿性較強(qiáng)的清潔劑，如有使用，也應(yīng)及時(shí)清理殘留積液，以免出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕。

(2)避免磕碰引起的局部鍍鋅層破損而使基體暴露，從而與鍍鋅層形成電偶而加重腐蝕[2]。

4 改善措施

由于齒輪箱底部存在積液，磁性螺堵浸泡在積液中造成了表面鍍鋅層的電化學(xué)腐蝕。在齒輪箱清洗完成之后，增加一道工序，將齒輪箱內(nèi)部積液清理干凈。對鍍鋅零件，在日常的組裝或者存儲過程中也應(yīng)該注意磕碰和防潮保護(hù)，尤其應(yīng)注意避免與堿性物質(zhì)的長期接觸。對于零部件的制造廠商，客戶對產(chǎn)品外觀和質(zhì)量上的要求日益提高，對于鍍鋅質(zhì)量也應(yīng)該結(jié)合不同線路工況與不同線路所處不同大氣環(huán)境進(jìn)行區(qū)別對待。針對不同的使用環(huán)境，鍍鋅層的厚度應(yīng)不同，在腐蝕嚴(yán)重地區(qū)，應(yīng)適當(dāng)增加鍍鋅層厚度避免出現(xiàn)基體的腐蝕和開裂現(xiàn)象[3]。在生產(chǎn)過程中結(jié)合常用的金屬防腐方法：緩沖劑保護(hù)、電化學(xué)保護(hù)、覆蓋層保護(hù)。在磁性螺堵六角頭外表面也可以同樣涂覆油漆以增強(qiáng)防腐能力。既保證了產(chǎn)品在外觀上的一致性，又在表層增加了一道防護(hù)膜，增強(qiáng)了防腐性能。