王荣华

(中国铁路广州局集团有限公司 总工室，广东 广州 510088)

我国沿海铁路主要连接东部沿海各省市，是各区域间大运量、高速度的陆路运输通道，对串联起我国沿海经济发达城市起到重要的作用。近年来，广铁集团开通运营的沿海铁路有海南环岛高速铁路东段及西段、广深港高速铁路(广深段)、杭深铁路，合计 1 140 km。沿海铁路常用的轨道扣件部件组成如图1所示。一般情况下，扣件可长期、有效地保持钢轨与轨枕的可靠联结[1]，然而，各沿海铁路开通运营3年后，轨道扣件就开始出现较为严重的锈蚀，其中，海南环岛高速铁路东段、广深港高速铁路狮子洋隧道锈蚀情况尤为严重，设计寿命10年的扣件，仅用了3年多锈蚀比例就高达80%以上，部分扣件螺栓杆件锈蚀深度达到了3 mm。图2是海南环岛高速铁路东段轨道扣件锈蚀现场照片。

图1 轨道扣件部件组成

图2 海南环岛高速铁路东段轨道扣件锈蚀

轨道扣件在短期内出现严重锈蚀，将导致线路维护工作量大,维护成本高，影响铁路正常运营，甚至存在安全隐患[2]。因此，针对沿海地区大气环境特点研究有效可靠的沿海铁路轨道扣件防锈技术，解决沿海铁路扣件快速严重锈蚀问题，对提升铁路设备安全基础、减少维修养护工作量、节约维修成本等具有重要的现实意义。

1 沿海铁路轨道扣件锈蚀影响因素及成因

1.1 扣件锈蚀形态

扣件锈蚀实质是扣件金属材料的锈蚀，金属材料受周围介质的作用而损坏，称为金属腐蚀或锈蚀[3]。金属锈蚀实质上是在金属界面上发生的化学或电化学多相反应，使金属转为氧化(离子)状态，从而改变了金属的化学结构和成分。

金属在大气中都会有不同程度的锈蚀，称为金属大气锈蚀，如图3所示。金属大气锈蚀是电化学腐蚀的一种特殊形式，是金属表面水膜下的锈蚀过程，服从于电化学腐蚀的一般规律。

图3 金属大气锈蚀

1.2 扣件锈蚀影响因素

1)相对湿度

空气中相对湿度越高，金属表面水膜越厚，扣件锈蚀就越快、越严重。图4为大气锈蚀速度与金属表面水膜厚度的关系曲线，可以清楚地看出，相对湿度达到一定数值时，锈蚀速度大幅上升，这个数值称为临界相对湿度，钢的临界相对湿度约为70%。

注：Ⅰ—δ=1 nm～10 nm; Ⅱ—δ=10 nm～1 μm;Ⅲ—δ=1 μm～1 mm; Ⅳ—δ>1 mm.图4 大气锈蚀速度与金属表面水膜厚度关系曲线

降雨在扣件金属表面直接产生水膜,为大气锈蚀创造了条件。当有温差出现时，大气中的水汽含量达到饱和就会凝结成露。露与降雨相比，在金属表面形成的薄水膜的厚度及面积较小，时间较短，因而产生的锈蚀电流较小，在实际中一般露比降雨时的锈蚀电流值小1个量级。但由于露出现的时间长，其产生的总锈蚀量还是比较大的。

2)温度

环境温度与相对湿度关联。干燥环境(如沙漠)中，气温再高，金属也不容易锈蚀。当环境相对湿度达到临界值时，温度影响明显加剧，温度每增加10 ℃，锈蚀速度提高2倍。因此，在湿热带或雨季，气温越高，锈蚀越严重。

3)氧气

用下列反应式表示生锈过程：

Fe+H2O+O2→Fe(OH)2

Fe(OH)2+H2O+O2→Fe(OH)3

Fe+H2O+O2→Fe(OH)3

空气中20%的成分是氧气，在沿海地区相对湿度大，氧气和水分的结合更易使扣件锈蚀。

4)大气其他物质

大气中的盐雾、二氧化硫、硫化氢、灰尘等，统称为污染物质(如表1所示)，会加速扣件锈蚀，特别是盐氯粒子对扣件锈蚀影响很大，是扣件锈蚀的加速剂。

表1 大气中的污染物质

含不同污染物质的大气环境对扣件锈蚀的影响是不一样的，一般是城市高于农村，工业区高于生活区，沿海高于内陆，高粉尘高于低粉尘。

在污染物含量方面，海南地区空气中盐氯粒子含量很高。表2为离海洋距离不同时空气中Cl-和Na+的含量变化，可知离海岸距离变大时，空气中Cl-和Na+离子含量随之减少。

表2 离海洋距离不同时空气中Cl-和Na+的含量变化

1.3 沿海铁路扣件的快速锈蚀成因分析

沿海地区温度高、湿度大，大气中加速金属锈蚀的粒子含量高。以海南为例，夏季时间8～10个月，平均气温31～36 ℃，最高气温40 ℃，年平均相对湿度超过80%，大于钢材快速锈蚀的临界湿度70%。而且，沿海地区Cl-离子含量高，如海南环岛高速铁路东段线路距离海边最近处仅150 m，大部分线路与海洋的距离在0.4～3.0 km，大气中Cl-离子含量约为内陆地区的6倍及以上，将极大地加速金属锈蚀。这些严重超标的锈蚀因素与湿热型气候相结合，导致形成强电介质水膜。水膜吸附于扣件表面之上，在列车动荷载和扣件自身紧固力作用下，使扣件发生锈蚀。因此，沿海铁路轨道扣件所处环境相对湿度大、温度高、水露多、Cl-离子含量高及氧气作用，给金属快速锈蚀创造了良好的条件，轨道扣件发生锈蚀的时间缩短为内陆地区正常环境下的1/3～1/2。

2 沿海铁路轨道扣件防锈技术研究

2.1 技术条件

沿海地区大气中含有大量Cl-离子，轨道扣件长期处于碱性环境中，防锈技术必须适用于高温潮湿和碱性大气环境。此外，轨道扣件在运输与安装过程中，可能出现磕碰、摩擦等情况，故要求防锈层与金属基体结合牢固，在运输与安装过程中不能脱落。同时，防锈处理不能影响扣件系统的物理、力学和机械性能，保证防锈处理后的扣件系统符合相关使用技术条件。

2.2 现行轨道扣件防锈处理技术

轨道扣件弹条、螺栓等金属件在生产制造时均要求进行防锈处理。以高速铁路W1型扣件的弹条为例，需对表面进行防锈处理，防锈层在正常运输与安装过程中不得出现脱落[4]，同时，防锈处理螺栓经120 h盐雾试验后保护等级不能低于9级。现行规范、规定对螺栓的防锈防腐处理工艺没有明确的要求，一般采取涂油、静电喷涂、电泳漆、达克罗、粉末渗锌等措施；对条件较恶劣的环境，根据使用单位需求也可采用热镀锌(浸锌)、达克罗等处理方式[5]。

从广铁集团现场实际看，静电喷涂、达克罗等防锈技术在湖南省及广东省非沿海地区使用情况效果较好，养护维修工作量均在正常范围内，扣件均能达到正常的使用寿命，但在沿海地区使用效果不理想，不仅维护工作量大，也达不到正常的使用寿命。

2.3 锌镍渗层防锈处理技术

锌镍渗层技术是一种在铁素体状态下的低(中)温化学热处理技术。在一定条件下钢铁件与锌、镍、铝、稀土等多种元素充分接触加热，使锌、镍、铝等多元金属原子均匀吸附到钢铁制品表面，通过吸附、吸收、反应、扩散，在钢铁表面生成一层锌-镍-铁合金层，同时锌、镍原子向钢铁基体内扩散，在钢铁基体内形成耐腐蚀的扩散层。

在光学显微镜下，锌镍渗层微观结构有：①表层为锌-镍-铁合金层，称为沉积层，即防锈层，保护基体免受外界腐蚀、侵蚀，是防腐、防锈的主体；②第2层即次表层，为含饱和固溶锌的扩散层，该层也具有一定的耐蚀性，在光学显微镜下呈白亮色；③第3层为钢铁基体，属于工件既有的材料本体。图5为锌镍渗层微观结构。

图5 锌镍渗层微观结构

图6是锌镍渗层的晶体学示意，清楚地反应了粒子扩散的特征。当钢铁固溶体中的锌、镍元素超过固溶度极限而不断形成锌-镍-铁合金新相，新相依附在钢铁表面生长，新相与钢铁基体之间充分固结形成整体金属结构。

图6 锌镍渗层的晶体学示意

2.4 锌镍渗层防锈指标

1)渗层厚度。检测锌镍渗层扣件的弹条、轨距挡板、螺旋道钉、螺母、平垫圈,得出螺旋道钉渗层厚度最低值为68 μm，其他金属件渗层厚度最低值为104 μm。

2)盐雾试验保护等级。锌镍渗层扣件各金属件经 1 000 h 中性盐雾试验后，保护等级均大于9级。

3)机械性能和金相组织。经检测，锌镍渗层扣件的弹条硬度最低值为44 HRC(标准为42～47 HRC)；金相组织为均匀的回火屈氏体与回火索氏体+微量铁素体(标准为均匀的回火屈氏体或回火索氏体，芯部允许有微量的断续铁素体)，满足技术条件要求[6]。

4)抗风砂冲击性能。对锌镍渗层处理后的轨距挡板和螺栓采用石英砂喷射，再进行120 h中性盐雾试验后，评定等级为10级，表明锌镍渗层具有优良的抗风砂冲击性能。

5)抗二氧化硫腐蚀。经检测，锌镍渗层扣件的弹条经10个循环周期(240 h)的二氧化硫气体腐蚀后，试样表面无红锈点、无起泡，保护等级为10级。

6)渗层防磕碰、碰撞、摩擦性能。锌镍渗层是锌、镍金属与弹条等金属件通过化学热处理形成的[7]，渗层与钢铁基体之间已充分固结形成为一个整体，所以锌镍渗层不存在被磕碰、碰撞、摩擦后掉落的问题，可以确保扣件良好的运输、安装条件。

3 锌镍渗层轨道扣件的应用

海南环岛高速铁路东段、广深港高速铁路广深段分别于2010年底和2011年底开通运营，开通后扣件锈蚀严重，从2013年5月开始，广铁集团将锈蚀严重的扣件更换为锌镍渗层扣件。2017年5月、12月，广铁集团组织在海南环岛高速铁路东段和广深港高速铁路狮子洋隧道现场查看，锌镍渗层扣件均没有锈蚀痕迹，应用情况良好，如图7所示。

图7 锌镍渗层扣件现场应用情况

4 结论

1)实践表明，锌镍渗层防锈扣件在高温、高湿、高盐碱性的大气环境中具有良好的抗锈蚀能力，防腐防锈性能大大优于现行表面技术处理的扣件，防锈性能明显高于现行规范技术指标，机械性能满足现行扣件技术条件，防腐蚀寿命在20年以上。

2)从海南环岛高速铁路东段和广深港高速铁路狮子洋隧道试验情况看，锌镍渗层扣件从2013年5月安装后4年多来，该扣件系统不需涂油，安装后免日常维护。按照20年的寿命考虑，免维护不仅节约维护成本(含维护材料、人工等)，而且减少对铁路运输的干扰，经济、社会效益明显。因此，建议沿海铁路轨道扣件全面推广锌镍渗层防锈技术，降低运营维护成本，保证铁路正常运营和安全。