王一舒，张小琴，高棚雲，冀耀华

1 铝合金和接触网零件

铝合金在金属工件中占了相当大的比例，是目前在机械制造中占比较高的金属材料之一，从材料性能特点上分析，铝合金有比重较小、便于强化、塑性好、耐腐蚀、便于加工处理等的优点。纯铝合金的比例大小通常为二点七，约为普通铸铁和铝合金比例大小的三分之一。纯铝合金的硬度并不高，但在经过合金化和热处理过程以后、自身特性就会有所改善。而铝合金的电负性也不高，在与氧气接触的过程中就会表现出很大的亲和性。而铝合金的导电和导热性都低于银，导电率为银的百分之六十四，是铁的四倍。因此铝合金材质的热加工直接关系到机械的特性，而各种热处理状态所对应动力学特性的如表一所示。

2 阳极氧化膜层生成机理和特点

铝合金工件的阳极氧化处理的原理是在电解液中将铝合金工件表面作为阴极，铅板为阳极，通电以后能够在一定的电流、电压作用下在工件表面上产生阳极氧化膜层。在铝合金阳极氧化的过程中，因为铝的表面存在一层在空气中形成的氧化膜，在电解液中与溶液发生氧化膜的溶解，但在通电的条件下，工件表面上会生成新的氧化膜。当电压、电流调节至合适的工艺范围，氧化膜的溶解和形成会协调进行，同时发生，最终形成的铝合金的阳极氧化膜是抗腐蚀性能较高的致密膜层。

3 微弧氧化成膜的原理和特点

微弧氧化是在阳极氧化处理技术工艺技术基础上进一步发展出来的一类较为高级的材料表面处理。利用电解液温度变化与相应电源、电流等参数的相互融合，从而在弧型放电产生的瞬间升温作用下，生长出由基体金属氧化物组成的氧化物层。由于微弧氧化物材料表层硬度良好，耐磨性能较好，生产工艺简单可靠，使用简便，是绿色的环保型技术形式。微弧氧化法是一类可以直接在铝合金表层原位上生长金属氧化层的氯化环保处理技术，会使用专门的微弧氧化电源来对铝合金表层增加高压，也会击穿在其表层上产生绝缘性能的金属氧化层，从而形成等离子微弧放电现象，形成瞬时升温，从而促进绝缘层的快速冷却。当将熔融绝缘层烧结生成的晶态氧化物以后，还会在晶体表面上产生一段连续性的抗氧化物层，进而有效地提高了产品的耐磨性能。微弧氧化是一个可以被直接地作用于铝合金材料表层原位生长金属氧化层上的绿色保护技术形式，在使用微弧氧化电源的情形下会对铝合金材料表层施以高压电流，穿透表层并形成绝缘性能的金属氧化物层，从而形成等分子微弧放电现象。微弧放电在氧化过程的时候会形成大量的基本类型，而伴随化学反应进行的则是表面膜层结构的改变，在基体中氧化铝与水溶液的氧会形成氧化反应。在导电以前，金属阴离子的形成主要是由于硅酸钠与氢氧化钠溶液在水底发生了电离，而导电以后铝合金零元件所联结在电源上的正极也可被看作是金属阳极。

4 腐蚀机理

材料在腐蚀介质中进行电化学或化学反应，而使其组织损伤、机械性能下降、功能破坏，甚至丧失的过程叫做金属腐蚀现象，而根据侵蚀原理的不同，又可以把金属腐蚀现状分成物理化学侵蚀和电化学性质侵蚀二大类。

4.1 化学腐蚀性

化学反应侵蚀，是指金属材料在与周围环境介质中的非电解质物相接触时，仅产生化学反应所引起的侵蚀现象。这种腐蚀常在干燥环境中发生，腐蚀破坏处会因氧化还原反应而产生氧、氯、硫等元素的化合物，金属基体被化合物占据并逐渐向内部扩展。在腐蚀过程中，如果生成的化合物能形成致密的薄膜，就会附着在金属表面上，故能阻止腐蚀破坏的进一步发生，如铝与铬发生化学腐蚀时产生的氧化物Al2O3、Cr2O3就具备这种性质。如形成的物质不够致密，则化学侵蚀会继续进行。化学腐蚀的特点是电子在金属与氧化性物质之间直接得失而造成化合价升降，从而使金属被氧化，该腐蚀发生时电子不发生定向移动，因此没有电流产生。由化学腐蚀造成的金属破坏程度较小。

4.2 电化学腐蚀

电化学传感器锈蚀现象是指金属表面和导电介质成为原电池，从而产生电化学传感器效应而产生的锈蚀现象。当腐蚀产生时，由于金属表面内层水分电子流和周围介质物体中的金属氧化物离子流构成了闭合电路，因此阳极反应必须和阴极反应一起完成。阳极反应是金属氧化物离子缺乏电子进而被氧化物的步骤，而阴极反应则是周围介质物体中得到电子产品进而被氧化还原的步骤。

5 各种材料电气化接触网零部件防腐方法

5.1 钝化处理

钝化处理法是指利用钝化剂对金属材料表层经过钝化处理，在其表面形成钝化膜，降低金属材料零件表面活性的防腐方法，目前钝化处理后的合金薄膜厚度为10μm ～40μm，满足盐雾腐蚀试验要求。钝化处理主要应用在定位环、连接单耳、承力索座、双耳套筒等锻件或铸件产品中，在电气化接触网零件中，该技术应用十分广泛。

5.2 微弧氧化处理

微弧氧化是利用高压放电原理激活铝合金表面氧化层，在高温状态下氧化层熔融，最终凝结为一层强度很高的陶瓷薄膜的防腐处理方法。生成的陶瓷膜层与铝合金基体之间的融合力度特别强烈，而膜层本身也富有高硬度、良好的物理化学稳定性和耐磨性。就耐磨性来谈，阳极氧化膜层的摩擦系数初始值较高，当时间加长后，摩擦系数急剧下降，最终接近铝合金基体的水平，可见阳极氧化层的强度不高，容易破坏。而微弧氧化层的摩擦系数始终为0.6 左右，这个数值并不随着时间而变化，说明这种氧化膜非常坚硬耐磨，黏着性强而不易剥落。在电气化航空接触网零部件中，铝合金铸锻件旋转平双耳、定位环、吊线钩等零件已经普遍应用该防腐技术。实践证明，铝合金零部件表面微弧氧化防腐后，可以在酸碱、风沙、隧道等恶劣的环境中使用。

5.3 碳钢防腐

普通碳钢制件的抗腐蚀性能较差，需要根据使用环境及制件用途安排不同的表面处理工艺，目前碳钢类零部件主要通过电镀锌、电镀镉、电镀锌镍、电镀镉钛、化学氧化、磷化及喷漆来防止腐蚀发生。

5.4 热浸镀锌

热浸镀锌是将碳钢类零件放入高温锌液中，使其表面获得均匀锌层的表面防腐技术，当钢制件浸入锌液后，基体与镀层之间通过高温化学反应、溶解、相互扩散等方式紧密结合，最终形成被锌层包裹的金属复合体。热浸镀锌是接触网零部件应用最广泛的防腐技术。从近几年的镀锌钢铁零部件服役情况来看，镀锌层并不能长时间在恶劣的环境中保持完好，尤其在雨水较多、酸性较强的地方，镀锌层容易被破坏，致使碳钢类零件提前失效。

5.5 VCI 涂层防腐

VCI 是一种金属腐蚀抑制剂，是经过专用设备及工艺加工而成的锌铝复合材料防腐物质。该防腐过程是将VCI 抑制剂通过一定的方法气化，使其黏着在金属表面，由于金属基体对该气体具有很强的吸附性，故最终在表面形成几个分子厚度的保护膜，达到防腐效果。VCI 涂层厚度非常薄，但防腐效果比热浸镀锌强，这是因为分子尺度的薄膜非常致密，没有金属基体通向空气的孔隙，而热镀锌层在宏观上较厚，在微观层面却存在较小的孔隙，腐蚀介质通过孔隙与基体反应而逐渐使零件失效。

5.6 气体多元共渗防腐

气体多元共渗是将需要进行表面防腐处理的钢制零部件放进特制的密封设备中，在高压高温条件下通入多种元素的气体，这些气体原子渗入零件表面形成不同于基体的多元金属间化合物，改变零件表面抗腐蚀性能的方法。气体多元共渗的元素有C、O、N 等，渗入厚度随着温度、压力不同而各异，一般可达100μm 以上，可根据服役条件调整共渗参数。

5.7 铜合金防腐

在电气化接触网控制系统中，终端锚固性能线夹、定位线夹、中心锚结线夹、弹性吊物线夹等主要零件使用了CuNi2Si、QAl10-4-4 等牌号的变形铜合金所制成，这些铜合金表面能够自然生成一层钝化状态的保护膜，可以抵抗海水、盐酸、硫酸等物质的腐蚀。但在湿度较大或硝酸含量较高的介质中，铜合金的抗腐蚀性能受到抑制，当铜合金表面临界湿度超过60%时，大气中的CO2、NO2等氧化物与水分子结合，可以破坏铜合金表面的钝化膜。目前接触网铜合金零部件的防腐方法主要有光饰防腐与铬合致钝防腐两种。

5.8 光饰防腐

光饰防腐也称为光整防腐，将需要表面处理的铜合金零部件放入光饰机容器中，再添加适当比例的添加剂与磨料，通过设置一定频率与时间的周期性振动，使磨料与添加剂充分与零件表面摩擦，最终去除零件表面的污渍，使表面变得非常光滑并具有强烈的金属光泽。这种光斑闪耀的表面很少附着其他污染物，所以具有较好的抗腐蚀性能。

5.9 铬合致钝防腐

铬合致钝技术是铜合金材料防腐蚀发展的最新方向，和铝合金材料防腐蚀技术类似，也就是在表面产生了一个致密的金属保护层，膜和金集体之间通过强化学键结合，而且结合力也很强。这种技术最大的特点是当保护膜与空气接触时具有自修复功能，从而保证零件表面不与空气直接接触，达到长期防腐的目的。铬合致钝防腐工艺过程较复杂，目前并没能在电气化接触网中大范围应用。

5.10 不锈钢防腐

不锈钢材料可分成马氏体不锈耐酸钢、铁素体不锈钢材料、奥氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢材料等多种，而Cr 含量较高是不锈钢的一大特点，固溶体中的Cr 含量达到12.5%原子比时，材料电极电位会突然升高，并能在表面形成稳定的氧化膜。但在实际生产中，不锈钢局部区域的Cr 含量不会准确达到12.5%原子比，所以不锈钢腐蚀现象依旧存在。在使用不锈钢零部件时，主要通过选择合理的不锈钢类型与不锈钢钝化来提高材料的抗腐蚀性能。在电气化航空接触网系统中，常用的不锈钢类型有304 型与316 型，使用时要根据介质中氯离子的含量确定类型。

6 电气化接触网零部件防腐性能检验内容与评价方法

6.1 电气化接触网防腐性能检验内容

经过几十年的发展，电气化接触网零部件腐蚀性能检验方法已经趋于成熟，主要通过盐雾腐蚀试验、结合力试验、湿热试验、孔隙率测定试验、镀层微硬度测定、镀层内应力测试等多项试验来验证防腐蚀性能。其中一些检测项目已经形成国家标准或行业标准，目前防腐性能的检测方法正在加快标准化进程。

6.2 电气化接触网防腐性能评价方法

金属腐蚀速率受环境温度、湿度以及腐蚀物质含量的影响，为了有效评价电气化接触网零部件的防腐蚀性能，研究人员制定了多种评价方法，主要有通用值法、IOS CORRAG 评价法等。

6.3 通用值法

通用值法是采用通用数值来表征金属表面腐蚀速率的方法，通过指定热带、温带、郊区、中等工业区、重工业区等大气环境的腐蚀寿命值，来判断不同涂层厚度的金属抗腐蚀性能。这种方法估算的腐蚀性能数值具有离散性，对于需要精确评价防腐性能的零件并不适用。

6.4 IOS CORRAG

该评价方法是由国际标准组织ISO 开发颁布的，是根据金属周围SO2含量、盐浓度、润湿时间等因素将金属服役环境分为不同的类别，较精确地估算出某一地区某种材料的防腐性能，计算结果比通用值法精确，但仍然属于近似估算法。在进行电气化航空接触网零部件防腐性能评价时，可以将通用值法与IOS CORRAG 法结合起来，以获取较科学的防腐性能参数。

7 金属腐蚀原因分析与防腐建议

7.1 原因分析

镀锌层的大气腐蚀行为主要取决于腐蚀产物的类型。腐蚀产物在不同的大气环境中是不同的。通常，由于锌涂层表面潮湿或液膜的存在，会在其表面形成氢氧化锌，从而导致表面液膜pH 值升高。由于空气中存在CO2，氢氧化锌将与空气中的CO2反应，形成碱性碳酸锌保护膜。因此，锌镀层在洁净大气中具有一定的耐蚀性。但在大气环境中，一方面空气湿度高，容易在镀锌层表面形成液膜；另一方面，氯盐含量相对较高，导致液膜中存在大量氯离子。这样，具有一定保护作用的碱式碳酸锌会转化为碱式氯化锌而失去保护作用，导致镀锌层在大气环境中受到严重腐蚀。如果大气环境受到SO2、HF 和N0 的影响。如果被酸性气体污染，锌涂层表面的液膜呈酸性，这将显著加速锌涂层的溶解，形成硫酸盐、氟化物和氯化物的混合物，最终导致锌涂层在受污染的大气环境中严重腐蚀。铝和锌具有相似的化学性质，属于活性金属。铝比锌更活泼。铝合金在一定环境介质中具有一定耐蚀性的原因是铝具有活性，容易在表面形成氧化膜。然而，这种氧化膜具有多孔性，因此铝合金在含有氯离子的腐蚀介质中容易发生腐蚀。这也表明铝合金接触网组件在大气环境中，尤其是在污染的大气环境中也会发生点蚀。此外，当铝合金极限定位器与其他金属零件接触时，不同的电极电位决定了电化学腐蚀的必然性。特别是在极端环境条件下（高温高湿），其耐腐蚀性和防护能力降低。在含硫和瓷砖燃烧粉尘的大气环境中，铝合金的腐蚀更为严重。调查还发现，如果航空线路附近有废气排放源，如附近的瓷砖厂，瓷砖烧制过程中会产生SO2、HF 和N0。和其他酸性废气，则接触网的金属部件将受到严重腐蚀。

7.2 接触网金属部件防腐措施建议

研究表明，在正常大气环境条件下，接触网金属构件的防腐性能良好，但在空气污染严重的情况下，其防腐性能不容乐观。例如，接触网采用的平悬臂、斜悬臂等碳钢部件，在潮湿环境中会因加速腐蚀而失去保护；铝合金具有良好的耐大气腐蚀性，但在典型的沿海环境条件下，其耐腐蚀性和防护能力也会降低。因此，结合大气环境的腐蚀特点，建议在现有镀锌防腐的基础上增加有机涂层防腐系统，以实现对接触网金属构件的有效腐蚀控制，从而提高接触网金属构件的使用寿命，保证航行安全运行的可靠性。

8 结语

随着防腐技术的发展，国内众多高校、企业、科研院所等机构相继开发了各式各样的金属表面防腐方法，有些方法已经应用于电气化航空接触网零部件中，有些方法由于成本、效率等问题没能充分应用，但关于金属表面防腐问题的研究一直没有中断，高效、快捷的新型防腐手段层出不穷。在大力发展国家高速航空的同时，应该充分融合现代科技力量，认真研究防腐机理，延长接触网零部件的服务周期，并响应环保国策，将更多的防腐方法应用到接触网零部件开发过程中。