認識高速列車用鋁合金的腐蝕
一、我國高速鐵路的發(fā)展
我們知道高速鐵路有許多突出優(yōu)點:速度高、運力大、節(jié)約能源、減少污染,安全準(zhǔn)時等。它能使一個國家城市經(jīng)濟和區(qū)域經(jīng)濟形成整體、協(xié)調(diào)發(fā)展,不僅創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益,也創(chuàng)造了良好的社會效益。我國的高鐵建設(shè)始于1994年的廣深準(zhǔn)高速鐵路,設(shè)計速度為160 km/h。截至2007年4月,我國鐵路已實施六次大范圍提速,在鐵路主干線累積開行了160 余組時速200 km 以上的“和諧號”高速列車,如圖1所示。2004年1月,中國政府通過了《中長期鐵路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》,確定中國鐵路網(wǎng)中長期建設(shè)目標(biāo):到2020年,時速200 km以上的高速客運專線總里程超1.6萬公里,形成分布全國的“四縱四橫”客運線。如此大范圍的高速鐵路布局,必將對高速列車的服役安全提出嚴峻的挑戰(zhàn)。
二、鋁合金在高速列車上的應(yīng)用
鋁合金具有比重小、比強度大、耐蝕性好、低溫性能好等優(yōu)點,作為結(jié)構(gòu)材料在軌道列車車體中有大量應(yīng)用。鋁合金用于高速列車源于20世紀(jì)70年代,當(dāng)時軌道車輛廣泛使用了Al-Mg(鋁-鎂)系的5000系鋁合金(主要牌號為5083),這種材料由于含鎂量高,導(dǎo)致擠壓性差,難以制造薄壁型材。隨著車體技術(shù)的發(fā)展,高速列車采用了Al-Zn-Mg(鋁-鋅-鎂)系的7000系鋁合金(主要代牌號為7N01),此合金的優(yōu)點是強度高,擠壓加工性能和焊接性能好,可以擠壓壁比較薄的大型寬幅型材,主要用于日本高速列車車體。隨著鋁型材擠壓技術(shù)的進一步發(fā)展,以及車輛輕量化的需求,高速列車采用了Al-Mg-Si(鋁-鎂-硅)系的6000系鋁合金(主要代牌號為6005A),主要用于歐洲的高速列車車體。目前我國現(xiàn)役高速列車用鋁合金主要為歐系的6005A和日系的7N01。
三、鋁合金主要存在的腐蝕形式
鋁和鋁合金化學(xué)性質(zhì)很活潑,但由于它能與環(huán)境中的氧生成致密的氧化膜,所以耐蝕性比普通鋼材好得多。但當(dāng)鋁合金用在高速列車上時,含有腐蝕介質(zhì)的水會破壞氧化膜,因而受到一定的腐蝕,這里水的來源包括:飛濺、大氣凝結(jié)、停車時地面蒸發(fā)的水,等等。鋁合金的腐蝕是一個很復(fù)雜的過程,既受環(huán)境影響,又與合金的性質(zhì)有關(guān),在我國高速列車車體中用鋁合金中,主要存在以下四種腐蝕類型:
一 均勻腐蝕。鋁在磷酸與氫氧化鈉等溶液中,鋁合金表面上的氧化膜(Al2O3)會發(fā)生溶解,其溶解速度是均勻的,導(dǎo)致均勻腐蝕。隨著溶液溫度升高,溶質(zhì)濃度加大,加快鋁合金的均勻腐蝕。
二 點腐蝕,又稱為孔腐蝕,是在金屬上產(chǎn)生針尖狀、點狀、孔狀的一種局部腐蝕形態(tài),如圖2所示。點腐蝕是陽極反應(yīng)的一種獨特形式,是一種自催化過程,即點腐蝕孔內(nèi)的腐蝕過程造成的條件既促進又足以維持腐蝕的繼續(xù)進行。
三 縫隙腐蝕,這是一種局部腐蝕。金屬部件在電解質(zhì)溶液中,由于金屬與金屬或金屬與非金屬之間形成縫隙,其寬度足以使介質(zhì)浸入,又使介質(zhì)處于一種停滯狀態(tài),使得縫隙內(nèi)部腐蝕加劇的現(xiàn)象。
四 應(yīng)力腐蝕,是指材料在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的共同作用下引起的失效。其特點是材料在失效前沒有明顯的預(yù)兆,因此危害性較大。應(yīng)力腐蝕的研究起源于黃銅子彈殼的破壞。從那時起,人們發(fā)現(xiàn)鉚接或焊接的蒸汽鍋爐、焊接鋼構(gòu)件、天然氣管線鋼、不銹鋼熱交換器和其它機械零件的失效原因很多是由拉應(yīng)力與腐蝕環(huán)境共同作用下的應(yīng)力腐蝕。
四、鋁合金的腐蝕防護
鋁合金的防腐蝕方法有很多,其中最常用的措施是施加防腐涂料,將鋁合金基體與外部環(huán)境進行有效的隔離。由于服役的環(huán)境條件存在差異,例如干燥風(fēng)沙環(huán)境、沿海潮濕海洋氣氛環(huán)境、工業(yè)酸雨環(huán)境等等,不同環(huán)境條件下材料的損傷速度顯著不同,對材料的要求存在明顯差異。典型的防腐涂料為環(huán)氧樹脂類底漆,具有耐水性好、對基體附著力強、與多種涂料配套性好等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用,例如美國海軍在鋁殼艇中使用的就是雙組分的環(huán)氧底漆。圖為施加環(huán)氧底漆前后鋁合金在鹽霧環(huán)境浸泡100小時后形貌比較??梢娛褂猛苛虾笃鸬搅溯^好的耐蝕效果。我國研發(fā)出了先進的納米復(fù)合涂料技術(shù),經(jīng)過評定優(yōu)于現(xiàn)役涂層,特別是能適應(yīng)不同的地域環(huán)境,有待盡快推廣應(yīng)用。
五、展望
高速列車的服役安全性關(guān)系到每個人的生命財產(chǎn)的安全,因此顯得尤為重要。目前人們已意識到了腐蝕對鋁合金的危害。為了列車更快、更安全的運行,必須針對鋁合金的具體腐蝕現(xiàn)狀及潛在的腐蝕問題進行深入研究,特別是需要系統(tǒng)研究鋁合金及其防護涂料技術(shù)在不同服役環(huán)境條件下的腐蝕損傷行為與規(guī)律,建立安全分析與壽命評價模型,以實現(xiàn)列車的安全服役評價與壽命預(yù)測,并采取多種新技術(shù)、新材料來進行有效控制,以保障鋁合金車體的服役安全性。
六、夢能服務(wù)與支持
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