認(rèn)識(shí)高速列車(chē)用鋁合金的腐蝕

  我國(guó)高速鐵路的發(fā)展

  我們知道高速鐵路有許多突出優(yōu)點(diǎn)：速度高、運(yùn)力大、節(jié)約能源、減少污染，安全準(zhǔn)時(shí)等。它能使一個(gè)國(guó)家城市經(jīng)濟(jì)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)形成整體、協(xié)調(diào)發(fā)展，不僅創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，也創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益。

  我國(guó)的高鐵建設(shè)始于1994年的廣深準(zhǔn)高速鐵路，設(shè)計(jì)速度為160 km/h。截至2007年4月，我國(guó)鐵路已實(shí)施六次大范圍提速，在鐵路主干線累積開(kāi)行了160 余組時(shí)速200 km 以上的“和諧號(hào)”高速列車(chē)，如圖1所示。

  2004年1月，中國(guó)政府通過(guò)了《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》，確定中國(guó)鐵路網(wǎng)中長(zhǎng)期建設(shè)目標(biāo)：到2020年，時(shí)速200 km以上的高速客運(yùn)專(zhuān)線總里程超1.6萬(wàn)公里，形成分布全國(guó)的“四縱四橫”客運(yùn)線。如此大范圍的高速鐵路布局，必將對(duì)高速列車(chē)的服役安全提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

  鋁合金在高速列車(chē)上的應(yīng)用

  鋁合金具有比重小、比強(qiáng)度大、耐蝕性好、低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)材料在軌道列車(chē)車(chē)體中有大量應(yīng)用。

  鋁合金用于高速列車(chē)源于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)軌道車(chē)輛廣泛使用了Al-Mg（鋁－鎂）系的5000系鋁合金（主要牌號(hào)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(chē)體技術(shù)的發(fā)展，高速列車(chē)采用了Al-Zn-Mg（鋁－鋅－鎂）系的7000系鋁合金（主要代牌號(hào)為7N01），此合金的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)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(chē)車(chē)體。

隨著鋁型材擠壓技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及車(chē)輛輕量化的需求，高速列車(chē)采用了Al-Mg-Si（鋁－鎂－硅）系的6000系鋁合金（主要代牌號(hào)為6005A），主要用于歐洲的高速列車(chē)車(chē)體。

  目前我國(guó)現(xiàn)役高速列車(chē)用鋁合金主要為歐系的6005A和日系的7N01。

  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(chē)上時(shí)，含有腐蝕介質(zhì)的水會(huì)破壞氧化膜，因而受到一定的腐蝕，這里水的來(lái)源包括：飛濺、大氣凝結(jié)、停車(chē)時(shí)地面蒸發(fā)的水，等等。

  鋁合金的腐蝕是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，既受環(huán)境影響，又與合金的性質(zhì)有關(guān)，在我國(guó)高速列車(chē)車(chē)體中用鋁合金中，主要存在以下四種腐蝕類(lèi)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(huì)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(diǎn)腐蝕，又稱(chēng)為孔腐蝕，是在金屬上產(chǎn)生針尖狀、點(diǎn)狀、孔狀的一種局部腐蝕形態(tài)，如圖2所示。點(diǎn)腐蝕是陽(yáng)極反應(yīng)的一種獨(dú)特形式，是一種自催化過(guò)程，即點(diǎn)腐蝕孔內(nèi)的腐蝕過(guò)程造成的條件既促進(jìn)又足以維持腐蝕的繼續(xù)進(jìn)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(diǎn)是材料在失效前沒(méi)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(shí)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(jī)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。

  鋁合金的腐蝕防護(hù)

  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(jìn)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(duì)材料的要求存在明顯差異。典型的防腐涂料為環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)底漆，具有耐水性好、對(duì)基體附著力強(qiáng)、與多種涂料配套性好等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，例如美國(guó)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(shí)后形貌比較?？梢?jiàn)使用涂料后起到了較好的耐蝕效果。我國(guó)研發(fā)出了先進(jìn)的納米復(fù)合涂料技術(shù)，經(jīng)過(guò)評(píng)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。  

  展望

  高速列車(chē)的服役安全性關(guān)系到每個(gè)人的生命財(cái)產(chǎn)的安全，因此顯得尤為重要。目前人們已意識(shí)到了腐蝕對(duì)鋁合金的危害。為了列車(chē)更快、更安全的運(yùn)行，必須針對(duì)鋁合金的具體腐蝕現(xiàn)狀及潛在的腐蝕問(wèn)題進(jìn)行深入研究，特別是需要系統(tǒng)研究鋁合金及其防護(hù)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(píng)價(jià)模型，以實(shí)現(xiàn)列車(chē)的安全服役評(píng)價(jià)與壽命預(yù)測(cè)，并采取多種新技術(shù)、新材料來(lái)進(jìn)行有效控制，以保障鋁合金車(chē)體的服役安全性。