認識高速列車用鋁合金的腐蝕

  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：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)。

  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70年代，當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。

  鋁合金主要存在的腐蝕形式

  鋁和鋁合金化學性質(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。

  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。可見使用涂料后起到了較好的耐蝕效果。我國研發(fā)出了先進的納米復合涂料技術(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。  

  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。