CN112080719A - 一种用于弹条的多元合金共渗剂及弹条表面复合防腐工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于铁路弹条的多元合金共渗剂,以重量份计,所述多元合金共渗剂包括:锌粉40~60份、铝粉10~30份、锌铝镁合金粉10~20份、锌铝镍合金粉10~20份、稀土催化剂0.05~2份,助渗剂0.2~1份。本发明还提供一种弹条表面复合防腐工艺,包括采用上述多元合金共渗剂,通过加热共渗,在弹条表面形成多元合金渗层。所述弹条表面复合防腐工艺还包括钝化和/或喷涂封闭涂料。本发明的表面复合防腐工艺能够显著提升弹条的防腐蚀能力。
Description
技术领域
本发明属于金属表面处理和金属防腐技术领域,具体涉及一种用于铁路弹条的多元合金共渗剂及弹条表面复合防腐工艺。
背景技术
铁路钢轨是支撑机车和机车方向的部件,其通过弹性扣件固定在道床的轨枕上。弹性扣件的扣压件主要是弹条,常见的为ω型空间三维扭曲梁。通过弹条的弯曲和扭曲变形,产生扣压力作用在轨道上,长期有效地保证钢轨之间的可靠连接,尽可能保持轨道的整体性,阻止钢轨相对于轨枕的纵横向移动,确保轨距正常,从而保证轨道车辆行驶安全。因此,弹条虽小,却是轨道结构中一个重要的部件。随着铁路运输机车车辆轴重的增加和列车运行速度的提高,以及城市轨道交通、地铁的发展,弹条的重要性也越来越为各国所关注。此外,弹条的需求量大,每公里大约7000件。因此,弹条的可靠性直接关系到行车的安全。
传统上,铁路行业内对弹条表面处理采用静电喷粉。这种方法属于装饰性处理,短期内可以防止弹条锈蚀,但因其表层材料具有硬脆性、附着力差、耐酸碱腐蚀性差、耐紫外线老化性能差等特点,长期使用会出现防腐层脱落、起泡、粉化等现象,从而造成扣件弹条表面大面积点蚀。
粉末合金共渗是一种固态多元热扩散涂层加工技术,其原理是将渗剂与金属工件置于渗锌炉中,加热,使活性锌原子及其他合金元素由表及里地向弹条内部渗透,与此同时,铁原子由内向外扩散,在金属工件表层形成连续的Zn-Fe等合金保护层(渗锌层)。渗锌层的显微硬度高,弹塑性好,因此这种工艺非常适合于弹条现场使用环境。
张松琦等报道了一种供弹条表面处理用的渗锌剂,配方为:纯度99.2%的200目电解锌粉(供锌剂),重量3.5kg,占渗锌剂中除石英砂外物质质量的97.57%;氯化铵(NH4Cl)60g,占渗锌剂质量的0.11%;稀土氧化铈(CeO2)65g,占渗锌剂质量的0.12%;石英砂50kg;月桂醇硫酸钠及氯化镁12g,占渗锌剂质量的0.02%,渗锌层厚度可以达到100μm(张松琦,等.铁路扣件弹条通道式渗锌处理工艺研究[J].铁道建筑.2018年,第58卷第7期:125-129)。
尽管防腐技术有所发展,但是钢轨及包括弹条在内的配件的腐蚀依然十分严重。开展弹条的长效防腐研究十分必要。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种用于铁路弹条的多元合金共渗剂及应用该共渗剂的弹条表面复合防腐工艺。
为了实现上述发明目的,本发明采用了如下的技术方案:
一种用于铁路弹条的多元合金共渗剂,以重量份计,所述多元合金共渗剂包括:锌粉40~60份、铝粉10~30份、锌铝镁合金粉10~20份、锌铝镍合金粉10~20份、稀土催化剂0.05~2份,助渗剂0.2~1份;
其中,以重量份计,所述锌铝镁合金包括铝5~15份、锌80~90份、镁1~5份、混合稀土0.1~0.5份;
以重量份计,所述锌铝镍合金包括铝5~15份、锌80~90份、镍1~5份、混合稀土0.1~.5份;
以所述混合稀土的质量为基准,组成为:镧61%、铈39%。
优选地,所述锌粉粒径为100~400目,锌含量≥98%。
优选地,所述铝粉粒径为100~400目,铝含量≥98%。
优选地,所述稀土催化剂粒径为100~400目,选自氧化镧粉和氧化铈粉中的一种。
优选地,以所述助渗剂的质量为基准,包括NH4Cl 70%~90%和余量的石英砂。
还优选地,所述石英砂的粒径为40~70目。
优选地,所述锌铝镁合金粉通过如下方法制备:
I.按照配比准备各原料;
II.将各原料加入到熔炼炉,升温至660~700℃,待全部熔融后,充分搅拌,保温15~25min,除去表面浮渣,获得Zn-Al-Mg合金液;
III.在雾化罐内,用压力不低于0.9MPa的高纯氩气以250~350m/s速度喷吹步骤II得到的Zn-Al-Mg合金液,氩气喷吹方向与Zn-Al-Mg合金液流动方向呈90°,使Zn-Al-Mg合金液雾化成微液滴,经冷凝器冷却,烘干,筛分得到粒径为200~400目的锌铝镁合金粉。
优选地,所述锌铝镍合金份通过如下方法制备:
I.按照配比准备各原料;
II.将各原料加入到熔炼炉,升温至800~900℃,待全部熔融后,充分搅拌,保温15~25min,除去表面浮渣,获得Zn-Al-Ni合金液;
III.在雾化罐内,用压力不低于0.9MPa的高纯氩气以250~350m/s速度喷吹步骤II得到的Zn-Al-Ni合金液,氩气喷吹方向与Zn-Al-Ni合金液流动方向呈90°,使Zn-Al-Ni合金液雾化成微液滴,经冷凝器冷却,烘干,筛分得到粒径为200~400目的锌铝镍合金粉。
本发明还有一个目的在于提供上述多元合金共渗剂的制备方法,包括:按照配比准备各原料,将除助渗剂外的所有原料混合均匀,得到混合料,将所述混合料和所述助渗剂分别贮存,用时按照比例混合。
本发明的第三个目的在于提供一种弹条表面复合防腐工艺,包括采用上述多元合金共渗剂,通过加热共渗,在弹条表面形成多元合金渗层。
优选地,所述多元合金渗层厚度≥60μm。
优选地,所述共渗的具体操作为:
将所述混合料和所述助渗剂按照比例混合均匀,置于共渗炉中,多元合金渗剂的质量和共渗炉体积比为60~75kg:100L;将弹条包埋在多元合金渗剂中,所述多元合金渗剂的质量和所述弹条的比表面积比为600~1400kg:1m2;共渗炉旋转速度2~4r/min,炉内压力0.1Pa,370~450℃保温3~8小时;关掉电源,冷却至150℃以下,将炉胆推出自然冷却,打开炉盖,将工件与炉料分离。
优选地,共渗炉加热至370~410℃保温4~7小时。
作为一个优选的实施方案,本发明提供一种弹条表面复合防腐工艺,在所述共渗之后,还包括表面钝化。
优选地,表面钝化使用的钝化剂为水性体系,pH值为2~3;以所述钝化剂的质量为基准,包括硅烷偶联剂20%~40%、醇类5%~15%、酸1%~5%和余量的水;所述硅烷偶联剂选自甲基乙氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、异丁烯三乙氧基硅烷、异辛基三乙氧基硅烷中的一种或任意比例的多种;所述醇类选自乙醇和异丙醇中的一种或任意比例的两种;所述酸为质量百分比浓度1%的稀盐酸。
上述质量百分比1%的稀盐酸溶液可以通过下述方法配制:取1ml浓盐酸加入100ml水,混合均匀,即得。
优选地,所述钝化剂通过如下方法制备:
将硅烷偶联剂、醇类加入水中,搅拌使充分溶解;然后加入质量百分比浓度1%的稀盐酸,调节pH值为2~3,得钝化液成品。。
优选地,搅拌速率为100~300r/min,搅拌时间1~2h。
优选地,所述表面钝化的具体操作包括:
A.将经共渗处理后的弹条经水喷淋冲洗,彻底清除弹条表面灰尘;
B.将弹条浸入所述钝化剂中5~15s进行钝化;
C.钝化完毕后,将弹条在空气中搁置5~15s;
D.然后将弹条投入清水中反复漂洗干净,60~80℃烘干。
作为一个更优选的实施方案,本发明提供一种弹条表面复合防腐工艺,在所述共渗和钝化之后,还包括喷涂封闭涂料;所述封闭涂料为水性单组份丙烯酸烤漆。
本发明还有一个目的在于提供一种经上述表面复合防腐工艺处理的弹条,所述弹条具有复合防腐层。
优选地,所述具有复合防腐层的弹条的结构为:
1)弹条和与弹条紧密结合的所述多元合金渗层;或
2)弹条,与弹条紧密结合的所述多元合金渗层,以及附着在所述多元合金渗层外表面的钝化层;或
3)弹条,与弹条紧密结合的所述多元合金渗层,附着在所述多元合金渗层外表面的钝化层,以及设置于所述钝化层外表面的封闭涂料层。
本发明提供了一种新型多元合金共渗剂,其可以在弹条表面形成多元合金渗层。与传统的铝粉和/或锌粉相比,本发明的多元合金共渗剂还采用了锌铝镍合金分和锌铝镁合金粉,从而实现真正的三元共渗,解决目前本领域中存在的渗锌防腐效果不佳的难点,实现锌铝镁镍共渗防腐。在扫描电镜和金相显微镜下,弹条表面从上至下为渗层(主要元素含有Zn、Al、Mg、Ni)、基体表面以内120μm范围内的过渡层(主要元素含有Zn、Al、Mg、Ni、Fe)和基体(完全为Fe);往基材内部方向,Zn、Al、Mg、Ni含量呈现梯度减少。经过本发明所述多元合金共渗剂共渗的弹条,耐磨性和防腐性能大幅增加,进而提升了弹条的寿命,降低了维修费。本发明所述钝化处理进一步使表面密实,防水漆封闭处理使弹条具备优良的耐候性,进一步提升弹条的防腐性能。
本发明的共渗过程在密闭的极负压状态完成,生产过程中不会有气体散逸出炉体,未附着的共渗剂散落在炉体底部,使用配套的专用吸尘器对共渗剂进行收集。因此,本发明的共渗工艺环境友好。
附图说明
以下结合附图对本发明做进一步说明。
图1示出的是实施例1制备得到的具有复合防腐层的弹条的横截面扫描电镜照片(放大1000倍),其中,1:渗层,2:过渡层,3:基材。渗层厚度在60~90μm,厚度均匀致密,从界面看,与基材结合较好。
图2示出的是实施例1制备得到的具有复合防腐层的弹条的金相显微镜照片(放大200倍),其中,1:渗层,2:过渡层,3:基材。渗层厚度在60~90μm,厚度均匀致密,从界面看,与基材结合较好。
图3示出的是对比例1制备得到的具有复合防腐层的弹条的截面扫描电镜照片(放大1000倍),其中,1:渗层,2:过渡层,3:基材。渗层厚度在30~50μm,渗层厚度不均匀,从界面看,与基材结合不紧密。
图4示出的是对比例1制备得到的具有复合防腐层的弹条的金相显微镜照片(放大200倍),其中,1:渗层,2:过渡层,3:基材。渗层厚度在30~50μm,渗层厚度不均匀,从界面看,与基材结合不紧密。
具体实施方式
以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解,这些实施例仅用于说明本发明,其不以任何方式限制本发明的范围。
下述实施例中的实验方法,如无特殊说明,均为常规方法。下述实施例中所用的原料、试剂材料等,如无特殊说明,均为市售购买产品。其中,部分试剂和原料购买情况如下:
铝锭:铝含量≥99.7%,中国有色金属工业华北供销公司;
锌锭:锌含量≥99.9%,中国有色金属工业华北供销公司;
镁锭:镁含量≥99.9%,佛山市正稀金属材料有限公司;
泡沫镍:镍含量≥99.9%,深圳市绿源环保滤材有限公司;
混合稀土(La61%,Ce39%):长沙天久金属材料有限公司;
锌粉:锌含量≥98%,100~400目,长沙天久金属材料有限公司;
铝粉:铝含量≥98%,100~400目,长沙天久金属材料有限公司;
氧化镧:100~400目,长沙天久金属材料有限公司;
氧化铈:100~400目,长沙天久金属材料有限公司;
甲基乙氧基硅烷:南京向前化工有限公司;
异辛基三乙氧基硅烷:南京向前化工有限公司;
水性单组份丙烯酸烤漆:东莞新骅新材料科技有限公司。
下述实施例中使用的锌铝镁合金粉通过如下方法制备:
I.按照配比准备各原料;
II.将各原料加入到熔炼炉,升温至660~700℃,待全部熔融后,充分搅拌,保温20min,除去表面浮渣,获得Zn-Al-Mg合金液;
III.在雾化罐内,用压力不低于0.9MPa的高纯氩气以300m/s速度喷吹步骤II得到的Zn-Al-Mg合金液,氩气喷吹方向与Zn-Al-Mg合金液流动方向呈90°,使Zn-Al-Mg合金液雾化成微液滴,经冷凝器冷却,烘干,筛分得到粒径为200~400目的锌铝镁合金粉。
下述实施例中使用的锌铝镍合金份通过如下方法制备:
I.按照配比准备各原料;
II.将各原料加入到熔炼炉,升温至800~900℃,待全部熔融后,充分搅拌,保温20min,除去表面浮渣,获得Zn-Al-Ni合金液;
III.在雾化罐内,用压力不低于0.9MPa的高纯氩气以300m/s速度喷吹步骤II得到的Zn-Al-Ni合金液,氩气喷吹方向与Zn-Al-Ni合金液流动方向呈90°,使Zn-Al-Ni合金液雾化成微液滴,经冷凝器冷却,烘干,筛分得到粒径为200~400目的锌铝镍合金粉。
实施例1~6一种弹条表面复合防腐工艺
所述弹条表面复合防腐工艺,包括:
1.多元合金共渗:
各实施例采用的多元合金共渗剂的组成见表1(其中,1重量份=1kg),将除助渗剂之外的各原料按照配比混合均匀,得到混合料,临用时将所述混合料和助渗剂按照配比混合均匀,即得所述多元合金共渗剂。所述多元合金共渗的具体操作为:
在共渗炉中,将弹条包埋在所述多元合金共渗剂中,所述多元合金共渗剂总质量与共渗炉容积的体积比为70kg∶100L,所述多元合金共渗剂的质量与弹条的比表面积之比为600~1400kg∶1m2,封闭共渗炉,加热至370~410℃,保温4~7小时。共渗炉的压力为0.1Pa,转炉速度3r/min。共渗处理后,在弹条表面形成厚度60~90μm的多元合金渗层。各实施例的多元合金渗层的平均厚度见表1。
2.钝化处理:
钝化剂为水性钝化剂,组成见表1。钝化处理方法的具体操作为:
1)将经共渗处理后的弹条挂在运行的悬挂链上,进行3次水喷淋冲洗,彻底清除弹条内外表面灰尘;
2)将弹条浸入钝化剂中,钝化时间见表1,进行钝化;钝化完毕后提起以滴净余液;
3)然后将弹条在空气中搁置5~15s;
4)将弹条投入清水中反复漂洗干净,转移入烘干炉60~80℃烘干。
3.水性漆封闭处理
钝化处理结束后,用市售水性单组份丙烯酸烤漆对弹条进行喷涂处理。
通过上述工艺得到了具有由多元合金共渗层、钝化层和封闭漆层构成的复合防腐层的弹条。其中实施例1的弹条截面的扫描电镜和金相显微镜照片见图1和图2。
表1实施例1~6的多元合金共渗剂和钝化剂的配方(重量份)
对比例1~5一种弹条表面复合防腐工艺
对比例1~5的弹条表面复合防腐工艺也包括:1.多元合金共渗,2.钝化处理,3.水性漆封闭处理,操作和工艺参数与实施例1~6均相同,不同之处在于多元合金共渗剂和钝化剂,各对比例的多元合金共渗剂和钝化剂的组成见表2所示。各对比例形成的渗层平均厚度也见表2所示。对比例1的弹条截面的扫描电镜和金相显微镜照片见图3和图4。
表2对比例1~3的多元合金共渗剂和钝化剂的配方(重量份)
测试例各实施例和对比例的弹条的防腐和相关性能测定
中性盐雾试验:依据GB/T10125-2012《中性盐雾腐蚀试验》进行,记录出现红锈时间。时间越长,耐盐雾性能越好,说明抗氯离子腐蚀性能越优。
SO2酸雾腐蚀试验:依据GB/T9789-2008《金属和其他无机覆盖层通常凝露条件下的二氧化硫腐蚀试验》,记录出现红锈的时间。时间越长,耐酸雨腐蚀性能越优。沿海隧道、某些特殊地质条件隧道内的弹条常年经受二氧化硫的腐蚀,因此本发明测试封闭钝化多元合金共渗技术的耐SO2酸雾腐蚀性能。
疲劳试验:依据铁路标准Q/CR564-2017《弹条II型扣件》,750万次不断裂。共渗剂以及共渗工艺对基材性能有一定的影响,温度过高,可能会导致弹条断裂。
耐冲击:依据GB/T1732-1993《漆膜耐冲击测定法》。
测试结果见表3。
表3各实施例和对比例的性能测定结果
与对比例1~5比较,本发明例1~6的防腐处理工艺具有优良的力学性能和防腐性能,尤其是中性盐雾可达3000h以上,SO2酸雾腐蚀试验可达3000h以上,疲劳750万次+中性盐雾可达3000h以上,750万次疲劳+SO2酸雾腐蚀试验可达3000h以上,耐冲击性均合格,相比较对比例有明显的优势。
此外,渗层厚度越大,与基材的结合越紧密,防腐性能越好。通过金相照片和扫描电镜照片对比,本发明实施例的多元合金层厚度均在70μm以上,且厚度均匀且致密,与基材的结合紧密;而对比例的渗层厚度不均匀,仅为40μm左右,与基材的结合情况不及实施例。
因此,本发明包括Zn-Al-Mg、Zn-Al-Ni和稀土的共渗技术、钝化处理能够大幅提升弹条在自然环境中耐腐蚀能力,在隧道内、外、沿海地区均可实现有效防腐,极大延长了使用寿命。
以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明,本领域技术人员可以根据发明做出各种改变或变形,只要不脱离本发明的精神,均应属于本发明所附权利要求的范围。
Claims (10)
1.一种用于铁路弹条的多元合金共渗剂,以重量份计,所述多元合金共渗剂包括:锌粉40~60份、铝粉10~30份、锌铝镁合金粉10~20份、锌铝镍合金粉10~20份、稀土催化剂0.05~2份,助渗剂0.2~1份;
其中,以重量份计,所述锌铝镁合金包括铝5~15份、锌80~90份、镁1~5份、混合稀土0.1~0.5份;
以重量份计,所述锌铝镍合金包括铝5~15份、锌80~90份、镍1~5份、混合稀土0.1~.5份;
以所述混合稀土的质量为基准,组成为:镧61%、铈39%。
2.根据权利要求1所述的多元合金共渗剂,其特征在于,所述锌粉粒径为100~400目,锌含量≥98%;
优选地,所述铝粉粒径为100~400目,铝含量≥98%;
优选地,所述稀土催化剂粒径为100~400目,选自氧化镧粉和氧化铈粉中的一种;
优选地,以所述助渗剂的质量为基准,包括NH4Cl 70%~90%和余量的石英砂;
还优选地,所述石英砂的粒径为40~70目。
3.根据权利要求1所述的多元合金共渗剂,其特征在于,所述锌铝镁合金粉通过如下方法制备:
I.按照配比准备各原料;
II.将各原料加入到熔炼炉,升温至660~700℃,待全部熔融后,充分搅拌,保温15~25min,除去表面浮渣,获得Zn-Al-Mg合金液;
III.在雾化罐内,用压力不低于0.9MPa的高纯氩气以250~350m/s速度喷吹步骤II得到的Zn-Al-Mg合金液,氩气喷吹方向与Zn-Al-Mg合金液流动方向呈90°,使Zn-Al-Mg合金液雾化成微液滴,经冷凝器冷却,烘干,筛分得到粒径为200~400目的锌铝镁合金粉;
优选地,所述锌铝镍合金份通过如下方法制备:
I.按照配比准备各原料;
II.将各原料加入到熔炼炉,升温至800~900℃,待全部熔融后,充分搅拌,保温15~25min,除去表面浮渣,获得Zn-Al-Ni合金液;
III.在雾化罐内,用压力不低于0.9MPa的高纯氩气以250~350m/s速度喷吹步骤II得到的Zn-Al-Ni合金液,氩气喷吹方向与Zn-Al-Ni合金液流动方向呈90°,使Zn-Al-Ni合金液雾化成微液滴,经冷凝器冷却,烘干,筛分得到粒径为200~400目的锌铝镍合金粉。
4.权利要求1至3中任一项所述多元合金共渗剂的制备方法,包括:按照配比准备各原料,将除助渗剂外的所有原料混合均匀,得到混合料,将所述混合料和所述助渗剂分别贮存,用时按照比例混合。
5.一种弹条表面复合防腐工艺,包括采用上述多元合金共渗剂,通过加热共渗,在弹条表面形成多元合金渗层;
优选地,所述多元合金渗层厚度≥60μm。
6.根据权利要求5所述的弹条表面复合防腐工艺,其特征在于,所述共渗的具体操作为:
将所述混合料和所述助渗剂按照比例混合均匀,置于共渗炉中,多元合金渗剂的质量和共渗炉体积比为60~75kg:100L;将弹条包埋在多元合金渗剂中,所述多元合金渗剂的质量和所述弹条的比表面积比为600~1400kg:1m2;共渗炉旋转速度2~4r/min,炉内压力0.1Pa,370~450℃保温3~8小时;关掉电源,冷却至150℃以下,将炉胆推出自然冷却,打开炉盖,将工件与炉料分离;
优选地,共渗炉加热至370~410℃保温4~7小时。
7.根据权利要求5或6所述的弹条表面复合防腐工艺,其特征在于,在所述共渗之后,还包括表面钝化;
优选地,表面钝化使用的钝化剂为水性体系,pH值为2~3;以所述钝化剂的质量为基准,包括硅烷偶联剂20%~40%、醇类5%~15%、酸1%~5%和余量的水;所述硅烷偶联剂选自甲基乙氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、异丁烯三乙氧基硅烷、异辛基三乙氧基硅烷中的一种或任意比例的多种;所述醇类选自乙醇和异丙醇中的一种或任意比例的两种;所述酸为质量百分比浓度1%的稀盐酸;
优选地,所述钝化剂通过如下方法制备:
将硅烷偶联剂、醇类加入水中,搅拌使充分溶解;然后加入质量百分比浓度1%的稀盐酸,调节pH值为2~3,即得;
优选地,搅拌速率为100~300r/min,搅拌时间1~2h。
8.根据权利要求7所述的弹条表面复合防腐工艺,其特征在于,所述表面钝化的具体操作包括:
A.将经共渗处理后的弹条经水喷淋冲洗,彻底清除弹条表面灰尘;
B.将弹条浸入所述钝化剂中5~15s进行钝化;
C.钝化完毕后,将弹条在空气中搁置5~15s;
D.然后将弹条投入清水中反复漂洗干净,60~80℃烘干。
9.根据权利要求7或8所述的弹条表面复合防腐工艺,其特征在于,在所述钝化之后,还包括喷涂封闭涂料;所述封闭涂料为水性单组份丙烯酸烤漆。
10.一种经权利要求5至9中任一项所述表面复合防腐工艺处理的弹条,所述弹条具有复合防腐层;
优选地,所述具有复合防腐层的弹条的结构为:
1)弹条和与弹条紧密结合的所述多元合金渗层;或
2)弹条,与弹条紧密结合的所述多元合金渗层,以及附着在所述多元合金渗层外表面的钝化层;或
3)弹条,与弹条紧密结合的所述多元合金渗层,附着在所述多元合金渗层外表面的钝化层,以及设置于所述钝化层外表面的封闭涂料层。
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