摘 要

我国传统客运货运铁路的腐蚀问题逐渐受到重视。本文总结了钢铁腐蚀机理和铁路主要保护措施。通过对浙江义乌火车站附近隧道内铁轨扣件锈蚀物的成分测定，对当地气候和环境条件的调查，研究出锈蚀物的主要成分和主要影响因素。测定了由相关企业提供的铁轨扣件专用防腐蚀材料的性能，探究此材料应用于铁路的可行性。

采用傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜、能量色散光谱、液相色谱-质谱联用仪和电导率测定仪对锈蚀物进行了表征。

测定了防腐蚀材料的机械性能、粘结性能、润滑性能和抗腐蚀介质性能。

结果表明：铁轨扣件的腐蚀因素主要源于湿热的大气环境、酸雨、空气或土壤中的氯离子，硫化物和其他电解质。在隧道内潮湿和灰尘容易积累使腐蚀因素更为复杂。除了提升钢轨性能外，最简单有效的方法是涂覆防腐蚀涂料，所测试的材料兼顾防腐蚀和润滑性能，隔绝腐蚀性介质性能优良，粘结性良好，不影响扣件的机械性能，生产和使用简单，另一方面各项性能可根据具体环境条件调整配方，有广泛应用的潜力。

关键词：钢轨扣件；腐蚀原因；防腐蚀材料;性能

Abstract

The corrosion problem of traditional passenger and freight railway in China has been paid more and more attention. This paper summarizes the corrosion mechanism of iron and steel and the main protective measures of railway. Based on the determination of the rust components of rail fasteners in tunnels near Yiwu Railway Station in Zhejiang Province and the investigation of local climate and environmental conditions, the main components and influencing factors of the rust were studied. The performance of special anticorrosive material for rail fasteners provided by relevant enterprises was tested, and the feasibility of applying this material to Railways was explored.

The corrosion was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, liquid chromatography-mass spectrometry and conductivity tester.

The mechanical properties, bonding properties, lubrication properties and anti-corrosive media properties of the anticorrosive materials were measured.

The results show that the corrosion factors of rail fasteners mainly come from hot and humid atmospheric environment, acid rain, chloride ions in air or soil, sulfide and other electrolytes. It is easy to accumulate moisture and dust in the tunnel, which makes the corrosion factors more complex. In addition to improving rail performance, the simplest and most effective method is to coat anti-corrosion coatings. The tested materials take into account both anti-corrosion and lubrication performance. They have excellent performance in insulating corrosive media and good cohesiveness. They do not affect the mechanical properties of fasteners. On the other hand, their production and use are simple. On the other hand, their properties can be adjusted according to specific environmental conditions, and have potential for wide application.

Key words: rail fasteners; corrosion causes; anti-corrosion materials; performance

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2金属腐蚀简述 3

1.3国内外研究现状 4

1.3.1国内研究现状 4

1.3.2国外研究现状 5

1.4课题研究内容和意义 5

第2章 钢轨扣件腐蚀原因分析 7

2.1钢铁腐蚀物概述及常见影响因素 7

2.1.1钢铁腐蚀产物和腐蚀机理 7

2.1.2影响钢铁腐蚀主要因素 7

2.2腐蚀物成分鉴定及成因分析 11

2.2.1红外吸收光谱 11

2.2.2 X射线衍射 12

2.2.3 X射线光电子能谱 13

2.2.4 SEM和EDS 15

2.2.5液相色谱-质谱联用检测 17

2.2.6电导率和pH 18

2.3本章总结 18

第3章 防腐蚀材料性能测定及评价 20

3.1润滑和机械性能测定 20

3.1.1表干时间 20

3.1.2铅笔硬度 21

3.1.3细度 21

3.1.4柔韧性 21

3.1.5耐冲击强度 22

3.1.6附着力 22

3.1.7滴点 23

3.1.8分油率 23

3.1.9流变性 23

3.2防腐蚀性能测定 24

3.2.1表面接触角 24

3.2.2耐介质腐蚀性能 25

3.2.3盐雾试验 28

3.2.4土壤掩埋试验 28

3.3本章总结 29

第4章 结论 30

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

1.1研究背景

我国铁路运输建设正在高速发展。除了高铁动车行车速度和舒适度的快速提升，还有里程，运输密度，客货运输量的提升，极大的支持了我国的经济建设。新的运行线路仍在不断的建设与规划中。另一方面，巨大的运输量也带来巨大的经济成本，除了运营规划管理外，提升铁轨防护能力、延长铁轨的使用寿命和保障铁路运输稳定和安全等要求成为当前铁路建设最重要的任务^[1]。

根据中国铁路总公司自2019年4月1日起施行的《普速铁路线路修理规则》的规定：

（1）第三章线路设备标准和修理，第六节钢轨，第十二条：

曲线地段应根据钢轨状况合理安排润滑，易锈蚀地段宜采用耐锈蚀钢轨或在钢轨上涂抹防锈剂。

（2）第四章线路设备修理主要作业要求，第八节无缝线路维修作业，第七条：

每年春、秋季应在允许作业轨温范围内逐渐段整修扣件及接头螺栓，整修不良绝缘接头，对接头螺栓及扣件进行除垢涂油，并复紧至达到规定标准。使用长效油脂时，按油脂实际有效期安排除垢涂油工作。

今上海铁路局杭州工务段提出，部分线路铁轨扣件系统中轨枕螺栓腐蚀情况严重，并提供了在浙江义乌火车站附近隧道中采集的锈蚀物；与其合作的浙江宝晟铁路新材料科技有限公司提供了新型的防腐材料有待测试性能。因此本课题通过探究影响铁路扣件的腐蚀因素，并研究该防腐蚀涂料用于铁轨扣件的可行性，给出能适用于铁路扣件系统的防腐蚀策略。

如图1.1所示：铁轨通过扣件系统固定在混凝土轨枕上，保持轨距，保证钢轨相对于轨枕不发生纵向和横向移动，铁轨扣件的规格有很多种但大体结构和功能相似。轨枕螺栓，是将扣件系统联结为一体的主要元件，根据不同习惯也叫做螺纹道钉。

由于轨枕螺栓长期暴露在外部，受大气，风雨等因素影响，在螺栓上涂覆的油脂逐渐干结，损耗，脱落失去保护作用，容易发生锈蚀。轨枕螺栓锈蚀后导致其直径变小，扣件系统压力降低或者失效，最终导致铁路安全事故发生，因此保护好轨枕螺栓对铁路行车安全十分重要。

降低钢轨寿命的因素众多，但总体可归结为应力损伤和腐蚀。轨道在火车经过时受到频繁的应力作用，铁轨往往伴随着磨损、变形、裂纹等伤损现象发生。铁路扣件系统不像钢轨直接承受火车车轮碾压，但它结构更为复杂，零件尺寸较小，受力情况不一，内部腐蚀难以直接观察。这与机车类型，运输重量，行车速度，道路结构，钢轨强度等因素有关。排除大部分可控因素，腐蚀成为影响铁路寿命和安全性的最大不稳定因素。铁轨暴露在野外环境中，受空气和土壤中腐蚀因素（电解质，酸雨，灰尘，工业气体，温差，潮湿）的影响，易发生腐蚀。外力作用使钢铁表面产生微小裂纹，积累其他物质，在再次受力时裂纹进一步深入扩大，这在铁路系统中更容易发生。在现在及将来的铁路建设和规划中，已从改善钢轨材料及加强隔离措施（如高铁的架空）多方面着手降低腐蚀的影响。但是，受过去经济技术水平限制及防护意识的不足，大部分投入使用的铁路处于腐蚀或待腐蚀状态^[2][3]。

图1.1铁路扣件的直观和结构图

金属设备的使用寿命在大范围内存在周期性，同批投入使用的金属设备，由于介质的逐步侵蚀，在多年以后或同时出现严重腐蚀失效现象。在高盐沿海地区如海南广东，温热地区如云南及重污染区如化工厂附近，铁路的腐蚀比气候干燥的非工业区严重许多。这表明了环境因素对腐蚀的重要影响。我国仍处于经济高增长期，环境治理在短期内未必会取得突破性进展，因此金属腐蚀尚未有减缓的趋势^[4]。

金属腐蚀的机理通常大同小异，且研究程度已日趋成熟。由于铁路运输的特殊性，开展系统研究有一定困难，但仍然有一定数量针对性的可行方略。

1.2金属腐蚀简述

金属材料受周围介质的作用而破坏，称为金属腐蚀。生锈是最常见的腐蚀状态，金属外表面产生电化学或化学反应，进入氧化或离子态，严重腐蚀的金属强度，韧性，塑性显著降低，几何形状扭曲，增加零件间的磨损，使设备寿命缩短。金属腐蚀带来的损失不仅是金属资源浪费，能源消耗增多，间接损失比直接损失大的多，包括因其引发的意外事故如停产，停电，道路桥梁建筑损毁，工艺流程中断等。

自然环境和工业污染是造成金属腐蚀的主要原因，自然环境包括大气、土壤、海洋、生物和微生物；工业污染包括酸，碱，盐，以及包含它们的废气废水等。工业介质会泄露到大气，水文和土壤环境中，二者并不是独立的。大气腐蚀占总腐蚀量的50%以上，土壤约占20%，水环境约10%。

腐蚀的主要影响因素有：

（1）空气湿度：空气湿度越高，水分越容易在表面聚集，空气中的氧透过水膜到达金属表面。湿度超过一个区间数值后，腐蚀速率快速上升，这个数值被称为临界相对湿度，不同金属该数值不同。降雨会增加空气湿度，润湿金属表层，冲刷掉腐蚀物暴露内部金属加快腐蚀，酸雨的破坏性更强。但降水也可以冲刷掉灰尘或污染物，如果水膜过厚，也会隔绝氧气或减缓它的扩散速度。

（2）氧气：腐蚀的必要条件之一，空气的主要成分之一。

（3）温度或温差：在干燥或湿度低的情况下，温度对腐蚀基本无影响。当湿度接近临界值，温度每上升十度，金属的腐蚀速率接近翻倍。因此，在湿热沿海地区，腐蚀比西北沙漠地区严重许多。温度也会影响水蒸气的凝聚以及各种可溶腐蚀物的溶解度。若昼夜温差大，还易产生雾气，或在金属表面凝结水膜。

（4）无机盐：电解质的存在可以大大提升水的电导率，加快电子转移速度。在室温下浸泡在氯化钠溶液中的钢铁，在浓度为3%时腐蚀速率达到最大。当溶液中盐的成分进一步提升时，会影响氧气的溶解度，腐蚀速率逐渐下降。

（5）酸性气体：工业废气中排放的SO₂、NO₂、HCl等导致了酸雨的形成或者使降水偏酸性，弱酸条件能加速腐蚀中间产物的转换，强酸条件下产生析氢腐蚀。

（6）灰尘：灰尘本身可能有可溶性和腐蚀性，可溶解进入液膜加速腐蚀；或者无腐蚀性，但可以吸附空气中的污染物和水。

（7）铁轨被应力破坏和杂散电流影响是加速腐蚀的重要原因，本文主要讨论环境因素的影响^[5]。

1.3国内外研究现状

金属防腐蚀的方法主要有四种：

（1）改善金属性质，如添加合金元素，制成不锈钢，合金钢；或者用热处理工艺改变金属表面形态；

（2）隔绝腐蚀因素，使金属表面形成致密保护膜，主要包括：表面化学转换膜，如氧化，铬酸化；表面合金，如渗锌，多元金属共渗；金属镀层；非金属涂层。

（3）减少腐蚀介质，弱化、清除不利因素：如对储存区域除湿、真空处理。

（4）牺牲阳极或外加电流的电化学保护^[6]。

在铁路上通常只能应用前两种。主要包括三大类：（1）涂层；（2）镀层；（3）表面化学转换膜。

1.3.1国内研究现状

我国轨道防腐蚀研究起步较晚，但铁路事业发展却很快。在早期，关于钢轨机械疲劳伤损的研究较多，关于扣件腐蚀的研究较少，扣件的处理常使用喷漆，浸油等简单工艺处理，使其在使用初期不生锈即可。高速铁路的崛起，以及偏远地区基础设施建设的进行，对铁路寿命和养护成本提出了更苛刻的要求。金属扣件的防腐蚀采用多种方法结合。主要的保护策略有以下几种^[7]：

（1）合金：合金从根本提高了钢铁的综合性能，为后续的使用减少很多麻烦。我国在大范围内使用耐候钢，它仅由普通钢添加少量铜，镍等耐腐蚀元素而成，但性能上了一个台阶，表面氧化后形成致密紧固的保护膜，阻止锈蚀往里面发展，耐大气腐蚀效果明显，与不锈钢相比只有微量的合金元素，因此造价要低很多。针对严重腐蚀地区，还有性能更好的合金产品。

（2）浸油：在铁轨、扣件存储运输过程中起到一定保护作用，投入使用后容易干燥挥发失效。如攀钢设计出一款防腐蚀专用透明防锈油，用于出口东南亚国家的铁轨防腐蚀，并设计出配套的自动喷涂装置，涂覆后的钢轨可保证一年内无明显锈蚀^[8][9]。

（3）喷漆：工艺简单，有效时间较长，但漆膜较薄不耐磨损，干燥后可能剥离，耐光和耐老化性能差，使用量大，缝隙内或难以完全覆盖且会污染环境。研究新型防腐涂层或润滑脂将解决此类问题，该方法比浸油持续时间长，生产使用均简单，成本低，兼顾润滑减磨和防腐蚀的功能，配方可灵活调整。不适用于金属制品加工运输过程，需在铁路上涂覆并验证具体效果。如中南大学采用溶胶-凝胶法制备出有机-无机复合防腐涂层；沈阳铁路局科学技术研究所与辽宁本溪润滑材料厂推出“铁路轨道长效防腐润滑脂” 等。本文研究内容属于此类方法^[10]。

（4）静电喷塑：用静电粉末喷涂设备将塑料粉末喷涂在金属表面，经过高温烘烤形成涂层，对环境友好且防腐性能好，但由于是在使用之前加工会改变器件尺寸，降低表面摩擦系数，使固件紧固能力下降。

（5）镀层：包括镀锌，渗锌，热浸镀锌，多元共渗等。防腐蚀性能优良，但工艺复杂且会产生污染，表层不耐磨损，常常需要后续处理^[11]。

（6）化学转换膜：处理金属表面使之形成致密保护层，如氧化膜，铬酸盐膜。

（7）其他：轨枕螺栓防护套，可套在轨枕螺栓上并通过上方开孔注油^[12]。

1.3.2国外研究现状

部分发达国家的铁路使用寿命可以达到20~30年，一方面在于已经过工业化阶段，大气环境质量高，另一方面铁路里程和负载小，可以在早期投入更多成本，并形成了系统的理论。

日本因海洋大气导致钢铁腐蚀严重，曾针对沿海地区、隧道的钢轨用钢，尝试添加不同的合金元素，如铬，铜，钼等，是世界上较早成功研究合金的国家，目前此技术已普及。此外，日本目前最有效的防腐蚀措施是在钢轨表面喷涂金属以取代钢铁的腐蚀进程。法国也有类似的方法，在轨道上先喷涂锌，铝或其合金，然后以高分子涂层覆盖，以锌的氧化进程取代铁，锌的氧化膜比铁致密，再和涂层共同作用隔绝外界因素，这个方法效果好，但是成本高，工序多。

美国在上世纪五十年代发明了达克罗（名称为英文音译），是片状锌铝粉和铬酸在高温作用下形成的一种无机金属涂覆层，抗腐蚀性能极佳，最初为了解决因利用氯化钠解决道路冰冻引起的腐蚀问题，后被军工企业采用，又逐步进入民生领域。我国在上世纪九十年代从日本引进这个技术，曾应用于青藏铁路的修建。缺点是产生污染，能耗大，涂层脆弱需要的后续保护措施多。

以上各种方法与国内差别不多，各有优缺点^[13]。

目前国外致力于研究城市轨道交通的腐蚀问题，国内外均认为杂散电流是主要影响因素。英国已推出杂散电流控制系统，可有效收集供电系统泄露的电流，减缓电化学腐蚀^[14]。

1.4课题研究内容和意义

（1）本文总结了钢铁在自然环境下的腐蚀机理，包括受空气湿度，工业气体，海洋大气的影响；委托铁路部门在浙江义乌火车站附近一个隧道中收集锈蚀物，分析锈蚀物采集地区的环境条件；对采集的铁轨腐蚀物进行成分分析，分析具体成因。结果表明除了降雨频繁导致大气湿度高以外，降水酸性强和空气中和盐离子是另一个重要因素。另外，当地的空气质量近两年来发生好转，随着工业的转型升级和汽车的普及，空气主要污染气体将逐渐从硫化物向氮氧化合物转变。

探究腐蚀因素可以对以后的铁路建设和维护工作找准思路，采用什么材质的钢轨和保护措施，既能延长铁路寿命又尽可能的节省成本。

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