耐腐蚀抗断裂的钢轨或列车钢轮制造技术

本发明专利技术是一种耐腐蚀抗断裂的钢轨或列车钢轮，消除由应力腐蚀或腐蚀疲劳引起耐磨轨轮（或普通轨轮）产生的裂纹或断裂现象，消除腐蚀引起的各种故障，消除钢轨（或车轮）耐磨性与抗裂性之间相互制约的矛盾。具体的说是在钢轨或车轮的非工作面直接安置阳极，并在钢轨或车轮的表面涂覆具有离子导电和缓蚀功能的缓蚀层，通过牺牲阳极或外接可控直流电源，实施阴极保护与缓蚀剂相结合的新型电化学保护，使钢轨和车轮及轨道配件的使用寿命延长数倍，适应铁路运输提速和重载负荷日益增长的紧迫需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种耐腐蚀抗断裂的钢轨或列车钢轮，它属于一种长寿命的新型钢轨或车轮， 具体的说是在钢轨或车轮的非工作面包覆、贴合或安置阳极，并在钢轨或车轮的表面涂覆具 有离子导电和緩蚀功能的碱性緩蚀层(代替涂油)，从而实现阴极保护与緩蚀剂相结合的新型除腐蚀引起的各^故障，大幅度延长轨轮及其配件的J用寿命。本专利技术打磁「了l化学防腐^ 与轨轮生产及运用这两个不同
间存在的缺乏沟通之壁垒，从而实现了 一项创举。
技术介绍
随着铁路运输负荷的加重，钢轨、车轮及轨道配件的损伤愈益严重，使用寿命大幅度下 降，给铁路运输增加了巨额的经济负担，给行驶安全带来严重威胁，尤其是重载货运对钢轨 和车轮的磨损严重，特别是在曲线段钢轨的侧磨更为严重，已经开发了多种高强度的耐磨钢 轨，其耐磨性能比普通钢皿高了 4 ~ 5倍，此外对钢轨涂润滑油，也有效地降低了钢轨的側 磨现象。但这两项提高轨轮耐磨性的技术措施，在实施过程中，却带来了危害性更大的裂紋 和断裂等严重事故，对钢轨的使用寿命和交通安全的影响，甚至比磨损所造成的损害更为严 重。采用高强度高硬度钢材制作的耐磨车轮也存在同样现象。高速客运是当4^界铁路运输 的发展趋势，对铁路线的平稳和安全性要求更高，中国铁路多lblL客、货共线，要同时滿足 高速^和重栽货运的要求，难度极大，,的严重损伤已成为制约铁路事业;SOl的瓶颈。目前铁路科技部门普遍认为钢轨的耐磨和抗裂(抗剥离)是一对相互制约的矛盾，为了 减轻和防止发生断轨等严重事故，主张使钢轨保持适当的磨损状态，限制钢轨硬度和耐磨性 的提高，限制涂润滑油，采用增加轮轨间磨耗的办法，磨去不断萌生的微裂紋，依靠这种办 法来减少剝离掉块和防止断轨(参阅中国铁道出版社2005年出版的《钢轨的材质性能及相关 工艺》一书pl03， p105)。铁路科技界认为"产生这些故障的原因是轮机接触应力超过了材料 的屈服极限值，引起材料塑性变形，在反复栽荷作用下，塑性变形的累积(疲劳M吏钢轨表面产 生微裂紋，在法向和切向应力作用下裂紋逐渐扩大，引起剥离掉块或钢轨断裂"(参阅《中国机械工程》2002.9 —文)；"随着材料含碳量、硬度和耐磨性的提 高，剥离也越严重"(参阅《中国;W工程》2005.4—文)。这里有 一个疑问耐磨钢轨的强度和屈服极限(与普通钢糾目比)有了大幅度提高，按上述分析，在同 样的接触应力下，普通钢轨应该更容易产生塑性变形和萌生微裂紋，但为什么裂紋和断轨事 故，耐磨钢轨却比普通钢轨严重的多？对此的解释是这样的"普通钢轨由于耐磨性差，产生 的微裂紋很快被磨掉了，而耐磨钢轨的硬度高，所产生的微裂紋不会被磨掉，微裂紋逐渐扩 展而引起钢轨剥离掉块或断裂"。上面的技术分析将轨轮裂紋的萌生和扩展，钢轨的断裂，看成是单纯应力和疲劳所引起的破坏，依靠磨耗来减緩裂纹的iLlL因此也就无法解决耐磨性和抗裂性之间的矛盾，不能 在大幅度提高轨轮耐磨性的同时也提高其抗断裂的性能i顾此失彼，无法做到两全，成为一 大技术难关'要解决上述技术难关，必须首先认清亊物的本质。产生裂紋和断轨最主要的原因，是高 强度钢极易发生应力腐蚀，这是世界腐蚀科技界早已证明的亊实，M铁路系统却还是一项 尚未认知的新问题。环境腐蚀因素和钢轨所承受的应力相叠加(或交替反应)，引起耐磨钢轨裂 紋的萌生和迅速扩展，并造成钢轨断裂，在自然环境(尤其是潮湿地区)中长期使用的高强度 钢在张应力或交变应力作用下所发生的断裂，几乎全属于应力腐蚀或腐蚀疲劳断裂现象，因 为氧和水这个基本腐蚀介质随时随处都存在，不仅在南方的潮湿环境，即佳jl:气候较干燥的 北方，由于昼夜温差大，也会在钢轨表面形成露水、霜冻或雾气，从而提供应力腐蚀或腐蚀 疲劳的环境。在腐蚀科技领域，大量使用实践和试验验证都已证明高強度钢对应力腐蚀或腐 蚀疲劳存在高度的敏感性。在同样的环境中应力腐蚀的裂玟扩/IUl率是普通腐蚀速率的106倍(见冶金工业出版社出 版杨德钧等编的《金属腐蚀学》 一书)。不存在腐蚀因素时，只有当拉伸应力超过材料的屈服 极限后才可能使高强度钢发生断裂。存在腐蚀因素时，高强度钢可在极低的拉伸应力作用下 (例如在屈服极限的5% ~ 10%或更低的张应力作用下)发生应力腐蚀断裂(见冶金工业出版社 出版孫矛火霞等编的《材料腐蚀与防护》 一书)，在纯水和湿大气中，高强度钢都能发生应力腐 蚀断裂。腐蚀疲劳与单纯疲劳相比，发生破断的极限应力，前者仅为后者的1/5-1/2 (见 清华大学出版社出版白新德等编的《材料腐蚀与控制》 一书)，而裂紋扩展速度前者是后者的 10倍(见冶金工业出版社出版杨德钧等编的《金属腐蚀学》 一书)。在大气或潮湿自然环境中，钢铁的腐蚀都属于电化学腐蚀，金属的(腐蚀)损伤发生于 阳极，阳极的溶解速度，代表金属的腐蚀损伤速度，它与阳极的电流密度成正比，在电化学 腐蚀中，流经阴极和阳极的电流是相等的，但阴、阳极间的电流密;1A不等的，它与两者间 的面积大小成反比。当腐蚀处于大阴极小阳极状态时，阴极的电流密度极小，阴极极化的压 降接近于零，阴极(去极化)过程畅通无阻，从而加剧阳极过程，能量消耗也集中于阳极， 阳极电流密度极大，阳极的溶解(腐蚀损伤)速度极大。应力腐蚀(或腐蚀疲劳)是最典型的 大阴极小阳极腐蚀状态，是破坏性最严重的电化学腐蚀，腐蚀点促使应力集中和萌生裂乡丈源， 而应力集中又大大加剧腐蚀向纵深发展的速率，互为因果形成连锁反应，使裂紋迅速扩展。 应力集中的部位由于晶体的位错，滑移阶梯对金属表面钝态膜的破坏，致使应力集中点的金 属处于活化状态，其电位比其他部位的电位更负，成为这一腐蚀体系的阳极，裂纹尖端的宽 度极狭窄(估计不大于10nm),整个棵露的金属表面和裂紋的两侧都是阴极，唯独裂紋的尖端 才是阳极，阴阳极面积比常在106倍以上，阳极面积极其细微狹小，阳极电流密度极大，腐蚀 损伤高度集中，在张应力作用下，裂玟扩展过程中，裂紋尖端的钝态膜不断被撕裂，始终处 于高度活化状态，该处的阳极电流密度高达0.5A/cm2,而裂紋两侧的电流密度仅为1(T5A/ cm、见冶金工业出版社出版孫秋霞等编的《材料腐蚀与防护》 一书)，两者相差5乂104倍，裂 紋尖端巨大的电流密度，使裂紋沿着张应力的垂直方向迅速向纵深4L艮，极大地加快破裂的 速度。当钢铁表面存在点腐蚀或出现微裂紋时，腐蚀产物或微裂紋的的孔隙会吸收空气中的 水分，按毛细管原理，孔径愈细，吸水性愈强，在大气的相对湿度尚未达到饱和时，这些细 小缝隙中就已含有足以引起应力腐蚀的水分。当发生应力腐蚀或腐蚀疲劳时，微裂紋的底部由于缺氧(空气中的氧不易进入裂紋底部)，引起铁离子的水解而酸化，产生很多氢离子，pH值降至3 3.5，氢离子在裂紋内放电，形成 自催化腐蚀和引发氩脆，大大地加剧裂纹的;SOl,可从下面的电化学腐蚀反应方程式来说明 它的破坏原理阳极过程铁溶解(氧化)生成铁离子(发生于裂紋尖端) 2Fe-4e=2Fe2+裂紋内由于缺氧，阳极溶解下来的铁离子与水反应"水解"，生成氢离子4吏水酸化 Fe2++2H20=Fe(0H)2+2lT 阴极过程分为两部份；钢表面的棵露部位主要是氧被还原的去极化过程 02 +2H20+4e=40H—裂紋内两侧主要是氢离子被还本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐腐蚀抗断裂的钢轨或列车钢轮，其特征在于在钢轨或列车钢轮的除了踏面及轨轮摩擦面外其余的全部或局部的非摩擦表面包覆、贴合或安置阳极，该阳极是牺牲性阳极或非牺牲性阳极，非牺牲性阳极与钢轨的贴合面之间有对电子绝缘的隔离层，牺牲性阳极与钢轨的贴合面之间有对电子绝缘的隔离层，或没有这样的隔离层，通过牺牲性阳极的直接联结，或通过导电连接件联结，或通过导电连接件并外接可控直流电源联结，使钢轨或列车钢轮与阳极对电子导通，形成阴极保护体系，经可控直流电源的自动调节或通过对牺牲阳极电极电位的选择，使阴极保护电位控制在不发生应力腐蚀、腐蚀疲劳或氢脆的电极电位范围内，该体系的阴极极化值不小于１００ｍＶ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵全玺，赵鸿，赵毅，李红梅，
申请(专利权)人：赵全玺，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]