压缩弹簧的防腐技术研究

王红喜

摘 要：针对城轨线路压缩弹簧严重腐蚀现象，本文研究了冷镀锌+VCI复合涂层、合金共渗两种新型防腐技术。通过膜基界面结合力测试、均一性检测、耐盐雾试验及产品疲劳后机械性能试验等检测手段，比对两种防腐新技术和传统氟碳漆技术的优劣。表明冷镀锌+VCI复合涂层防腐技术优良，最适合压缩弹簧的防腐技术处理。

关键词：压缩弹簧;腐蚀;冷镀锌+VCI;合金共渗

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）02-0070-02

0 引言

城市轨道作为我国大都市的首选交通方式，已经越来越多遍布在城市的地下隧道或高架桥上。城市轨道的零部件的使用环境也随之越来越复杂化和多样化。城轨零部件压缩弹簧作为固定汇流排及吸贮振动能量的零部件，长期处于潮湿、空气不流通、粉尘积聚的隧道内或工业污染的高架桥上，出现了产品大面积的表层脱落及机体腐蚀现象，严重时影响到弹簧的机械性能，带来不可预知的风险隐患。而且压缩弹簧的线路使用量很大，每隔8米就需要1套。针对压缩弹簧这种腐蚀现状，为保证线路的安全畅通运行，研究新型表面防腐技术迫在眉睫。

1腐蚀现状

压缩弹簧作为在刚性悬挂系统中的重要零部件，起到在定位线夹中连接、固定汇流排并吸收振动能量的作用。压缩弹簧不但要具备一定的机械强度，还要具备吸收能量的弹性功能。压缩弹簧的技术要求见圖1所示。压缩弹簧的材质选用的弹簧钢制作。弹簧钢表面必须进行防腐处理。传统防腐处理采用氟碳漆技术。氟碳漆是一种油漆涂料，其主要成分氟碳共聚体为原料的双组分常温固化涂料。通过分子连上的氟碳键，氟碳树脂能抵抗紫外线的降解，从而具备优异的耐紫外线、耐久性和耐侯性，大大拓展了应用范围且降低了维修频率。但在在潮湿的工业大气中，氟碳漆因结合力及硬度不够，弹性差，容易遭到酸性气体的腐蚀。变薄的膜层在破坏膜层外观的同时，也降低了对弹簧基体的保护能力，使产品机械性能大大降低，随时存在断裂、失去弹性的安全风险。城轨隧道内的腐蚀环境见图2所示。出现严重腐蚀的压缩弹簧见图3所示。

2新型防腐技术研究

经过广泛的市场调研和科学的技术分析，根据压缩弹簧的技术要求和功能特点，我们决定对压缩弹簧做以下两种新型的防腐技术研究。

2.1冷镀锌+VCI复合涂层防腐技术研究

冷镀锌就是利用电解作用，使金属制件的表面附着一层金属膜的过程。形成均匀、致密、结合力良好的金属膜层。形成第一道合金防腐层。在合金防腐层的外面，再施以VCI技术的富锌底涂层、富铝面涂层的VCI涂层。形成第二道油漆防腐层。达到复合防腐层，提高压缩弹簧防腐效果。

VCI是气相缓蚀剂（Volatile Corrosion Inhibitor）的英文缩写，VCI技术就是利用已经气化的特殊腐蚀抑制剂，在鳞片型锌粉搭建的密封环境中通过自身可调的持续挥发而将VCI防锈因子的混合气体充满在作业单元内的各空间间隙中，一旦遇到金属表面，含有VCI防锈因子的混合气体会吸附在金属表面而形成只有一个或数个分子厚的致密保护膜层。通过有效隔绝金属表面与氧气、水分及其他有害大气腐蚀因素的接触，致密保护膜层能发挥良好的防锈蚀作用。

相较于传统的球状锌粉，鳞片型锌粉是利用专业设备来制成片状结构的锌粉，堆积在一起的片状锌粉能够形成类似建筑瓦片一样的瓦片式结构，极大地增强了自身的严密性，从而具备优秀的耐蚀性能。其耐蚀机理如图4所示。

在树脂中混入VCI，通过片铝的鱼鳞、片锌搭接结构，VCI如同在密闭的环境中，从而具备良好的防腐性，而锌粉底漆和铝粉面漆的防腐起到第二层的防腐保护。此外，鳞片状颜料平行搭接形成致密的瓦片式结构，给富锌底漆提供了极佳的表面屏蔽，对水、氧等腐蚀介质的渗入起到了良好的阻挠性，并通过紫外线的反射而提高了整体的抗蚀性和耐侯性。

冷镀锌工艺成熟，应用时间长，市场认可度高，镀层结合力高，耐磨性好，弹簧边角部分防护性能优良。VCI技术耐酸蚀、耐紫外线性能优良。二者复合，扬长补短，提高了压缩弹簧的整体防腐性能。该技术全部在常温下涂装，操作简单，费用低廉，所用材料均为环保产品，涂装过程也不会造成环境污染。

2.2 合金共渗防腐技术

在处理工件时，合金共渗技术可通过炉内的气体来分解出大量含多种元素的活性原子，在金属表面吸附后形成金属间化合物渗层。同材料基体完全不同，该金属间化合物渗层是从基体内部生长出来的，多元共渗处理后基本不增加工件厚度，能够大幅提高表层的耐磨性、抗腐蚀性与疲劳性，这与油漆、电镀、热镀锌等其他表面涂层完全不同。通过后续与其他工艺复合，可以同时获得高的耐腐蚀、耐疲劳与耐磨性能。

在合金共渗时，在400～700℃中的特定密闭设备中放入待处理零件，含3-5种元素的气体通入后分解产生多种活性原子，工件表面被渗入这些多种活性原子后形成一层具备高耐磨性、高抗蚀性与高抗疲劳性能的金属间化合物层。根据不同零件的具体性能差异，可以对通入的多元素气体进行调整以获得不同类型化合物层的成分与结构。

合金共渗的优点就是膜层厚度均匀、硬度高、结合力强。耐腐性能优良。缺点就是产品要经过高温处理，对压缩弹簧的弹性会产生一定的影响。

3对比试验

考核防腐技术的三要素：均一性、坚实性和附着性。按照防腐三要素考核，制作了两种防腐样机进行试验比对，从而对两种防腐技术和原有的氟碳漆技术进行评判。三种防腐方案样件原貌如图5所示。

3.1 均一性判定

三种防腐样件的均一性主要通过检测样件的外观和膜层厚度来实现，结果显示三种防腐技术方案样件外观平滑，无色差、无遗漏、手摸无刺瘤、不粗燥，不同点上所测膜层厚度均匀。结论：三种方案样件均一性一致。

3.2结合力判定

从三种防腐技术方案样件做表面结合力测试评判三种防腐样件的坚实性，试验结果显示：三种方案样件坚实性基本相等。

3.3 耐盐雾试验判定

从人造盐雾试验试验指标检测三种防腐技术的附着性。通过500小时的中性盐雾试验，试验结果如图6所示。

3.4 疲劳实验判定

对盐雾试验合适的两种防腐压缩弹簧做40万次的疲劳实验后的力学测试，弹簧的压缩量、刚度及负荷偏差值符合技术要求。

4 结论

通过冷镀锌+VCI复合涂层、合金共渗防腐技术的耐腐机理研究，到制定工艺参数并制作样件，通过专业检测机构验证的对比验证，结果显示新型防腐技术VCI复合涂层和合金共渗技术所处理的压缩弹簧抗腐蚀性能表现优良，可解决压缩弹簧在外部环境复杂情况下的腐蚀问题。考虑到合金共渗处理过程中加工温度达到400℃以上，对弹簧钢进行了二次热处理加工，在长期的服役过程中会有意想不到的影响。故压缩弹簧的防腐新技术选择采用冷镀锌+VCI复合防腐技术。