钢轨的腐蚀机理及有机-无机复合涂层防护技术的研究

摘要

应力伤损和大气腐蚀是导致钢轨失效的主要原因。大气中潮湿的空气、雨水、污染气体以及昼夜温差等因素为钢轨发生电化学腐蚀提供了条件;机车频繁的应力作用使钢轨变形、产生裂纹损伤，加剧电化学反应，加速钢轨腐蚀。同时，处于机车牵引电流所在的回路中，钢轨对地绝缘性有限，会发生电流泄漏，加快电化学反应速率，使腐蚀加剧。钢轨腐蚀的机理是以上因素的综合作用。
　　 随着我国境内汽车使用数量大量增加，大气污染的恶化将与日俱增。因此，今后钢铁制品（包括钢轨在内）腐蚀现象会更加突出。大气腐蚀已成为钢轨服役寿命的重要影响因素，急需开展高效低成本的钢轨养护方法的研究。有机-无机复合涂层兼具有机涂层和无机涂层的综合性能，并且工艺简单，生产成本低，环境友好，在钢轨的防腐应用上具有很好的发展前景。
　　 本文针对广铁集团管内大瑶山隧道、株洲北站等几个主要工段钢轨腐蚀伤损现象，对钢轨的腐蚀因素进行了分析。以正硅酸乙酯(TEOS)作无机前驱体，硅烷偶联剂KH570为改性剂，采用溶胶-凝胶法制备了TEOS-KH570有机-无机复合涂层。探讨了该有机-无机复合涂层的防腐性能以及在钢轨防护上的应用前景。
　　 首先，通过对钢轨样品进行腐蚀速率的计算、硬度的检测、腐蚀产物物相分析和微观形貌观察等实验检测，结合钢铁在大气中的腐蚀规律和服役钢轨工段的大气数据，探讨了钢轨的腐蚀机理。研究结果表明:伴随着机械损伤产生的局部腐蚀是钢轨腐蚀的主要形式，潮湿的空气、降雨、大气污染、温差和杂散电流等环境影响因素以及钢轨的机械损伤的综合作用使钢轨发生腐蚀并加快钢轨腐蚀速率。
　　 其次，采用盐雾实验、极化曲线分析、傅里叶红外光谱分析、能谱分析以及扫描电镜(SEM)，对制备的复合涂层进行抗腐蚀性能宏观表征、电化学性能表征、化学成分和结构表征以及显微形貌表征。实验结果表明:1）覆有复合涂层的金属基板极化电流与裸金属基板相比显著下降（降低1～2个数量级);复合涂层增强了金属基体的抗腐蚀能力。2）在酸性环境下制各的复合涂层具有防腐蚀性能，当pH值为3～4时，涂层结构致密，防腐性优异。3）当无机前驱体与有机改性剂的摩尔比值(TEOS∶KH570)从1～4变化时，在4∶1时，防腐性能最好。4）涂层的抗腐蚀能力随加水量增加有降低的趋势。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 金属腐蚀概述

1．1．1 定义

1．1．2 腐蚀条件和影响因素

1．2 钢轨标准

1．2．1 牌号与化学成分

1．2．2 力学性能

1．2．3 尺寸标准

1．2．4 钢轨生产工艺

1．3 有机无机复合涂层

1．3．1 有机-无机复合材料的分类

1．3．2 金属基的有机-无机复合涂层体系

1．3．3 有机-无机复合材料制备方法

1．3．4 溶胶-凝胶法

1．4 钢轨腐蚀研究进展

1．4．1 国外研究动态

1．4．2 国内研究动态

1．5 本课题研究意义和内容

1．5．1 研究背景和意义

1．6．2 研究内容

第二章 钢轨腐蚀机理分析

2．1 广铁管内基面腐蚀情况

2．1．1 钢轨机械疲劳损伤与腐蚀实地考察

2．1．2 退役下线钢轨(腐蚀)伤损程度

2．2 钢轨性能分析

2．2．1 退役钢轨力学性能检测

2．2．2 钢轨腐蚀产物物相分析与形貌观察

2．3 钢轨的大气腐蚀理论

2．3．1 钢轨大气腐蚀因素(与水文、气候和土壤之间的关系)

2．3．2 钢轨的腐蚀种类

2．4 钢轨伤损机理分析

2．4．1 化学成分

2．4．2 使用环境

2．4．3 杂散电流的影响(杂散电流与基面腐蚀关系)

2．5 本章结果与讨论

2．5．1 讨论

2．5．2 结论

第三章 钢轨防护技术研究展望-复合涂层在钢轨表面防护上的应用

3．1 实验原材料与仪器

3．2 有机-无机复合涂层的制备

3．2．1 KH570改性SiO2溶胶的制备

3．2．2 金属基板预处理

3．2．3 复合防腐薄膜施涂及热处理

3．3 涂层性能检测与结构表征

3．3．1 盐雾试验

3．3．2 极化曲线分析

3．3．3 傅利叶红外光谱分析(FTIR)

3．3．4 能谱分析(EDS)

3．3．5 扫描电镜(SEM)

3．4 结果与分析讨论

3．4．1 抗腐蚀性能宏观表征

3．4．3 电化学性能表征

3．4．4 化学成分和结构表征

3．4．5 显微形貌表征

第四章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果