高铁接触网铝合金零件的微弧氧化技术

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摘 要：对微弧氧化技术应用于高铁接触网铝合金零件的可行性进行分析研究。基于微弧氧化技术特点，以棘轮为例，在合适的电压（550 V～630 V）、氧化时间（35 min）等试验条件下开展研究。分析表明：最优陶瓷膜层厚度为20 µm左右，加工后的膜层厚度达标。微弧氧化技术将势必更好地应用于高铁接触网的铝合金零件上，保障高铁安全可靠运营。

关键词：微弧氧化；高铁接触网；陶瓷层；铝合金

中图分类号：TG174.41 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2017） 05-065-03工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.05.016

引言

我国电气化铁路运营速度不断提高、运行距离越来越长，这就对接触网零部件的质量提出了更严格的要求。接触网的总体要求是强度高、重量轻、耐腐蚀、维修少、维护少等。对高速铁路而言，只有接触网有良好的质量，才可以满足使用要求。由于铝合金材料具有密度小、强度高、加工性能好、易于成型、抗大气腐蚀能力强以及价格低廉等优点，所以在电气化铁路接触网上得到了普遍的采用[1-9]。然而，在高铁线路日益延伸和增加的趋势下，以及在不同的地理环境及气候条件下，接触网的性能要求呈现出差异化，尤其是在沿海、盐碱、高海拔等地区。因此，必须开展试验和理论分析，对高铁接触网铝合金零部件的表面氧化技术进行更加精细的研究。

1 微弧氧化技术

微弧氧化技术是在传统的阳极氧化基础上发展起来的，最早的研究始于美国、俄罗斯和德国，国内从1996年起方有相关论文发表 。微弧氧化又称微等离子体氧化，利用弧光放电，增强并激活在阳极上发生的反应，从而在材料表面形成优质的膜层。通过专用的微弧氧化电源在工件上施加电压，使工件表面的金属与电解质溶液相互作用，在工件表面形成微弧放电。在高温、电场等因素的作用下，金属表面形成一层陶瓷膜，达到工件表面强化的目的。它是一种绿色环保的新兴表面处理工艺技术，主要用于对铝、镁、钛等轻金属及其合金的表面处理，它能有效地在基体材料表面上生长一层陶瓷膜，具有材料表面硬度高、耐磨性好、工艺可靠等特点。

近年来，该技术把镁铝合金置于电解液中，把阳极氧化工作区从法拉第区引入高压放电区，采用较高的能量密度，通过电化学、热化学及等离子体化学等特性的共同特点，作用在合金表面原位，形成陶瓷质氧化膜。具有以下特点：

（1）陶瓷膜耐磨、耐腐蚀性能好，电绝缘性能好，导热系数小，与基体结合度高；

（2）不会产生有害气体，是一种环保型表面处理技术。

因此，用微弧氧化技术进行高铁接触网的表面氧化处理具有合理性和实用性。

2 试验内容及方法

2.1 试验材料及过程

本试验采用高铁接触网铝镁合金材料的零件棘轮进行微弧氧化处理。过程如下：

首先，对棘轮零件进行微弧氧化前的清洗，去除表面的金属屑。超声波清洗，除去棘轮表面的油渍等。用纯净水漂洗，洗去棘轮表面沾附的溶液；

其次，微弧氧化，主要对棘轮进行表面氧化处理；漂洗喷淋，用自来水冲刷棘轮表面粘附的氧化溶液；

最后，對微弧氧化完成的棘轮进行烘干和表面封闭处理，使棘轮能够防水。

2.2 试验条件

（1）电压。电压对氧化膜层厚度有一定影响。若工作电压过低，则成膜的速度小、膜层比较薄、硬度也较低；若工作电压过高，不利于熔融态的氧化物凝固结晶，且易出现氧化膜局部击穿现象，对膜的耐腐蚀性不利，所以电压一般控制在550V～630V之间；

（2）电流密度。在一定的范围内，所有溶液中陶瓷层厚度随着电流密度的增大而增加，但也有一个极限，超过这个极限时，陶瓷层生长过程中极易出现烧损现象；

（3）氧化时间。氧化时间越长，氧化膜层先越厚，再趋于一定值。控制在35min为宜。

超声波清洗的溶液是用氢氧化钠或磷酸三钠按一定的比例配制的；微弧氧化溶液是用氢氧化钠、纯水、钨酸钠等化学物品来配制的，新溶液呈碱性。

3 试验结果与分析

3.1 膜层厚度优选

高铁接触网表面氧化后的陶瓷膜层厚度一般优选为20µm左右。如图1所示，此时陶瓷膜层腐蚀率很小，并且可以改变工艺参数，得到诸如致密性、抗腐蚀性、绝缘性等特性的氧化膜层，对高铁接触网零件的耐用寿命具有很大的提升作用。

3.2 工艺检测

如图2所示，微弧氧化在棘轮的表面形成一层致密的陶瓷膜层，表面颜色有明显的差异，可隔绝铝镁合金与外界的水、空气等因素，起到防止腐蚀的作用。这将增加高铁棘轮的寿命，减少更换次数，节约金属材质，减少资源浪费。由图3可知，微弧氧化加工形成的膜层厚度也在工艺达标（20µm以内）的范围。

4 结束语

微弧氧化技术在高铁接触网铝镁合金上的推广和普及极大促进了高铁事业的发展。首先，微弧氧化技术是一种新兴的氧化工艺，能在材料表面生成相对稳定的陶瓷层，具有良好的保护作用；其次，高铁表面材料经常会暴露在风吹日晒、腐蚀等恶劣天气中，而经过微弧氧化处理的高铁接触网材料，其耐用持久性增加，有利于节约金属资源、提高材料应用寿命；最后，微弧氧化后的接触网铝镁合金提高了高铁的安全性能，极大延长了高铁接触网的维护周期，对高铁运营具有重要保障作用。

参考文献

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Micro Arc Oxidation Technology for Aluminum Alloy Components Applied in High Speed Railway Catenary

LEI Shi-qiang， YAN Jun-fang， GAO Fei， QUAN Ji-long

（Baoji Bao De Li Electrification Equipment Co.， Ltd.， Baoji， Shaanxi， 721013， China）

Abstract： The feasibility of applying the micro arc oxidation technology into aluminum alloy components of high speed railway catenary is investigated. Based on the characteristics of micro arc oxidation technology， ratchet is taken as an example to carry out research under suitable experimental conditions including voltage （550 V～630 V） and oxidation time （35 min）. The analysis shows that the optimal thickness is 20 µm， and the film thickness meets the standard after the processing. Micro arc oxidation technology will trend to be better applied into the aluminum alloy components of high speed railway catenary， promoting the rapid development of highspeed railway.

Key words： Micro Arc Oxidation； High Speed Railway Catenary； Ceramic Layer； Aluminum Alloy

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