一種表面含Ni-P-植酸非晶鍍層的耐腐蝕鋼芯鋁絞線的製備方法
2023-06-03 13:25:46 1
一種表面含Ni-P-植酸非晶鍍層的耐腐蝕鋼芯鋁絞線的製備方法
【專利摘要】本發明提供了一種極端環境下使用的耐腐蝕防覆冰表面含Ni-P-植酸非晶鍍層的鋼芯鋁絞線，該鋼芯鋁絞線的鋼芯和鋁股線均經過化學鍍含Ni-P-植酸非晶鍍層，表面緻密的非晶耐蝕保護層具有很好的抗疲勞性能，表面光潔，自潔能力強，製造工藝技術簡單。本發明解決了鋼芯鋁絞線表面不能長期有效的耐腐蝕問題，解決了架空鋁絞線在沿海潮溼和冷雨等極端氣候條件下的因小孔腐蝕、潮的大氣腐蝕、應力腐蝕和電偶腐蝕而導致的鋼芯鋁絞線力學性能下降的問題。該鋼芯鋁絞線的鋼芯和鋁股線均經過化學鍍含Ni-P-植酸非晶鍍層，表面緻密的非晶耐蝕保護層具有很好的抗疲勞性能，表面光潔，自潔能力強，製造工藝技術簡單。
【專利說明】一種表面含Ni-P-植酸非晶鍍層的耐腐蝕鋼芯鋁絞線的制 備
【技術領域】
[0001] 本發明具體涉及一種表面含Ni-P-植酸非晶鍍層的耐腐蝕鋼芯鋁絞線的製備。
【背景技術】
[0002] 鋼芯鋁絞線是由芯部的鍍鋅鋼絲或鍍鋁鋼絲鉸接成的鋼芯，外面由一層或幾層鉸 接的鋁絞線組成。鋁絞線使用的鋁純度很高，根據國標GB1179-83,鋁股線中含矽不大於 0. 13%、鐵不大於0. 16%、矽加鐵不大於0. 26%、鈦釩錳鉻之和不大於0. 01%，表面會形成一層 緻密的鈍化膜，並且與鋁基體結合非常牢固，正因為這層天然的氧化膜，使得鋁及其合金在 常規的環境中性能穩定，不容易被腐蝕，能作為高壓輸電線路的主要導體材料。鋼芯鋁絞線 一方面在風、冰凍以及其他惡劣環境因素影響下的擺晃而產生微動磨損和微動疲勞；另一 方面經受大氣中水分、化學氣體、塵埃和鹽類物質等侵蝕性介質的作用影響，發生腐蝕，從 沿海工業區、工業區、沿海地區和農村地區依次排列，腐蝕逐步減輕。微動和腐蝕往往會產 生疊加效應(微動腐蝕)，加劇導線的損傷造成斷線、斷股等輸電事故。腐蝕破壞是鋼芯鋁絞 線的主要破壞形式之一。導線的腐蝕形態有化學腐蝕和電化學腐蝕，並以電化學腐蝕為主， 而且主要是外層腐蝕。當空氣溼度較大時，導線表面水分會凝聚成水膜，大氣的o 2、co2及其 它氣體如H2S、NH2、S0 2、N02、C12、HC1等和鹽類物質溶解於水膜中，形成電解液薄層。電解液 薄層與金屬氧化膜發生反應而產生孔蝕。在導線內部鋁股與鍍鋅鋼芯接觸層，由於金屬電 極電位差異，也會產生接觸腐蝕。鋁股受腐蝕後表面會產生白色粉末，並布滿麻點，鋁股與 鋼芯接觸層也會產生白色粉末狀物，同時導線明顯變脆，抗拉強度明顯降低，嚴重時會造成 斷股、斷線，大大地縮短了導線的使用壽命。特別在沿海一帶，壽命特別低。如福建省某海 島上一 35KV鋼芯鋁絞線僅使用5年就出現斷線斷股，相對於鋼芯鋁絞線30-40年的使用壽 命來說，壽命低很多。這可能與海島上潮溼的海洋大氣和常年4級以上的風以及夏秋季的 多颱風有關，導致潮的大氣腐蝕、小孔腐蝕和應力腐蝕。值得一提的是，從失效導線每層的 腐蝕情況看，內層鋁股線的腐蝕比外層鋁股線的腐蝕更為嚴重，這可能還與表層鋁股線的 縫隙有關，使腐蝕介質通過表層進入內層表面，內層表面的腐蝕產物無法從縫隙排出，產生 更大的應力集中，腐蝕更嚴重。因此對於鋼芯鋁絞線，必須在表面產生一層耐風動的結合力 良好的耐蝕層，減少腐蝕介質侵入內層鋁股線。隨著目前極端氣候條件的增多，對鋼芯鋁絞 線提出了更高的要求。
[0003] 化學鍍是一種在無外加電流的狀態下，利用鍍液中的還原劑在活化工件表面上自 催化還原沉積，從而得到鍍層的方法。Ni-P化學鍍是以次磷酸鹽為還原劑將鍍液中的鎳離 子還原成金屬鎳，沉積到零件表面上，直至達到所需要的厚度，將零件取出，反應就會停止。 化學鍍鎳的同時，磷酸鹽本身也會被還原，共同沉積到金屬零件的表面上，所得鍍層為鎳磷 二元合金。通過調整P的含量，就可以獲得不同物相的Ni-P鍍層。一般對於二元Ni_P，P 含量超過8%就可以獲得非晶鍍層。化學鍍操作方便、工藝簡單，化學鍍鎳可以使鋁及鋁合 金的耐蝕性和耐磨性有較大程度地提高，並且不受形狀的限制，是鋁及鋁合金、鋼製品表面 處理方法中成本較低且最有前景的工藝方法。
[0004] 化學鍍Ni-P非晶塗層的方式很多，配方也很多，既有二元的Ni-P，也可以增加Co， W，Al，SiC甚至PTFE等改善其耐蝕性和機械性能。以鋼為基體的Ni-P鍍技術已較成熟，並 且取得廣泛應用[李寧，袁國偉，黎德育.化學鍍鎳基合金理論與技術.哈爾濱：哈爾濱 工業大學出版社，2000]。但用於鋼芯鋁絞線的鋼芯上卻無報導。
[0005] 20世紀70年代末，鋁及其合金化學鍍鎳在技術上己經有了突破，並且取得了廣泛 應用。在該技術中，最重要的是有了比較可靠的、重複性好的前處理技術。到目前為止二次 浸鋅工藝（又稱鋅酸鹽處理）仍被認為適用於大多數鋁及鋁合金的最可靠技術。但鋁表面 緻密的氧化膜上不能獲得結合良好的金屬鍍層。為了能夠得到結合性良好的金屬鍍層，必 須先除掉這層氧化膜，並保證在金屬鍍層鍍上之前不重新生成。這是鋁及其合金前處理的 關鍵。目前成熟可靠的鋁及鋁合金前處理工藝為二次浸鋅工藝，其化學鍍鎳磷合金的工藝 流程為：預鍍件一除油一水洗一鹼洗一水洗一酸洗一水洗一浸鋅一水洗一退鋅一水洗一 二次浸鋅一水洗一鹼性化學預鍍鎳一水洗一酸性化學鍍鎳。鋼芯鋁絞線表面進行化學鍍的 理論和應用研究也未見報導。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種表面含Ni-P-植酸非晶鍍層的 耐腐蝕鋼芯鋁絞線的製備。該鍍層不僅耐蝕耐候性能優異，而且保持鋼芯鋁絞線的力學性 能和電學性能不變。具有非晶鍍層的鋼芯鋁絞線在強振動後能保持良好的耐蝕性，表面鋁 絞線不出現縫隙，特別適合於沿海潮溼、冷雨等極端大氣下使用。
[0007] 為實現上述目的，本發明採用如下技術方案： 一種表面含Ni-P-植酸非晶鍍層的耐腐蝕鋼芯鋁絞線的製備，先將鋼芯表面進行化學 鍍處理後，鉸接鋁絞線；然後鋼芯鋁絞線表面再經化學鍍處理後，製得表面含Ni-P-植酸非 晶鍍層的耐腐蝕鋼芯鋁絞線。
[0008] 所述的表面含Ni-P-植酸非晶鍍層的耐腐蝕鋼芯鋁絞線的製備，具體製備工藝 為：鋼芯先經除油、水洗烘乾、噴砂或噴丸、化學鍍、水洗烘乾後，鉸接鋁絞線；然後鋼芯鋁 絞線經除油、水洗烘乾、噴砂或噴丸、化學鍍、水洗烘乾後製得表面含Ni-P-植酸非晶鍍層 的耐腐蝕鋼芯鋁絞線。
[0009] 所述的化學鍍為塗鍍含有Ni-P-植酸的非晶塗層或塗鍍含有Ni-P-植酸-PTFE 的非晶塗層。
[0010] 含有Ni-P-植酸的非晶塗層的塗鍍方法為：在溫度8(T90°C，pH為4. 5?5. 0的條 件下，浸漬於植酸複合鍍液中，施鍍2~4h，塗層厚度為10-30 μ m。
[0011] 所述的植酸複合鍍液其組成為：硫酸鎳30g/L，次亞磷酸鈉36g/L，植酸l(T25g/L， 朽 1檬酸15g/L，乳酸25ml/L，氟化鈉lg/L，丁二酸5g/L，丙酸5ml/L。
[0012] 含有Ni-P-植酸-PTFE的非晶塗層的塗鍍方法為：在溫度8(T90°C，pH為4. 5?5. 0 的條件下，浸漬於植酸-PTFE複合鍍液中，施鍍2?4h，塗層厚度為10-30 μ m。
[0013] 所述的植酸-PTFE複合鍍液其組成為：硫酸鎳25g/L，次亞磷酸鈉25g/L，植酸 l(T25g/L，檸檬酸15g/L，乳酸25ml/L，碘酸鉀0· 05mg/L，二烷基苯磺酸鈉0· 05mg/L，PTFE粒 子5?8g/L〇
[0014] 化學複合鍍Ni-P-PTFE (聚四氟乙烯）是將PTFE顆粒分散於Ni-p鍍層中。由於 PTFE微粒的化學穩定性好，摩擦係數極低(僅為0. 05)，表面能也低且具有不粘性等特點， 因而Ni-P-PTFE鍍層在機械、紡織、化工等許多工業部門得到廣泛應用。複合鍍液中添加陽 離子型表面活性劑可使PTFE粒子帶正電荷，在靜電吸附下能使更多的PTFE粒子沉積在金 屬表面，則鍍層中複合粒子含量會增加。採用FC4和非離子FC10表面活性劑混合可獲得粒 子分布均勻而且含量較高的複合鍍層。
[0015] 本發明的有益效果在於： 本發明關鍵技術，是在經噴砂或噴丸處理的鋼芯和鋼芯鋁絞線表面採用化學鍍技術增 加含Ni-P-植酸非晶塗層，所製備的鋁絞線可以達到很好的耐蝕效果，整個操作過程簡單。
[0016] 本發明解決了鋼芯鋁絞線表面不能長期有效的耐腐蝕問題，解決了架空鋁絞線在 沿海潮溼和冷雨等極端氣候條件下的因小孔腐蝕、潮的大氣腐蝕、應力腐蝕和電偶腐蝕而 導致的鋼芯鋁絞線力學性能下降的問題。該鋼芯鋁絞線的鋼芯和鋁股線均經過化學鍍含 Ni-P-植酸非晶鍍層，表面緻密的非晶耐蝕保護層具有很好的抗疲勞性能，表面光潔，自潔 能力強，製造工藝技術簡單。
【具體實施方式】
[0017] 本發明用下列實施例來進一步說明本發明，但本發明的保護範圍並不限於下列實 施例。
[0018] 實施例1 (1) 7股直徑為2mm的鍍鋅鋼線絞制而成的鋼芯，經沸騰的質量分數為10%的NaOH溶 液處理5分鐘去油，水洗烘乾； (2) 用石英砂對其表面進行噴砂處理，主要目的是除鏽，並增加鋼絲的抗疲勞性能； (3) 化學鍍含有Ni-P-植酸的非晶塗層：硫酸鎳30g/L，次亞磷酸鈉36g/L，植酸10g/L， 檸檬酸15g/L，乳酸25ml/L，氟化鈉lg/L，丁二酸5g/L，丙酸5ml/L ;在溫度為80°C，pH控制 在5,施鍍2h，塗層厚度為10 μ m ; (4) 水洗，烘乾； (5) 鋼芯鋁絞線由直徑為2. 4mm，外層16股、內層10股鉸接在上述Ni-P非晶鍍層的鋼 芯上；經沸騰的質量分數為10%的NaOH溶液處理5分鐘去油和去除表面的緻密氧化物，水 洗烘乾； (6) 用石英砂對其表面進行噴砂處理，主要目的是去除表面氧化物，增加鋁的抗疲勞性 能； (7) 化學鍍含有Ni-P-植酸的非晶塗層：硫酸鎳30g/L，次亞磷酸鈉36g/L，植酸18g/L， 檸檬酸15g/L，乳酸25ml/L，氟化鈉lg/L，丁二酸5g/L，丙酸5ml/L ;在溫度為85°C，pH控制 在5,施鍍4h ; (8) 水洗，烘乾，備用。
[0019] 檢測： 將鋼芯和鋁絞線表面均經化學鍍Ni-P-植酸非晶鍍層的鋼芯鋁絞線和市售同規格的 鋼芯鋁絞線分別模擬沿海工業區（3%的NaCl+3% NaHS03)、工業區（3% NaHS03)、沿海地區 (3%的NaCl溶液）和農村地區（H20)等氣候條件進行浸漬腐蝕，對塗層的表面進行顯微分 析。浸泡時間72h，前者未出現任何變化，市售同規格的鋼芯鋁絞線在沿海工業區（3%的 NaCl+3% NaHS03)、工業區（3% NaHS03)中，冒出大量的氣泡，腐蝕非常嚴重，鋼絲、鋁股線的 尺寸減小，在沿海地區（3%的NaCl溶液）也出現較大的腐蝕，表面出現了一些腐蝕小孔，這 可能與鋁表面鈍化膜可能破壞有關。即便在農村地區（H 20)中，腐蝕也會發生，失去了金屬 鋁的光澤。拆開鋼芯鋁絞線，內層鋼芯也經受腐蝕，鏽跡斑斑。
[0020] 當浸泡時間達到168h (7天）後，鋼芯和鋁絞線表面均經化學鍍Ni-p非晶鍍層的 鋼芯鋁絞線在沿海工業區（3%的NaCl+3% NaHS03)、工業區（3% NaHS03)中，開始出現氣泡， 隨著時間的延長，氣泡越來越多。12小時後，活化層被氣泡衝刷，開始脫落，形成較大的孔 洞。拆開導線，內部沒有潮溼，鋼芯完好。導線斷股都是因為鋼芯被腐蝕導致力學性能下降 造成的。鋼芯完好表明該導線的耐腐蝕性能很強。
[0021] 鹽水噴霧試驗條件：NaCl溶液（濃度50±5 g / L)，溫度為35±2°C，pH為3. 1? 3. 3,採用間歇操作，間隔時間為8 h，試驗時間為32 h。具有鋼芯和鋁絞線表面均經化學鍍 Ni-P-植酸非晶鍍層的鋼芯鋁絞線表面未出現任何表面變化，而市售同規格的鋼芯鋁絞線 的表面出現大量白色腐蝕產物，把後者拆開，鋁絞線和鋼芯都遭受嚴重腐蝕。繼續進行鹽霧 實驗112h，也就是經過了 144h的鹽霧實驗，具有鋼芯和鋁絞線表面均經化學鍍Ni-P-植酸 非晶鍍層的鋼芯鋁絞線表面開始出現腐蝕小孔。值得注意的是，儘管經歷了 144h的鹽霧實 驗，除了有小孔外，鋼芯和鋁絞線表面均經化學鍍Ni-P-植酸非晶鍍層的鋼芯鋁絞線表面 沒有附著鹽和水，表面仍然很乾淨。
[0022] 實施例2 (1) 7股直徑為2mm的鍍鋅鋼線絞制而成的鋼芯，經沸騰的質量分數為10%的NaOH溶 液處理5分鐘去油，水洗烘乾； (2) 用石英砂對其表面進行噴砂處理，主要目的是除鏽，並增加鋼絲的抗疲勞性能； (3) 化學鍍含有Ni-P-植酸-PTFE的非晶塗層：硫酸鎳25g/L，次亞磷酸鈉25g/L，植酸 25g/L，檸檬酸15g/L，乳酸25ml/L，碘酸鉀0· 05mg/L，二烷基苯磺酸鈉0· 05mg/L，PTFE粒子 8g/L，溫度85°C，pH控制在4. 5左右，攪拌施鍍4h，塗層厚度為30 μ m ; (4) 水洗，烘乾； (5) 鋼芯鋁絞線由26股直徑為2. 4mm的鋁股線和上述含Ni-P-PTFE的非晶塗層的鍍鋅 鋼線絞制而成；鋁線分2層纏繞，外層16股、內層10股線，經沸騰的質量分數為10%的NaOH 溶液處理5分鐘去油和去除表面的緻密氧化物，水洗烘乾； (6) 用石英砂對其表面進行噴砂處理，主要目的是去除表面氧化物，並增加鋁的抗疲勞 性能； (7) 化學鍍Ni-P-植酸-PTFE的非晶塗層：硫酸鎳25g/L，次亞磷酸鈉25g/L，檸檬酸 15g/L，植酸10g/L，乳酸25ml/L，碘酸鉀0· 05mg/L，二烷基苯磺酸鈉0· 05mg/L，PTFE粒子 5g/L，溫度90°C，pH控制在5. 0左右，攪拌施鍍4h ; (8) 水洗，烘乾，備用。
[0023] 檢測： 將鋼芯和鋁絞線表面均經化學鍍Ni-P-植酸-PTFE非晶鍍層的鋼芯鋁絞線和市售同 規格的鋼芯鋁絞線分別模擬沿海工業區（3%的NaCl+3% NaHS03)、工業區（3% NaHS03)、沿海 地區（3%的NaCl溶液）和農村地區（H20)等氣候條件進行浸漬腐蝕，對塗層的表面進行顯 微分析。浸泡時間72h，前者表面未出現任何變化，市售同規格的鋼芯鋁絞線在沿海工業區 (3%的NaCl+3% NaHS03)、工業區（3% NaHS03)中的腐蝕非常嚴重，尺寸減小明顯，在沿海地 區（3%的NaCl溶液）也出現腐蝕，在農村地區（H 20)腐蝕較輕些，表面出現白色粉末。當浸 泡時間達到240h後，表面化學鍍Ni-P-植酸PTFE非晶鍍層的鋼芯鋁絞線在沿海工業區（3% 的NaCl+3% NaHS03)、工業區（3% NaHS03)中，開始出現氣泡，隨著時間的延長，氣泡越來越 多。6h後取出，Ni-P-植酸-PTFE非晶鍍層有裂紋出現，部分裂紋處可見鋁。拆開鋼芯鋁絞 線，鋼芯鋁絞線內部很少區域潮溼，遭受介質腐蝕，鋼芯仍然完好，沒有任何腐蝕跡象。說明 儘管腐蝕液通過縫隙進入鋁股線內部，但進入內部的腐蝕液少，而且不會對鋼芯造成腐蝕。
[0024] 鹽水噴霧試驗條件：NaCl溶液（濃度50±5 g / L)，溫度為35±2°C，pH為 3.1?3. 3,採用間歇操作，間隔時間為8 h，試驗時間為32h。鋼芯和鋁絞線表面均經化學 鍍Ni-P-植酸-PTFE非晶鍍層的鋼芯鋁絞線未出現任何表面變化，而市售同規格的鋼芯鋁 絞線的表面出現大量白色腐蝕產物，把後者拆開，內部的鋁絞線和鋼芯都遭受腐蝕。繼續噴 霧實驗觀察32h，前者表面仍保持光亮狀態，而後者表面全部是腐蝕產物，超聲振蕩清洗後， 後者已完全失去鉸接，呈完全分散狀態。
[0025] 鋼芯和鋁絞線表面均經化學鍍Ni-P-PTFE非晶鍍層的鋼芯鋁絞線出現腐蝕小孔 的時間大概經過總噴霧實驗時間課長達240h。此時表面出現一些腐蝕小孔，因為鹽和水在 其表面基本不粘附，大大延長了其使用壽命。
[0026] 對鋼芯和鋁絞線表面均經化學鍍Ni-P-植酸-PTFE非晶鍍層的鋼芯鋁絞線和市售 同規格的鋼芯鋁絞線進行振動，然後繼續進行鹽霧實驗，前者的鏽蝕點在196h時出現，此 時鍍層與基體有些分離，而後者出現鏽蝕點的時間很短，8h鹽霧後就出現了，而且後者拆開 後，發現內部也鏽蝕了。
[0027] 以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與 修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
【權利要求】
1. 一種表面含Ni-p-植酸非晶鍍層的耐腐蝕鋼芯鋁絞線的製備，其特徵在於：先將鋼 芯表面進行化學鍍處理後，鉸接鋁絞線；然後鋼芯鋁絞線表面再經化學鍍處理後，製得表面 含Ni-P-植酸非晶鍍層的耐腐蝕鋼芯鋁絞線。
2. 根據權利要求1所述的表面含Ni-P-植酸非晶鍍層的耐腐蝕鋼芯鋁絞線的製備，其 特徵在於：具體製備工藝為：鋼芯先經除油、水洗烘乾、噴砂或噴丸、化學鍍、水洗烘乾後， 鉸接鋁絞線；然後鋼芯鋁絞線經除油、水洗烘乾、噴砂或噴丸、化學鍍、水洗烘乾後製得表面 含Ni-P-植酸非晶鍍層的耐腐蝕鋼芯鋁絞線。
3. 根據權利要求1所述的表面含Ni-P-植酸非晶鍍層的耐腐蝕鋼芯鋁絞線的製備， 其特徵在於：所述的化學鍍為塗鍍含有N i -P --植酸的非晶塗層或塗鍍含有N i -P --植 酸-PTFE的非晶塗層。
4. 根據權利要求3所述的表面含Ni-P-植酸非晶鍍層的耐腐蝕鋼芯鋁絞線的製備，其 特徵在於：含有Ni-P-植酸的非晶塗層的塗鍍方法為：在溫度8(T90°C，pH為4. 5~5. 0的 條件下，浸漬於植酸複合鍍液中，施鍍2~4h，塗層厚度為10-30 μ m。
5. 根據權利要求4所述的表面含Ni-P-植酸非晶鍍層的耐腐蝕鋼芯鋁絞線的製備，其 特徵在於：所述的植酸複合鍍液其組成為：硫酸鎳30g/L，次亞磷酸鈉36g/L，植酸l(T25g/ L，檸檬酸15g/L，乳酸25ml/L，氟化鈉lg/L，丁二酸5g/L，丙酸5ml/L。
6. 根據權利要求3所述的表面含Ni-P-植酸非晶鍍層的耐腐蝕鋼芯鋁絞線的製備， 其特徵在於：含有Ni-P-植酸-PTFE的非晶塗層的塗鍍方法為：在溫度8(T90°C，pH為 4. 5?5. 0的條件下，浸漬於植酸-PTFE複合鍍液中，施鍍2?4h，塗層厚度為10-30 μ m。
7. 根據權利要求6所述的表面含Ni-P-植酸非晶鍍層的耐腐蝕鋼芯鋁絞線的製備， 其特徵在於：所述的植酸-PTFE複合鍍液其組成為：硫酸鎳25g/L，次亞磷酸鈉25g/L，植酸 l(T25g/L，檸檬酸15g/L，乳酸25ml/L，碘酸鉀0· 05mg/L，二烷基苯磺酸鈉0· 05mg/L，PTFE粒 子5?8g/L〇
【文檔編號】C23C18/36GK104157374SQ201410399048
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月14日 優先權日:2014年8月14日
【發明者】邵豔群, 伊昭宇, 楊九霄, 賀衝, 林德源, 陳雲翔 申請人:福州大學