一種具有良好抗疲勞性能的鋼芯鋁絞線的製作方法

2023-05-06 08:52:46

一種具有良好抗疲勞性能的鋼芯鋁絞線的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種具有良好抗疲勞性能的表面含Ni-P非晶塗層的高耐蝕鋼芯鋁絞線及其製備方法，該鋼芯鋁絞線的鋼芯和鋁線均經過化學鍍含Ni-P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，並且與鋁和鍍鋅鋼都有很好的結合能力，耐大氣腐蝕能力強，無需考慮老化問題，振動不會導致Ni-P鍍層出現裂紋，該製造工藝技術簡單，有利於推廣應用。
【專利說明】一種具有良好抗疲勞性能的鋼芯鋁絞線

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種具有良好抗疲勞性能的表面含Ni-P非晶塗層的高耐蝕鋼芯鋁絞 線及其製備方法。

【背景技術】
[0002] 鋼芯鋁絞線是由心部的鍍鋅鋼絲或鍍鋅鋼絲鉸接成的鋼芯，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GB1179-2008,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，就是因為這層天然的氧化膜，使鋁及其合金在 常規的環境中性能穩定，不容易腐蝕，是高壓輸電線路的主要導體材料。鋼芯鋁絞線一方面 經受風、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 經受大氣中受水分、化學氣體、塵埃和鹽類物質等侵蝕性介質的作用發生腐蝕，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。兩者往往產生疊加效應(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，大氣的〇 2、C02及其它氣體如H2S、 nh2、so2、no2、ci2、hci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，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。
[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。但用於鋼芯鋁絞線上卻無相關報導。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。
[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。鋼芯鋁絞線表面不經過二次浸 鋅進行化學鍍的理論和應用研究也未見報導。


【發明內容】

[0006] 本發明的目的在於提供一種具有良好抗疲勞性能的表面含Ni-P非晶塗層的高耐 蝕鋼芯鋁絞線及其製備方法，該鋼芯鋁絞線的鋼芯和鋁線均經過化學鍍含Ni-P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，並且與鋁和鍍鋅鋼都有很好的結合能 力，耐大氣腐蝕能力強，無需考慮老化問題，振動不會導致Ni-P鍍層出現裂紋，該製造工藝 技術簡單，有利於推廣應用。
[0007] 為實現上述目的，本發明採用如下技術方案： 一種具有良好抗疲勞性能的表面含Ni-P非晶塗層的高耐蝕鋼芯鋁絞線的鋼芯和鋁線 均經過化學鍍處理，表面含Ni-P非晶塗層。所述的Ni-P非晶塗層的厚度〈2 μ m。
[0008] 製備方法包括以下步驟：鋼芯除油、噴砂或噴丸、化學鍍含Ni-P非晶塗層、絞接鋁 線、除油、噴砂或噴丸、化學鍍含Ni-P非晶塗層。
[0009] 具體步驟如下： (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除鏽處理； (3) 化學鍍含有Ni-P的非晶塗層或含有Ni-P-PTFE的非晶塗層； (4) 水洗，烘乾； (5) 26股直徑為2. 4mm的鋁線分2層纏繞在表面鍍有Ni-P非晶塗層的鋼芯上，外層16 股、內層10股，經沸騰的質量分數為10%的NaOH溶液處理5分鐘，水洗、烘乾； (6) 用石英砂對其表面進行噴砂除氧化物處理； (7) 化學鍍含有Ni-P的非晶塗層或含有Ni-P-PTFE的非晶塗層； (8)水洗，烘乾。
[0010] 含有Ni-P的非晶塗層的鍍液配方：硫酸鎳30g/L、次亞磷酸鈉36g/L、檸檬酸15g/ L、乳酸25ml/L、氟化鈉 lg/L、丁二酸5g/L、丙酸5ml/L ;化學鍍溫度為8(T90°C，pH=5,施鍍 時間為2h。
[0011] 含有Ni-P-PTFE的非晶塗層的鍍液配方：硫酸鎳25g/L、次亞磷酸鈉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5?8g/L ;化學 鍍溫度為8(T90°C，pH=4. 5?5. 0,施鍍時間為2h。
[0012] 本發明的顯著優點在於：在鋼芯和鋼芯鋁絞線表面形成含Ni-ρ的非晶鍍層，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。特別適合於沿海潮的 大氣下使用。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 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。

【具體實施方式】
[0013] 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的非晶塗層。最常用：硫酸鎳（30g/L)、次亞磷酸鈉（36g/L)、檸檬 酸（15g/L)、乳酸（25ml/L)、氟化鈉（1 g/L)、丁二酸（5g/L)、丙酸（5ml/L)，溫度 8(T90°C，pH 控制在5,施鍍2h。
[0014] 4、水洗，烘乾。
[0015] 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的非晶塗層。最常用：硫酸鎳（30g/L)、次亞磷酸鈉（36g/L)、檸檬 酸（15g/L)、乳酸（25ml/L)、氟化鈉（1 g/L)、丁二酸（5g/L)、丙酸（5ml/L)，溫度 8(T90°C，pH 控制在5,施鍍2h。
[0016] 8、7K洗，烘乾，備用。
[0017] 檢測：將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120h後，表面化學鍍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。12h後取 出，Ni-P非晶鍍層有裂紋出現，部分裂紋處可見鋁。拆開鋼芯鋁絞線，整個鋼芯鋁絞線都是 潮溼的，說明腐蝕液已通過裂紋進入了內部，失去了 Ni-P非晶鍍層的保護能力。
[0018] 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 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。
[0019] 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出現腐蝕小孔的時間 大概經過總噴霧實驗時間為96h。
[0020] 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-PTFE的非晶塗層。最常用：硫酸鎳（25g/L)、次亞磷酸鈉（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（5?8g/L)，溫度8(T90°C，pH控制在4. 5?5. 0,攪拌施鍍2h。
[0021] 4、水洗，烘乾。
[0022] 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-PTFE的非晶塗層。硫酸鎳（25g/L)、次亞磷酸鈉（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（5?8g/L)， 溫度8(T90°C，pH控制在4. 5?5. 0,攪拌施鍍2h。
[0023] 8、7K洗，烘乾，備用。
[0024] 檢測：將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144h後，表面化學鍍Ni-P-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-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，整個鋼 芯鋁絞線都是潮溼的，說明腐蝕液已通過裂紋進入了內部，失去了 Ni-P非晶鍍層的保護能 力。
[0025] 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
【權利要求】
1. 一種具有良好抗疲勞性能的表面含Ni-p非晶塗層的高耐蝕鋼芯鋁絞線，其特徵在 於：所述的鋼芯鋁絞線的鋼芯和鋁股線均經過化學鍍處理，表面含Ni-P非晶塗層。
2. 根據權利要求1所述的具有良好抗疲勞性能的表面含Ni-P非晶塗層的高耐蝕鋼芯 鋁絞線，其特徵在於：所述的Ni-P非晶塗層的厚度〈2 μ m。
3. -種製備如權利要求1所述的具有良好抗疲勞性能的表面含Ni-P非晶塗層的高耐 蝕鋼芯鋁絞線的方法，其特徵在於：包括以下步驟：鋼芯除油、噴砂或噴丸、化學鍍含Ni-P 非晶塗層、絞接鋁股線、除油、噴砂或噴丸、化學鍍含Ni-P非晶塗層。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於：具體步驟如下： (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除鏽處理； (3) 化學鍍含有Ni-P的非晶塗層或含有Ni-P-PTFE的非晶塗層； (4) 水洗，烘乾； (5) 26股直徑為2. 4mm的鋁股線分2層纏繞在表面鍍有Ni-P非晶塗層的鋼芯上，外層 16股、內層10股，經沸騰的質量分數為10%的NaOH溶液處理5分鐘，水洗、烘乾； (6) 用石英砂對其表面進行噴砂除氧化物處理； (7) 化學鍍含有Ni-P的非晶塗層或含有Ni-P-PTFE的非晶塗層； (8) 水洗，烘乾。
5. 根據權利要求4所述的方法，其特徵在於：含有Ni-P的非晶塗層的鍍液配方：硫酸 鎳30g/L、次亞磷酸鈉36g/L、檸檬酸15g/L、乳酸25ml/L、氟化鈉 lg/L、丁二酸5g/L、丙酸 5ml/L ;化學鍍溫度為8(T90°C，pH=5,施鍍時間為2h。
6. 根據權利要求4所述的方法，其特徵在於：含有Ni-P-PTFE的非晶塗層的鍍液配方： 硫酸鎳25g/L、次亞磷酸鈉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5?8g/L ;化學鍍溫度為8(T90°C，ρΗ=4· 5?5. 0,施鍍時間為2h。
【文檔編號】H01B13/22GK104123988SQ201410398969
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年8月14日 優先權日:2014年8月14日
【發明者】林德源, 陳雲翔, 莊建煌, 邵豔群, 張文, 洪毅成, 江祖瑄 申請人:國家電網公司, 國網福建省電力有限公司, 國網福建省電力有限公司電力科學研究院