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CN105671468B - 一种用于重腐蚀环境的长寿命架空地线及其镀层 - Google Patents

一种用于重腐蚀环境的长寿命架空地线及其镀层 Download PDF

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CN105671468B CN201610040336.XA CN201610040336A CN105671468B CN 105671468 B CN105671468 B CN 105671468B CN 201610040336 A CN201610040336 A CN 201610040336A CN 105671468 B CN105671468 B CN 105671468B
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Abstract

本发明公开了一种用于重腐蚀环境的长寿命架空地线及其镀层,该镀层是由金属镀液制备得到,该金属镀液由以下重量百分数的各组分组成:铝25%‑65%、镁1%‑2.5%、含鈰稀土0.2%‑1.5%、钼0.1‑0.2%、钒0.05%‑0.1%、余量为锌。本发明针对架空地线耐腐蚀防护,提供具有高合金含量,达到锌铝镁合金镀层各项性能要求,实现架空地线表面制备高耐蚀、长寿命的防腐镀层。能广泛适用于重腐蚀环境环境(如沿海地区、酸雨地区、工业污染区等)的架空地线长寿命、免维护时间不小于15年的要求。

Description

一种用于重腐蚀环境的长寿命架空地线及其镀层
技术领域
本发明属于钢铁材料表面镀覆工艺技术领域,特别涉及用于重腐蚀环境的长寿命架空地线及其镀层。
背景技术
腐蚀是在钢铁材料和环境介质在相界面反应作用的结果,据估计全世界每年因腐蚀报废的钢铁约占年产量的30%,每年生产的钢铁约10%完全成为废物。
传统架空地线镀锌防护层受到自然环境恶化和输电线路电磁环境的影响,腐蚀速率日趋加快,大大缩短了其使用周期,在重腐蚀环境环境中(如沿海地区、酸雨地区、工业污染区等),一般5~8年后发生明显锈蚀,其使用寿命不足10年,不得不进行整体更换,大大增加了维护成本,降低了电网安全性。尤其是在强电场、雷击等电磁场环境中,电磁效应会加剧镀层的腐蚀。架空地线采用锌铝镁稀土防护镀层比纯锌防护镀层拥有更优异的耐蚀性能,成为目前研究热点。在工业化生产过程中,铝、镁、稀土与架空地线钢基体反应要求高,不仅会影响到防护层的表面质量,而且会造成防护层粘附性下降导致漏镀。因此需要研究在雷击、强电场等电磁场环境下架空地线新型的防腐蚀工艺。
Samuel R.Cross.等[Computational design and optimization ofmultilayered and functionally graded corrosion coatings.CorrosionScience.2013,77,297-307]研究了锌铝镁合金镀层耐腐蚀影响,指出Al、Mg、稀土元素对防护层表面影响和防护镀层整体的耐蚀性能提升。S.Schürz等[Chemistry of corrosionproducts on Zn-Al-Mg alloy coated steel.Corrosion Science.2010,52(10),3271-3279]制备的高Al、Mg配比锌铝镁镀层,具有优异的耐蚀性能,但同样存在成分偏析导致的镀层局部耐蚀性能差现象。中国专利《一种架空地线锌铝镁稀土防腐镀层及其制备方法》、申请号为201410789435.9公开了一种架空地线锌铝镁稀土防腐镀层,该防腐镀层是由(以质量分数计)铝25%-55%、镁3%-6%、含鈰稀土0.5%-2%、余量为锌,但是出现锈点时间仅为700h,成本高,使用寿命较短,不具备在极端恶劣条件下使用的要求。中国专利《一种输电线路架空地线热浸镀锌合金镀层及其制备工艺》、申请号为201410261130.0公开了一种输电线路架空地线热浸镀锌合金镀层,该镀层采用以下质量分数的原料制成:铝3~8%、镍0.01~3%、稀土0.02~3%,余量为锌。但是耐腐蚀性和耐磨性低,并且成本较高。
发明内容
为了解决现有技术中架空地线在重腐蚀环境中使用寿命短、耐蚀性能差等不足与问题,本发明提供了一种适用于架空地线的铝、镁含量高、使用寿命长、耐重腐蚀环境腐蚀、已实现工业化试生产的架空地线及制备工艺。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种用于重腐蚀环境的长寿命架空地线的镀层,该镀层是由金属镀液制备得到,该金属镀液由以下重量百分数的各组分组成:铝25%-65%、镁1%-2.5%、含鈰稀土0.2%-1.5%、钼0.1-0.2%、钒0.05%-0.1%、余量为锌。
优选的,所述金属合金液中各组分的重量百分为:铝25~35%、镁1~1.5%、含鈰稀土0.2~0.8%、钼0.1~0.15%、钒0.05~0.08%、余量为锌。经过大量实验验证与分析,上述配比量的金属合金液使得架空地线的镀层的性能较优异。
优选的,所述金属合金液中各组分的重量百分为:铝40~65%、镁2~2.5%、含鈰稀土0.9~1.5%、钼0.16~0.2%、钒0.085~0.1%、余量为锌。经过大量实验验证与分析,上述配比量的金属合金液使得架空地线的镀层的性能较优异。
优选的,所述金属合金液中各组分的重量百分为:铝40%、镁2%、含鈰稀土0.8%、钼0.15%、钒0.1%、余量为锌。经过大量实验验证与分析,上述配比量的金属合金液使得架空地线的镀层的性能更加优异。
优选的,上述镀层采用金属镀液与助镀剂共同制得,所述助镀剂是由以下重量百分数的各组分组成:45~65%ZnCl2,2~8%CaF,1~5%CeCl2,1~10%CaCl2,0.1~1%H2O2,0.1~0.3%表面活性剂,余量为水。
其中,所述表面活性剂优选为六甲基二硅氮烷和十二烷基磺酸钠的混合物,六甲基二硅氮烷和十二烷基磺酸钠的质量比为1~3:1。
进一步优选的,所述助镀剂是由以下重量百分数的各组分组成:60%ZnCl2,2%CaF2,4.2%CeCl2,8.5%CaCl2,0.5%H2O2,0.2%表面活性剂(六甲基二硅氮烷和十二烷基磺酸钠按照2.5:1的重量比例混合而成),余量为水;经过大量实验验证与分析,上述特定质量分数的助镀液使得架空地线的镀层的各项性能最好。
本发明还提供一种涂覆上述镀层的用于重腐蚀环境的长寿命架空地线,是通过以下制备方法制得的,包括以下步骤:
(1)将经脱脂、酸洗、碱洗后的架空地线钢丝,进入70~95℃的助镀剂中0.3~0.6min,干燥,得到助镀钢丝;
(2)将助镀钢丝进入热浸镀合金液中,在430~470℃浸镀45~105s,干燥,干燥过程中进行惰性气体保护,即得。
步骤(1)中,优选的,所述助镀剂是由以下重量百分数的各组分组成:45~65%ZnCl2,2~8%CaF,1~5%CeCl2,1~10%CaCl2,0.1~1%H2O2,0.1~0.3%表面活性剂,余量为水。
其中,所述表面活性剂优选为六甲基二硅氮烷和十二烷基磺酸钠的混合物,六甲基二硅氮烷和十二烷基磺酸钠的质量比为1~3:1。
进一步优选的,所述助镀剂是由以下重量百分数的各组分组成:60%ZnCl2,2%CaF2,4.2%CeCl2,8.5%CaCl2,0.5%H2O2,0.2%表面活性剂(六甲基二硅氮烷和十二烷基磺酸钠按照2.5:1的重量比例混合而成),余量为水;经过大量实验验证与分析,上述特定质量分数的助镀液使得架空地线的镀层的各项性能最好。
步骤(2)中,优选的,将助镀钢丝以设定倾角浸入热浸镀合金液中,所述倾角为35°-65°,即钢丝与热浸镀合金液液面的夹角为35°-65°。
步骤(2)中,所述惰性气体保护的出气量2-5L/min。
步骤(2)中,所述惰性气体为Ar+CO2的混合气体。
优选的,采用上述金属镀液和制备方法得到用于重腐蚀环境的长寿命架空地线镀层的厚度为50-165μm。该架空地线的镀层仅为50μm,镀层厚度较小,成本降低,但是其性能却没有降低。
热浸镀时,本发明优选采用中国专利201410789435.9中装置作为热浸镀装置。
本发明的有益效果是:
(1)本发明的金属镀液采用锌、铝、镁、含铈稀土、钼和钒制备得到架空地线的镀层,其中,金属钼是一种银白色金属,熔点2610℃。沸点5560℃。钼的硬度较大,摩氏硬度为5~5.5。钼熔点很高,在自然界单质中名列第六,被称作难熔金属。具有熔点高、硬度高、耐磨性好以及抗腐蚀、抗粘结和耐电弧侵蚀、耐熔融铜、铁侵蚀等优良性能,和因其具有的高导热率和低膨胀系数产生的特别优异的抗热冲击性能等特点,钼是一种过渡元素,极易改变其氧化状态。
金属钒,银灰色金属,钒的熔点较高、有延展性,质坚硬,无磁性、耐盐酸和硫酸及其盐的腐蚀,与金属钼不同,钒在空气中不被氧化,只有在高温下易被氧化。助镀液中钒的含量较高的话,会使熔炼温度升高,成本较高。
利用金属钼和钒特有的性质,与铝、镁、锌和含铈稀土相结合,提高了本发明镀层的耐腐蚀性和耐磨性,并使得镀层的附着性、塑性和加工成形性较好。
(2)本发明针对架空地线耐腐蚀防护,提供具有高合金含量,达到锌铝镁合金镀层各项性能要求,实现架空地线表面制备高耐蚀、长寿命的防腐镀层。能广泛适用于重腐蚀环境环境(如沿海地区、酸雨地区、工业污染区、雷击、强电场等电磁场环境下)的架空地线长寿命、免维护时间不小于15年的要求。
(3)采用上述金属镀液和制备方法得到用于重腐蚀环境的长寿命架空地线镀层的厚度为40-165μm。该架空地线的镀层仅仅可以为40μm,镀层厚度较小,成本降低,但是其性能却大幅度提升,说明其镀层的性能是由镀层结构决定,镀层结构是由金属镀液的成分和配比决定,经过大量实验验证与分析,不合适的金属镀液成分和配比关系制备得到的镀层性能并不理想。
(4)本发明制备的防腐镀层,进行了中性盐雾试验测试,结果表明出现锈点时间为2500h,而传统热镀锌出现锈点时间仅为140h,较强的耐腐蚀性能主要是由镀层结构及成分所决定的,通过降低镁含量,提高合金成分在共晶反应触发能,提高共晶比例,进而提高镀层的耐蚀性能,主要克服镁与铝在成分配比、共晶结合反应触发点;另外,共晶相中的铝和含铈稀土也起了决定性的作用,但是钼和钒的作用不容忽视,由于微量的钼和钒溶于共晶相中,使合金的腐蚀电位下降,从而较耐腐蚀;还有,由于含铈稀土能净化杂质和细化晶粒,并富集于镀层表面,单质钼极易形成氧化物,从而钼与含铈稀土共同作用,在架空地线表面形成了致密而均匀的氧化层,它能在重腐蚀环境下阻止外界杂质原子向合金内部扩散,从而延缓了氧化和腐蚀的过程。
(5)该制备工艺成本低,易工业化生产。镀层与架空地线基体各自保持原有的性能,但是拥有99.9%以上冶金结合界面,同时镀层结构致密、成分稳定、无漏镀,能够形成耐蚀性能优异的锌铝镁等金属的多元共晶。本发明通过特定的成分配比和助镀剂成分进行配合,促进合金的共晶反应,降低助镀温度和热浸镀温度,能耗低,操作安全性提高,工艺简单。因此,本发明的防腐镀层使用寿命远高于热浸镀纯锌和其他金属镀层,具备了在极端恶劣条件下使用的要求。
附图说明
图1:本发明中用于重腐蚀环境的架空地线截面图。
图2:本发明长寿命地线形貌图。
图3:普通镀锌钢绞线地线的形貌图。
具体实施方式
实施例1
一种用于重腐蚀环境的长寿命架空地线制备工艺,步骤如下:
1)将经脱脂、酸洗、碱洗后的钢丝,浸入65℃的助镀剂中0.5min,烘干,得助镀钢丝;所述助镀剂的组分如下(以质量百分数计):45%ZnCl2,8%CaF,1.2%CeCl2,5.5%CaCl2,0.5%H2O2,0.1%表面活性剂(六甲基二硅氮烷和十二烷基磺酸钠按照2:1的重量比例混合而成),余量为自来水;
2)将助镀钢丝以30°角(即钢丝与热浸镀合金液液面的夹角为30°)浸入热浸镀合金液,于420℃下浸镀100s,于120℃下烘干;
烘干过程中进行惰性气体保护,惰性气体选用Ar+CO2的混合气体,二者的体积比为2:8,出气量2L/min,即得;
所述热浸镀合金液中各组分的重量百分为:铝65%、镁2.5%、含鈰稀土1.5%、钼0.1%、钒0.1%、余量为锌,选用陶瓷锅作为热浸镀合金液载体。
本实施例制备得到的架空地线镀层的厚度为75μm。
实施例2
一种用于重腐蚀环境的长寿命架空地线制备工艺,步骤如下:
1)将经脱脂、酸洗、碱洗后的钢丝,浸入85℃的助镀剂中0.3min,烘干,得助镀钢丝;所述助镀剂的组分如下(以质量百分数计):60%ZnCl2,2%CaF2,4.2%CeCl2,8.5%CaCl2,0.5%H2O2,0.2%表面活性剂(六甲基二硅氮烷和十二烷基磺酸钠按照2.5:1的重量比例混合而成),余量为自来水;
2)将助镀钢丝以42°角(即钢丝与热浸镀合金液液面的夹角为42°)浸入热浸镀合金液,于435℃下浸镀45s,于130℃下烘干,烘干过程中进行惰性气体保护,惰性气体选用Ar+CO2的混合气体,二者的体积比为8:2,出气量5L/min,即得;
所述热浸镀合金液中各组分的重量百分为:铝40%、镁2%、含鈰稀土0.8%、钼0.15%、钒0.1%、余量为锌。选用陶瓷锅作为热浸镀合金液载体。
如图1所示,用于重腐蚀环境的架空地线截面图。本实施例制备得到的架空地线镀层的厚度为50μm。
实施例3
一种用于重腐蚀环境的长寿命架空地线制备工艺,步骤如下:
1)将经脱脂、酸洗、碱洗后的钢丝,浸入100℃的助镀剂中0.2min,烘干,得助镀钢丝;所述助镀剂的组分如下(以质量百分数计):65%ZnCl2,4.8%CaF2,5%CeCl2,1.3%CaCl2,0.5%H2O2,0.3%表面活性剂(六甲基二硅氮烷和十二烷基磺酸钠按照1.5:1的重量比例混合而成),余量为自来水;
2)将助镀钢丝以42°角(即钢丝与热浸镀合金液液面的夹角为42°)浸入热浸镀合金液,于470℃下浸镀100s,于150℃下烘干,烘干过程中进行惰性气体保护,惰性气体选用Ar+CO2的混合气体,二者的体积比为7:3,出气量5L/min,即得;
所述热浸镀合金液中各组分的重量百分为:铝25%、镁1.8%、含鈰稀土1.5%、钼0.1%、钒0.1%、余量为锌。选用陶瓷锅作为热浸镀合金液载体。
本实施例制得的架空地镀层的厚度为165μm。
对比例1
一种用于重腐蚀环境的长寿命架空地线制备工艺,步骤如下:
1)将经脱脂、酸洗、碱洗后的钢丝,浸入85℃的助镀剂中0.3min,烘干,得助镀钢丝;所述助镀剂的组分如下:60%ZnCl2,2%CaF2,4.2%CeCl2,8.5%CaCl2,0.5%H2O2,0.2%表面活性剂(六甲基二硅氮烷和十二烷基磺酸钠按照2.5:1的重量比例混合而成),余量为自来水;
2)将助镀钢丝以42°角(即钢丝与热浸镀合金液液面的夹角为42°)浸入热浸镀合金液,于435℃下浸镀70s,于130℃下烘干,烘干过程中进行惰性气体保护,惰性气体选用Ar+CO2的混合气体,二者的体积比为8:2,出气量5L/min,即得;
所述热浸镀合金液中各组分的重量百分为:铝40%、镁6%、含鈰稀土0.8%、钼0.15%、钒0.1%、余量为锌。选用陶瓷锅作为热浸镀合金液载体。
对比例1制备得到的架空地线镀层的厚度为98μm。
对比例2
一种用于重腐蚀环境的长寿命架空地线制备工艺,步骤如下:
1)将经脱脂、酸洗、碱洗后的钢丝,浸入85℃的助镀剂中0.3min,烘干,得助镀钢丝;所述助镀剂的组分如下:60%ZnCl2,2%CaF2,4.2%CeCl2,8.5%CaCl2,0.5%H2O2,0.2%表面活性剂(六甲基二硅氮烷和十二烷基磺酸钠按照2.5:1的重量比例混合而成),余量为自来水;
2)将助镀钢丝以42°角(即钢丝与热浸镀合金液液面的夹角为42°)浸入热浸镀合金液,于435℃下浸镀80s,于130℃下烘干,烘干过程中进行惰性气体保护,惰性气体选用Ar+CO2的混合气体,二者的体积比为8:2,出气量5L/min,即得;
所述热浸镀合金液中各组分的重量百分为:铝40%、镁6%、含鈰稀土0.15%、钼0.3%、钒0.2%、余量为锌。选用陶瓷锅作为热浸镀合金液载体。
对比例2制备得到的架空地线镀层的厚度为100μm。
性能测试:
1、镀层外观:
本发明中实施例1、2和3架空地线的镀层表面十分光亮、平整、无裸露缺陷,能清楚看见有规则形状的晶粒。
对比例2中的镀层表面具有裸露缺陷,与实施例1、2和3的镀层有明显差别,由于其加入的钼和钒的含量较高,影响共晶相的晶粒大小。
2、镀层的附着性、塑性和加工成形性
以镀层的脱落和裂纹为判断依据,考核了实施例和对比例镀层的附着性和韧性。
(1)冲击试验
取实施例1和2、对比例2、中国专利201410789435.9中实施例1、中国专利201410261130.0实施例1的架空地线,用漆膜冲击试验器进行试验。采用低倍放大镜观察,本发明实施例的镀层内外表面都保持完整,无明显的裂纹,而其他的架空地线镀层的外表面沿晶界有不同程度的裂纹,对比例2中加入的钼和钒的含量较高,降低了镀层的塑性。
(2)弯曲试验
在同等条件下(弯曲直径d~0),对实施例1、对比例2、中国专利201410789435.9中实施例1、中国专利201410261130.0实施例1的架空地线进行180度”弯曲试验(任何方向)。本发明实施例1的镀层的弯曲外侧未发现微裂纹,而其他镀层的外侧可见到极微小裂纹。此外,经拉伸、杯突、球冲、180度反复弯曲等试验均未发现本发明实施例1镀层脱落或产生裂纹,直到钢基断裂时镀层仍完好无损。上述试验表明,本发明实施例1的镀层有比其他镀层更优良的附着性、塑性和加工成形性。这主要是由镀层结构所决定的。
3、镀层的耐腐蚀性-盐雾试验
本发明实施例1、2和3、对比例1、对比例2、中国专利201410789435.9中实施例1、中国专利201410261130.0实施例1制备的架空地线镀层和普通镀锌钢绞线地线经中性盐雾试验测试,结果表明:本发明实施例1、实施例1和实施例3中锈点出现时间皆为2500h以上,如图2所示,实施例2长寿命地线形貌图。而对比例1和对比例2的锈点出现时间皆在2500h以下,中国专利201410789435.9中实施例1制备的架空地线镀层出现锈点的时间为700h左右,700h后开始出现黄锈,中国专利201410261130.0实施例1中制备的架空地线镀层出现的锈点时间为300h左右,300h后开始出现黄锈。如图3所示,普通镀锌钢绞线地线经过140h后的中性盐雾试验后的形貌图。
腐蚀试验表明,本发明中的镀层的耐腐蚀性非常优异,比其他的镀层结构高3~8倍,这是由于他们的镀层结构及成分所决定的,通过降低镁含量,提高合金成分在共晶反应触发能,提高共晶比例,进而提高镀层的耐蚀性能,主要克服镁与铝在成分配比、共晶结合反应触发点,共晶相中的铝和含铈稀土起了决定性的作用,但是钼和钒的作用不容忽视,由于微量的钼和钒溶于共晶相中,使合金的腐蚀电位下降,从而较耐腐蚀;另外,由于含铈稀土能净化杂质和细化晶粒,并富集于镀层表面,单质钼极易形成氧化物,从而钼与含铈稀土共同作用,在架空地线表面形成了致密而均匀的氧化层,它能在重腐蚀环境下阻止外界杂质原子向合金内部扩散,从而延缓了氧化和腐蚀的过程。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于重腐蚀环境的长寿命架空地线的镀层,该镀层是由金属镀液制备得到,其特征是,该金属镀液由以下重量百分数的各组分组成:铝25%~65%、镁1%~2.5%、含鈰稀土0.2%~1.5%、钼0.1~0.2%、钒0.05%~0.1%、余量为锌。
2.如权利要求1所述的镀层,其特征是,所述金属合金液中各组分的重量百分为:铝25~35%、镁1~1.5%、含鈰稀土0.2~0.8%、钼0.1~0.15%、钒0.05~0.08%、余量为锌。
3.如权利要求1所述的镀层,其特征是,所述金属合金液中各组分的重量百分为:铝40~65%、镁2~2.5%、含鈰稀土0.9~1.5%、钼0.16~0.2%、钒0.085~0.1%、余量为锌。
4.如权利要求1所述的镀层,其特征是,所述金属合金液中各组分的重量百分为:铝40%、镁2%、含鈰稀土0.8%、钼0.15%、钒0.1%、余量为锌。
5.如权利要求1~4中任一项所述的镀层,其特征是,所述镀层采用金属镀液与助镀剂共同制得,所述助镀剂是由以下重量百分数的各组分组成:45~65%ZnCl2,2~8%CaF,1~5%CeCl2,1~10%CaCl2,0.1~1%H2O2,0.1~0.3%表面活性剂,余量为水。
6.如权利要求5所述的镀层,其特征是,所述表面活性剂为六甲基二硅氮烷和十二烷基磺酸钠的混合物,六甲基二硅氮烷和十二烷基磺酸钠的质量比为1~3:1。
7.如权利要求5所述的镀层,其特征是,所述助镀剂是由以下重量百分数的各组分组成:60%ZnCl2,2%CaF2,4.2%CeCl2,8.5%CaCl2,0.5%H2O2,0.2%表面活性剂,余量为水。
8.一种涂覆权利要求5~7中任一项所述镀层的用于重腐蚀环境的长寿命架空地线,其特征是:是通过以下制备方法制得的,包括如下步骤:
(1)将经脱脂、酸洗、碱洗后的架空地线钢丝,进入70~95℃的助镀剂中0.3~0.6min,干燥,得到助镀钢丝;
(2)将助镀钢丝进入热浸镀合金液中,在430~470℃浸镀45~105s,干燥,干燥过程中进行惰性气体保护,即得。
9.如权利要求8所述的架空地线,其特征是:步骤(2)中,将助镀钢丝以设定倾角浸入热浸镀合金液中,所述倾角为35°-65°,所述惰性气体保护的出气量2-5L/min,所述惰性气体为Ar和CO2的混合气体。
10.如权利8或9所述的架空地线,其特征是:所述架空地线的镀层厚度为40~165μm。
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