CN104123988B - 一种具有良好抗疲劳性能的钢芯铝绞线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有良好抗疲劳性能的表面含Ni-P非晶涂层的高耐蚀钢芯铝绞线及其制备方法，该钢芯铝绞线的钢芯和铝线均经过化学镀含Ni-P非晶镀层，表面致密的非晶耐蚀保护层具有很好的抗疲劳性能，并且与铝和镀锌钢都有很好的结合能力，耐大气腐蚀能力强，无需考虑老化问题，振动不会导致Ni-P镀层出现裂纹，该制造工艺技术简单，有利于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有良好抗疲劳性能的表面含Ni-P非晶涂层的高耐蚀钢芯铝绞线及其制备方法。
背景技术
钢芯铝绞线是由心部的镀锌钢丝或镀锌钢丝铰接成的钢芯，外面由一层或几层铰接的铝绞线组成。铝绞线使用的铝纯度很高，根据国标GB1179-2008，铝股线中含硅不大于0.13%、铁不大于0.16%、硅加铁不大于0.26%、钛钒锰铬之和不大于0.01%，表面会形成一层致密的钝化膜，并且与铝基体结合非常牢固，就是因为这层天然的氧化膜，使铝及其合金在常规的环境中性能稳定，不容易腐蚀，是高压输电线路的主要导体材料。钢芯铝绞线一方面经受风、冰冻以及其他恶劣环境因素影响下的摆晃而产生微动磨损和微动疲劳；另一方面经受大气中受水分、化学气体、尘埃和盐类物质等侵蚀性介质的作用发生腐蚀，从沿海工业区、工业区、沿海地区和农村地区依次排列，腐蚀逐步减轻。两者往往产生叠加效应（微动腐蚀），加剧导线的损伤造成断线、断股等输电事故。腐蚀破坏是钢芯铝绞线的主要破坏形式之一。导线的腐蚀形态有化学腐蚀和电化学腐蚀，并以电化学腐蚀为主，而且主要是外层腐蚀。当空气湿度较大时，导线表面水分会凝聚成水膜，大气的O2、CO2及其它气体如H2S、NH2、SO2、NO2、Cl2、HCl等和盐类物质溶解于水膜中，形成电解液薄层。电解液薄层与金属氧化膜发生反应而产生孔蚀。在导线内部铝股与镀锌钢芯接触层，由于金属电极电位差异，也会产生接触腐蚀。铝股受腐蚀后表面会产生白色粉末，并布满麻点，铝股与钢芯接触层也会产生白色粉末状物，同时导线明显变脆，抗拉强度明显降低，严重时会造成断股、断线，大大地缩短了导线的使用寿命。特别在沿海一带，寿命特别低。如福建省某海岛上一35KV钢芯铝绞线仅使用5年就出现断线断股，相对于钢芯铝绞线30-40年的使用寿命，低很多。这可能与海岛上潮湿的海洋大气和常年4级以上的风以及夏秋季的多台风有关，导致潮的大气腐蚀、小孔腐蚀和应力腐蚀。值得一提的是，从失效导线每层的腐蚀情况看，内层铝股线的腐蚀比外层铝股线的腐蚀更为严重，这可能还与表层铝股线的缝隙有关，使腐蚀介质通过表层进入内层表面，内层表面的腐蚀产物无法从缝隙排出，产生更大的应力集中，腐蚀更严重。因此对于钢芯铝绞线，必须在表面产生一层耐风动的结合力良好的耐蚀层，减少腐蚀介质侵入内层铝股线。
化学镀是一种在无外加电流的状态下，利用镀液中的还原剂在活化工件表面上自催化还原沉积，从而得到镀层的方法。Ni-P化学镀是以次磷酸盐为还原剂将镀液中的镍离子还原成金属镍，沉积到零件表面上，直至达到所需要的厚度，将零件取出，反应就会停止。化学镀镍的同时，磷酸盐本身也会被还原，共同沉积到金属零件的表面上，所得镀层为镍磷二元合金。通过调整P的含量，就可以获得不同物相的Ni-P镀层。一般对于二元Ni-P，P含量超过8%就可以获得非晶镀层。化学镀操作方便、工艺简单，化学镀镍可以使铝及铝合金的耐蚀性和耐磨性有较大程度地提高，并且不受形状的限制，是铝及铝合金、钢制品表面处理方法中成本较低且最有前景的工艺方法。
化学镀Ni-P非晶涂层的方式很多，配方也很多，既有二元的Ni-P，也可以增加Co，W，Al，SiC甚至PTFE等改善其耐蚀性和机械性能。以钢为基体的Ni-P镀技术已较成熟，并且取得广泛应用。但用于钢芯铝绞线上却无相关报导。化学复合镀Ni-P-PTFE（聚四氟乙烯）是将PTFE颗粒分散于Ni-P镀层中。由于PTFE微粒的化学稳定性好，摩擦系数极低（仅为0.05），表面能也低且具有不粘性等特点，因而Ni-P-PTFE镀层在机械、纺织、化工等许多工业部门得到广泛应用。复合镀液中添加阳离子型表面活性剂可使PTFE粒子带正电荷，在静电吸附下能使更多的PTFE粒子沉积在金属表面，则镀层中复合粒子含量会增加。采用FC4和非离子FCl0表面活性剂混合可获得粒子分布均匀而且含量较高的复合镀层。
20世纪70年代末，铝及其合金化学镀镍在技术上己经有了突破，并且取得了广泛应用。在该技术中，最重要的是有了比较可靠的、重复性好的前处理技术。到目前为止二次浸锌工艺(又称锌酸盐处理)仍被认为适用于大多数铝及铝合金的最可靠技术。但铝表面致密的氧化膜上不能获得结合良好的金属镀层。为了能够得到结合性良好的金属镀层，必须先除掉这层氧化膜，并保证在金属镀层镀上之前不重新生成。这是铝及其合金前处理的关键。目前成熟可靠的铝及铝合金前处理工艺为二次浸锌工艺，其化学镀镍磷合金的工艺流程为:预镀件→除油→水洗→碱洗→水洗→酸洗→水洗→浸锌→水洗→退锌→水洗→二次浸锌→水洗→碱性化学预镀镍→水洗→酸性化学镀镍。钢芯铝绞线表面不经过二次浸锌进行化学镀的理论和应用研究也未见报导。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有良好抗疲劳性能的表面含Ni-P非晶涂层的高耐蚀钢芯铝绞线及其制备方法，该钢芯铝绞线的钢芯和铝线均经过化学镀含Ni-P非晶镀层，表面致密的非晶耐蚀保护层具有很好的抗疲劳性能，并且与铝和镀锌钢都有很好的结合能力，耐大气腐蚀能力强，无需考虑老化问题，振动不会导致Ni-P镀层出现裂纹，该制造工艺技术简单，有利于推广应用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有良好抗疲劳性能的表面含Ni-P非晶涂层的高耐蚀钢芯铝绞线的钢芯和铝线均经过化学镀处理，表面含Ni-P非晶涂层。所述的Ni-P非晶涂层的厚度<2μm。
制备方法包括以下步骤：钢芯除油、喷砂或喷丸、化学镀含Ni-P非晶涂层、绞接铝线、除油、喷砂或喷丸、化学镀含Ni-P非晶涂层。
具体步骤如下：
（1）7股直径为2mm的镀锌钢线绞制而成的钢芯，经沸腾的质量分数为10%的NaOH溶液处理5分钟去油，水洗、烘干；
（2）用石英砂对其表面进行喷砂除锈处理；
（3）化学镀含有Ni-P的非晶涂层或含有Ni-P-PTFE的非晶涂层；
（4）水洗，烘干；
（5）26股直径为2.4mm的铝线分2层缠绕在表面镀有Ni-P非晶涂层的钢芯上，外层16股、内层10股，经沸腾的质量分数为10%的NaOH溶液处理5分钟，水洗、烘干；
（6）用石英砂对其表面进行喷砂除氧化物处理；
（7）化学镀含有Ni-P的非晶涂层或含有Ni-P-PTFE的非晶涂层；
（8）水洗，烘干。
含有Ni-P的非晶涂层的镀液配方：硫酸镍30g/L、次亚磷酸钠36g/L、柠檬酸15g/L、乳酸25ml/L、氟化钠1g/L、丁二酸5g/L、丙酸5ml/L；化学镀温度为80~90℃，pH=5，施镀时间为2h。
含有Ni-P-PTFE的非晶涂层的镀液配方：硫酸镍25g/L、次亚磷酸钠25g/L、柠檬酸15g/L、乳酸25ml/L、碘酸钾0.05mg/L、二烷基苯磺酸钠0.05mg/L、PTFE粒子5~8g/L；化学镀温度为80~90℃，pH=4.5~5.0，施镀时间为2h。
本发明的显著优点在于：在钢芯和钢芯铝绞线表面形成含Ni-P的非晶镀层，不仅耐蚀耐候性能优异，而且保持钢芯铝绞线的力学性能和电学性能不变。具有非晶镀层的钢芯铝绞线在强振动后能保持良好的耐蚀性，表面铝绞线不出现缝隙。特别适合于沿海潮的大气下使用。在经喷砂或喷丸处理的钢芯和钢芯铝绞线表面采用化学镀技术增加含Ni-P非晶涂层，所制备的铝绞线可以达到很好的耐蚀效果，整个操作过程简单。
具体实施方式
实施例1
1、7股直径为2mm的镀锌钢线绞制而成的钢芯，经沸腾的质量分数为10%的NaOH溶液处理5分钟去油，水洗烘干；
2、用石英砂对其表面进行喷砂处理，主要目的是除锈，并增加钢丝的抗疲劳性能；
3、化学镀含有Ni-P的非晶涂层。最常用：硫酸镍（30g/L）、次亚磷酸钠(36g/L)、柠檬酸(15g/L)、乳酸（25ml/L）、氟化钠（1g/L）、丁二酸（5g/L）、丙酸（5ml/L），温度80~90℃，pH控制在5，施镀2h。
4、水洗，烘干。
5、钢芯铝绞线由直径为2.4mm，外层16股、内层10股铰接在上述Ni-P非晶镀层的钢芯上。经沸腾的质量分数为10%的NaOH溶液处理5分钟去油和去除表面的致密氧化物，水洗烘干；
6、用石英砂对其表面进行喷砂处理，主要目的是去除表面氧化物，增加铝的抗疲劳性能；
7、化学镀含有Ni-P的非晶涂层。最常用：硫酸镍（30g/L）、次亚磷酸钠(36g/L)、柠檬酸(15g/L)、乳酸（25ml/L）、氟化钠（1g/L）、丁二酸（5g/L）、丙酸（5ml/L），温度80~90℃，pH控制在5，施镀2h。
8、水洗，烘干，备用。
检测：将钢芯和铝绞线表面均经化学镀Ni-P非晶镀层的钢芯铝绞线和市售同规格的钢芯铝绞线分别模拟沿海工业区（3%的NaCl+3%NaHSO3）、工业区（3%NaHSO3）、沿海地区（3%的NaCl溶液）和农村地区（H2O）等气候条件进行浸渍腐蚀，对涂层的表面进行显微分析。浸泡时间72h，前者表面未出现任何变化，市售同规格的钢芯铝绞线在沿海工业区（3%的NaCl+3%NaHSO3）、工业区（3%NaHSO3）中的腐蚀非常严重，尺寸减小明显，在沿海地区（3%的NaCl溶液）也出现腐蚀，在农村地区（H2O）腐蚀较轻些，表面出现白色粉末。当浸泡时间达到120h后，表面化学镀Ni-P非晶镀层的钢芯铝绞线在沿海工业区（3%的NaCl+3%NaHSO3）、工业区（3%NaHSO3）中，开始出现气泡，随着时间的延长，气泡越来越多。12h后取出，Ni-P非晶镀层有裂纹出现，部分裂纹处可见铝。拆开钢芯铝绞线，整个钢芯铝绞线都是潮湿的，说明腐蚀液已通过裂纹进入了内部，失去了Ni-P非晶镀层的保护能力。
盐水喷雾试验条件：NaC1溶液(浓度50±5g／L)，温度为35±2℃，pH为3.1～3.3，采用间歇操作，间隔时间为8h，试验时间为32h。钢芯和铝绞线表面均经化学镀Ni-P非晶镀层的钢芯铝绞线未出现任何表面变化，而市售同规格的钢芯铝绞线的表面出现大量白色腐蚀产物，把后者拆开，内部的铝绞线和钢芯都遭受腐蚀。继续喷雾实验观察32h，前者表面仍保持光亮状态，而后者表面全部是腐蚀产物，超声振荡清洗后，后者已完全失去铰接，呈完全分散状态。
钢芯和铝绞线表面均经化学镀Ni-P非晶镀层的钢芯铝绞线出现腐蚀小孔的时间大概经过总喷雾实验时间为96h。
实施例2
1、7股直径为2mm的镀锌钢线绞制而成的钢芯，经沸腾的质量分数为10%的NaOH溶液处理5分钟去油，水洗烘干；
2、用石英砂对其表面进行喷砂处理，主要目的是除锈，并增加钢丝的抗疲劳性能；
3、化学镀含有Ni-P-PTFE的非晶涂层。最常用：硫酸镍（25g/L）、次亚磷酸钠(25g/L)、柠檬酸(15g/L)、乳酸（25ml/L）、碘酸钾（0.05mg/L）、二烷基苯磺酸钠（0.05mg/L）、PTFE粒子（5~8g/L），温度80~90℃，pH控制在4.5~5.0，搅拌施镀2h。
4、水洗，烘干。
5、钢芯铝绞线由26股直径为2.4mm的铝股线和上述含Ni-P-PTFE的非晶涂层的镀锌钢线绞制而成；铝线分2层缠绕，外层16股、内层10股线，经沸腾的质量分数为10%的NaOH溶液处理5分钟去油和去除表面的致密氧化物，水洗烘干；
6、用石英砂对其表面进行喷砂处理，主要目的是去除表面氧化物，并增加铝的抗疲劳性能；
7、化学镀Ni-P-PTFE的非晶涂层。硫酸镍（25g/L）、次亚磷酸钠(25g/L)、柠檬酸(15g/L)、乳酸（25ml/L）、碘酸钾（0.05mg/L）、二烷基苯磺酸钠（0.05mg/L）、PTFE粒子（5~8g/L），温度80~90℃，pH控制在4.5~5.0，搅拌施镀2h。
8、水洗，烘干，备用。
检测：将钢芯和铝绞线表面均经化学镀Ni-P-PTFE非晶镀层的钢芯铝绞线和市售同规格的钢芯铝绞线分别模拟沿海工业区（3%的NaCl+3%NaHSO3）、工业区（3%NaHSO3）、沿海地区（3%的NaCl溶液）和农村地区（H2O）等气候条件进行浸渍腐蚀，对涂层的表面进行显微分析。浸泡时间72h，前者表面未出现任何变化，市售同规格的钢芯铝绞线在沿海工业区（3%的NaCl+3%NaHSO3）、工业区（3%NaHSO3）中的腐蚀非常严重，尺寸减小明显，在沿海地区（3%的NaCl溶液）也出现腐蚀，在农村地区（H2O）腐蚀较轻些，表面出现白色粉末。当浸泡时间达到144h后，表面化学镀Ni-P-PTFE非晶镀层的钢芯铝绞线在沿海工业区（3%的NaCl+3%NaHSO3）、工业区（3%NaHSO3）中，开始出现气泡，随着时间的延长，气泡越来越多。6h后取出，Ni-P-PTFE非晶镀层有裂纹出现，部分裂纹处可见铝。拆开钢芯铝绞线，整个钢芯铝绞线都是潮湿的，说明腐蚀液已通过裂纹进入了内部，失去了Ni-P非晶镀层的保护能力。
盐水喷雾试验条件：NaC1溶液(浓度50±5g／L)，温度为35±2℃，pH为3.1～3.3，采用间歇操作，间隔时间为8h，试验时间为32h。钢芯和铝绞线表面均经化学镀Ni-P-PTFE非晶镀层的钢芯铝绞线未出现任何表面变化，而市售同规格的钢芯铝绞线的表面出现大量白色腐蚀产物，把后者拆开，内部的铝绞线和钢芯都遭受腐蚀。继续喷雾实验观察32h，前者表面仍保持光亮状态，而后者表面全部是腐蚀产物，超声振荡清洗后，后者已完全失去铰接，呈完全分散状态。
钢芯和铝绞线表面均经化学镀Ni-P-PTFE非晶镀层的钢芯铝绞线出现腐蚀小孔的时间大概经过总喷雾实验时间为120h。
对钢芯和铝绞线表面均经化学镀Ni-P-PTFE非晶镀层的钢芯铝绞线和市售同规格的钢芯铝绞线进行振动，然后继续进行盐雾实验，前者的锈蚀点在120h时出现，此时铝股线与铝股线间开始出现裂痕，而后者出现锈蚀点的时间很短，8h盐雾后就出现了，而且后者拆开后，发现内部也锈蚀了。
本发明解决了钢芯铝绞线在工业区、沿海工业区以及风动等极端情况下的耐大气腐蚀问题。该制造工艺技术简单。化学镀Ni-P-PTFE非晶镀层可提高其耐蚀能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种具有良好抗疲劳性能的表面含Ni-P非晶涂层的高耐蚀钢芯铝绞线的制备方法，其特征在于：所述的钢芯铝绞线的钢芯和铝股线均经过化学镀处理，表面含Ni-P非晶涂层；其制备方法包括以下步骤：钢芯除油、喷砂或喷丸、化学镀含Ni-P非晶涂层、绞接铝股线、除油、喷砂或喷丸、化学镀含Ni-P非晶涂层；具体步骤如下：
（1）7股直径为2mm的镀锌钢线绞制而成的钢芯，经沸腾的质量分数为10%的NaOH溶液处理5分钟去油，水洗、烘干；
（2）用石英砂对其表面进行喷砂除锈处理；
（3）化学镀含有Ni-P的非晶涂层或含有Ni-P-PTFE的非晶涂层；
（4）水洗，烘干；
（5）26股直径为2.4mm的铝股线分2层缠绕在表面镀有Ni-P非晶涂层的钢芯上，外层16股、内层10股，经沸腾的质量分数为10%的NaOH溶液处理5分钟，水洗、烘干；
（6）用石英砂对其表面进行喷砂除氧化物处理；
（7）化学镀含有Ni-P的非晶涂层或含有Ni-P-PTFE的非晶涂层；
（8）水洗，烘干。
2.根据权利要求1所述的一种具有良好抗疲劳性能的表面含Ni-P非晶涂层的高耐蚀钢芯铝绞线的制备方法，其特征在于：所述的Ni-P非晶涂层的厚度<2μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：含有Ni-P的非晶涂层的镀液配方：硫酸镍30g/L、次亚磷酸钠36g/L、柠檬酸15g/L、乳酸25ml/L、氟化钠1g/L、丁二酸5g/L、丙酸5ml/L；化学镀温度为80~90℃，pH=5，施镀时间为2h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：含有Ni-P-PTFE的非晶涂层的镀液配方：硫酸镍25g/L、次亚磷酸钠25g/L、柠檬酸15g/L、乳酸25ml/L、碘酸钾0.05mg/L、二烷基苯磺酸钠0.05mg/L、PTFE粒子5~8g/L；化学镀温度为80~90℃，pH=4.5~5.0，施镀时间为2h。
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