CN104831225A

CN104831225A - 一种用于接地网保护的含稀土合金涂层防腐方法

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Publication number: CN104831225A
Application number: CN201510143117.XA
Authority: CN
Inventors: 杜鹏; 裴锋; 田旭; 罗有国; 徐天福; 廖靖; 郜友彬; 刘光明; 李多生; 蒋磊; 郭淑琴
Original assignee: Power Supply Branch Guo Wang Jiangxi Province Utilities Electric Co Ganzhou; State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Jiangxi Electric Power Co Ltd; Nanchang Hangkong University
Current assignee: Power Supply Branch Guo Wang Jiangxi Province Utilities Electric Co Ganzhou; State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Jiangxi Electric Power Co Ltd; Nanchang Hangkong University
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2035-03-30
Also published as: CN104831225B

Abstract

本发明公开了一种用于接地网保护的含稀土合金涂层防腐方法，涉及导电涂层防腐领域，该方法是采用等离子喷涂技术，以碳钢为地网材料，在地网表面先后喷涂厚度为60-100μm的黏结性底层和厚度为150-200μm的含有镧、铈、镨、钕等稀土的功能性合金面层。本发明的步骤为：（1）对地网表面的净化去污和喷砂处理；（2）在面层涂料的锌、铝、镁、镍、锰、硅、铬、铍和钛合金粉中配置含有镧、铈、镨、钕等稀土的合金粉体；（3）在电力地网表面形成含稀土的合金防腐涂层。本发明通过在电力地网表面喷涂一层含稀土的合金防腐涂层，提高地网服役寿命，降低地网工作成本，该方法工艺简单可靠、绿色低碳、无污染，对环境友好。

Description

一种用于接地网保护的含稀土合金涂层防腐方法

技术领域

本发明涉及导电涂层防腐领域，更具体地说，本发明涉及一种用于接地网保护的含稀土合金涂层防腐方法。

背景技术

随着经济的发展，时代的进步，人们对电力系统的要求也越来越高。近几年来电力系统不断地向超高压、大容量和远距离的方向建设发展。接地系统是电网安全运行的基本保证，其重要性也越来越突出。接地系统是发、变电站泄流的通道，其主要具有三方面的保护作用：工作接地，保证电力系统正常工作，排泄故障电流；保护接地，保护人员安全，免遭泄露电流电击；防雷接地，防止雷电放电对人员和设备造成伤害。

接地装置长期在土壤环境中工作，由于土壤的化学组成成分十分复杂且不同区域土壤物理性质也不尽相同，接地装置不可避免因腐蚀而遭受破坏。一般要求接地网的寿命与周围设施相当，大于等于30年。然而由于其恶劣的工作环境，地网腐蚀速率很快，部分地区地网甚至在几年内就会发生严重腐蚀。地网严重腐蚀将会威胁到电力系统的正常运行，甚至会引起重大的人员伤亡和财产损失。因此，接地装置的防腐问题是为保证电力系统安全运行而不可避免的问题。

目前，最常用的接地材料有铜和碳钢两种。虽然铜材料的抗腐蚀性以及导电性能都优于碳钢，但是铜材料成本较高，且我国铜矿资源相对较缺乏，所以我国多用碳钢作为接地材料。对碳钢接地体进行合金涂层保护是目前最普遍的方法，目前基本上所有新建变电站的接地网导体都采用了涂层保护。涂层的作用在于断绝导体表面阴极区和阳极区的形成，从而阻碍金属表面的微电池腐蚀作用。对于接地网，最常用的涂层保护方法有镀铜和镀锌。但镀铜成本高，对土壤和地下水有污染，且在覆盖层不完整时表面的两种金属会形成原电池腐蚀，反而会加速基体腐蚀。镀锌钢中由于锌的腐蚀电位较铁更低，锌层作为牺牲阳极保护地网，但是锌层腐蚀速度很快，保护期短，对延长地网使用寿命实际意义不大。因此，提出一种可以有效保护接地网，延长地网寿命的金属涂层防腐方案对保护电力系统正常运行有着十分重要的现实意义。这不仅可以避免因地网腐蚀而造成的经济损失，也保障了工作人员的生命安全

在我国采用锌及锌合金涂层保护接地网是目前使用最广泛的方法，但锌层保护效果很小并且损耗巨大。如今，以铝代锌在涂料制备工业中已有良好的技术基础。各种比例的铝锌合金涂层材料都经过了长时间的研究，并已开发出了多种性能优于普通锌和锌合金涂层的涂层材料。锌具有良好的牺牲阳极保护能力，铝可以形成致密的氧化膜，具有良好的包覆防护能力。因此，加强二者的优势，开发应用铝锌合金为主要组分的新型涂层材料是接地防腐发展的重要方向。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种用于接地网保护的含稀土合金涂层防腐方法。以解决目前接地网材料腐蚀严重以及现有涂层保护能力差的现状，并体现出含稀土铝锌合金防腐涂层的优越性。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种用于接地网保护的含稀土合金涂层防腐方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）喷涂前先对用丙酮对基体材料进行擦洗以去除油污，然后对基体表面进行喷砂处理，清除基体材料表面的氧化膜，增加基体表面的粗糙度，扩大涂层与基体的结合表面积，提高涂层与基体的结合强度，喷砂材料采用刚玉砂、金刚砂，在强光线下用肉眼观察喷砂面，如果从各个角度观察都没有反射斑就可以进行后续操作，喷砂后，在2-3h内进行喷涂试验；

（2）采用等离子喷涂技术对基体材料进行表面喷涂，等离子喷涂采用刚性非转移型等离子弧为热源，以惰性气体（Ar）为等离子气，混合粉末在等离子焰流的作用下被加速，粉末以很高的速度撞击基材表面形成涂层；

（3）采用等离子喷涂技术进行涂层喷涂，首先设置等离子喷涂工艺参数，喷涂电流为400-600A，电压为50-70V，喷涂距离为100mm，送粉气流量5-7L/min，然后在处理好的基体表面喷涂60-100μm厚的黏性底层涂层，在底层涂料尚有余热时，再在底层涂层表面喷涂一层150-200μm厚的功能性面涂层。

按元素重量百分比计，黏结底层涂料成分为Ni：40-60、Al：20-30、Zn：15-20和Fe：0.1-2；功能性面层涂料成分为Al：40-70、Zn：20-30、Ni：15-25、Mn：0.1-1、Si：0.1-2、Cr：0.1-1、Ti：0.5-1、Be：0.03-0.05，稀土添加剂：3-12，稀土添加剂为La、Ce、Pr、Nd、Sc、Er中一种或多种或它们的氧化物。

优选的，所述含稀土合金防腐涂层涂料的粉末采用雾化法制备出，粉末为粒度50-100μm的球形颗粒。

优选的，所述雾化法制备先用熔炼炉熔炼固定配比的金属液并在700-800℃下保温，均匀化后将之转移到可恒定控制金属液的中间包，最后中间包控制金属液流进雾化室，雾化室内采用惰性气体作为雾化介质，气体压强为0.9-2.1MPa，雾化室内高速流动的惰性气体将金属液雾化成细小的液滴。

有益效果：1、合金镀层的主要合金成分为铝。合金镀层晶体生长过程中，可在镀层表面形成氧化铝薄膜保护合金镀层，提高镀层的耐腐蚀寿命。目前合金镀层中Al组分的比例越来越高，以期实现铝的包覆保护能力与锌的牺牲阴极保护能力的最佳结合。2、锌对钢铁基体起到电化学保护作用，在腐蚀的过程中作为腐蚀阳极，通过牺牲自身以保护基体材料。3、铁可以有效抑制Al与Fe基体之间剧烈的化合反应，减少或杜绝“透镜状Fe₂Al₅”的生成，强化“薄层状Fe₂Al₅”的生成机制，建立Fe-Al-Zn均匀梯度的反应机制，从而提高镀层质量、减薄镀层厚度，并增加合金的润湿融合能力。4、镁均匀分布在镀层中，细化组织和增强镀层与基体的附着力，提高镀层的耐腐蚀性。5、镁和镍可作为溶剂钝化剂，能够在溶剂表面富集一层耐酸、碱、盐和高温腐蚀、兼有微观下网格固定保护和流动性自动覆盖损伤面而起保护功能的钝化膜层。此外。镍不仅可以增加涂料与基体材料的结合力，而且在喷涂过程中能产生化学反应，生产金属间化合物（Ni₃Al等）的自黏结成分，形成的底层无孔隙，保护基体，防止腐蚀。6、铬可以提高涂层高温性能、降低杂质Fe的有害作用，阻碍再结晶的成核和长大过程，强化结晶晶粒边界，改善合金的抗应力腐蚀裂纹能力。7、硅的加入可以提高合金涂层铸造性能和抗蚀性，并且能够降低锰的溶解度，细化退火晶粒。此外硅加入铝中亦有一定的强化作用。8、钛与高熔点过渡元素形成的高硬度高稳定性化合物，在高温时通过溶解、扩散和弥散分布于涂层中，并成为晶粒生长的有效异质结晶核。从而促进晶粒的形核抑制其生长而使晶粒细化，高效细化合金涂层的结晶粒度，提高了涂层的强度、韧性、硬度、耐磨性和高温性能，进而提高镀件的加工性和可焊性。9、铍的比重比Al小三分之一，强度跟钢差不多，传热性能是钢的三倍，是金属中良好的导体。其氧化物致密稳定，硬度大，熔点高，具有很好的高温防腐能力。利用铍元素对溶剂元素Al和Al+Zn的原子极化变径作用，在微观状态下有效调整原子尺寸和近程有序的结构，使熔体在宏观上结构均匀，降低表面张力，并改善熔体与基体的亲和性，增强涂层与基体的附着性。10、稀土添加剂：La、Ce、Pr、Nd、Sc、Er中一种或多种或它们的氧化物。稀土元素与合金中硫、氢、氧等杂质具有较强的亲和力，具有净化涂层杂质的作用，从而提高了涂层与钢基体的浸润性，增强涂层的结合强度；在涂层中添加稀土元素也可以改善涂层致密性，降低孔隙率，降低氧化速率，提高氧化膜的抗剥落性能，对提高涂层的耐蚀能能力有十分重要的作用；铝合金涂料中稀土元素可形成稳定的高熔点金属间化合物，这些高熔点金属化合物弥散分布于呈网状或骨架状的晶间和枝晶间，起到了强化和稳定晶界的作用；铝合金涂料中La也可与Al形成一定数量的AlSiLa相，由于其熔点和硬度很高，因此对提高合金的耐热性和耐磨性均有良好的作用；稀土还可以在铝合金表面形成稀土转化膜，抑制了氧和电子在铝合金表面与溶液之间的扩散和迁移，使腐蚀的动力消失，能起到更好的钝化保护作用。

具体实施方式

实施例1：

（1）按配方选定一组元素，按照元素重量百分比计，黏结性底层涂料成分比例为Ni：60，Al：30，Zn：9，Fe：1。配制底层涂料总量为500kg，则推算出所需的每种物质的重量为：Ni：300kg，Al：150kg，Zn：45kg，Fe：5kg。功能性面层涂料成分比例为Zn：30，Ni：10，Mn：0.5，Si：0.1，Cr：0.1，Ti：1，Be：0.03，稀土添加剂La：0.7、Ce：0.2、Pr：0.5、Er：1.6，余量为Al。配制的面层涂料总量为1000kg，则推算出所需的每种物质的重量为Zn：300kg，Ni：100kg，Mn：5kg，Si：1kg，Cr：1kg，Ti：10kg，Be：0.3kg，La：7kg，Ce：2kg，Pr：5kg，Er：16kg，Al：552.7kg。

（2）先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化并在800℃下保温。再按配方比例加入微量元素，最后再加入锌，搅拌均匀；现场取样分析，根据分析结果和配方范围，调整添加量；然后继续熔炼和搅拌，再次取样分析，直至各元素比例完全符合配方要求。

（3）然后对上述合金熔体进行炉内精炼并设800℃保温一段时间，金属液均匀化后转移到可以控制金属液流动的中间包中。然后金属液流入雾化室，雾化室内采用氩气作为雾化介质，气体压强为1MPa。雾化室内高速流动的氩气将金属液雾化成细小的液滴。最后在雾化室下端收集粒度为60μm的合金粉末。

（4）用丙酮对碳钢表面进行擦洗以去除油污，然后用16号刚玉砂对基体表面进行喷砂处理，以清除基体材料表面的氧化膜，增加基体表面的粗糙度。如果在强光线下喷砂面从各个角度观察都没有反射斑就可以进行后续操作。喷砂完成后，需要在3h内进行喷涂试验。

（5）基体表面处理完成后采用等离子喷涂技术对碳钢表面进行处理。首先设置等离子喷涂工艺参数，喷涂电流为500A，电压为60V，喷涂距离为100mm，送粉气流量7L/min。然后在基体表面喷涂60-90μm的黏性底层涂层。在底层涂料尚有余热时，继续采用等离子喷涂在底层表面再形成一层150-180μm的功能性面涂层。喷涂完成后自然冷却。

实施例2：

（1）按配方选定一组元素，按照元素重量百分比计，黏结性底层涂料成分比例为Ni：57，Al：28，Zn：13，Fe：2。配制底层涂料总量为500kg，则推算出所需的每种物质的重量为：Ni：285kg，Al：140kg，Zn：65kg，Fe：10kg。功能性面层涂料成分比例为Zn：35，Ni：15，Mn：0.78，Si：0.5，Cr：0.15，Ti：0.85，Be：0.04，稀土添加剂La：0.3、Ce：0.15：、Nd：0.9、Sc：0.65，余量为Al。配制的面层涂料总量为1000kg，则推算出所需的每种物质的重量为Zn：350kg，Ni：150kg，Mn：7.8kg，Si：5kg，Cr：1.5kg，Ti：8.5kg，Be：0.4kg，La：3kg，Ce：1.5kg，Nd：9kg，Sc：6.5kg，Al：456.8kg。

（2）先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化并在750℃下保温。再按配方比例加入微量元素，最后再加入锌，搅拌均匀；现场取样分析，根据分析结果和配方范围，调整添加量；然后继续熔炼和搅拌，再次取样分析，直至各元素比例完全符合配方要求。

（3）然后对上述合金熔体进行炉内精炼并设750℃保温一段时间，再采用雾化法制备合金粉末，雾化室内采用氩气作为雾化介质，气体压强为1.3MPa。雾化室内高速流动的氩气将金属液雾化成细小的液滴。最后在雾化室下端收集粒度为80μm的合金粉末。

（4）用无水乙醇对碳钢表面进行擦洗以去除油污，然后用20号金刚砂对基体表面进行喷砂处理，以清除基体材料表面的氧化膜，增加基体表面的粗糙度。如果在强光线下喷砂面从各个角度观察都没有反射斑就可以进行后续操作。喷砂完成后，需要在2.5h内进行喷涂试验。

（5）基体表面处理完成后采用等离子喷涂技术对碳钢表面进行处理。首先设置等离子喷涂工艺参数，喷涂电流为550A，电压为65V，喷涂距离为100mm，送粉气流量6L/min。然后在基体表面喷涂70-100μm的黏性底层涂层。在底层涂料尚有余热时，继续采用等离子喷涂在底层表面再形成一层170-200μm的功能性面涂层。喷涂完成后自然冷却。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及实施方式内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种用于接地网保护的含稀土合金涂层防腐方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于接地网保护的含稀土合金涂层防腐方法，其特征在于：按元素重量百分比计，黏性底层涂层涂料成分为Ni：40-60、Al：20-30、Zn：15-20和Fe：0.1-2；功能性面层涂料成分为Al：40-70、Zn：20-30、Ni：15-25、Mn：0.1-1、Si：0.1-2、Cr：0.1-1、Ti：0.5-1、Be：0.03-0.05，稀土添加剂：3-12，稀土添加剂为La、Ce、Pr、Nd、Sc、Er中一种或多种或它们的氧化物。

3.按照权利要求2所述的一种用于接地网保护的含稀土合金涂层防腐方法，其特征在于：防腐涂层涂料的粉末采用雾化法制备出，粉末为粒度50-100μm的球形颗粒。

4.按照权利要求3所述的一种用于接地网保护的含稀土合金涂层防腐方法，其特征在于：雾化法制备先用熔炼炉熔炼固定配比的金属液并在700-800℃下保温，均匀化后将之转移到可恒定控制金属液的中间包，最后中间包控制金属液流进雾化室，雾化室内采用惰性气体作为雾化介质，气体压强为0.9-2.1MPa，雾化室内高速流动的惰性气体将金属液雾化成细小的液滴。