CN117947374A - 基于接地材料功能需求提高铸铁耐蚀性与导电性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于接地材料功能需求提高铸铁耐蚀性与导电性的方法，先取铸铁试样进行打磨、抛光，清洗，干燥，对其表面涂覆改性树脂、固化，再置于管式炉中，在惰性气体保护下，加热进行渗碳处理，随后炉冷至室温，即完成。本发明通过改性在铸铁表面形成了一层耐蚀性好的渗碳层，使铸铁在保证耐蚀性的同时进而改善了土壤/接地材料界面导电性。该改性方法生产成本低廉，延长了接地材料的使用寿命，提高了接地极的服役性能，符合接地材料功能需求。
Description
技术领域
本发明属于铸铁材料改性技术领域，涉及一种基于接地材料功能需求提高铸铁耐蚀性与导电性的方法。
背景技术
接地网是电力系统的重要组成部分，埋设于土壤中，释放入地电流，平衡电站电压。接地极的正常服役是确保电网安全运行和可靠供电的重要保障，对人类生产生活至关重要。接地极常年深埋于地下，受到土壤环境和杂散电流的影响，运行条件苛刻，腐蚀严重甚至穿孔断裂，影响人身安全，造成经济损失，成为电力行业一大难题。常见的接地材料有铜、碳钢和镀锌钢以及其他金属包覆材料，铜耐蚀性好但价格高昂，对土壤污染严重；碳钢导电性好，但腐蚀严重；镀锌钢有锌镀层牺牲阳极保护阴极，一旦锌层破裂腐蚀极其严重，也不是理想接地材料。因此研究一种成本低廉、耐土壤腐蚀、土壤/接地材料界面导电性良好的新型接地材料对电力系统接地极的服役和选型具有重大意义。
铸铁生产和应用具有悠久的历史，是目前使用量仅次于钢材的金属材料。铸铁熔炼简单、成本低廉，具有良好的铸造性能和机械性能等优点。科研工作者尝试在普通铸铁中添加各类合金元素(如Si、Cr、Ni、Al、Mo等)，出现了一系列如高硅铸铁、铬铸铁、镍铸铁、铝铸铁等耐蚀铸铁。对铸铁材料组成结构进行一定的调控，但熔炼过程复杂，耗材多，成品率低。研究一种对低合金铸铁进行成本低、污染小的改性方法可有效提升铸铁的耐蚀性，具有重大意义。铸铁腐蚀后的腐蚀产物体积为其被腐蚀基体的3-5倍，严重影响土壤/接地材料界面导电性，因此，在兼顾耐蚀性的同时也要考虑腐蚀产物导电性。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种基于接地材料功能需求提高铸铁耐蚀性与导电性的方法，可以兼顾耐蚀性和土壤/接地材料界面导电性，满足接地材料功能需求。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一提供了一种基于接地材料功能需求提高铸铁耐蚀性与导电性的方法，先取铸铁试样进行打磨、抛光，清洗，干燥，对其表面涂覆改性树脂、固化，再置于管式炉中，在惰性气体保护下，加热进行渗碳处理，随后炉冷至室温即完成。
进一步的，所述铸铁试样为铸铁合金。
更进一步的，所述铸铁合金中包含3.75wt％C、1.83wt％Si、0.022wt％S、0.032wt％P、0.72wt％Mn、0.05wt％Cr、0.1wt Ti、0.2wt％Re，其余为Fe。
进一步的，所述改性树脂为环氧树脂。
进一步的，所述铸铁试样表面环氧树脂涂覆量为0.5～1g/cm2。
进一步的，所述惰性气体为氮气。
进一步的，所述渗碳处理的温度为750～900℃，保温时间为0～60min。
进一步的，所述渗碳处理过程中的升温速率为4-6℃/min。
本发明的技术方案之二提供了一种接地材料，其采用铸铁材料基于如上任一所述的方法改性得到。
以环氧树脂作为改性树脂为例，本发明在渗碳条件下，环氧树脂碳化解离出碳原子，在树脂与铸铁表面碳浓度差下扩散至铸铁表面，大量活性碳原子积聚在铸铁表面。当表面活性碳原子的浓度达到一定值时，活性碳原子开始扩散到铸铁基体中与基体反应，在铸铁表面形成过渡态碳化物(3Fe+C→Fe3C)。过渡态碳化物不稳定，一方面继续吸收游离碳原子直至在给定的渗碳温度下达到碳在铸铁中的最大溶解度；另一方面在高温下过渡态碳化物分解为碳和铁原子(Fe3C→3Fe+C)。过渡态渗碳层与基体内部产生碳浓度差，为碳在铸铁基体中扩散提供动力，金属表面的碳逐渐扩散至基体金属中，界面处出现细小石墨。二者循环往复，直至在金属表面形成稳定渗碳层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)通过改性在铸铁表面形成了一层耐蚀性好的渗碳层，并使得铸铁表面的石墨细化，使铸铁在保证耐蚀性的同时进而改善了土壤/接地材料界面导电性。
(2)该改性方法生产成本低廉，延长了接地材料的使用寿命，提高了接地极的服役性能，符合接地材料功能需求。
附图说明
图1为铸铁在不同渗碳温度和时间下渗碳层厚度和渗碳薄层表面形貌，(a)750℃-0h，(b)750℃-0.5h，(c)750℃-1h，(d)800℃-0h，(e)800℃-0.5h，(f)800℃-1h，(g)900℃-0h，(h)900℃-0.5h，(i)900℃-1h(注：0h为加热至指定温度后立即炉冷至室温)。
图2为不同渗碳热处理参数表面渗碳层XRD图谱。
图3为不同渗碳热处理参数表面渗碳层拉曼图谱。
图4为空白铸铁样品基体石墨形态。
图5为不同渗碳热处理参数下截面SEM/BED-C形貌，其中，(a)750℃-0h，(b)750℃-0.5h，(c)750℃-1h，(d)800℃-0h，(e)800℃-0.5h，(f)800℃-1h，(g)900℃-0h，(h)900℃-0.5h，(i)900℃-1h(注：0h为加热至指定温度后立即炉冷至室温)。
图6为空白铸铁和不同渗碳热处理参数试样(a)极化曲线(b)拟合腐蚀速率。
图7为土壤模拟液时效试验750℃保温0h渗碳热处理铸铁和空白铸铁极化曲线和拟合腐蚀速率。
图8为土壤模拟液时效试验阻抗谱图，其中，(a)空白铸铁，(b)750℃保温0h渗碳热处理铸铁阻抗谱图。
图9为土壤模拟液时效试验腐蚀产物截面形貌，其中，(a)空白铸铁，(b)750℃保温0h渗碳热处理铸铁。
图10为不同交流电流强度下渗碳铸铁、空白铸铁和镀锌钢的极化曲线和拟合腐蚀速率比较。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中，涂覆所用的环氧树脂以及冷镶所用的环氧树脂均为上海树脂厂有限公司生产的绿宝593系列产品。
其余如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
在一些实施方式中，本发明提供了一种基于接地材料功能需求提高铸铁耐蚀性与导电性的方法，具体为：
(1)将铸铁试样表面进行打磨、抛光，清洗，干燥，涂覆环氧树脂、固化，置于管式炉中，通氮气保护，控制温度和保温时间在铸铁表面进行渗碳工艺。
具体为：从室温开始，升温速率为5℃/min，热处理温度为750～900℃，保温时间为：0～60分钟。热处理过程中采用氮气保护。
(2)渗碳后的铸铁样品用环氧树脂冷镶，并对样品截面进行打磨、抛光，清洗，干燥，通过光学显微镜观察渗碳铸铁试样截面渗碳层厚度、铸铁基体石墨和金相组织变化。
(3)通过扫描电镜观察渗碳薄层致密性及晶粒大小，观察渗碳铸铁表面渗碳层形貌变化。
(4)通过X射线衍射和拉曼光谱观察渗碳薄层物质组成变化。
(5)运用三电极体系置于土壤模拟液中，通过电化学测量获得渗碳铸铁样品的腐蚀速度。
(6)将(1-5)结果进行综合比较，选取最优渗碳参数为以5℃/min升温速率从室温加热到750℃，然后炉冷至室温。
(7)将渗碳铸铁和空白铸铁制作电化学测量试样，置于土壤模拟液中，进行为期35天的时效试验。运用三电极体系，每7天进行一次电化学测量，比较腐蚀速度。时效试验结束后对渗碳铸铁、空白铸铁进行清洗和干燥，通过扫描电镜观察腐蚀产物及石墨分布状况。
(8)将渗碳铸铁、空白铸铁和镀锌钢制作电化学测量试样，运用三电极体系，置于不同交流电流强度干扰的土壤模拟溶液中，进行电化学测量比较。
实施例1：
基于上述实施方式，本实施例选取耐蚀铸铁进行表面改性。铸铁合金的成分如表1，机械加工为直径10mm，高度为5mm的柱状试样。试验前每个铸铁试样依次采用400#-2000#的SiC砂纸逐级打磨，使用金相抛光机抛光至表面光亮出现镜面，用酒精去除水分，最后用电吹风吹干备用。
表1
| C | Si | S | P | Mn | Cr | Ti | Re |
| 3.75 | 1.83 | 0.022 | 0.032 | 0.72 | 0.05 | 0.1 | 0.2 |
铸铁试样表面涂覆0.7g/cm2环氧树脂并固化。固化完成后置于坩埚中，采用管式炉进行加热，反应过程中全程通入氮气作为保护气体。实验控制渗碳温度为750、800、900℃，保温时间为0h、0.5h、1h。
渗碳铸铁试样表面冷镶树脂固化保护对截面进行打磨、抛光，清洗，干燥，通过光学显微镜观察渗碳铸铁试样截面的渗碳层厚度、石墨和金相组织变化。
土壤模拟液成分如表2所示。使用三电极体系，以铂电极作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极，将工作电极、辅助电极和参比电极置于土壤模拟液中进行电化学测试。电化学测试主要包括开路电位测试、极化曲线、交流阻抗测试。试验完成后，对电化学数据进行分析。
表2土壤模拟液成分(g/L)
| KCl | NaHCO3 | CaCl2 | MgSO4·7H2O |
| 0.122 | 0.483 | 0.137 | 0.131 |
图1为铸铁在不同渗碳温度和时间下渗碳层厚度和渗碳薄层表面形貌。渗碳层厚度结果表明，随着保温时间增加，渗碳层厚度增加；随着渗碳温度增加，渗碳层厚度降低。渗碳薄层表面形貌结果表明，随着渗碳温度和时间增加，表面渗碳薄层发生应力开裂，晶粒尺寸明显增大。综上渗碳温度750℃，渗碳层稳定性最好。
图2和图3为渗碳层的XRD和拉曼图谱。XRD图谱结果表明，渗碳处理的样品中含有铁素体(α-Fe)和渗碳体(Fe3C)衍射峰，其中750℃-0h试样铁素体衍射峰较弱，Fe3C衍射峰最强，结晶性最好。拉曼图谱结果表明不同渗碳热处理参数下拉曼特征峰基本一致，均为Fe3C特征峰，其中750℃-0h试样Fe3C特征峰更加明显和尖锐，Fe3C晶型更加完整，与XRD结果一致。可以得知在铸铁表面形成了一层碳化铁为主的渗碳层。在热处理条件下，渗碳体分解，基体中细小石墨数量增加，渗碳层厚度显著降低。
图4为空白铸铁样品基体石墨形态。空白铸铁中以碎块状、蠕虫状等石墨组织为主，石墨大小为7级，直径约为30-35μm。
图5为不同渗碳热处理参数截面BED-C形貌。图4和图5对比发现，经过渗碳热处理后，界面处小石墨数量显著增加，随着渗碳温度和时间的增加，小石墨颗粒有明显长大趋势。在高温情况下，基体渗碳体发生分解，发生Fe3C→3Fe+C反应，使渗碳体转变为铁素体+石墨颗粒。同时表面渗碳为基体内部提供碳源，提供石墨成核的动力，导致界面处细小石墨数量增加，小石墨在高温下有长大趋势。渗碳温度750℃保温时间0h基体中出现了不同程度的石墨团聚，呈球状或者蠕虫状分布在基体中，分布均匀，更耐腐蚀。
从图6可以看出，所有热处理参数下试样的极化曲线都是活化控制的，即电极反应速率受到电荷转移速率的限制。所有热处理参数下试样的腐蚀电位都比空白铸铁高，表明渗碳碳热处理可以有效提高铸铁的耐腐蚀性。750℃保温0h渗碳热处理样品自腐蚀电位最高，极化拟合速率速率最低为0.04mm/a(图6b)。结合图1可知该样品表面形成渗碳层较厚，表面均匀致密，能够抑制腐蚀过程，从而提高试样的耐腐蚀性。
图7、图8均为土壤模拟液时效试验空白铸铁和750℃保温0h渗碳热处理铸铁电化学数据。从图7可以看出，渗碳热处理样品腐蚀速率远低于空白试样。
表3
由表3拟合参数可知，空白铸铁和渗碳铸铁膜电阻Rf值随着腐蚀时间增加逐渐降低。Rf值降低代表了腐蚀产物导电性增加，均为铸铁腐蚀产物中大量石墨存在导致。空白铸铁电荷转移电阻Rct远低于渗碳铸铁，代表渗碳铸铁基体耐蚀性显著增加。图9可以看出，空白铸铁腐蚀后腐蚀产物体积为其被腐蚀基体的3-5倍，腐蚀程度极其严重，而渗碳铸铁几乎未被腐蚀。证实750℃保温0h渗碳热处理对铸铁耐蚀性有显著影响。
图10为不同交流电流强度下渗碳铸铁、空白铸铁和镀锌钢的极化曲线和拟合腐蚀速率比较。由图可知，渗碳铸铁在不同交流电流强度下开路电位最高，腐蚀速率远低于空白铸铁和镀锌钢，符合接地材料功能需求。
经验证，以0.7g/cm2环氧树脂作为碳源控制温度为750℃保温时间为0h的渗碳铸铁在模拟工况下耐蚀性极好，渗碳层在增加耐蚀性的同时增加其腐蚀产物导电性，符合作为接地材料功能需求。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于接地材料功能需求提高铸铁耐蚀性与导电性的方法，其特征在于，先取铸铁试样进行打磨、抛光，清洗，干燥，对其表面涂覆改性树脂、固化，再置于管式炉中，在惰性气体保护下，加热进行渗碳处理，随后炉冷至室温，即完成。
2.根据权利要求1所述的一种基于接地材料功能需求提高铸铁耐蚀性与导电性的方法，其特征在于，所述铸铁试样为铸铁合金。
3.根据权利要求1所述的一种基于接地材料功能需求提高铸铁耐蚀性与导电性的方法，其特征在于，所述铸铁合金中包含3.75wt％C、1.83wt％Si、0.022wt％S、0.032wt％P、0.72wt％Mn、0.05wt％Cr、0.1wt Ti、0.2wt％Re，其余为Fe。
4.根据权利要求1所述的一种基于接地材料功能需求提高铸铁耐蚀性与导电性的方法，其特征在于，所述改性树脂为环氧树脂。
5.根据权利要求1所述的一种基于接地材料功能需求提高铸铁耐蚀性与导电性的方法，其特征在于，所述铸铁试样表面的环氧树脂涂覆量为0.5～1g/cm2。
6.根据权利要求1所述的一种基于接地材料功能需求提高铸铁耐蚀性与导电性的方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气。
7.根据权利要求1所述的一种基于接地材料功能需求提高铸铁耐蚀性与导电性的方法，其特征在于，所述渗碳处理的温度为750～900℃，保温时间为0～60min。
8.根据权利要求1所述的一种基于接地材料功能需求提高铸铁耐蚀性与导电性的方法，其特征在于，所述渗碳处理过程中的升温速率为4-6℃/min。
9.一种接地材料，其特征在于，其采用铸铁材料基于如权利要求1-8任一所述的方法改性得到。
10.如权利要求9所述的接地材料在制备接地极中的应用。
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