郭文峰

（長(zhǎng)園共創(chuàng)電力安全技術(shù)股份有限公司，廣東珠海 519085）

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力安全問(wèn)題日益突出，防誤鎖具的應(yīng)用使得電力系統(tǒng)操作更加規(guī)范化和科學(xué)化，有效地避免了大量人為事故的發(fā)生。本文談及的機(jī)械編碼鎖廣泛地使用于電力行業(yè)輸配電網(wǎng)上，是電力系統(tǒng)的智能控制的重要一環(huán)。

在市區(qū)的戶外110 kV的配電區(qū)中手動(dòng)地刀閉鎖和接地線閉鎖以及機(jī)構(gòu)箱門閉鎖等中均采用了機(jī)械編碼鎖進(jìn)行智能在線控制，電網(wǎng)在送配電切換和檢修時(shí)，工作人員只有得到中央控制系統(tǒng)的許可才能使用電腦鑰匙或類似物進(jìn)行解鎖，其原理是電腦鑰匙上的讀碼頭讀取防誤鎖具上的讀碼片，成功后旋動(dòng)鑰匙解鎖，最后按工作票流程進(jìn)行操作，以避免人為事故發(fā)生，見圖1，圖2，圖3。

1 問(wèn)題現(xiàn)狀及成因

1.1 問(wèn)題現(xiàn)狀

由于在戶外使用，特別在海邊或化工廠附近，時(shí)間長(zhǎng)易發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，其表象主要有以下幾種：

圖1 閉鎖手動(dòng)地刀

圖2 閉鎖機(jī)構(gòu)柜門

圖3 閉鎖接地線

（1）長(zhǎng)期在室外的鎖具，靠陽(yáng)光面的起泡現(xiàn)象大于陰暗面，見圖4。

（2）離化工廠近處的鎖具，表面酸化嚴(yán)重，電鍍表面呈片狀，層層剝落，見圖5。

（3）靠海邊的鎖具，表面鹽化多，可擦去鹽類粉末，但不久會(huì)有銹跡，見圖6。

1.2 孔洞、裂紋腐蝕的成因

此款機(jī)械編碼鎖殼體采用的是鋁合金壓鑄成

圖4 起泡

圖5 酸化

圖6 鹽化

再分析導(dǎo)致鎖具起泡的直接原因，歸納起來(lái)大概有以下幾種。型，表面鍍鉻；其堅(jiān)固，體積輕，且表面亮麗，深受用戶的喜歡。鋁是元素周期表中第三周期主族元素，為面心立方晶格，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，延展性好、塑性好，可進(jìn)行各種機(jī)械加工[1]。然而鋁及其合金由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壓鑄工藝造成孔洞、晶間裂紋、雜質(zhì)混入等情況，加之其腐蝕電位較負(fù)，故全面腐蝕比較嚴(yán)重。鋁合金的腐蝕形態(tài)常見的有：點(diǎn)腐蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、絲狀腐蝕和層狀腐蝕。所以提高壓鑄工藝質(zhì)量，采用科學(xué)合理的表面處理工藝對(duì)于克服鋁合金表面性能的缺點(diǎn)，延長(zhǎng)其使用壽命，提高其防護(hù)性、裝飾性和功能性意義重大。

壓鑄，是壓力鑄造，是將液態(tài)金屬或半液態(tài)金屬，在高壓作用下，以很高的速度填充到壓鑄模的型腔中，并在壓力下快速凝固而獲得鑄件的一種方法。壓鑄時(shí)常用壓力從幾兆帕至幾十兆帕，填充起始速度在0.5～70 m/s；壓鑄時(shí)的熔料溫度，鋁合金一般從610 ℃～670 ℃，模具溫度一般為合金溫度的三分之一。一般在設(shè)計(jì)時(shí)，鋁合金的壁厚按表面積大小來(lái)劃分，合理的應(yīng)該是在表面積在400 mm2內(nèi)壁厚小于5 mm，大于400 mm2壁厚小于6 mm，圓角取1/2壁厚≤R≤壁厚；壓鑄件壁厚壁厚不能太薄，太薄會(huì)造成鋁合金熔料填充不良，成型困難；但隨著壁厚的增加，其內(nèi)部氣孔、縮孔等缺陷也隨之增加，另外應(yīng)盡量保持壁厚截面的厚薄均勻一致。適當(dāng)?shù)膱A角也會(huì)避免應(yīng)力及裂紋，有利于壓鑄成型[2]。從圖7、圖8實(shí)物鎖蓋的截面可以看出壁厚不均，從6 mm 過(guò)渡到3 mm，變化較大，過(guò)渡的圓角也偏小，只有1 mm，這些因素都不利于壓鑄成型，易造成裂紋和氣孔。

另一方面，對(duì)于圖6，從顯微結(jié)構(gòu)下看起泡面，圖9放大100倍，圖10放大300倍，可以發(fā)現(xiàn)凸起泡狀有微細(xì)裂紋。進(jìn)行能譜成分分析，化學(xué)元素Zn、Na和O的含量很高，嚴(yán)重影響鍍層的結(jié)合力，Cu 的含量很低，在鋁合金成分要求之內(nèi)，說(shuō)明鍍層中可能不存在銅鍍層[3]。

圖7 機(jī)械編碼鎖外形

圖8 機(jī)械編碼鎖局部剖面

圖9 100倍顯微結(jié)構(gòu)

圖10 300倍顯微結(jié)構(gòu)

（1）孔洞

孔洞主要是氣孔（見圖11）和收縮孔（見圖12），氣孔往往是圓形，而收縮孔多數(shù)是不規(guī)則形。

氣孔產(chǎn)生原因：①金屬在充型、凝固過(guò)程中，由于氣體侵入，導(dǎo)致鑄件表面或內(nèi)部產(chǎn)生孔洞；②涂料揮發(fā)出來(lái)的氣體侵入；③合金液含氣量過(guò)高，凝固時(shí)析出。當(dāng)型腔中的氣體、涂料揮發(fā)出的氣體、合金凝固析出的氣體，在模具排氣不良時(shí)，最終留在鑄件中形成氣孔。

縮孔產(chǎn)生原因：①金屬液在凝固過(guò)程中，由于體積縮小或最后凝固部位得不到金屬液的補(bǔ)充，而產(chǎn)生縮孔；②前面提到的厚薄不均或局部過(guò)熱，造成某一部位凝固慢，體積收縮時(shí)表面形成凹坑。

圖11 氣孔

圖12 收縮孔

圖13 裂紋

由于氣孔、縮孔的存在，使鋁合金在表面處理時(shí)，孔洞可能會(huì)進(jìn)水，當(dāng)電鍍后進(jìn)行烘烤時(shí)，孔洞內(nèi)水會(huì)變蒸汽，體積膨脹，因而導(dǎo)致鑄件表面起泡。

（2）裂紋（見圖13）

鋁合金裂紋主要有水紋、冷隔紋、熱裂紋[4]。產(chǎn)生的原因?yàn)榻饘僖涸诔湫瓦^(guò)程中，先進(jìn)入的金屬液接觸型壁過(guò)早凝固，后進(jìn)入的金屬液不能和已凝固層熔合為一體，在鑄件表面對(duì)接處形成疊紋，出現(xiàn)條狀缺陷。水紋則一般在鑄件表面淺層，而冷隔紋可能滲入鑄件內(nèi)部。熱裂紋產(chǎn)生的原因?yàn)椋孩偾懊嫣岬降脑O(shè)計(jì)時(shí)厚薄不均，圓角過(guò)小等，凝固時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力；②過(guò)早頂出，金屬?gòu)?qiáng)度不夠；③頂出時(shí)受力不均；④過(guò)高的模溫使晶粒粗大；⑤有害雜質(zhì)存在。裂紋存在后，電鍍時(shí)溶液會(huì)滲入到裂紋中在烘烤時(shí)轉(zhuǎn)化為蒸汽，氣壓頂起電鍍層形成氣泡。

所以上述分析可以解釋圖6，為什么朝陽(yáng)面容易起氣泡，因?yàn)樵撁嬷苯颖惶?yáng)照射，溫度上升比陰暗面高，內(nèi)部的氣孔，縮孔及裂紋中的液體氣化出來(lái)，頂起電鍍面形成氣泡。

1.3 酸化腐蝕的成因

SO2和NO2的大量排放，會(huì)造成局部地區(qū)出現(xiàn)酸雨，大大加速了包括鋁的許多材料的大氣腐蝕破壞，單一的NO2對(duì)鋁的大氣腐蝕的影響并不十分明顯。

1.4 鹽霧腐蝕的成因

海邊的特點(diǎn)是空氣潮濕，含NaCl即鹽成分比較多。而鹽霧對(duì)金屬材料的腐蝕，主要是導(dǎo)電的鹽溶液滲入金屬的內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，形成“低電位金屬-電解質(zhì)溶液-高電位雜質(zhì)”微電池系統(tǒng)，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，作為陽(yáng)極的金屬出現(xiàn)溶解，形成新的化合物即腐蝕物。金屬保護(hù)層和有機(jī)材料保護(hù)層也同樣，當(dāng)作為電解液的鹽溶液滲入內(nèi)部后，便會(huì)形成以金屬為電極和金屬保護(hù)層或有機(jī)材料為另一電極的微電池[6]。

鹽霧腐蝕破壞過(guò)程中起主要作用的是氯離子。若有水或者暴露在大氣中幾個(gè)月以后，最初形成的γ-Al2O3的外層轉(zhuǎn)變?yōu)橐驯应?AlOOH，然后又在γ-AlOOH上覆蓋一層Al（OH）3（也可寫成Al2O3·3H2O），它在pH 較大范圍內(nèi)保持穩(wěn)定[7]。但鋁的氯化物具有可溶性，在戶外暴露的鋁表面的氯離子具有很強(qiáng)的穿透本領(lǐng)，進(jìn)入腐蝕產(chǎn)物層。Cl_通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)吸附，逐步取代Al（OH）3表面上的OH-生成AlCl3，如下方程式：

2 解決措施

從上面的腐蝕成因可以知道，如果表面處理不當(dāng)，盡管鋁合金的表面氧化膜具有耐腐蝕性，它的生成是迅速而且致密的，且在大氣環(huán)境下有自修復(fù)性，但特定條件下，還是難以抵擋腐蝕的侵入，因此需要制定相應(yīng)的整改措施。

2.1 結(jié)構(gòu)整改措施

前面圖8 了解到鎖蓋厚度從6 mm 到3 mm 厚薄不均；圓角1 mm過(guò)小；這些都可能在壓鑄時(shí)產(chǎn)生孔洞，裂紋；對(duì)此，圖14在局部偏厚部分改為等壁厚3 mm；考慮強(qiáng)度問(wèn)題，增加數(shù)條橫縱交叉的加強(qiáng)筋，保證了部件的堅(jiān)固性。增大了圓角，通常為R4，最小外圓角為R2，減少應(yīng)力集中導(dǎo)致的裂紋發(fā)生。

圖14 機(jī)械編碼鎖改善后局部剖面

2.2 壓鑄工藝整改

針對(duì)前面提到的鋁合金壓鑄過(guò)程的缺陷，在工藝上從以下幾個(gè)方面入手。

（1）消除氣孔：①、選擇有利于型腔內(nèi)氣體排除的澆口位置和導(dǎo)流形狀，避免金屬液先封閉分型面上的排溢系統(tǒng)；②、直澆道的噴嘴截面積應(yīng)盡可能比內(nèi)澆口截面積大；③、提高壓室充滿度，盡可能選用較小的壓室并采用定量澆注；④、在滿足成型良好的條件下，增大內(nèi)澆口厚度以降低填充速度；⑤、在型腔最后填充部位處開設(shè)溢流槽和排氣道，并應(yīng)避免溢流槽和排氣道被金屬液封閉；⑥、深腔處開設(shè)排氣塞，采用鑲拼形式增加排氣；⑦、涂料用量薄而均勻，燃盡后填充，采用發(fā)氣量小的涂料；⑧、爐料必須處理干凈、干燥，嚴(yán)格遵守熔煉工藝；⑨、調(diào)整壓射速度，慢壓射速度和快壓射速度的轉(zhuǎn)換點(diǎn)；⑩、降低澆注溫度，增加比壓。

（2）消除縮孔：①、遵守合金熔煉規(guī)范，合金液過(guò)熱時(shí)間太長(zhǎng)，降低澆注溫度；②、適當(dāng)提高比壓；③、加大溢流槽容量，增厚溢流口；④、提高壓室充滿度，采用定量澆注；⑤、適當(dāng)改善澆注系統(tǒng)，以利壓力很好地傳遞。

（3）消除裂紋：①、修正模具結(jié)構(gòu)；②、提高模具工作溫度；③、縮短開模及抽芯時(shí)間；④、嚴(yán)格控制有害雜質(zhì)，調(diào)整合金成份，不能有過(guò)高的Si、Na、Zn含量。

2.3 表面處理工藝整改

鋁合金的表面處理對(duì)于其防腐是非常重要的，常見的鋁合金表面處理主要有陽(yáng)極氧化、鈍化、噴砂，噴塑及表面鍍覆等；陽(yáng)極氧化、鈍化、噴砂達(dá)不到客戶光亮度要求，而且耐腐蝕強(qiáng)度不夠；而整體噴塑后不易拆，且拆后密封性差，無(wú)法滿足后裝配及維修要求；表面鍍覆是比較理想的方法，方法大致有電鍍、化學(xué)鍍、電化學(xué)處理、化學(xué)處理；它的表面光亮度、耐腐蝕性，能達(dá)到客戶不同的質(zhì)量要求。本制品選擇的是電鍍。

先認(rèn)識(shí)一下電鍍，它是指借助外界直流電的作用，在溶液中進(jìn)行電解反應(yīng)，使導(dǎo)電體的表面沉積金屬或合金層的方法，見圖15。鍍層按電化學(xué)性質(zhì)分為陽(yáng)極性鍍覆層和陰極性鍍覆層。如鍍鎳的主要反應(yīng)化學(xué)方式為：

圖15 電鍍?cè)韴D

在陰極上的反應(yīng)為：

在陽(yáng)極上的反應(yīng)為：

電鍍層的抗腐蝕性能則主要取決于鍍層的厚度和暴露的環(huán)境等。使用的環(huán)境條件越惡劣，需要的鍍層越厚。

這里將使用的條件分成0～4 級(jí)。0 級(jí)，條件十分良好，表現(xiàn)為：空氣清潔，工作環(huán)境濕度低于60%的室內(nèi)條件；1級(jí)，條件良好，表現(xiàn)為：工作環(huán)境濕度低于70%的室內(nèi)條件；2 級(jí)，條件一般，表現(xiàn)為：城市的室外條件或可產(chǎn)生冷凝作用的室內(nèi)條件；3 級(jí)，條件惡劣，表現(xiàn)為：工業(yè)區(qū)的室外條件或高濕度的條件；4 級(jí)，條件十分惡劣，表現(xiàn)為：海上室外條件或少量腐蝕氣體的條件或高濕度的熱帶條件[8]。

而作為基體為鋁合金的壓鑄件，采用鍍層為單純是銅、鋅、鎳難以達(dá)到實(shí)驗(yàn)條件，在相同條件下，銅＋鎳＋鉻的鍍層則表現(xiàn)的優(yōu)秀一些[9]。但鍍層的厚度是關(guān)鍵指標(biāo)，如同樣為銅＋鎳＋鉻，但當(dāng)其中鎳層最小厚度為30 μm 只能滿足3 級(jí)使用條件，而使用在化工廠附近或海邊則鎳層最小厚度需要大于50 μm 才能滿足要求。實(shí)際在電鍍操作時(shí)，計(jì)算時(shí)間則采用下面計(jì)算公式更為直接。

鍍層厚度d 的計(jì)算公式（d：μm）：d=（K×Dk×t×ηk×100）/（60×ρ）[10]；

電鍍時(shí)間t 計(jì)算公式（t：min）：t=（60×ρ×d）/（K×Dk×ηk×100）；

其中：ρ為電鍍層金屬密度（g/cm3）；Dk為陰極電流密度（A/dm2）；ηk為陰極電流效率（%）。

例如：已知鍍鎳液電流效率ηk為95%，Dk為15 A/d㎡，查得鎳的K為1.095，ρ為8.9，則：

d=（K×Dk×t×ηk×100）/（60×ρ）=（1.095×15×1×0.95×100）/（60×8.9）=2.922 μm。

電鍍1 分鐘后所得鍍層厚度近3 μm，則得到50 μm的鎳鍍層需要約17分鐘。

當(dāng)然在電鍍前對(duì)基體表面的前處理往往是提高電鍍層的結(jié)合力的有效辦法，據(jù)統(tǒng)計(jì)，60%的電鍍不良品是由于前處理不良所造成的。一般工藝流程為：化學(xué)除油→熱水洗→冷水洗→酸洗→冷水洗→出光→冷水洗→電化學(xué)除油→熱水洗→冷水洗→弱腐蝕→電鍍。同樣后處理則是在電鍍后對(duì)鍍層進(jìn)行各種處理用來(lái)增強(qiáng)鍍層的各種性能，對(duì)提高耐腐蝕性有較好作用，方法有鈍化、中和、著色、防變色、封孔等。

3 結(jié)語(yǔ)

從上面數(shù)據(jù)可以知道，本文提到電力防誤鎖具使用在戶外嚴(yán)酷環(huán)境下，要達(dá)到良好的防腐效果是綜合性措施改進(jìn)，涉及到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、選材、壓鑄成型工藝，表面的電鍍質(zhì)量，前后處理的保證等，只有均按規(guī)范來(lái)操作才能取得最終的結(jié)果，經(jīng)過(guò)各方面的努力，此款電力防誤鎖具按上述整改后，經(jīng)過(guò)各方檢測(cè)已達(dá)到了理想狀態(tài)，并得到了用戶的好評(píng)，同時(shí)企業(yè)也收到了良好經(jīng)濟(jì)效益，見圖16。

圖16 改善后機(jī)械編碼鎖

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