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        戶外電力防誤鎖具防腐探究

        2013-06-06 04:33:54郭文峰
        機(jī)電工程技術(shù) 2013年6期
        關(guān)鍵詞:裂紋

        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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