特高壓金具熱鍍鋅缺陷分析與控制

摘 要：隨著輸變電電壓等級的提高，對電力金具的熱鍍鋅質(zhì)量提出了更高的要求。本文通過對特高壓金具熱鍍鋅缺陷的分析與控制，對熱鍍鋅工藝進(jìn)行優(yōu)化，大大提高了電力金具的熱鍍鋅表面質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：特高壓金具；熱鍍鋅；缺陷；控制

引言

近年來，架空輸電線路的電壓等級由500KV逐漸向交流750KV、1000KV和直流±800KV、±1100KV電壓等級發(fā)展，由于電壓等級的提高，對電力金具的產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求，除要能滿足更高的機(jī)械強(qiáng)度和更高的抗腐性能等要求外，在防電暈方面也提出來了更高的要求。因此，普通的熱鍍鋅工藝已經(jīng)不能滿足對于特高壓輸電線路金具熱鍍鋅的要求，對特高壓金具熱鍍鋅存在缺陷進(jìn)行分析和研究，從加強(qiáng)工藝控制方面入手，對熱鍍鋅工藝進(jìn)行優(yōu)化，以提高特高壓金具熱鍍鋅的質(zhì)量。

1.特高壓金具對熱鍍鋅的質(zhì)量要求

輸電線路中電力金具是承載電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此，對配套電力金具的熱鍍鋅提出了更高的要求。

對于熱鍍鋅層的附著力要求更好，因?yàn)樘馗邏弘娋W(wǎng)配套電力金具承受的壓力更大，部件之間的配合處容易出現(xiàn)由于接觸摩擦力大而導(dǎo)致鍍鋅層破損的現(xiàn)象，從而失去防腐蝕的作用，長期運(yùn)行將會導(dǎo)致金具的失效，所以，對于熱鍍鋅層的附著力提出了更高的要求，不能出現(xiàn)熱鍍鋅層脫落的現(xiàn)象。

對熱鍍鋅層的防腐蝕能力要求更嚴(yán)，由于特高壓金具設(shè)計(jì)壽命長，因此要求熱鍍鋅層保留的時間更長，熱鍍鋅層組織結(jié)構(gòu)和性能更優(yōu)，不能出現(xiàn)鍍鋅不足或漏鍍?nèi)毕?，要能保證防腐蝕要的求。

對熱鍍鋅層表面缺陷的控制要求更高，特高壓金具安裝在高電壓絕緣子上，容易出現(xiàn)電暈現(xiàn)象，因此特高壓金具熱鍍鋅層表面不允許有凸瘤和毛刺等缺陷存在，熱鍍鋅層應(yīng)為連續(xù)、均勻、光滑的表面。

2.特高壓金具熱鍍鋅常見缺陷

特高壓金具與普通電力金具產(chǎn)品的熱鍍鋅層有同樣的缺陷，熱鍍鋅層表面許多常見的質(zhì)量缺陷有：熱鍍鋅層厚度不均勻、鋅層脫落、漏鍍、凸瘤、灰暗、留痕以及鋅層出現(xiàn)白銹等等。

3.熱鍍鋅層表面缺陷的原因分析

熱鍍鋅層表面缺陷的產(chǎn)生的原因大致有五個方面：①表面預(yù)處理狀況不好；②金具本身基體狀態(tài)不佳；③鋅液中添加的元素過量或夾有其他有害元素；④鍍鋅工藝不合理；⑤機(jī)械加工方法上的缺陷。下面具體分析產(chǎn)生這些缺陷的原因。

3.1表面預(yù)處理狀況不好

特高壓金具熱鍍鋅前要進(jìn)行預(yù)處理，其中包括脫脂、拋丸（除氧化皮）、酸洗（除銹）和活化助鍍等。表面預(yù)處理不好，是造成漏鍍（或露鐵）的主要原因。

（1）大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)都沒有脫脂工序，僅靠酸洗去除產(chǎn)品表面的油脂，這樣就無法完全去除機(jī)械加工后待鍍鋅產(chǎn)品表面粘附的油污；

（2）拋丸時間較短，氧化皮去除不干凈；

（3）在酸洗過程中，由于工件較多擠在一起，會造成欠酸洗和夾點(diǎn)；酸洗液的濃度過高，會使鐵鹽沉淀于表面和溝槽之中；酸洗后不水洗，或水洗不徹底；

（4）助鍍?nèi)軇├匣Щ蚵然\和氯化銨配比比例、濃度不正確，沒有形成共晶點(diǎn)；

（5）烘干過程中沒有及時將待鍍件分開擺放，或烘干溫度低，使烘干時間較長，待鍍件表面因二次微氧化（紅、綠銹）而形成鐵鹽，覆蓋在表面上[1]。

3.2金具本身基體狀態(tài)不佳

金具本身的基體狀態(tài)，是指表面粗糙度、表面晶體取向、金相組織、殘余應(yīng)力等。金具本身基體狀態(tài)不佳，在硅含量為0.17%-0.37%時，相同的溫度下，即使熱鍍鋅工藝合理、穩(wěn)定，往往也會造成鍍鋅層偏厚和附著力差的現(xiàn)象。

基體表面粗糙度對熱鍍鋅層的形成有明顯的影響?；w表面的凹凸會使鐵鋅合金層的生長形態(tài)發(fā)生變化：在凸處，剛形成的ζ晶體相分離，使液態(tài)鋅可穿透到ε/ζ界面附近，支持ζ相連續(xù)快速生長而形成迸發(fā)狀晶粒；在凹入?yún)^(qū)域，由于生長受擴(kuò)散控制，可得到緊密、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[2]。所以要消除機(jī)械加工時留下的車刀紋，或用布輪進(jìn)行拋光處理。

特高壓金具基體金相組織及形狀也會影響熱鍍鋅層的厚度和附著力。為了提高低合金結(jié)構(gòu)鋼金具的抗拉強(qiáng)度和硬度，有時需要對金具基體進(jìn)行局部淬火處理。控制淬火后的回火溫度是關(guān)鍵?；鼗饻囟扔?，則鋼中碳化物的析出量愈多，α-Fe中碳的飽和度也愈低，這將影響基體中鐵對鋅的活性程度，有時幾乎沒有ζ晶體相的生成，熱鍍鋅層的附著力就差。

特高壓金具基體表面晶粒位向和殘余應(yīng)力，基本上對熱鍍鋅層沒有多大的影響。對熱鍍鋅層影響最大的是特高壓金具基體中C、Si、P等元素，它們會影響金具的活性，促進(jìn)Fe-Zn反應(yīng)，使合金層中ζ相快速增長，形成厚而粗大的晶粒露于鋅層表面，從而導(dǎo)致表面粘附性變差。

3.3鋅液中添加的元素過量或夾有其他有害成分

為了降低熱鍍鋅層厚度，增加鍍層表面光澤，提高附著力，一般都會向鋅液中添加含有鋁、鎳、錫、鉛等鋅合金元素。如果這些元素的含量過多（如鐵離子含量過高）或者其中夾有其它有害成分，會使鋅渣顆粒粘附在鍍層表面，從而導(dǎo)致鍍層脆裂，附著力差。常見幾種元素對熱鍍鋅的影響：

3.3.1鐵離子

經(jīng)過一段時間的熱鍍鋅后，金具的表面會出現(xiàn)鋅堆和微小的鋅渣，使得鋅層表面粗糙，光滑度下降。這種微小顆粒一般是Fe-Zn合金顆粒渣。在高溫鍍鋅（550℃）時，鋅液中鐵的溶解度由常規(guī)熱鍍鋅（450℃）時的0.035%增加到0.3%。鋅液中的鐵一般來自鋅鍋的腐蝕、金具本身和鍍鋅工具在鋅液中的溶解、助鍍?nèi)軇┲械蔫F離子等。因此，為了得到光滑的鋅層，必須要嚴(yán)格地控制鋅液中的鐵含量，盡量減少鐵離子的進(jìn)入。理想的鋅液中鐵含量在0.1%～0.2%為宜。當(dāng)鋅液中鐵含量大于0.2%時，應(yīng)使鋅液靜止一段時間后并打撈鋅渣。由于550℃下鋼鐵在鋅中溶解較快，因此高溫?zé)徨冧\不能采用常規(guī)的鋼制鐵鍋或鑄鐵鍋，而必須改用內(nèi)加熱陶瓷鋅鍋設(shè)備。這與使用鑄鐵鍋相比，可以減少30%～35%鋅渣[3]。

3.3.2鋁

鋁是熱鍍鋅液中最常添加的元素。在鋅液中添加不同濃度的鋁可獲得不同性質(zhì)的熱鍍鋅層。在高溫?zé)徨冧\特高壓金具時，由于鋅液溫度高，鍍件離開鋅液后δ相仍繼續(xù)生長，在鍍件表面形成δ和η相的混合組織，鍍層表面呈淺灰色，故而要在鋅液中添加鋅鋁合金，使鋅液中含鋁量為0.03%～0.05%，以獲得光亮的熱鍍鋅層，并減少鋅液面氧化和鋅灰的生成，抑制脆性Fe-Zn相的形成，改善鍍層的粘附性。必注意的是，添加鋁的方式宜采用Zn-Al中間合金。生產(chǎn)中往往因所添加的中間合金的質(zhì)量問題以及添加的方法不當(dāng)（過多或過快），從而導(dǎo)致鋅液中形成大量Al-Fe-Zn化合物，這種小于鋅液密度的Al-Fe-Zn三元“面渣”或顆粒類似于鋁的氧化物，漂浮在鋅液表面上，很容易粘附在鍍件上，造成鍍層質(zhì)量的下降，此時僅靠降溫和撈渣是不行的。一旦發(fā)現(xiàn)這種情況，應(yīng)停止添加合金，采取鋅液凈化措施，把鋁量降下來。在鋅液中鋁含量不大的情況下，可適當(dāng)延長空冷時間和提高冷卻水溫度，以防鍍件表面出現(xiàn)“橘皮狀”皺紋和氣泡。若直接向鋅液中添加純鋁、電纜鋁絲，經(jīng)常會導(dǎo)致鍍件離開鋅液后表面有“疙瘩”現(xiàn)象，在空冷或水冷時“疙瘩”迸裂而出現(xiàn)露鐵，或在后續(xù)其他表面處理工序中出現(xiàn)掉鋅皮。鋅液中鋁含量超過0.1%時，會出現(xiàn)漏鍍的現(xiàn)象。

3.3.3鎳

鋅液中添加鎳是為了解決熱鍍鋅中因鋼材中含硅而出現(xiàn)的“圣德林現(xiàn)象”，從而解決鍍層色差現(xiàn)象。在鋅液中添加0.04%～0.12%的鎳，能有效減緩鋅和鐵在ζ相中的擴(kuò)散速度，從而控制鍍層厚度的增長；改善鋅液的流動性，使鍍件提出鋅液時鍍件表面的鋅可更快流回到鋅液中，降低鋅耗；減少鍍層表面滴瘤及流痕等缺陷的產(chǎn)生，使鍍層更平滑、均勻。但鋅液中鎳的含量不宜超過0.06%，否則會產(chǎn)生Fe-Zn-Ni三元 Γ2相鋅渣并粘附在鍍層表面，而出現(xiàn)一些小的顆粒[4]。

3.3.4鉛和錫

為了增加鋅液的流動性，降低鍍層厚度，減少裸露點(diǎn)的出現(xiàn)，有利于沉渣、撈渣，也需要向鋅液中添加微量的鉛。450℃時，鉛在鋅液中的溶解度約為1.2%，多余的鉛會沉入鋅鍋底。當(dāng)鋅液中鉛含量為0.5%時，鋅液流動性最差。故鋅液中的含鉛量應(yīng)控制在0.005%～0.2%之間。實(shí)踐證明，當(dāng)鋅液中含飽和鉛時，可提高鋅液的流動性，減少鋅瘤，降低鋅耗及鋅液溫度，減少能耗。如果在鋅液中添加約5%的錫時，能控制超厚鍍層的生長，鍍層的厚度比沒有添加錫時降低了10%～15%。需要注意的是，鉛和錫都不能過量，否則鍍層表面將出現(xiàn)“龜紋”和羽毛狀花紋，嚴(yán)重影響鍍層的耐蝕性。

3.4鍍鋅工藝不合理

國內(nèi)大多數(shù)熱鍍鋅生產(chǎn)企業(yè)的工藝仍十分落后。所采用的工藝一般為：工件-拋丸-酸洗-烘干-熱鍍鋅-氯化銨爆鋅瘤-水冷-檢驗(yàn)-包裝?？偨Y(jié)其缺點(diǎn)有以下幾個方面：

（1）酸洗后不進(jìn)行水漂洗，這樣會直接把鐵鹽帶進(jìn)鋅液，使鋅液變黏稠，降低鋅液的流動性，使鍍層的附著力變差；

（2）沒有采用助鍍?nèi)軇柋葹?：3的氯化鋅與氯化銨）對鍍件進(jìn)行表面活化處理，除造成鍍層的附著力變差的問題外，還會使鋅灰、鋅渣增多，鍍層露鐵增多；

（3）沒有自動控溫裝置，使鋅液溫度忽高忽低，從而造成鍍鋅層厚度不均勻，鐵制鋅鍋產(chǎn)生的鋅渣更快；

（4）在熱浸鍍鋅時，直接向鋅液中添加純鋁、電纜鋁絲、鎳粉、稀土粉等，而造成鋅液黏稠、流動性差，鋅液表面出現(xiàn)浮渣等問題；

（5）對粘有油污的帶螺紋的鍍件不進(jìn)行脫脂處理，僅靠酸洗去油脂，不僅會造成漏鍍，還會影響鍍層的附著力；

（6）采用氯化銨溶液爆鋅瘤，容易在鍍件表面附著一層氯化銨，鋅層表面被腐蝕，出現(xiàn)灰斑和“白銹”；

（7）水冷后不進(jìn)行烘干或干燥不徹底，放在潮濕和通風(fēng)不良的環(huán)境中會發(fā)生電化學(xué)腐蝕而出現(xiàn)“白銹”，降低鍍層的耐腐蝕性，直接影響產(chǎn)品的外觀。

3.5機(jī)械加工方法上的缺陷

熱鍍鋅金具在鍍鋅后，有部分產(chǎn)品要進(jìn)行機(jī)械加工。夾持的方法、夾緊力、夾持部位和切削刀具不當(dāng)都會造成鍍層表面的損傷，甚至?xí)斐擅撲\皮的現(xiàn)象。

4.特高壓金具熱鍍鋅工藝優(yōu)化與控制

目前電力金具的熱鍍鋅工藝仍比較落后，再加上工藝執(zhí)行和工廠管理制度的不規(guī)范，產(chǎn)品的鍍鋅質(zhì)量沒有明顯的提高。因此，要想提高特高壓金具的熱鍍鋅質(zhì)量，應(yīng)從企業(yè)內(nèi)部管理抓起，建立健全質(zhì)量管理體系和目標(biāo)，強(qiáng)化現(xiàn)場工藝管理，最主要的是對熱鍍鋅的工藝要進(jìn)行優(yōu)化。我們根據(jù)特高壓金具產(chǎn)品的特點(diǎn)，重新調(diào)整設(shè)計(jì)了新的工藝流程為：工件-脫脂-拋丸-酸洗-水洗-助鍍-烘干-熱鍍鋅-去鋅瘤-水冷-干燥-檢驗(yàn)-包裝。針對新的工藝流程，對具體的工藝參數(shù)也提出了新的控制要求。

增加專門的去油脫脂工序。由于一般的電力金具產(chǎn)品幾乎是直接鑄造或鍛造成型，機(jī)加工零件很少，在熱鍍鋅時沒有專門的去油脫脂工序。而特高壓金具有部分零件是機(jī)加工零件，表面有油污，所以必須要去油脫脂。由于溫度對去除油脂有很大影響，所以應(yīng)對清洗池進(jìn)行加熱，增加脫脂效果。脫脂后必須進(jìn)行水洗，并保證進(jìn)行溢水漂洗。

增加拋丸處理。由于拋丸能夠?qū)α慵獗砻娴难趸瘜?、夾雜層進(jìn)行去除，并能改善零件表面的應(yīng)力狀態(tài)。對于板片狀的金具零件，一般不需要進(jìn)行表面拋丸處理。

酸洗和水沖洗。酸洗是為了除銹，由于酸洗過程中會析出氫，氫原子易擴(kuò)散到金屬內(nèi)部引起氫脆，導(dǎo)致金屬的韌性和塑性降低。在酸洗時，也要防止過酸洗現(xiàn)象。實(shí)踐證明，采用鹽酸替代硫酸進(jìn)行酸洗，能有效減低氫脆傾向并防止過酸洗。酸洗后的零件必須進(jìn)行水清洗，為了增加清洗效果，采用高壓水槍輔助清洗，清洗水槽的水必須進(jìn)行去酸處理。助鍍和烘干，采用氯化鋅與氯化銨質(zhì)量比為1.2～1.5的混合溶液作為助鍍劑，助鍍劑的氯化鋅銨濃度控制在200～400g/L，溫度保持在 60℃～ 80℃，pH值也要控制在4～5之間，有利于零件表面形成一層薄的氯化鋅銨鹽膜的表面活化層。表面烘干的作用是去除零件的表面助鍍劑殘留，避免飛濺，并且將零件加熱到一定溫度，以減少零件的在熱鍍鋅時在鋅鍋中的停留時間。烘干溫度控制在120～150℃，烘干時間要嚴(yán)格控制，具體以保證工件干透為準(zhǔn)，盡量縮短烘干時間，目的是保證零件表面助鍍劑不分解。

鍍鋅工藝控制。由于鋅液成分對熱鍍鋅層有很大的影響，所以我們采用了高純度的0號鋅來熔融形成鋅溶液。在鋅液中加入鋁、鎳、錫、鉛等元素來控制鍍層的厚度、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。一般來說，具體的做法就是把零件放入鋅鍋中直至沸騰現(xiàn)象消失，即將鍍件取出。鍍件的提升速度是保證鍍件表面平滑無凸瘤、留痕的關(guān)鍵。對于含硅較高的活性鋼要求較快的提升速度。但是，較快的提升速度又會造成鍍件的表面鋅液來不及充分回流而凝固在鍍件上，形成毛刺、凸瘤、留痕。所以，綜合分析選擇，鍍件的提升速度應(yīng)控制在3m/min，具體提升速度在實(shí)際操作中進(jìn)行調(diào)整。

水冷。為了去除鍍層上的助鍍劑渣，避免鍍件受到腐蝕并使鍍件快速冷卻，防止鐵鋅合金層的增長而產(chǎn)生灰色鍍層，要該對鍍件進(jìn)行水冷處理。為了改善鍍鋅層的平滑度和光澤度，采用加有軟性肥皂液的冷卻水進(jìn)行冷卻，水溫低于40℃。干燥。水冷后的零件應(yīng)干燥徹底，保證不會發(fā)生腐蝕而出現(xiàn)“白銹”，降低鍍層的耐腐蝕性，而直接影響產(chǎn)品的外觀。干燥可以自然風(fēng)干，也可以強(qiáng)制低溫烘干。

通過以上熱鍍鋅工藝的優(yōu)化改進(jìn)，特別是工藝流程的變化和工藝參數(shù)的重新選擇，再加上在實(shí)際生產(chǎn)過程中的嚴(yán)格管理，確實(shí)可以提高特高壓金具熱鍍鋅質(zhì)量，并且效果良好。

5.結(jié)論

特高壓金具熱鍍鋅，因其影響因素較多，不可避免地會出現(xiàn)一些問題而導(dǎo)致鍍鋅層質(zhì)量下降，所以必須從多方面嚴(yán)格控制工藝指標(biāo)的執(zhí)行，建立質(zhì)量保證體系。鍍件的表面粗糙度、金相組織對鋅層的附著力有一定的影響，要高度重視。鋅液溫度及浸鋅時間對鍍鋅層厚度影響較大。在向鋅液中添加鋁鋅合金或其它合金時，要有目的性和可靠性，正確掌握及運(yùn)用合金的添加方法，正確評價所加合金的作用。只要按照文中所講述控制缺陷的方法，就能有效提高特高壓金具熱鍍鋅質(zhì)量水平。

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作者簡介：

孔德春（1963-），男，工程師，主要從事架空輸電線路及配電金具設(shè)計(jì)優(yōu)化、制造工藝和試驗(yàn)等方面的研究工作。