王 煦,王紅梅,袁德華

(上海國(guó)纜檢測(cè)股份有限公司,上海 200444)

0 引 言

與傳統(tǒng)鍍鋅鋼線相比,鋁包鋼線具有密度小、導(dǎo)電率高和耐腐蝕等優(yōu)良特性,被廣泛應(yīng)用于輸電線路領(lǐng)域[1-4],以期提高線路的抗腐蝕性能,改善線路的弧垂特性。在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的鋁包鋼線在儲(chǔ)運(yùn)、服役過(guò)程中仍廣泛存在腐蝕現(xiàn)象[5-7]。研究表明,鋁-錳合金材料相比于傳統(tǒng)鋁材,具有更優(yōu)的耐腐蝕性能[8-11]。為了提高鋁包鋼線產(chǎn)品的耐腐蝕性能,企業(yè)從材料入手,開(kāi)發(fā)了鋁-錳合金包鋼線[12-13]。本工作比較了新型鋁-錳合金包鋼線與傳統(tǒng)鋁包鋼線的耐腐蝕性能,分別對(duì)兩種不同包覆材料的鋁包鋼線進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn),測(cè)試并分析鹽霧試驗(yàn)前、后兩種產(chǎn)品的各項(xiàng)性能,并給出改進(jìn)建議,為相關(guān)研究提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣品

鋁包鋼線和鋁-錳合金包鋼線樣品標(biāo)稱直徑均為3.20 mm,導(dǎo)電率為20.3%IACS。兩組試樣所用鋼芯坯料相同,拉拔工藝一致,拉拔過(guò)程中均采用潤(rùn)滑粉潤(rùn)滑,唯一差異在于包覆材料:一種是鋁,另一種是鋁-錳合金。

耐腐蝕鋁-錳合金通常選擇3XXX 系列鋁合金,其錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在1.0%～1.5%范圍[14]。但是,較高的含錳量會(huì)使材料的強(qiáng)度提高,而塑性和沖擊韌性大大降低[15],這樣不利于鋁包鋼線的包覆生產(chǎn)。因此,為兼顧耐腐蝕性能和加工性能,廠商所用的鋁-錳合金中錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.6%～0.8%[13]范圍。

1.2 主要儀器及設(shè)備

鹽霧試驗(yàn)箱、掃描電鏡、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP)、電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、數(shù)字電橋、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)、顯微維氏硬度計(jì)、金相顯微鏡。

1.3 試驗(yàn)方法

按照GB/T 10125—2021,采用鹽霧試驗(yàn)箱對(duì)試樣進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn),試驗(yàn)條件為:50 g·L-1

NaCl鹽霧溶液,連續(xù)噴霧,環(huán)境溫度為35 ℃,測(cè)試周期為1 000 h。按照GB/T 16594—2008,采用掃描電鏡觀測(cè)樣品的表面形貌;按照GB/T 20975.25—2020,采用ICP 測(cè)定樣品包覆層化學(xué)成分;按照GB/T 4909.3—2009,采用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率;按照GB/T 4909.4—2009,采用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品的扭轉(zhuǎn)性能;按照GB/T 3048.2—2007,采用數(shù)字電橋測(cè)試樣品的電阻率;按照GB/T 4340.1—2012,采用顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試樣品各部分維氏硬度;按照GB/T 6462—2005,采用金相顯微鏡測(cè)試樣品的鋁層厚度及變化情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品表面質(zhì)量

鋁包鋼線和鋁-錳合金包鋼線兩種包覆材料生產(chǎn)的試樣表面微觀形貌見(jiàn)圖1。由圖1 可知,兩組試樣表面均布滿縱橫交錯(cuò)的劃痕。鋁包鋼線表面主要分布連續(xù)的縱向劃痕,劃痕較淺,縱向劃痕之間分布大量點(diǎn)狀缺陷,橫向劃痕較少且淺。鋁-錳合金包鋼線表面除了連續(xù)的縱向劃痕,劃痕較深且劃痕之間分布大量點(diǎn)狀缺陷,與縱向成45°的橫向劃痕亦廣泛分布,如圖1(b)中方框所示,橫向劃痕深且長(zhǎng),局部區(qū)域有短而深的橫向缺陷,如圖1(b)中圓形所示。這種微觀形貌差異使得材料表面對(duì)光線折射情況不同[16],造成了材料的外觀色澤差異:兩個(gè)試樣表面均呈現(xiàn)暗淡的金屬光澤,相較而言,鋁-錳合金包鋼線表面更為灰暗。

圖1 鋁包鋼線和鋁-錳合金包鋼線表面微觀形貌

2.2 包覆層化學(xué)成分測(cè)試

刮取兩組試樣的包覆層,對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1,其中12 種元素的測(cè)定下限均為0.001 0%。

表1 兩種包覆材料化學(xué)成分測(cè)定結(jié)果%

由表1 可知:鋁層和鋁-錳合金層化學(xué)成分的顯著差異為含錳量,鋁-錳合金層的含錳量約為鋁層的200 倍;鋁-錳合金層中稀土元素鈰和鑭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也顯著高于鋁層,鋁-錳合金層中鈰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為鋁層的45 倍,而鋁層中未檢出鑭元素;鋁-錳合金層中含鎂量約為鋁層的兩倍,其余各元素含量?jī)烧卟町惒⒉伙@著。研究表明,錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,能夠提升鋁-錳合金的硬度,降低材料的沖擊韌性[15]。為了提高加工性能,本試驗(yàn)樣品包覆層錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為廠商文件所述錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下限的53%。微量稀土元素的加入,能夠細(xì)化晶粒,增強(qiáng)合金的熱塑性,降低合金的變形抗力,同時(shí)改善材料的導(dǎo)電性能[17]。

2.3 維氏硬度測(cè)試

采用顯微維氏硬度計(jì)對(duì)鋁包鋼線和鋁-錳合金包鋼線兩組試樣進(jìn)行測(cè)量,測(cè)得兩組試樣的包覆層和鋼芯的維氏硬度見(jiàn)表2。

表2 鋁包鋼線和鋁-錳合金包鋼線維氏硬度測(cè)試結(jié)果

由表2 可知,鋁-錳合金層的維氏硬度比鋁層的高18%;鋁-錳合金層包覆的鋼芯的維氏硬度較鋁層包覆的鋼芯高出2.3%。較高的包覆層硬度,使得在相同拉拔工藝條件下,鋁-錳合金包鋼在拉拔過(guò)程中產(chǎn)生了更高的熱量,其鋼芯溫度顯著高于鋁包鋼芯。研究表明,淬火溫度升高,鋼材的硬度將在一定溫度范圍內(nèi)呈增加趨勢(shì)[18],這是鋁-錳合金包鋼的鋼芯硬度較高的直接原因。此外,鋁-錳合金的沖擊韌性下降,塑性降低,易出現(xiàn)脆性剝落[19]。在鋁包鋼拉拔過(guò)程中,黏著磨損和磨粒磨損勢(shì)均力敵,黏著磨損形成大量較淺腐蝕坑,磨粒磨損形成大量縱向犁溝,見(jiàn)圖1(a)。對(duì)于鋁-錳合金包鋼,由于鋁-錳合金韌性較差,拉拔過(guò)程中易于從基體上剝離,形成較大磨粒,且磨粒硬度更大[20-21]。因此,在鋁-錳合金包鋼的拉拔過(guò)程中,磨粒磨損占據(jù)主導(dǎo)地位,即在材料表面形成大量既深且長(zhǎng)的犁溝及較深腐蝕坑,見(jiàn)圖1(b),這是鋁-錳合金包鋼線表面質(zhì)量較差的主要原因。

2.4 中性鹽霧試驗(yàn)前后各項(xiàng)物理性能測(cè)試

分別測(cè)試兩組試樣在中性鹽霧試驗(yàn)前后的抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)電率、扭轉(zhuǎn)性能、包覆層最小厚度、包覆層平均厚度,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鋁包鋼線和鋁-錳合金包鋼線中性鹽霧試驗(yàn)前后的性能

由表3 可知,未經(jīng)中性鹽霧試驗(yàn)時(shí),鋁包鋼線的抗拉強(qiáng)度略低于鋁-錳合金包鋼線,而扭轉(zhuǎn)性能則相反,這與表2 所示材料的維氏硬度直接相關(guān),硬度較高材料的抗拉強(qiáng)度較大且韌性較差。對(duì)于包覆層厚度,鋁包鋼線在整個(gè)橫截面上的鋁層厚度較為均一;鋁-錳合金包鋼線,包覆層呈現(xiàn)明顯的偏心狀態(tài),其最薄處與最厚處的厚度比為0.73。

經(jīng)歷1 000 h 中性鹽霧試驗(yàn)后,兩種材料各項(xiàng)性能的變化情況見(jiàn)表4。

表4 鋁包鋼線和鋁-錳合金包鋼線中性鹽霧試驗(yàn)前后性能變化率%

由表4 可知,兩種材料力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)性能)的變化均不顯著。兩者的導(dǎo)電率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),鋁-錳合金包鋼線導(dǎo)電率的下降更為顯著。對(duì)于包覆層厚度,鋁-錳合金層的平均值和最小值的減小速率均高于鋁層,與文獻(xiàn)[8-11]所述鋁-錳合金具有更優(yōu)的耐腐蝕性相悖,相關(guān)原因分析詳見(jiàn)第2.5 節(jié)、2.6 節(jié)和2.7 節(jié)。

2.5 形貌分析

采用掃描電鏡觀察中性鹽霧試驗(yàn)后試樣表面形貌,見(jiàn)圖2。

圖2 經(jīng)1 000 h 中性鹽霧試驗(yàn)后樣品的表面形貌

由圖2(a)可知,中性鹽霧試驗(yàn)后,兩組試樣表面腐蝕產(chǎn)物均呈現(xiàn)龜裂特征,鋁包鋼線表面腐蝕產(chǎn)物堆積更為緊密,僅較大尺度地呈現(xiàn)分層狀態(tài);由圖2(b)可知,鋁-錳合金包鋼線表面腐蝕產(chǎn)物堆積更為疏松,在局部區(qū)域內(nèi)隨處可見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物分層堆積。腐蝕產(chǎn)物的分布情況,與圖1 所示兩種材料的初始狀態(tài)密切相關(guān)。對(duì)于鋁包鋼線,其表面縱向劃痕較淺,橫向劃痕較少,腐蝕產(chǎn)物能夠很快地填充在劃痕處。對(duì)于鋁-錳合金包鋼線,其表面劃痕較深,縱橫交錯(cuò),腐蝕產(chǎn)物在材料表面堆積。

2.6 金相檢驗(yàn)

觀察兩組試樣在中性鹽霧試驗(yàn)前(圖3)、試驗(yàn)后(圖4)的橫截面和縱截面。

圖3 中性鹽霧試驗(yàn)前樣品截面狀態(tài)

由圖3 可知,兩組試樣的包覆層與鋼芯之間均呈現(xiàn)良好的機(jī)械結(jié)合狀態(tài),未見(jiàn)明顯包覆缺陷。由圖3(d)可知,鋁-錳合金層表面的凹坑深度約為3 0 μm,寬 度 約為100 μm,結(jié)合圖2 可知,這種規(guī)模的劃痕和摩擦腐蝕坑等表面缺陷在鋁-錳合金層表面廣泛分布。

由圖4 可知,經(jīng)1 000 h 中性鹽霧試驗(yàn)后,兩組試樣表面均出現(xiàn)了的腐蝕坑,如圖4 中箭頭和方框所示位置。對(duì)于鋁包鋼線,其表面腐蝕坑深度較淺,箭頭位置的腐蝕深度約為20 μm,在鋁層表面形成連續(xù)鋸齒狀剝層。對(duì)于鋁-錳合金包鋼線,其腐蝕坑深度為70 μm,寬度為140 μm,呈現(xiàn)明顯的點(diǎn)蝕特征,未見(jiàn)腐蝕剝層。因此,在測(cè)量和計(jì)算包覆層平均厚度和最小厚度時(shí),鋁-錳合金層比鋁層的減小速率高。

2.7 腐蝕機(jī)理分析

研究表明,點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、剝層腐蝕是鋁基材料的主要腐蝕方式[11]。鹽霧環(huán)境中,Cl-等腐蝕氣氛首先在試樣表面劃痕等缺陷處富集,破壞材料表面氧化膜后進(jìn)入包覆層內(nèi)部,經(jīng)過(guò)一系列電化學(xué)反應(yīng)后,生成疏松多孔的Al(OH)3,如圖4(b)中方框所示,最終在材料表面形成圖2 所示腐蝕產(chǎn)物堆疊、龜裂等狀態(tài)。

腐蝕產(chǎn)物疏松多孔,很難阻擋腐蝕氣氛繼續(xù)向材料內(nèi)部擴(kuò)展,腐蝕氣氛通過(guò)點(diǎn)蝕坑深入材料內(nèi)部,沿晶界浸入,當(dāng)連續(xù)的晶間腐蝕貫通后,腐蝕產(chǎn)物從材料表面剝離,形成圖4(a)中的鋸齒狀腐蝕。

由圖1 和圖4 可知,鋁包鋼線表面縱向劃痕較淺,點(diǎn)蝕發(fā)生后,在晶間腐蝕和剝層腐蝕作用下,細(xì)小的劃痕很快被腐蝕貫通,并在凹痕處填充疏松的腐蝕產(chǎn)物。鋁-錳合金包鋼線表面劃痕深度較大,且鋁-錳合金本身具有更優(yōu)的耐腐蝕性,劃痕很難被貫通,腐蝕進(jìn)一步向深度方向發(fā)展,這使得鋁-錳合金層的最小厚度下降顯著,呈現(xiàn)明顯的點(diǎn)蝕特征。

以上分析表明,包覆層材料表面的缺陷情況及其分布狀態(tài),是影響試樣腐蝕程度的關(guān)鍵因素[22]。包覆層的表面越粗糙,其表面積越大,腐蝕氣氛越容易富集,腐蝕越容易發(fā)生[23-24]。材料類型及其表面狀態(tài)共同決定了材料在腐蝕氣氛中的主要腐蝕方式。對(duì)于本試驗(yàn)中的鋁層,1 000 h 中性鹽霧試驗(yàn)后,其表面剝層腐蝕顯著,形成了大量的鋸齒狀凹痕;對(duì)于鋁-錳合金層,由于其耐腐蝕性能較好,試驗(yàn)過(guò)程中點(diǎn)蝕占據(jù)主導(dǎo)地位,未見(jiàn)明顯的剝層腐蝕。因此,通過(guò)改進(jìn)加工工藝,改善鋁-錳合金包鋼線試樣表面缺陷狀態(tài),能夠更好地發(fā)揮鋁-錳合金層的耐腐蝕性能,提高最終產(chǎn)品的抗腐蝕能力。

3 結(jié) 論

基于上述測(cè)試和分析,得出以下結(jié)論。

1)采用相同工藝制備的鋁包鋼線和鋁-錳合金包鋼線的各項(xiàng)物理性能的差異并不顯著,兩者的主要差異在于包覆層,鋁-錳合金包覆層偏心顯著,硬度較高,其表面缺陷更多、更深。

2)中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果表明:鋁-錳合金包覆層因其表面特征和材料耐腐蝕性能,試驗(yàn)過(guò)程中點(diǎn)蝕占據(jù)主導(dǎo)地位,其包覆層最小厚度和平均厚度下降顯著。

3)表面缺陷狀態(tài)是影響材料腐蝕的關(guān)鍵因素,為了更好地發(fā)揮鋁-錳合金的耐腐蝕性,建議采用合適的工藝參數(shù),改善包覆層表面缺陷狀態(tài),提高鋁-錳合金包鋼線的耐腐蝕性能。