拉拔潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)鋁包鋼線耐腐蝕性能的影響

秦 凱 ,張志斌 ,王 煦?

(1.上海國(guó)纜檢測(cè)股份有限公司,上海 200444;2.常州特發(fā)華銀電線電纜有限公司,常州 213012)

0 引言

鋁包鋼線相比于鍍鋅鋼線,具有耐腐蝕性能更優(yōu)、電阻率更低、密度較小的特點(diǎn)[1-2],被廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)。目前鋁包鋼線多采用潤(rùn)滑粉拉拔制造,生產(chǎn)過(guò)程中極易產(chǎn)生粉塵,影響操作人員的身體健康并對(duì)空氣造成污染[3];此外,由于潤(rùn)滑粉潤(rùn)滑性能不佳,使得鋁包鋼線生產(chǎn)能耗居高不下,且產(chǎn)品表面質(zhì)量較差[4]。為解決上述問(wèn)題,一些企業(yè)開(kāi)發(fā)了潤(rùn)滑油拉拔工藝[5-7]。為了比較兩種不同潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)鋁包鋼線各項(xiàng)性能的影響,尤其對(duì)耐腐蝕性能的影響,本工作對(duì)兩種不同潤(rùn)滑介質(zhì)生產(chǎn)的鋁包鋼線進(jìn)行了中性鹽霧試驗(yàn),測(cè)試并比較了兩種鋁包鋼線鹽霧試驗(yàn)前、試驗(yàn)后的各項(xiàng)性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)儀器及工作條件

采用鹽霧試驗(yàn)箱模擬大氣腐蝕環(huán)境,中性鹽霧試驗(yàn)條件為:50 g·L-1氯化鈉鹽霧溶液,連續(xù)噴霧,環(huán)境溫度為35 ℃,測(cè)試周期為1 000 h。

采用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品鹽霧試驗(yàn)前、后的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率,采用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品的扭轉(zhuǎn)性能,采用數(shù)字電橋測(cè)試樣品的體積電阻率,采用金相顯微鏡測(cè)試鋁包鋼線鋁層厚度及變化情況,采用掃描電鏡觀察試樣表面形貌。

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 10125—2012 對(duì)鋁包鋼線進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn);依據(jù)GB/T 4909.3—2009 測(cè)試樣品的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率;依據(jù)GB/T 4909.4—2009 測(cè)試樣品的扭轉(zhuǎn)性能;依據(jù)GB/T 3048.2—2007 測(cè)試樣品的電阻率;依據(jù)GB/T 6462—2005 測(cè)試樣品的鋁層厚度及變化情況;依據(jù)GB/T 16594—2008 觀測(cè)樣品的表面形貌。

1.3 試驗(yàn)材料

為了研究拉拔過(guò)程中不同潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)鋁包鋼線的耐腐蝕性能影響,采用5.8 mm 高碳鉛浴淬火鋼絲,按14% 導(dǎo)電率進(jìn)行包覆鋁層,包覆桿直徑為6.10 mm;然后分別采用潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑粉,采用相同的工藝條件,分別經(jīng)歷5 道次拉拔,將包覆桿拉拔至直徑為3.81 mm 鋁包鋼線。潤(rùn)滑粉主要成分為氧化鈣、硬酯酸、燒堿、動(dòng)物油脂和添加劑等,呈弱堿性;潤(rùn)滑油主要成分為高黏度礦物油、脂肪酸和極壓添加劑,其滴點(diǎn)高于200 ℃,呈弱酸性。

制備完成的兩組鋁包鋼線試樣,經(jīng)過(guò)幾次拉拔后樣品直徑及壓縮率結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 樣品制備過(guò)程尺寸及壓縮率結(jié)果

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品外觀

潤(rùn)滑油拉拔鋁包鋼試樣和潤(rùn)滑粉拉拔鋁包鋼試樣未經(jīng)鹽霧試驗(yàn)和經(jīng)過(guò)1 000 h 中性鹽霧試驗(yàn)的樣品表面狀態(tài)分別見(jiàn)圖1 和圖2。

圖1 潤(rùn)滑油拉拔樣品未經(jīng)鹽霧試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)后表面狀態(tài)

由圖1(a)和圖2(a)可知,未經(jīng)鹽霧試驗(yàn)的兩組樣品表面均光亮,呈現(xiàn)金屬光澤;但潤(rùn)滑油拉拔樣品表面更為光潔,潤(rùn)滑粉拉拔樣品表面略微暗淡,并可見(jiàn)明顯的連續(xù)縱向劃痕。由圖1(b)和圖2(b)可知:經(jīng)過(guò)1 000 h 中性鹽霧試驗(yàn)后,兩組樣品表面金屬光澤均已消失,潤(rùn)滑油拉拔樣品表面可見(jiàn)明顯腐蝕斑塊及點(diǎn)蝕坑,而潤(rùn)滑粉拉拔樣品色澤均勻,表面更為暗淡。

圖2 潤(rùn)滑粉拉拔樣品未經(jīng)鹽霧試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)后表面狀態(tài)

2.2 物理性能測(cè)試

分別測(cè)試兩組樣品在未經(jīng)鹽霧試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)后的抗拉強(qiáng)度、20 ℃電阻率、扭轉(zhuǎn)性能、平均鋁層厚度、最小鋁層厚度等,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩種潤(rùn)滑介質(zhì)生產(chǎn)的鋁包鋼線性能比較

由表2 可知,兩種潤(rùn)滑介質(zhì)拉拔生產(chǎn)的鋁包鋼線在未經(jīng)鹽霧試驗(yàn)時(shí),各項(xiàng)性能基本一致,無(wú)顯著差異。

經(jīng)過(guò)鹽霧試驗(yàn)后,兩種潤(rùn)滑介質(zhì)生產(chǎn)的鋁包鋼線各項(xiàng)性能變化率見(jiàn)表3。

表3 兩種鋁包鋼線鹽霧試驗(yàn)前后性能變化率比較

由表3 可知:經(jīng)過(guò)1 000 h 中性鹽霧試驗(yàn)后,兩種鋁包鋼線的電阻率均略微增加,抗拉強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)性能變化并不顯著。但對(duì)于最小鋁層厚度和平均鋁層厚度,潤(rùn)滑油拉拔生產(chǎn)的鋁包鋼線最小鋁層厚度變化率顯著高于潤(rùn)滑粉拉拔生產(chǎn)的鋁包鋼線;而平均鋁層厚度變化率,潤(rùn)滑粉拉拔生產(chǎn)的鋁包鋼線略高于潤(rùn)滑油拉拔生產(chǎn)的鋁包鋼線。

2.3 金相檢驗(yàn)

截取未經(jīng)鹽霧試驗(yàn)和經(jīng)過(guò)鹽霧試驗(yàn)后的樣品,采用環(huán)氧樹(shù)脂鑲嵌后,研磨、拋光,制備金相試樣,觀察兩組樣品在兩種狀態(tài)下的鋁層變化情況,如圖3和圖4 所示。

圖3 潤(rùn)滑油拉拔鋁包鋼線截面金相

由圖3(a)和圖4(a)可知,兩種潤(rùn)滑介質(zhì)拉拔的鋁包鋼線鋁層與鋼芯均結(jié)合良好,未見(jiàn)明顯差異;測(cè)量結(jié)果表明,平均鋁層厚度與最小鋁層厚度差異甚微(見(jiàn)表2)。

圖4 潤(rùn)滑粉拉拔鋁包鋼線截面金相

圖3(b)和圖3(c)所示為潤(rùn)滑油拉拔鋁包鋼線鹽霧試驗(yàn)后截面狀態(tài),可見(jiàn)經(jīng)過(guò)1 000 h 中性鹽霧試驗(yàn)后,鋁層表面不再平滑,被腐蝕成為鋸齒狀。鋁層與鋼芯仍結(jié)合完好,測(cè)量發(fā)現(xiàn)平均鋁層厚度與圖3(a)相比,降低了3.8%;由圖3(c)可知,在鋁層局部區(qū)域,點(diǎn)蝕形成的腐蝕坑較深,如圖中箭頭所示,導(dǎo)致最小鋁層厚度降低了18.6%。

圖4(b)和圖4(c)所示為潤(rùn)滑油拉拔鋁包鋼線鹽霧試驗(yàn)后截面狀態(tài),與圖3(b)和圖3(c)類似,鋁層表面被腐蝕成為鋸齒狀,縱截面上廣泛分布點(diǎn)蝕坑(如圖中箭頭所示),測(cè)量發(fā)現(xiàn)其平均鋁層厚度降低了5.6%,而最小鋁層厚度降低了11.4%。

2.4 表面形貌分析

用掃描電鏡觀察兩種潤(rùn)滑介質(zhì)生產(chǎn)的鋁包鋼線表面形貌見(jiàn)圖5。

由圖5 可見(jiàn),潤(rùn)滑油拉拔試樣表面粗糙程度顯然低于潤(rùn)滑粉拉拔試樣,這很好地解釋了圖1(a)和圖2(a)所示試樣表面的宏觀狀態(tài):表面粗糙程度較低的潤(rùn)滑油拉拔試樣更為光亮[8]。

由圖5(a)可知,潤(rùn)滑油拉拔試樣表面除某些較深劃痕外,細(xì)密劃痕方向基本一致,均沿著試樣縱向連續(xù)、緊密分布,細(xì)密劃痕寬度約為10 μm;局部表面分布較深點(diǎn)狀刻痕,如圖5(a)中橢圓標(biāo)示位置;少量較深劃痕沿試樣徑向分布,長(zhǎng)度可達(dá)125 μm,寬度可達(dá)30 μm 以上,如圖5(a)中方框標(biāo)示位置。這表明潤(rùn)滑油拉拔過(guò)程中,產(chǎn)生了硬質(zhì)顆粒,如Al2O3等,細(xì)微的Al2O3硬質(zhì)顆粒在拉拔過(guò)程中連續(xù)磨削鋁層,形成連續(xù)縱向細(xì)密劃痕;而較大Al2O3硬質(zhì)顆粒,在壓力作用下容易碎裂并被潤(rùn)滑油帶走,在鋁層局部形成點(diǎn)狀刻痕或徑向較深劃痕[9]。

圖5 未經(jīng)鹽霧試驗(yàn)試樣表面形貌

由圖5(b)可知,潤(rùn)滑粉拉拔試樣表面劃痕方向縱橫交錯(cuò),在試樣縱向、徑向均形成了連續(xù)的剮蹭痕跡和細(xì)密劃痕,局部形成點(diǎn)狀刻痕;剮蹭痕跡寬度可達(dá)25 μm 以上,細(xì)密劃痕寬度約為10 μm。這表明,潤(rùn)滑粉拉拔過(guò)程中,硬質(zhì)顆粒的尺寸普遍較大,且運(yùn)動(dòng)軌跡較之在潤(rùn)滑油中更為復(fù)雜,在鋁層表面形成縱橫交錯(cuò)、錯(cuò)綜復(fù)雜的磨削痕跡。

兩組試樣分別經(jīng)過(guò)1 000 h 中性鹽霧試驗(yàn)后的表面形貌見(jiàn)圖6。

由圖6 可知,潤(rùn)滑油拉拔試樣表面的腐蝕產(chǎn)物堆積緊密,呈龜裂狀,如圖6(a)所示;而潤(rùn)滑粉拉拔試樣表面腐蝕產(chǎn)物堆積較為疏松,呈棉絮狀,如圖6(b)所示。對(duì)腐蝕產(chǎn)物局部放大觀察發(fā)現(xiàn):潤(rùn)滑油拉拔鋁包鋼線表面腐蝕產(chǎn)物高低錯(cuò)落,不同層次堆疊,并在局部形成腐蝕孔洞,如圖6(c)所示。潤(rùn)滑粉拉拔鋁包鋼線表面腐蝕產(chǎn)物呈雪花狀,較為均勻的堆疊在鋁層表面,如圖6(d)所示。腐蝕產(chǎn)物的分布情況,決定了表面對(duì)光線的反射、折射現(xiàn)象[6],使得潤(rùn)滑油拉拔鋁包鋼線鹽霧試驗(yàn)后,試樣表面呈現(xiàn)腐蝕斑塊及腐蝕坑,而潤(rùn)滑粉拉拔鋁包鋼線鹽霧試驗(yàn)后,試樣表面色澤均一、暗淡。

2.5 腐蝕差異分析

研究表明,鋁層的腐蝕方式主要有點(diǎn)蝕、剝層腐蝕及晶間腐蝕等[10]。鹽霧環(huán)境中氯離子是誘發(fā)點(diǎn)蝕的主要原因[11],氯離子首先在鋁層表面劃痕、剮蹭等缺陷處富集,破壞鋁層氧化膜后進(jìn)入鋁層內(nèi)部,導(dǎo)致陽(yáng)極溶解過(guò)程的發(fā)生,生成了鋁離子。陽(yáng)極溶解過(guò)程釋放出來(lái)的電子與蝕孔周圍以及內(nèi)部的氫離子相結(jié)合發(fā)生陰極反應(yīng)。陰極反應(yīng)生成的氫氧根離子與陽(yáng)極反應(yīng)生成的鋁離子相遇,生成疏松多孔的Al(OH)3,形成圖5 和圖6 所示堆疊狀態(tài)。疏松的Al(OH)3很難阻擋氯離子的穿透,所以此處的鋁就會(huì)沿一定晶面方向溶解而形成點(diǎn)蝕,從而形成圖3(c)和圖4(c)中所示的點(diǎn)蝕坑。

腐蝕氣氛通過(guò)點(diǎn)蝕坑深入鋁層內(nèi)部,沿材料晶界浸入,對(duì)鋁層形成腐蝕,當(dāng)連續(xù)的晶間腐蝕貫通后,鋁材從鋁層表面剝離,在鋁層表面形成鋸齒狀腐蝕,如圖3(b)和圖4(b)所示。

上述分析表明,鋁包鋼線表面缺陷的分布狀態(tài),是影響鋁包鋼線腐蝕程度和腐蝕狀態(tài)的決定性因素[12]。鋁包鋼線表面越粗糙,其比表面積越大,腐蝕越容易發(fā)生;鋁包鋼線表面粗糙部位突出越尖銳,其曲率半徑越小,腐蝕氣氛越容易聚集,腐蝕越容易發(fā)生[13]。因此改善鋁包鋼線表面缺陷狀態(tài),能夠有效提升其耐腐蝕性能[14]。

3 結(jié)論

基于上述測(cè)試及分析,可以得出以下結(jié)論:

(1)兩種潤(rùn)滑介質(zhì)拉拔生產(chǎn)的鋁包鋼線各項(xiàng)性能差異并不顯著,兩者主要差異為表面質(zhì)量,潤(rùn)滑油拉拔鋁包鋼線表面缺陷相對(duì)輕微,其表面更為光亮;

(2)潤(rùn)滑粉拉拔鋁包鋼線表面缺陷更多,中性鹽霧試驗(yàn)后,其表面腐蝕情況更為嚴(yán)重,平均鋁層厚度下降更為顯著;

(3)潤(rùn)滑油拉拔鋁包鋼線表面質(zhì)量缺陷相對(duì)輕微,其耐腐蝕性能優(yōu)于潤(rùn)滑粉拉拔鋁包鋼線。