摘 要：随着输变电电压等级的提高，对电力金具的热镀锌质量提出了更高的要求。本文通过对特高压金具热镀锌缺陷的分析与控制，对热镀锌工艺进行优化，大大提高了电力金具的热镀锌表面质量。

关键词：特高压金具；热镀锌；缺陷；控制

引言

近年来，架空输电线路的电压等级由500KV逐渐向交流750KV、1000KV和直流±800KV、±1100KV电压等级发展，由于电压等级的提高，对电力金具的产品质量提出了更高的要求，除要能满足更高的机械强度和更高的抗腐性能等要求外，在防电晕方面也提出来了更高的要求。因此，普通的热镀锌工艺已经不能满足对于特高壓输电线路金具热镀锌的要求，对特高压金具热镀锌存在缺陷进行分析和研究，从加强工艺控制方面入手，对热镀锌工艺进行优化，以提高特高压金具热镀锌的质量。

1.特高压金具对热镀锌的质量要求

输电线路中电力金具是承载电网安全稳定运行的基础，因此，对配套电力金具的热镀锌提出了更高的要求。

对于热镀锌层的附着力要求更好，因为特高压电网配套电力金具承受的压力更大，部件之间的配合处容易出现由于接触摩擦力大而导致镀锌层破损的现象，从而失去防腐蚀的作用，长期运行将会导致金具的失效，所以，对于热镀锌层的附着力提出了更高的要求，不能出现热镀锌层脱落的现象。

对热镀锌层的防腐蚀能力要求更严，由于特高压金具设计寿命长，因此要求热镀锌层保留的时间更长，热镀锌层组织结构和性能更优，不能出现镀锌不足或漏镀缺陷，要能保证防腐蚀要的求。

对热镀锌层表面缺陷的控制要求更高，特高压金具安装在高电压绝缘子上，容易出现电晕现象，因此特高压金具热镀锌层表面不允许有凸瘤和毛刺等缺陷存在，热镀锌层应为连续、均匀、光滑的表面。

2.特高压金具热镀锌常见缺陷

特高压金具与普通电力金具产品的热镀锌层有同样的缺陷，热镀锌层表面许多常见的质量缺陷有：热镀锌层厚度不均匀、锌层脱落、漏镀、凸瘤、灰暗、留痕以及锌层出现白锈等等。

3.热镀锌层表面缺陷的原因分析

热镀锌层表面缺陷的产生的原因大致有五个方面：①表面预处理状况不好；②金具本身基体状态不佳；③锌液中添加的元素过量或夹有其他有害元素；④镀锌工艺不合理；⑤机械加工方法上的缺陷。下面具体分析产生这些缺陷的原因。

3.1表面预处理状况不好

特高压金具热镀锌前要进行预处理，其中包括脱脂、抛丸（除氧化皮）、酸洗（除锈）和活化助镀等。表面预处理不好，是造成漏镀（或露铁）的主要原因。

（1）大多数生产企业都没有脱脂工序，仅靠酸洗去除产品表面的油脂，这样就无法完全去除机械加工后待镀锌产品表面粘附的油污；

（2）抛丸时间较短，氧化皮去除不干净；

（3）在酸洗过程中，由于工件较多挤在一起，会造成欠酸洗和夹点；酸洗液的浓度过高，会使铁盐沉淀于表面和沟槽之中；酸洗后不水洗，或水洗不彻底；

（4）助镀溶剂老化失效或氯化锌和氯化铵配比比例、浓度不正确，没有形成共晶点；

（5）烘干过程中没有及时将待镀件分开摆放，或烘干温度低，使烘干时间较长，待镀件表面因二次微氧化（红、绿锈）而形成铁盐，覆盖在表面上[1]。

3.2金具本身基体状态不佳

金具本身的基体状态，是指表面粗糙度、表面晶体取向、金相组织、残余应力等。金具本身基体状态不佳，在硅含量为0.17%-0.37%时，相同的温度下，即使热镀锌工艺合理、稳定，往往也会造成镀锌层偏厚和附着力差的现象。

基体表面粗糙度对热镀锌层的形成有明显的影响。基体表面的凹凸会使铁锌合金层的生长形态发生变化：在凸处，刚形成的ζ晶体相分离，使液态锌可穿透到ε/ζ界面附近，支持ζ相连续快速生长而形成迸发状晶粒；在凹入区域，由于生长受扩散控制，可得到紧密、稳定的结构[2]。所以要消除机械加工时留下的车刀纹，或用布轮进行抛光处理。

特高压金具基体金相组织及形状也会影响热镀锌层的厚度和附着力。为了提高低合金结构钢金具的抗拉强度和硬度，有时需要对金具基体进行局部淬火处理。控制淬火后的回火温度是关键。回火温度愈高，则钢中碳化物的析出量愈多，α-Fe中碳的饱和度也愈低，这将影响基体中铁对锌的活性程度，有时几乎没有ζ晶体相的生成，热镀锌层的附着力就差。

特高压金具基体表面晶粒位向和残余应力，基本上对热镀锌层没有多大的影响。对热镀锌层影响最大的是特高压金具基体中C、Si、P等元素，它们会影响金具的活性，促进Fe-Zn反应，使合金层中ζ相快速增长，形成厚而粗大的晶粒露于锌层表面，从而导致表面粘附性变差。

3.3锌液中添加的元素过量或夹有其他有害成分

为了降低热镀锌层厚度，增加镀层表面光泽，提高附着力，一般都会向锌液中添加含有铝、镍、锡、铅等锌合金元素。如果这些元素的含量过多（如铁离子含量过高）或者其中夹有其它有害成分，会使锌渣颗粒粘附在镀层表面，从而导致镀层脆裂，附着力差。常见几种元素对热镀锌的影响：

3.3.1铁离子

经过一段时间的热镀锌后，金具的表面会出现锌堆和微小的锌渣，使得锌层表面粗糙，光滑度下降。这种微小颗粒一般是Fe-Zn合金颗粒渣。在高温镀锌（550℃）时，锌液中铁的溶解度由常规热镀锌（450℃）时的0.035%增加到0.3%。锌液中的铁一般来自锌锅的腐蚀、金具本身和镀锌工具在锌液中的溶解、助镀溶剂中的铁离子等。因此，为了得到光滑的锌层，必须要严格地控制锌液中的铁含量，尽量减少铁离子的进入。理想的锌液中铁含量在0.1%～0.2%为宜。当锌液中铁含量大于0.2%时，应使锌液静止一段时间后并打捞锌渣。由于550℃下钢铁在锌中溶解较快，因此高温热镀锌不能采用常规的钢制铁锅或铸铁锅，而必须改用内加热陶瓷锌锅设备。这与使用铸铁锅相比，可以减少30%～35%锌渣[3]。

3.3.2铝

鋁是热镀锌液中最常添加的元素。在锌液中添加不同浓度的铝可获得不同性质的热镀锌层。在高温热镀锌特高压金具时，由于锌液温度高，镀件离开锌液后δ相仍继续生长，在镀件表面形成δ和η相的混合组织，镀层表面呈浅灰色，故而要在锌液中添加锌铝合金，使锌液中含铝量为0.03%～0.05%，以获得光亮的热镀锌层，并减少锌液面氧化和锌灰的生成，抑制脆性Fe-Zn相的形成，改善镀层的粘附性。必注意的是，添加铝的方式宜采用Zn-Al中间合金。生产中往往因所添加的中间合金的质量问题以及添加的方法不当（过多或过快），从而导致锌液中形成大量Al-Fe-Zn化合物，这种小于锌液密度的Al-Fe-Zn三元“面渣”或颗粒类似于铝的氧化物，漂浮在锌液表面上，很容易粘附在镀件上，造成镀层质量的下降，此时仅靠降温和捞渣是不行的。一旦发现这种情况，应停止添加合金，采取锌液净化措施，把铝量降下来。在锌液中铝含量不大的情况下，可适当延长空冷时间和提高冷却水温度，以防镀件表面出现“橘皮状”皱纹和气泡。若直接向锌液中添加纯铝、电缆铝丝，经常会导致镀件离开锌液后表面有“疙瘩”现象，在空冷或水冷时“疙瘩”迸裂而出现露铁，或在后续其他表面处理工序中出现掉锌皮。锌液中铝含量超过0.1%时，会出现漏镀的现象。

3.3.3镍

锌液中添加镍是为了解决热镀锌中因钢材中含硅而出现的“圣德林现象”，从而解决镀层色差现象。在锌液中添加0.04%～0.12%的镍，能有效减缓锌和铁在ζ相中的扩散速度，从而控制镀层厚度的增长；改善锌液的流动性，使镀件提出锌液时镀件表面的锌可更快流回到锌液中，降低锌耗；减少镀层表面滴瘤及流痕等缺陷的产生，使镀层更平滑、均匀。但锌液中镍的含量不宜超过0.06%，否则会产生Fe-Zn-Ni三元 Γ2相锌渣并粘附在镀层表面，而出现一些小的颗粒[4]。

3.3.4铅和锡

为了增加锌液的流动性，降低镀层厚度，减少裸露点的出现，有利于沉渣、捞渣，也需要向锌液中添加微量的铅。450℃时，铅在锌液中的溶解度约为1.2%，多余的铅会沉入锌锅底。当锌液中铅含量为0.5%时，锌液流动性最差。故锌液中的含铅量应控制在0.005%～0.2%之间。实践证明，当锌液中含饱和铅时，可提高锌液的流动性，减少锌瘤，降低锌耗及锌液温度，减少能耗。如果在锌液中添加约5%的锡时，能控制超厚镀层的生长，镀层的厚度比没有添加锡时降低了10%～15%。需要注意的是，铅和锡都不能过量，否则镀层表面将出现“龟纹”和羽毛状花纹，严重影响镀层的耐蚀性。

3.4镀锌工艺不合理

国内大多数热镀锌生产企业的工艺仍十分落后。所采用的工艺一般为：工件-抛丸-酸洗-烘干-热镀锌-氯化铵爆锌瘤-水冷-检验-包装。总结其缺点有以下几个方面：

（1）酸洗后不进行水漂洗，这样会直接把铁盐带进锌液，使锌液变黏稠，降低锌液的流动性，使镀层的附着力变差；

（2）没有采用助镀溶剂（摩尔比为1：3的氯化锌与氯化铵）对镀件进行表面活化处理，除造成镀层的附着力变差的问题外，还会使锌灰、锌渣增多，镀层露铁增多；

（3）没有自动控温装置，使锌液温度忽高忽低，从而造成镀锌层厚度不均匀，铁制锌锅产生的锌渣更快；

（4）在热浸镀锌时，直接向锌液中添加纯铝、电缆铝丝、镍粉、稀土粉等，而造成锌液黏稠、流动性差，锌液表面出现浮渣等问题；

（5）对粘有油污的带螺纹的镀件不进行脱脂处理，仅靠酸洗去油脂，不仅会造成漏镀，还会影响镀层的附着力；

（6）采用氯化铵溶液爆锌瘤，容易在镀件表面附着一层氯化铵，锌层表面被腐蚀，出现灰斑和“白锈”；

（7）水冷后不进行烘干或干燥不彻底，放在潮湿和通风不良的环境中会发生电化学腐蚀而出现“白锈”，降低镀层的耐腐蚀性，直接影响产品的外观。

3.5机械加工方法上的缺陷

热镀锌金具在镀锌后，有部分产品要进行机械加工。夹持的方法、夹紧力、夹持部位和切削刀具不当都会造成镀层表面的损伤，甚至会造成脱锌皮的现象。

4.特高压金具热镀锌工艺优化与控制

目前电力金具的热镀锌工艺仍比较落后，再加上工艺执行和工厂管理制度的不规范，产品的镀锌质量没有明显的提高。因此，要想提高特高压金具的热镀锌质量，应从企业内部管理抓起，建立健全质量管理体系和目标，强化现场工艺管理，最主要的是对热镀锌的工艺要进行优化。我们根据特高压金具产品的特点，重新调整设计了新的工艺流程为：工件-脱脂-抛丸-酸洗-水洗-助镀-烘干-热镀锌-去锌瘤-水冷-干燥-检验-包装。针对新的工艺流程，对具体的工艺参数也提出了新的控制要求。

增加专门的去油脱脂工序。由于一般的电力金具产品几乎是直接铸造或锻造成型，机加工零件很少，在热镀锌时没有专门的去油脱脂工序。而特高压金具有部分零件是机加工零件，表面有油污，所以必须要去油脱脂。由于温度对去除油脂有很大影响，所以应对清洗池进行加热，增加脱脂效果。脱脂后必须进行水洗，并保证进行溢水漂洗。

增加抛丸处理。由于抛丸能够对零件外表面的氧化层、夹杂层进行去除，并能改善零件表面的应力状态。对于板片状的金具零件，一般不需要进行表面抛丸处理。

酸洗和水冲洗。酸洗是为了除锈，由于酸洗过程中会析出氢，氢原子易扩散到金属内部引起氢脆，导致金属的韧性和塑性降低。在酸洗时，也要防止过酸洗现象。实践证明，采用盐酸替代硫酸进行酸洗，能有效减低氢脆倾向并防止过酸洗。酸洗后的零件必须进行水清洗，为了增加清洗效果，采用高压水枪辅助清洗，清洗水槽的水必须进行去酸处理。助镀和烘干，采用氯化锌与氯化铵质量比为1.2～1.5的混合溶液作为助镀剂，助镀剂的氯化锌铵浓度控制在200～400g/L，温度保持在 60℃～ 80℃，pH值也要控制在4～5之间，有利于零件表面形成一层薄的氯化锌铵盐膜的表面活化层。表面烘干的作用是去除零件的表面助镀剂残留，避免飞溅，并且将零件加热到一定温度，以减少零件的在热镀锌时在锌锅中的停留时间。烘干温度控制在120～150℃，烘干时间要严格控制，具体以保证工件干透为准，尽量缩短烘干时间，目的是保证零件表面助镀剂不分解。

镀锌工艺控制。由于锌液成分对热镀锌层有很大的影响，所以我们采用了高纯度的0号锌来熔融形成锌溶液。在锌液中加入铝、镍、锡、铅等元素来控制镀层的厚度、结构和性质。一般来说，具体的做法就是把零件放入锌锅中直至沸腾现象消失，即将镀件取出。镀件的提升速度是保证镀件表面平滑无凸瘤、留痕的关键。对于含硅较高的活性钢要求较快的提升速度。但是，较快的提升速度又会造成镀件的表面锌液来不及充分回流而凝固在镀件上，形成毛刺、凸瘤、留痕。所以，综合分析选择，镀件的提升速度应控制在3m/min，具体提升速度在实际操作中进行调整。

水冷。为了去除镀层上的助镀剂渣，避免镀件受到腐蚀并使镀件快速冷却，防止铁锌合金层的增长而产生灰色镀层，要该对镀件进行水冷处理。为了改善镀锌层的平滑度和光泽度，采用加有软性肥皂液的冷却水进行冷却，水温低于40℃。干燥。水冷后的零件应干燥彻底，保证不会发生腐蚀而出现“白锈”，降低镀层的耐腐蚀性，而直接影响产品的外观。干燥可以自然风干，也可以强制低温烘干。

通过以上热镀锌工艺的优化改进，特别是工艺流程的变化和工艺参数的重新选择，再加上在实际生产过程中的严格管理，确实可以提高特高压金具热镀锌质量，并且效果良好。

5.结论

特高压金具热镀锌，因其影响因素较多，不可避免地会出现一些问题而导致镀锌层质量下降，所以必须从多方面严格控制工艺指标的执行，建立质量保证体系。镀件的表面粗糙度、金相组织对锌层的附着力有一定的影响，要高度重视。锌液温度及浸锌时间对镀锌层厚度影响较大。在向锌液中添加铝锌合金或其它合金时，要有目的性和可靠性，正确掌握及运用合金的添加方法，正确评价所加合金的作用。只要按照文中所讲述控制缺陷的方法，就能有效提高特高压金具热镀锌质量水平。

参考文献：

[1]苗立賢，冯玲，史宪海，等.钢铁制件热镀锌表面缺陷分析及控制[J].材料保护，2003，36（12）：54-56.

[2]卢锦堂，许乔瑜，孔纲.热镀锌技术与应用[M].北京；机械工业出版社，2006：60-61.

[3]杨冰，申晓刚，马林，等.连续清除热镀锌助镀剂中铁离子的工艺技术[J].电镀与涂饰，2005，24（8）：14-17.

[4]苗立贤，牛继英，苗宇，等.锌镍合金在钢制件热镀锌中的应用[J].材料保护，2001，34（12）：43-44.

作者简介：

孔德春（1963-），男，工程师，主要从事架空输电线路及配电金具设计优化、制造工艺和试验等方面的研究工作。