电镀锌镍合金在气体绝缘金属封闭开关设备户外产品上的应用研究
户外气体绝缘金属封闭开关设备根据使用环境的不同，需要具备良好的防腐性能。西安西电开关电气有限公司的研究人员徐曦、汪楠、邓乐萍，在2020年第5期《电气技术》杂志上撰文，首先对户外气体绝缘金属封闭开关设备的黑色金属零件防腐情况进行了梳理，对腐蚀多发的焦点位置进行了原工艺的替代研究。
经中性盐雾试验对比分析，优选了中性盐雾试验超过1000h的电镀锌镍合金工艺，并进一步进行了实际工况的模拟研究。电镀锌镍合金层经机械磨损、预置镀层缺陷的盐雾试验同样超过了1000h，说明在实际生产中，电镀锌镍合金能够满足多种复杂环境的防腐要求。通过跟踪使用电镀锌镍合金工艺的户外气体绝缘金属封闭开关设备2年，确认了电镀锌镍合金工艺的实际效果。
气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switch- gear, GIS）户外产品中，黑色金属零件因防腐性差，需要使用防腐镀（涂）层进行保护，涂装、热浸镀锌、电镀锌、电镀镍等都是常用的防腐工艺。随着户外GIS的增多，黑色金属零件的防腐性能需求日益提高，尤其需要满足多雨、潮湿和高盐雾环境下的防腐，确保产品运行可靠性。
户外GIS黑色金属零件的防腐通常使用热浸镀锌、涂装和电镀锌等。热浸镀锌的防腐能力较强，抗污性能好，但由于工艺温度接近500℃，不适用于经过高温淬火等热处理后的黑色金属零件；涂装的防腐能力较强，但涂层强度弱，破损后防腐性能下降明显，还易受湿热、紫外线等影响造成漆膜失效，不适用于摩擦接触的部位；电镀锌防腐性能较弱，户外使用时需要通过人工涂抹黄油等方式进行二次防护，既增加了人工干预，也增加后期产品管理维护的负担。
以一种GIS产品为例，其隔离开关机构输出六方轴为黑色金属淬硬，使用了电镀锌、人工涂抹黄油的工艺进行防腐，在多雨潮湿的南方沿海，零件更容易出现锈蚀。
图1 隔离开关机构输出六方轴
为改善户外GIS的防腐性能，本文针对热处理过、可能造成磨损的黑色金属零件，通过试验对比分析了包含电镀锌镍合金工艺在内多种工艺的防腐能力，并通过预置缺陷等方式模拟了实际工况中电镀锌镍合金的防腐性能，同时跟踪了户外GIS的实际应用效果。
1 不同防腐工艺的对比
1.1 防腐工艺选型
电镀锌、电镀镍为传统的防腐工艺，超音速喷涂不锈钢、碳化钨较涂装层有更好的强度，电镀锌镍合金层有更好的防腐性能，均可用于GIS上述零件的防腐。本次对比试验的电镀锌采用氰化电镀，镀镍采用酸性镀暗镍。
1.2 镀（涂）层参数
表1 各镀（涂）层厚度参数
1.3 试验条件
中性盐雾试验按GB/T 10125—2012《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》进行1000h。
每种镀层零件为2件，分别编号为电镀锌1#、2#；电镀镍3#、4#；超音速喷涂不锈钢5#、6#；超音速喷涂碳化钨7#、8#；电镀锌镍合金9#、10#。
1.4 试验结果
试验结果表明：①电镀镍层的防腐能力最差，不能用于户外GIS防腐；②电镀锌层也在短时间内就出现了锈蚀，并不适合户外GIS的防腐；③超音速喷涂不锈钢层镀层在湿热条件下出现了开裂的情况，进而发生锈蚀；④超音速喷涂碳化钨镀层在六方边角处易发生锈蚀；⑤电镀锌镍合金的防腐效果最优。
表2 各镀（涂）层中性盐雾试验结果
图2 电镀锌层盐雾试验结果
图3 电镀镍层盐雾试验结果
图4 超音速喷涂不锈钢层盐雾试验结果
图5 超音速喷涂碳化钨层盐雾试验结果
图6 电镀锌镍合金层盐雾试验结果
2 电镀锌镍合金层实际工况模拟实验
2.1 机械寿命后的防腐性能
户外GIS可能造成磨损的黑色金属零件，应满足机械操作寿命后的防腐。
本次试验共选取零件2件，装配后分别进行M1级机械寿命操作，然后取出零件按上文条件进行中性盐雾试验。
图7 试验形态
试验结果如图8所示，经过机械寿命操作后，电镀锌镍合金层表面没有明显破损，再进行中性盐雾试验1000h后也没有明显锈蚀。
图8 电镀锌镍合金层机械寿命后盐雾试验情况
2.2 预置镀层缺陷后的防腐性能
GIS产品在实际装配过程中，可能出现的磕碰会造成镀层破损，导致防腐性能减弱，为检验这类情况下电镀锌镍合金层的防腐性能，通过预置镀层缺陷的方式进行破坏模拟，再按上文条件进行中性盐雾试验。
本次试验使用零件3件，使用钢锥按不同比例分别破坏镀层，至裸露金属基材，然后进行中性盐雾试验。其中：①1#为微小缺陷，面积约1%；②2#为中等缺陷，面积约5%；③3#为严重缺陷，面积约15%。
图9 预置缺陷情况
图10 预置缺陷后中性盐雾试验1000h结果
试验结果表明，预置的缺陷范围经过1000h的中性盐雾试验没有明显扩散，除色泽更暗外基本保持原有范围。
电镀锌镍合金层具备优异的阳极保护效果，即使镀层破损，防腐性能也不会有明显下降。有研究表明，锌镍合金镀层的腐蚀电位明显高于镀锌层，说明镀锌层的腐蚀推动力大于锌镍合金的推动力；因此与镀锌膜相比较，锌镍合金更耐腐蚀。
3 电镀锌镍合金工艺的推广应用跟踪
电镀锌镍合金工艺已全面应用于本单位部分户外GIS的黑色金属零部件，替代了原“电镀锌+人工涂抹黄油”工艺。工艺变更后，持续跟踪两个多雨、潮湿和高盐雾地区的工程产品2年，没有发现锈蚀情况，如图11所示。
4 结果与讨论
本项目经过试验，确定了电镀锌镍合金能满足户外GIS黑色金属零件的防腐需求。电镀锌镍合金工艺尤其适合用于摩擦接触零件工作面的防腐或容易受到磕碰损伤的零件防腐。电镀锌镍合金作为一种具有高耐蚀等优良特性的防护性镀层已得到广泛应用。
图11 电镀锌镍合金工程应用2年后的情况
5 结论
1）电镀锌镍合金镀层的强度和防腐性能能够满足户外GIS的防腐需求。
2）电镀锌镍合金镀层的抗损伤能力强，在镀层出现一定面积损伤的条件下，防腐性能无明显下降。
3）预置镀层破损缺陷的方式能有效重现GIS产品实际装配操作中造成的镀层损坏，中性盐雾试验结果更能反映产品的实际状态。
4）户外实际应用2年后的真实情况印证了电镀锌镍合金在户外GIS的防腐中能保持优秀的效果。