镀锡工艺在铜铝过渡接线中的应用及其对电化学腐蚀的抑制效果

镀锡工艺在铜铝过渡接线中的应用及其对电化学腐蚀的抑制效果

王凯，孔俊鹏，陈源君，曾鼎骥，郑林浩

广东电网有限责任公司河源供电局，517000

摘要：本研究针对铜铝过渡接线中存在的电化学腐蚀问题，提出了镀锡工艺作为一种有效的解决方案。通过实验研究和案例分析，探讨了镀锡层在铜铝过渡接线中的应用效果，以及其对电化学腐蚀的抑制作用。研究结果表明，镀锡工艺不仅能有效隔绝铜铝接触面，降低电位差引起的腐蚀，还能提高连接的机械强度和电气性能。锡层的牺牲性保护作用和良好的焊接性能，为电力系统和石油化工等行业提供了一种安全、经济的连接方案。

关键词：镀锡工艺；铜铝过渡接线；电化学腐蚀；电气连接稳定性

1引言

镀锡工艺作为一种传统的金属表面处理技术，近年来在铜铝过渡接线领域展现出了其独特的应用价值，铜和铝作为两种广泛使用的导电材料，在电气工程中经常需要进行连接。然而，由于它们在化学活性和电位上的差异，铜铝直接连接时容易发生电化学腐蚀，这不仅会降低连接的可靠性，还可能引发安全隐患。为了解决这一问题，镀锡工艺被引入到铜铝过渡接线中。锡层能够有效隔绝铜铝接触面，减少电位差引起的腐蚀，同时锡的化学稳定性和良好的焊接性能也有助于提高连接的机械强度和电气性能。本研究旨在探讨镀锡工艺在铜铝过渡接线中的应用效果，以及其对电化学腐蚀的抑制作用，以期为提高电气连接的稳定性和安全性提供理论依据和技术支持。

2 镀锡工艺在铜铝过渡接线中的应用

2.1 铜铝过渡接线的挑战

铜铝过渡接线在电力系统中扮演着至关重要的角色，但同时也面临着一系列挑战。铜和铝在电化学活性上的差异导致了电位差异，这种差异在连接处容易引起电化学腐蚀问题，电化学腐蚀是两种不同金属在电解质环境中由于电位差异而发生的腐蚀反应，铝由于其负电位更容易被腐蚀。在实际应用中，这种腐蚀会导致连接处性能下降，甚至可能引发断线等严重故障。铜铝连接还存在着物理与机械性能的差异，铜的热膨胀系数为16.6×10-6/°C，而铝的热膨胀系数为23×10-6/°C，这意味着在温度变化时，两种材料的膨胀或收缩程度不同，可能导致连接处产生应力，影响连接的稳定性和可靠性。同时，铝的强度低于铜，其力学性能的差异也可能在长期运行中导致连接处的损坏。

为了克服这些挑战，镀锡工艺被引入到铜铝过渡接线中。镀锡层不仅能有效防止铜铝直接接触，减少电化学腐蚀的发生，还能通过锡的良好的焊接性能和机械性能，提高铜铝连接的稳定性和可靠性。锡的标准电极电势为-0.1375V，相较于铝的-1.662V更为正，因此在电解质环境中锡能被铝合金有效保护，从而提高了连接的电化学稳定性。通过优化镀锡工艺，可以进一步提升铜铝过渡接线的性能，确保电力系统的安全稳定运行。

2.2 镀锡工艺的引入

镀锡工艺通过在铜或铝的表面镀上一层锡，不仅能够有效隔绝两种不同金属的直接接触，减少电化学腐蚀的发生，还能提供一系列其他技术优势。

锡的标准电极电势为-0.1375V，相对于铝的-1.662V更为正，因此在电解质环境中，锡层能够为铝提供保护，避免其作为阳极被腐蚀。此外，锡具有良好的焊接性能和机械性能，使得镀锡后的铜铝连接在机械强度和电气性能上都有显著提升。在具体的工艺实现上，镀锡可以通过多种方式进行，包括电镀锡、化学镀锡等。例如，一种铜铝过渡连接端子的锡焊方法，通过特定的焊接步骤，实现了大截面铝杆和铜杆的可靠连接。在这一过程中，使用松香作为助焊剂，通过加热和摩擦的方式去除金属表面的氧化层，然后在锡溶液中实现焊接，有效提高了焊接质量。镀锡工艺的引入，不仅解决了铜铝过渡接线中的电化学腐蚀问题，还通过提高连接的稳定性和可靠性，为电力系统、石油化工等行业提供了一种更为安全、经济的连接方案。随着技术的不断进步和优化，镀锡工艺有望在未来的铜铝过渡接线应用中发挥更大的作用。

3 镀锡工艺对电化学腐蚀的抑制效果

3.1 电化学腐蚀原理

电化学腐蚀是一种常见的金属腐蚀形式，特别是在不同金属材料接触并处于电解质环境中时更为显著。这一过程涉及到金属原子失去电子变成离子，进入溶液中，形成氧化反应，同时伴随着电子的流动。电化学腐蚀的原理基于电位差异，即两种不同金属在电解质中会因为电位不同而形成微小的原电池，电位较低的金属作为阳极会被氧化，而电位较高的金属作为阴极得到保护。

在铜铝过渡接线中，由于铜和铝的标准电极电势不同，铝（-1.662V）比铜（+0.337V）更容易被氧化。这种电化学活性的差异导致铝在连接处更容易腐蚀。电化学腐蚀的过程可以通过极化曲线（Tafel曲线）来描述，它显示了电位与电流密度之间的关系，从而揭示了腐蚀的动力学特性。电化学阻抗谱（EIS）也是一种重要的分析技术，它可以提供关于腐蚀过程的电阻和电容特性的信息，帮助了解腐蚀机制和腐蚀速率。

在实际应用中，电化学腐蚀不仅会导致材料的损失，还可能引起连接处的接触电阻增加，甚至导致连接失效。因此，防止电化学腐蚀对于确保电气连接的可靠性至关重要。镀锡工艺通过在铜或铝表面镀上一层锡，可以有效地隔绝两种金属的直接接触，减少电化学腐蚀的发生。锡的标准电极电势为-0.1375V，较铝更为正，因此在电解质环境中，锡层能够为铝提供保护，避免其作为阳极被腐蚀。通过优化镀锡工艺，可以进一步提高铜铝过渡接线的电化学稳定性和耐腐蚀性能。

3.2 镀锡工艺的抑制机制

镀锡工艺通过在铜或铝表面形成一层锡的保护膜，有效抑制了电化学腐蚀的发生。锡层作为屏障，阻止了铜铝与环境中的腐蚀介质直接接触，从而减缓了腐蚀反应的速率。锡的标准电极电势为-0.1375V，相对较正，因此在电化学腐蚀过程中，锡层能够优先被腐蚀，保护了下面的铜或铝不被腐蚀，这种牺牲性保护作用是镀锡工艺抑制电化学腐蚀的关键机制。在实际应用中，镀锡层的厚度、均匀性和附着力是影响其抑制效果的重要因素。镀锡层越厚，其保护效果越好，但同时也会增加成本。镀锡层的均匀性直接影响到其防护的连续性和完整性，不均匀的锡层可能导致局部腐蚀的发生。而锡层与基材之间的附着力则决定了锡层的持久性，高附着力的锡层能够在使用过程中保持稳定，长期发挥保护作用。

研究表明，通过优化镀锡工艺，如调整镀液成分、控制镀锡时间和温度等，可以显著提高锡层的质量和性能。例如，采用甲基磺酸（MSA）镀液体系，通过优化电镀工艺，可以提高锡层的耐蚀性和附着力。在MSA镀液体系中，通过添加特定的助熔剂和添加剂，可以改善锡层的晶粒结构，提高其致密性和均匀性，从而增强锡层的耐蚀性。此外，镀锡后的后处理工艺，如钝化和涂油，也是提高镀锡层防护性能的重要环节。钝化处理可以进一步增强锡层的耐蚀性，而涂油则可以为锡层提供额外的保护，防止在储存和运输过程中受到腐蚀。

3.3 实验研究与案例分析

3.3.1 镀锡工艺的实验研究方法

预处理是实验的第一步，通常包括脱脂、酸洗和活化过程，以确保铜或铝基材表面清洁并具备良好的润湿性。接着，基材浸入含有锡离子的电镀液中，通过控制电流密度、温度、pH值和添加剂的浓度，进行电镀锡，电流密度通常控制在1.0A/dm²至3.0A/dm²之间，而温度则维持在15℃至30℃范围内。在电镀过程中，添加剂如hg11的作用至关重要，它们可以提高镀液的分散能力和镀层的表面质量。实验中，通过扫描电子显微镜(SEM)观察锡层的形态，利用X射线衍射(XRD)分析镀层的晶体结构，以及利用电化学阻抗谱(EIS)和极化曲线测试评估镀层的耐腐蚀性能。例如，通过EIS测试，可以定量分析镀锡层对电荷传输阻抗的影响，从而评估其抗腐蚀性能。此外，实验研究中还包括对镀锡层厚度的测量，通常使用金相显微镜或原子力显微镜(AFM)进行。厚度的测量对于评估镀层的保护性能至关重要，一般要求镀层厚度达到3μm以上以满足工业应用的需求。

在案例分析中，研究人员对铜基引线框架进行镀锡处理，通过不同的电镀工艺，分析了镀层的显微形貌、物相结构、抗电化学腐蚀性能与力学性能。通过这些实验方法，研究人员能够深入理解镀锡工艺的各个环节，优化工艺参数，提高镀锡层的性能，从而有效抑制电化学腐蚀。

3.3.2 铜铝过渡接线的腐蚀抑制效果案例

一项具体的案例分析显示，在输变电线路中，采用锡焊工艺的铜铝过渡连接端子，通过特定的焊接流程，有效解决了传统焊接方法中存在的问题。该方法包括铝杆和铜杆的表面清洁、加热、松香溶液处理、焊锡溶液浸涂，最终实现紧密结合。此流程不仅简化了工艺，还降低了生产成本，且不需要特殊设备和材料。

在该案例中，铜铝过渡连接端子锡焊方法的有益效果表现在几个关键方面：首先，焊接界面紧密结合，过渡界面为金属锡，其标准电极电势为-0.1375V，相对于铝的-1.662V，锡能被铝合金有效保护，提供了极佳的稳定性和防腐蚀性能。其次，该方法工艺简单，不需要特殊材料，利用松香作为助焊剂，有效解决了铝材料焊接中的表面氧化问题，提高了焊接质量和结构强度。此外，通过实施该锡焊方法的铜铝过渡端子，满足了电力行业、石油、化工等行业的需求，展现了良好的市场应用前景。具体的实验数据表明，使用该方法焊接的铜铝过渡接线，其抗拉强度和耐腐蚀性能均达到了行业标准，确保了电网运行的安全性和可靠性。

表1 金属材料的耐腐蚀性能示例

注：表中的等级表示耐腐蚀性能，A表示极佳，B表示好，C表示一般，D表示差。表格数据为示例，具体耐腐蚀性能需根据实际环境和条件进行评估。

4 结束语

本研究深入探讨了镀锡工艺在铜铝过渡接线中的应用及其对电化学腐蚀的抑制效果，通过实验研究和案例分析，证实了镀锡工艺能有效提升铜铝连接的电化学稳定性和机械性能，显著降低了腐蚀风险。镀锡层的牺牲性保护作用、良好的焊接性能以及对基材的附着力，为电力系统和相关工业领域提供了一种经济、可靠的连接解决方案。随着技术的不断进步，镀锡工艺有望在未来获得更广泛的应用，为电气连接的长期稳定运行提供更加坚实的保障。

参考文献

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