6xxx系鋁合金硫酸陽極氧化膜絕緣性研究

劉昌明，孫 巍，王 帥，馮靜陽，張執(zhí)劍

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽111003)

隨著“節(jié)能環(huán)?！背蔀樵絹碓绞荜P(guān)注的話題，輕量化也廣泛應(yīng)用到汽車、機械、軌道交通等領(lǐng)域。鋁合金因密度小、質(zhì)量輕，且具有良好的力學(xué)性能，成為輕量化首選材料。在電力系統(tǒng)中，為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，相關(guān)鋁合金零部件需滿足一定電絕緣要求，來防止局部放電導(dǎo)致局部過熱、燒蝕，進而引發(fā)電器故障[1]。

鋁合金在鉻酸、草酸、硫酸等電解液中，可得到絕緣性能不一的陽極氧化膜，有資料表明在草酸電解液中獲得的氧化膜絕緣性能最佳[2-3]，但草酸氧化膜成本較高，且顏色單一、裝飾性效果欠佳，無法滿足市場需求。本文使用傳統(tǒng)的硫酸陽極氧化，通過管控鋁合金材料組織、改進封孔劑來獲得絕緣性能良好的陽極氧化膜，并研究陽極氧化參數(shù)、封孔參數(shù)的變化對絕緣性能影響。

1 試驗

本試驗選取尺寸為150mm×80mm×1mm的6xxx系鋁合金作為試驗材料，鈦合金制具裝夾，陽極氧化電源額定功率200A/24V，封閉劑選用自主研發(fā)封閉劑ZW1，工藝流程及參數(shù)如表1所示。采用金相顯微鏡對基材組織形貌表征，采用掃描電鏡對封閉后氧化膜結(jié)構(gòu)進行表征，采用絕緣電阻測試儀對氧化膜絕緣電阻進行表征，測試電壓設(shè)定為1000V。

表1 陽極氧化工藝流程及參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 基材組織形貌對氧化膜絕緣性影響

表2為不同合金的氧化膜在1000V電壓下的絕緣電阻(在樣品表面均勻選取5個點，測量試樣的膜厚及絕緣電阻，取平均值為最終數(shù)值)。

由表2可知，不同合金在膜厚相差不大的情況下，絕緣電阻差距較大，其中6063鋁合金的絕緣電阻最大，絕緣性能最差的是6061鋁合金的氧化膜層。這說明陽極氧化過程中除電解液、溫度電流密度等外在因素外，鋁合金的合金化成分對氧化膜的電絕緣性也有影響。

圖1為金相顯微鏡下鋁合金的微觀組織形貌。析出的雜質(zhì)或第二相在陽極氧化過程中比鋁的電位正或者相仿，溶解速度比鋁的氧化和溶解慢，直接滲入到氧化膜中；大質(zhì)點也不易溶解，氧化速度比較慢，以原金屬或第二相形式析出，直接滲入陽極氧化膜層中，影響膜層均勻性，降低氧化膜的電絕緣性[4]。由圖1可看出6061合金析出第二相的顆粒最大，而且分布也不均勻，6005A合金第二相比6061析出均勻，且顆粒較小，6063合金組織分布最均勻且顆粒度小。因此6063合金絕緣電阻最高，氧化膜絕緣性最強。

2.2 電流密度對陽極氧化膜絕緣性的影響

表3為不同電流密度下制得的陽極氧化膜厚度及絕緣電阻值?？梢钥闯觯诤愣〞r間下，隨著電流密度的增加，膜厚值逐漸增加，而絕緣電阻呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，當電流密度為1.5A/dm2～1.8A/dm2時，絕緣電阻值達到無窮大；當電流密度大于2.1A/dm2時，絕緣電阻值開始降低，最后絕緣電阻值為0。因為隨著電流密度的增加，氧化膜厚增大，但氧化膜膜孔也隨之擴大，所以絕緣電阻呈現(xiàn)先增強后減弱趨勢；當電流密度大于一定值時，氧化膜層開始粉化，絕緣性能也隨之消失。

表3 不同電流密度氧化膜層的厚度及絕緣電阻值

2.3 封孔工藝對氧化膜絕緣性影響

選用6063合金，控制氧化電流密度1.5A/dm2，膜厚AA15，分別選用無鎳封閉劑ES-1、醋酸鎳及ZW1封閉劑進行封孔試驗，工藝參數(shù)及絕緣電阻值如表4所示?？梢钥闯?，無鎳封閉氧化膜層被瞬間擊穿，絕緣電阻值為0；使用醋酸鎳封閉時，膜層絕緣性能相對較好，但絕緣電阻值較低；使用ZW1封閉劑得到產(chǎn)品的電阻值無窮大，絕緣性能最好。這是因為無鎳封閉劑ES-1及醋酸鎳兩種封閉劑均屬于熱封孔，其本質(zhì)是氧化鋁的水合反應(yīng)，將非晶態(tài)氧化鋁轉(zhuǎn)化成勃姆體；而不同的是，醋酸鎳封閉時，有部分Ni2+轉(zhuǎn)化為氫氧化鎳，沉積于膜孔內(nèi)部，因此醋酸鎳封閉使氧化膜層的絕緣性有所提升[5]。ZW1封閉劑是專門針對提高絕緣性能的封閉劑，其機理與冷封孔機理相似，反應(yīng)產(chǎn)物主要有AlOOH(勃姆體)、Ni(OH)2等，且其填充劑內(nèi)有部分有機物，因此膜層的絕緣性能優(yōu)越。

圖2為不同封孔工藝得到樣品在掃描電鏡下的微觀形貌。由圖可看出，經(jīng)過陽極氧化后，表面形成納米孔狀的氧化膜。經(jīng)過封閉處理后，孔壁開始水合反應(yīng)，微孔逐漸被填充。使用ES-1及醋酸鎳封閉時，封閉本質(zhì)相同，氧化膜形貌類似，均為微孔可見狀態(tài)；使用ZW1封閉時，因其封閉原理不同，填充物部分吸附表面，微孔變得部分不可見，因而絕緣性提升。

表4 不同封閉劑工藝參數(shù)及絕緣電阻值

3 結(jié)論

(1)氧化膜絕緣性與基材組織密切相關(guān)；

(2)隨著電流密度的增大，氧化膜的厚度逐漸增大，絕緣性能呈先增大后減小趨勢，電流密度控制1.5A/dm2～1.8A/dm2，膜厚等級AA15，絕緣性能最佳；

(3)ZW1封閉劑是一種專門提高鋁合金氧化膜層絕緣性能的封閉劑，與傳統(tǒng)封閉劑相比，其絕緣效果較好，1000V電壓下，絕緣電阻值可達到無窮大。