表面處理對鋁合金澆注絕緣樹脂后粘接性能的影響

劉翠翠，李夢娜，王寧，婁金鋼，王斌，楊曉涵，雪金海

（平高集團表面處理及金屬防腐實驗室，河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001）

高壓電器設(shè)備的穩(wěn)定性對供電的可靠性具有舉足輕重的作用，絕緣澆注產(chǎn)品作為高壓電器設(shè)備的關(guān)鍵零部件[1]，保證其性能的穩(wěn)定性無疑是預防故障發(fā)生的根本。絕緣樹脂與鋁合金澆注產(chǎn)品的拉伸強度需達到一定要求，否則產(chǎn)品運行過程中存在澆注件脫離而致使設(shè)備放電的風險。

為保證絕緣澆注后產(chǎn)品的拉伸強度，通常會對鋁合金工件進行表面處理[2-3]，鋁合金在一定條件下與特定的腐蝕液接觸而發(fā)生化學反應，由于陰極極化作用等原因，金屬表面生成一層附著力良好的能保護金屬不易受水和其他介質(zhì)影響的化合物膜[4-5]，該膜層多為多孔結(jié)構(gòu)，吸附性能好，可作為涂裝底層，增強表面涂層的附著力，從而提高絕緣澆注產(chǎn)品的拉伸強度和粘接性能。目前鋁合金表面處理常使用六價鉻鈍化，但該工藝在廢水可處理性、揮發(fā)性、毒性等方面不能滿足環(huán)保要求[6-7]。本文對比了4種鋁合金表面無鉻轉(zhuǎn)化處理工藝對絕緣澆注產(chǎn)品性能的影響，得到最佳工藝路線。

1 實驗

1.1 鋁合金表面處理工藝流程

工件材質(zhì)為6063-T6鋁合金(A級)，其化學成分如下：Cu 0.10%，Si 0.2% ～ 0.6%，F(xiàn)e 0.4%，Mn 0.1%，Mg 0.45% ～ 0.90%，Zn 0.1%，Cr 0.1%，Ti 0.1%，Al余量。

工藝流程為：噴砂→堿洗→熱水洗→水洗→硝酸洗→水洗→表面處理→回收→水洗→熱水洗。

1.1.1 噴砂

利用壓縮空氣將砂粒高速噴向金屬表面，獲得具有均勻、無光澤梨皮面的鋁金屬嵌件，粗糙度(Ra)通常在40 ～ 60 μm范圍內(nèi)。

1.1.2 堿洗

使用含無機鹽25% ～ 30%和表面活性劑70% ～ 75%的堿液，處理溫度65 ～ 75 °C，處理時間0.5 ～ 1.0 min，以處理后工件表面沒有發(fā)花和過腐蝕為準。

1.1.3 熱水洗

采用80 ～ 90 °C的自來水將工件表面清洗干凈，時間0.5 ～ 1.0 min，水洗后表面水膜連續(xù)。

1.1.4 水洗

采用室溫的自來水將工件表面清洗干凈，時間0.5 ～ 2.0 min，處理后表面水膜連續(xù)。

1.1.5 硝酸洗

采用400 ～ 600 mL/L的工業(yè)硝酸(67.5%)溶液，室溫處理0.5 min，處理后工件表面應無花斑。

1.1.6 表面處理

通過表面處理在金屬表面生成一層附著力良好的膜層，既能保護金屬不易受水和其他介質(zhì)影響，又能增強表面涂層的結(jié)合力。

1.1.6.1 無鉻鈍化

采用20%(體積分數(shù))的無鉻鈍化液，pH 3 ～ 6，在室溫下處理15 min。

1.1.6.2 硅烷鈍化

采用1%(體積分數(shù))的KH-550溶液在室溫下處理5 min。

1.1.6.3 化成

采用化成原液在室溫下處理1 ～ 2 min。

1.1.6.4 陽極氧化

在0 ～ 10 °C的105 mL/L硫酸溶液中以電流密度1 A/dm2處理40 min。

1.1.7 回收

采用室溫的去離子水處理0.5 ～ 1.0 min。

1.2 絕緣澆注過程

如圖1所示，環(huán)氧真空澆注是在一定溫度、真空度等條件下將環(huán)氧樹脂、固化劑、填料和其他助劑混合，隨后注入到具有特定型腔結(jié)構(gòu)、預裝鋁合金嵌件的模具內(nèi)，經(jīng)分段式固化后得到環(huán)氧澆注制品。

圖1 環(huán)氧澆注絕緣件的生產(chǎn)流程Figure 1 Process for fabrication of cast epoxy insulator

1.3 性能檢測與要求

1.3.1 表面處理后的外觀

鋁合金工件經(jīng)過表面處理后采用目視法檢查其外觀，要求表面膜層連續(xù)，色澤均勻一致，沒有花斑，光澤好。

1.3.2 表面處理后的微觀形貌

采用金相顯微鏡觀察鋁合金工件經(jīng)過表面處理后的微觀形貌，要求均勻一致。

1.3.3 澆注件的拉伸性能

根據(jù)Q/GDW 11127-2013《1 100 kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備用盆式絕緣子技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)標準，對澆注后的試驗棒進行拉伸強度檢測，要求不低于57 MPa。

1.3.4 澆注件的粘接性能

通過拉伸試驗后，對絕緣澆注件拉伸后的狀態(tài)進行目視檢查，要求鋁合金與絕緣澆注界面不出現(xiàn)斷裂，斷裂位置在絕緣樹脂處。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面處理后的外觀

由圖2可知，相同材質(zhì)鋁合金工件分別經(jīng)過無鉻鈍化、硅烷鈍化、化成、陽極氧化等4種表面處理后，外觀上目視沒有差別，鋁合金表面膜層連續(xù)，色澤均勻，無花斑，光澤良好。這說明鋁合金表面通過無機鹽處理和有機硅烷鈍化處理所得到的轉(zhuǎn)化膜在外觀上都能滿足要求。

圖2 4種不同工藝表面處理后的鋁合金外觀Figure 2 Appearance of aluminum alloy surface treated by four different processes

2.2 表面處理微觀形貌

從圖3可以看出，在金相顯微鏡下，經(jīng)過無鉻鈍化和硅烷鈍化2種方法處理的基材形貌差異不大，轉(zhuǎn)化膜細致，與基材結(jié)合緊密；而經(jīng)過化成和陽極氧化處理后的基材形貌發(fā)生變化，表面不均勻，部分區(qū)域模糊不清。

圖3 4種不同工藝處理后的鋁合金表面的微觀形貌Figure 3 Micromorphology of aluminum alloy surface treated by four different processes

2.3 拉伸性能

將環(huán)氧樹脂、固化劑、填料按相同的比例混合，在相同的溫度、真空度、時間等條件下對經(jīng)過表面處理的鋁合金工件澆注后進行拉伸試驗。由表1可知，4種表面處理工藝得到的澆注件的拉伸強度排序如下：硅烷鈍化 ＞ 陽極氧化 ＞ 無鉻鈍化 ＞ 化成。其中，經(jīng)過硅烷鈍化處理的工件澆注后可以滿足拉伸強度大于57 MPa的要求，且最大拉力穩(wěn)定在18 kN以上，其余3種表面處理澆注件的拉伸強度均低于57 MPa。

表1 4種工藝處理后鋁合金工件的拉伸強度Table 1 Tensile strength of aluminum alloy workpiece treated by four different processes

2.4 粘接性能

由圖4可知，無鉻鈍化、化成和陽極氧化處理后的工件經(jīng)拉伸試驗后的斷裂位置位于工件與絕緣樹脂交界面，工件幾乎無殘留絕緣樹脂；硅烷鈍化處理后的工件與絕緣樹脂交界面未發(fā)生斷裂，斷裂發(fā)生在絕緣樹脂處。這說明有機硅烷鈍化處理的效果比無機表面處理更好。鋁合金工件經(jīng)過有機硅烷鈍化處理后，硅醇羥基與水中的羥基會與金屬表面吸附的羥基形成締合氫鍵，令工件與絕緣樹脂澆注的粘接性能最佳。

圖4 4種表面處理鋁合金澆注件的粘接性能Figure 4 Adhesion of aluminum alloy surfaces treated by four different processes to cast insulating resin

3 結(jié)論

本文分別以無鉻鈍化、硅烷鈍化、化成、陽極氧化4種工藝對鋁合金工件表面處理后進行絕緣澆注，通過觀察表面處理后的狀態(tài)和微觀形貌以及拉伸試驗得到以下結(jié)論：

(1) 經(jīng)過無鉻鈍化和硅烷鈍化處理后形成的轉(zhuǎn)化膜更加細致、均勻。

(2) 經(jīng)4種工藝處理得到的鋁合金澆注件的拉伸強度排序為：硅烷鈍化 ＞ 陽極氧化 ＞ 無鉻鈍化 ＞ 化成。經(jīng)過硅烷鈍化處理的工件澆注后，拉伸強度可達到57 MPa以上。

(3) 鋁合金工件經(jīng)過有機硅烷鈍化處理后，與絕緣樹脂澆注的粘接性能最佳。