6xxx系铝合金硫酸阳极氧化膜绝缘性研究

2020-03-18刘昌明冯静阳张执剑

有色金属加工 2020年1期

刘昌明，孙巍，王帅，冯静阳，张执剑

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳111003)

随着“节能环保”成为越来越受关注的话题，轻量化也广泛应用到汽车、机械、轨道交通等领域。铝合金因密度小、质量轻，且具有良好的力学性能，成为轻量化首选材料。在电力系统中，为保证系统安全稳定运行，相关铝合金零部件需满足一定电绝缘要求，来防止局部放电导致局部过热、烧蚀，进而引发电器故障[1]。

铝合金在铬酸、草酸、硫酸等电解液中，可得到绝缘性能不一的阳极氧化膜，有资料表明在草酸电解液中获得的氧化膜绝缘性能最佳[2-3]，但草酸氧化膜成本较高，且颜色单一、装饰性效果欠佳，无法满足市场需求。本文使用传统的硫酸阳极氧化，通过管控铝合金材料组织、改进封孔剂来获得绝缘性能良好的阳极氧化膜，并研究阳极氧化参数、封孔参数的变化对绝缘性能影响。

1 试验

本试验选取尺寸为150mm×80mm×1mm的6xxx系铝合金作为试验材料，钛合金制具装夹，阳极氧化电源额定功率200A/24V，封闭剂选用自主研发封闭剂ZW1，工艺流程及参数如表1所示。采用金相显微镜对基材组织形貌表征，采用扫描电镜对封闭后氧化膜结构进行表征，采用绝缘电阻测试仪对氧化膜绝缘电阻进行表征，测试电压设定为1000V。

表1 阳极氧化工艺流程及参数

2 结果与讨论

2.1 基材组织形貌对氧化膜绝缘性影响

表2为不同合金的氧化膜在1000V电压下的绝缘电阻(在样品表面均匀选取5个点，测量试样的膜厚及绝缘电阻，取平均值为最终数值)。

由表2可知，不同合金在膜厚相差不大的情况下，绝缘电阻差距较大，其中6063铝合金的绝缘电阻最大，绝缘性能最差的是6061铝合金的氧化膜层。这说明阳极氧化过程中除电解液、温度电流密度等外在因素外，铝合金的合金化成分对氧化膜的电绝缘性也有影响。

图1为金相显微镜下铝合金的微观组织形貌。析出的杂质或第二相在阳极氧化过程中比铝的电位正或者相仿，溶解速度比铝的氧化和溶解慢，直接渗入到氧化膜中；大质点也不易溶解，氧化速度比较慢，以原金属或第二相形式析出，直接渗入阳极氧化膜层中，影响膜层均匀性，降低氧化膜的电绝缘性[4]。由图1可看出6061合金析出第二相的颗粒最大，而且分布也不均匀，6005A合金第二相比6061析出均匀，且颗粒较小，6063合金组织分布最均匀且颗粒度小。因此6063合金绝缘电阻最高，氧化膜绝缘性最强。

2.2 电流密度对阳极氧化膜绝缘性的影响

表3为不同电流密度下制得的阳极氧化膜厚度及绝缘电阻值。可以看出，在恒定时间下，随着电流密度的增加，膜厚值逐渐增加，而绝缘电阻呈现先增加后减小趋势，当电流密度为1.5A/dm2～1.8A/dm2时，绝缘电阻值达到无穷大；当电流密度大于2.1A/dm2时，绝缘电阻值开始降低，最后绝缘电阻值为0。因为随着电流密度的增加，氧化膜厚增大，但氧化膜膜孔也随之扩大，所以绝缘电阻呈现先增强后减弱趋势；当电流密度大于一定值时，氧化膜层开始粉化，绝缘性能也随之消失。

表3 不同电流密度氧化膜层的厚度及绝缘电阻值

2.3 封孔工艺对氧化膜绝缘性影响

选用6063合金，控制氧化电流密度1.5A/dm2，膜厚AA15，分别选用无镍封闭剂ES-1、醋酸镍及ZW1封闭剂进行封孔试验，工艺参数及绝缘电阻值如表4所示。可以看出，无镍封闭氧化膜层被瞬间击穿，绝缘电阻值为0；使用醋酸镍封闭时，膜层绝缘性能相对较好，但绝缘电阻值较低；使用ZW1封闭剂得到产品的电阻值无穷大，绝缘性能最好。这是因为无镍封闭剂ES-1及醋酸镍两种封闭剂均属于热封孔，其本质是氧化铝的水合反应，将非晶态氧化铝转化成勃姆体；而不同的是，醋酸镍封闭时，有部分Ni2+转化为氢氧化镍，沉积于膜孔内部，因此醋酸镍封闭使氧化膜层的绝缘性有所提升[5]。ZW1封闭剂是专门针对提高绝缘性能的封闭剂，其机理与冷封孔机理相似，反应产物主要有AlOOH(勃姆体)、Ni(OH)2等，且其填充剂内有部分有机物，因此膜层的绝缘性能优越。

图2为不同封孔工艺得到样品在扫描电镜下的微观形貌。由图可看出，经过阳极氧化后，表面形成纳米孔状的氧化膜。经过封闭处理后，孔壁开始水合反应，微孔逐渐被填充。使用ES-1及醋酸镍封闭时，封闭本质相同，氧化膜形貌类似，均为微孔可见状态；使用ZW1封闭时，因其封闭原理不同，填充物部分吸附表面，微孔变得部分不可见，因而绝缘性提升。