前處理工藝對6061鋁合金靜電噴涂酚醛樹脂涂層附著力的影響

王立剛

(1.營口理工學院 材料科學與工程學院,遼寧 營口 115014;2.南京合一智造汽車輕量化技術研究院有限公司,江蘇 南京 211299)

噴金剛砂和玻璃珠是常用的前處理工藝,其工作原理是利用高壓空氣攜帶一定粒度的砂?；虿Ａе?高速噴射到工件表面,使工件表面的雜質及氧化皮去除,同時使工件表面粗化,一方面凈化表面,另一方面提高基體與涂層的結合強度[1-4]。

靜電噴涂技術是粉末噴涂常用技術,工藝流程為:工件前處理→噴粉→固化→檢查→成品?，F有的前處理方法通常采用磷化的方式來增強噴粉后的附著力,但是過程中的脫脂劑、 磷化渣和堿液不僅會產生殘留還會對環境造成嚴重污染。通過采用噴金剛砂、玻璃珠或復合噴砂的方式取代磷化處理有著重要的意義。然而,關于不同前處理工藝對靜電噴涂酚醛樹脂附著力的影響的研究較少,本研究可有助于降低靜電噴涂酚醛樹脂的成本和減輕環境壓力[5-8]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

文章使用的6061鋁合金成分及含量如表1所示,噴涂用的酚醛樹脂粉末涂料采購自濟南圣泉集團。

表1 6061鋁合金成分表(wt %)

1.2 試驗過程及方法

對6061鋁合金板材(3 mm×40 mm×60 mm)進行噴一次金剛砂和噴一次金剛砂+噴一次玻璃珠兩種工藝前處理,金剛砂和玻璃珠為500 μm,每次噴砂采用5千克力,噴砂或噴玻璃珠時間各30 s。對經前處理后的6061鋁合金板材進行靜電噴涂酚醛樹脂粉末,噴涂的電壓分別為110 kV、90 kV、80 kV、60 kV、50 kV、30 kV,噴涂溫度在150 ℃～165 ℃,噴涂后在178 ℃～183 ℃進行20分鐘流平處理。利用日立冷場發射掃描電鏡Regulus8100(SEM)觀察不同前處理工藝的6061鋁合金板材表面,利用XTL-17型金相顯微鏡觀察涂層的厚度,利用Step500測試平臺(配備NHT3、MHT3模塊和聲信號傳感器)測定涂層結合力,采用金剛石球形壓頭(半徑為100 μm);劃痕試驗最大載荷28 N,劃痕長度2 mm,劃痕速率1 mm/min。

2 試驗結果及分析

2.1 前處理工藝對表面形貌的影響

圖1是經不同前處理工藝處理后的6061鋁合金表面形貌。經一次噴砂后在6061鋁合金表面出現明顯的敞開性凹坑,凹坑平均長度為30 μm ～40 μm。經一次噴砂+噴一次玻璃珠處理后,6061鋁合金表面比經一次噴砂處理的6061鋁合金表面的平整度明顯變好,凹坑數量明顯減少。

(a) 經一次噴砂處理

圖2為經一次噴砂處理后6061鋁合金表面EDS面掃描Si、O元素分布,由圖2可知,大塊的含有高含量Si和O元素的區域應為噴砂用石英砂,石英砂尺寸約為25 μm。圖3為經一次噴砂+噴玻璃珠處理后EDS面掃描結果,由圖3可知,經噴玻璃珠處理后,受玻璃珠的沖擊作用6061鋁合金表面EDS面掃面上大塊石英砂遭到破碎使其尺寸明顯變小,約為10 μm ～15 μm。玻璃珠的沖擊作用也使部分石英砂掉落,因此石英砂數量也明顯減少,分布比較稀疏。

圖2 經一次噴砂處理后6061鋁合金表面EDS面掃描Si、O元素分布

圖3 經一次噴砂+噴玻璃珠處理后6061鋁合金表面EDS面掃描Si、O元素分布

2.2 噴涂電壓對涂層厚度的影響

圖4為兩種前處理狀態下不同噴涂電壓噴涂后涂層厚度。由于經不同前處理后6061鋁合金表面粗糙不平,所以涂層厚度并不均勻,但噴玻璃珠后6061鋁合金表面相對平整,因此涂層厚度不均勻性相對較小。

(a) 一次噴砂,噴涂電壓110 kV

圖5匯總了兩種前處理狀態下,不同噴涂電壓條件下涂層的厚度。隨著噴涂電壓的增加,涂層厚度明顯增加,當噴涂電壓超過80 kV時涂層厚度增加處不明顯。由于噴涂電壓大于80 kV后,靜電噴涂力增加,過大的力使后期噴涂的粉末將前期噴涂上的粉末沖擊掉落,因此隨著噴涂電壓進一步增加,涂層厚度沒有明顯增加[9]。采用一次噴砂+噴玻璃珠前處理方法的涂層厚度較只進行一次噴砂的涂層稍薄。

圖5 涂層厚度與靜電噴涂電壓間的關系

2.3 涂層附著力

涂層附著力大小以測試聲信號突變點對應的加載力為計算依據,綜合考慮試樣數量和涂層厚度因素,我們選取了兩種前處理條件下,對應的靜電噴涂電壓分別為110 kV、80 kV和50 kV的涂層進行了涂層附著力的測試。

圖6是前處理為一次噴砂、不同噴涂電壓的涂層附著力測試結果。由圖6可知,采用110 kV噴涂電壓的涂層聲信號出現突變的時間最早,對應的加載力為5.8 N。采用80 kV和50 kV噴涂電壓的涂層聲信號出現突變的時間基本一致,對應的加載力均為7 N。

(a)110 kV

圖7是前處理為一次噴砂+噴玻璃珠、不同噴涂電壓的涂層附著力測試結果。由圖7可知,采用110 kV和80 kV噴涂電壓的涂層聲信號出現突變的時間相差較小,對應的加載力分別為9 N和8.4 N。采用50 kV噴涂電壓的涂層聲信號出現突變的時間相對較晚,對應的加載力均為12.6 N。

(a)110 kV

由涂層附著力測試結果可知,采用一次噴砂+噴玻璃珠作為前處理工藝的涂層附著力高于采用一次噴砂作為前處理工藝的附著力。經噴玻璃珠后,在6061鋁合金表面的金剛砂顆粒明顯變小,分布得更加稀疏,在這種情況下涂層與基體6061鋁合金的結合更加容易,外在表現為結合力更大。一次采用一次噴砂+噴玻璃珠作為前處理工藝更佳。高的噴涂電壓并未表現出最好的涂層結合力,相對較低的80 kV和50 kV噴涂電壓結合力相對較好。

因此,為了獲得較好的涂層附著力,前處理工藝選擇一次噴砂+噴玻璃珠,噴涂電壓選擇80 kV或50 kV。

3 結論

(1)噴玻璃珠處理工藝可以將噴砂處理中在6061鋁合金表面留下的大顆粒金剛砂顆粒破碎或擊落,使其分布稀疏,且表面相平整。

(2)在采用相同的噴涂電壓下,采用一次噴砂+噴玻璃珠前處理工藝的涂層厚度相對于采用一次噴砂前處理工藝的涂層厚度小,且涂層厚度分布較均勻。

(3)在采用相同的噴涂電壓下,采用一次噴砂+噴玻璃珠作為前處理工藝的涂層附著力相對較大。在兩種前處理條件下,噴涂電壓選在50 kV或80 kV條件下附著力最大。