王立剛

(1.營(yíng)口理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 營(yíng)口 115014;2.南京合一智造汽車輕量化技術(shù)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(zhì)及氧化皮去除,同時(shí)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(jié)合強(qiáng)度[1-4]。

靜電噴涂技術(shù)是粉末噴涂常用技術(shù),工藝流程為:工件前處理→噴粉→固化→檢查→成品?，F(xiàn)有的前處理方法通常采用磷化的方式來增強(qiáng)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(huì)產(chǎn)生殘留還會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。通過采用噴金剛砂、玻璃珠或復(fù)合噴砂的方式取代磷化處理有著重要的意義。然而,關(guān)于不同前處理工藝對(duì)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(huán)境壓力[5-8]。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(jì)南圣泉集團(tuán)。

表1 6061鋁合金成分表(wt %)

1.2 試驗(yàn)過程及方法

對(duì)6061鋁合金板材(3 mm×40 mm×60 mm)進(jìn)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(shí)間各30 s。對(duì)經(jīng)前處理后的6061鋁合金板材進(jìn)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(jìn)行20分鐘流平處理。利用日立冷場(chǎng)發(fā)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(cè)試平臺(tái)(配備NHT3、MHT3模塊和聲信號(hào)傳感器)測(cè)定涂層結(jié)合力,采用金剛石球形壓頭(半徑為100 μm);劃痕試驗(yàn)最大載荷28 N,劃痕長(zhǎng)度2 mm,劃痕速率1 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 前處理工藝對(duì)表面形貌的影響

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

(a) 經(jīng)一次噴砂處理

圖2為經(jīng)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(qū)域應(yīng)為噴砂用石英砂,石英砂尺寸約為25 μm。圖3為經(jīng)一次噴砂+噴玻璃珠處理后EDS面掃描結(jié)果,由圖3可知,經(jīng)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(shù)量也明顯減少,分布比較稀疏。

圖2 經(jīng)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(jīng)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(duì)涂層厚度的影響

圖4為兩種前處理狀態(tài)下不同噴涂電壓噴涂后涂層厚度。由于經(jīng)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(duì)平整,因此涂層厚度不均勻性相對(duì)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(tài)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(dāng)噴涂電壓超過80 kV時(shí)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(jìn)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(jìn)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(guān)系

2.3 涂層附著力

涂層附著力大小以測(cè)試聲信號(hào)突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加載力為計(jì)算依據(jù),綜合考慮試樣數(shù)量和涂層厚度因素,我們選取了兩種前處理?xiàng)l件下,對(duì)應(yīng)的靜電噴涂電壓分別為110 kV、80 kV和50 kV的涂層進(jìn)行了涂層附著力的測(cè)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(cè)試結(jié)果。由圖6可知,采用110 kV噴涂電壓的涂層聲信號(hào)出現(xiàn)突變的時(shí)間最早,對(duì)應(yīng)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(hào)出現(xiàn)突變的時(shí)間基本一致,對(duì)應(yīng)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(cè)試結(jié)果。由圖7可知,采用110 kV和80 kV噴涂電壓的涂層聲信號(hào)出現(xiàn)突變的時(shí)間相差較小,對(duì)應(yīng)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(hào)出現(xiàn)突變的時(shí)間相對(duì)較晚,對(duì)應(yīng)的加載力均為12.6 N。

(a)110 kV

由涂層附著力測(cè)試結(jié)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(jīng)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(jié)合更加容易,外在表現(xiàn)為結(jié)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(xiàn)出最好的涂層結(jié)合力,相對(duì)較低的80 kV和50 kV噴涂電壓結(jié)合力相對(duì)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(jié)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(duì)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(duì)較大。在兩種前處理?xiàng)l件下,噴涂電壓選在50 kV或80 kV條件下附著力最大。