[科普中国]-真空浇注

简介

环氧树脂浇注技术是20 世纪50 年代产生的一种绝缘材料新型制造技术，它是随着输变电技术的发展而出现的。早期的输变电设备电压等级低，其核心绝缘部件还是采用传统的绝缘材料，当输变电设备的电压等级提高后，传统绝缘材料的不足凸显出来，特别是无法满足工频耐压和局部放电的要求，为解决这些问题，环氧树脂浇注技术应运而生。

20 世纪50 年代的环氧树脂浇注工艺与金属铸造工艺相似，将环氧树脂加热倒入到金属模具中，室温或加热即可。由于当时的环氧树脂材料体系、浇注配方设计、浇注设备和浇注工艺水平都处于初级阶段，浇注产品的内在质量和外观质量都比较差。

20 世纪60 年代出现了真空浇注技术，环氧树脂浇注从常压成型发展为真空成型。真空浇注成型使浇注料中的气泡可以更容易的排出，制品的内在质量和外观质量都得到较大提高，从而推动了输变电技术的发展，但这个时期用户的关注焦点主要是内在性能，而不太关注外观质量。

20 世纪70 年代后期，我国开始引进微机控制的全套真空系统，从材料预处理、管道系统到混料浇注系统都实现真空技术，且自动化程度提高，浇注产品质量上升到一个新台阶。

时至今日，材料体系、配方都十分成熟，浇注设备已实现智能化，产品性能完全可以满足高电压等级输变电设备的要求，目前最高电压等级的百万伏输变电设备配套的环氧浇注件都实现了国产化。此时外观质量成为用户验收和制造商关注的焦点，也是环氧浇注产品立足于市场的根本。

由于环氧浇注产品外观质量受诸多因素影响，精确地量化和确定问题的原因很困难，所以浇注件外观质量控制成为浇注工艺技术中的难点。目前，国外在浇注件外观控制水平远高于国内同类产品的外观水平1。

浇注工艺浇注工艺过程：材料预处理（嵌件涂覆粘结剂或半导电橡胶，填料抽空干燥，固态环氧树脂熔化抽真空，固化剂抽真空）→材料混合（先将填料和环氧树脂一次混合抽真空，然后与固化剂混合）→前固化（浇注料在固化炉中固化成型，固化度至80%以上）→脱模装模（保持适当温度将产品卸模并快速装入下一模）→后固化（脱模后的产品集中固化，提高固化度，释放内应力）→后处理（清理产品浇口，合模缝及其它缺陷）→检验包装。

与传统绝缘材料相比，环氧真空浇注产品具有许多独特的优点：

①无气隙或少气隙，制品的电气绝缘性能优异；

②浇注成型流动性好，自然填充型腔，制品均匀性好；

③由于电性能好，产品可以做到小型化，优化主机结构；

④产品可以做成复杂形状，且一次成型，金属嵌件和绝缘材料的整体性好；

⑤耐候性好，可以应用于户内户外领域；

⑥产品为固态，难燃，使用安全方便。

但该工艺也存在不足之处：

①体系中无补强材料，力学性能较差，主机使用中有断裂的情况；

②制品内产生一定的应力，应力累积释放时制品有开裂的风险；

③外观质量上易存在各种缺陷2。

外观质量缺陷的常见类型及其对性能的影响（1）气孔：在高电压状态下，气孔会改变局部电场分布，影响局部放电量。

（2）缩孔缩痕：缩孔缩痕的存在会导致产品表面不光滑，影响产品的电性能，如果通过打磨处理，表面树脂层会被破坏，易吸潮和易吸附灰尘，也影响其电性能。

（3）黄痕：主要是视觉上不好看，对性能基本没有什么影响。

（4）流痕：流痕可能会改变电弧在其表面的流动一致性。

（5）杂质：杂质的存在会影响电性能，实验表明密集或者大粒径的杂质会导致制品表面放电，局放增大。

（6）划痕：划痕实质上是局部尖角毛刺的一种表现，可能会导致制品放电。

（7）裂纹：裂纹会影响制品的耐电压和局部放电性能、力学性能，如果外表存在裂纹，内部可能会存在隐患，接线端子板类产品可能会产生气体泄露。由此说明，外观质量缺陷不只是外观质量差，且在一定程度上会影响到整机的性能，需要引起足够的重视3。

外观质量缺陷的原因分析及解决方法气孔的产生原因及解决方法（1）由于产品形状复杂，模具结构设计比较复杂不合理，会产生排气死角或排气通道狭窄，模具内的空气在浇注前或浇注中不能及时排尽，从而产生气孔。因此，模具设计要合理，特别是排气通道要顺畅，路径要短，在模具上要设计出气囊，让死角处无法排出的气泡聚集到气囊中，后期处理时，应清理掉气囊空间多余的树脂。

（2）原材料中的水分未充分干燥，环氧树脂、固化剂中的小分子物质没有完全抽空也会引起气孔的产生。所以，生产前必须将材料进行充分的预处理，填料中的水分、环氧树脂中的低分子物质、固化剂中的低分子物质都要通过真空系统进行处理。

（3）固化剂加入过量，抽真空时会使过量酸酐挥发。因此，要注意配方中的固化剂不能过量，保证计算正确，计量系统可靠。

（4）浇注时没有针对不同模具调节流量快慢，全程以快速度浇注，或者在模具转换过程中没有控制好流量，一开始模具中的浇注料流量过急，引起产生的气泡来不及排尽。由于浇注过程是依靠经验的操作，流速快慢、流量大小随模具不同和浇注料的粘度不同而变化，迄今没有自动化的操作方式，需要具有丰富经验的浇注技术工人。

（5）当浇注温度过高或材料体系反应过快，导致浇注料可使用时间缩短，粘度增大，气体不能快速从料中逸出，在后续过程中缓慢移到表面。所以加入固化剂后，可适当降低体系温度，控制材料体系粘度的变化，关注温度的变化，在合适粘度下尽快浇注，确保浇入模具的体系粘度不发生较大变化，这样可以减少气孔的产生。

（6）混料或浇注时罐内真空不足或抽真空时间不够。处理措施是定期更换真空泵油和过滤器过滤芯，保证真空泵良好的运转，检查真空系统有无漏点和真空度，真空度下降时，延长抽空时间，以到达要求值为准。

（7）为了方便清理嵌件上的环氧浇注料，操作时在嵌件允许部位涂抹硅脂，但超出范围或涂抹过量会导致结合处出现气孔。所以要严格按照要求范围进行涂抹，为防止不需要涂抹的部位受到污染，可用胶带等将不需要涂抹的部位进行包裹保护；沾取硅脂要少量，涂抹时硅脂要形成膜，不能有堆积现象。

（8）前固化凝胶前模具出现漏模现象。处理措施是合模前清理干净合模面，不能夹杂异物；对模具螺丝进行紧固，模具密封条定期检查更换，确保密封条富有弹性。

（9）固化炉内温度不均匀，导致模具温度不均匀，高温处反应快，低温处反应慢，导致表面产生气孔，因此保证固化炉内温度一致性对保证产品质量一致性很重要。对固化炉内温度进行多点测量，取其平均值作为固化炉温度；根据固化炉的大小，安装合适数量、大小的鼓风装置，使固化炉内的气流在内部循环流动起来，以便炉内各点温度相同。

（10）前固化时温度过高或升温过快，致使反应不均匀从而产生气孔。可采取阶梯升温、逐步提高温度的方法，控制固化反应速度。

（11）模具在模具框中摆放角度不合适，人为造成排气路径受阻。所以应该及时清理模具框中的浇注料，保证模具稳当放入模具框中。放入模具框中的模具，浇注口必须高于模具型腔面，型腔中必须留有排气空间，必要时可借助垫块等对模具摆放角度进行调整。

（12）模具密封圈与密封槽的配合不合适，新换密封圈时易出现气孔。要对新更换密封圈的模具进行加热、加压处理，使密封圈弯曲压入密封槽，将密封槽间隙中残留的气体完全排出。

缩痕缩孔的产生原因及解决方法（1）环氧浇注固化反应是放热反应，浇注时要求料温低于模具和浇注罐温，当罐温和模具温度低于料温时，容易产生缩痕。模具脱模后要保证足够的加热时间，进入浇注炉前用红外测温仪测量模具温度，比较准确的测量方法是找出炉中体积最大的模具，通过浇注口测型腔的温度，必须做到模具的温度高于浇注料的温度10 ℃左右，模具置入浇注炉内，浇注炉的温度不能低于模具温度，从而保证模具温度一直高于料温。

（2）模具设计不合理导致浇注口冷却效果不好；浇口加水袋冷却不及时或水袋大小不当或放置位置不正确。所以设计模具时要科学的安排浇注口位置，冷却浇注口的水箱位置、大小，使浇注口的浇注料能补缩到型腔中，对于一些形状特异不能完全通过模具上的水箱解决问题时必须外加水袋，水袋的大小、放置部位可以在实际操作中进行调整。

黄痕的产生原因及解决方法浇注件从嵌件处开始形成竖直的黄痕目前尚不清楚原因，出现这种情况时经验的做法是：

①延长固化剂与一次混合料的混合时间；

②涂敷嵌件时确保表面清洁处理。

流痕的产生原因及解决方法（1）流痕是喷洒脱模剂后没有擦拭干净，在局部有脱模剂滞留，浇注时此位置的浇注料无法浸润到型腔表面，出现流痕。脱模剂喷洒到型腔后要停留5 min 左右再擦拭，目的是浸润模具、减少脱模剂滞留，这个环节主要依靠操作者的精细作业。

（2）另一种流痕在浇注件表面大范围出现，有的显现，有的隐约，流痕密集，这是由于填料的粒度分布不合适所引起的。因此，每批原材料一定要做粒度分布试验，选用符合粒度分布要求的原材料有利于流痕的消除。

表面不光亮的产生原因及解决方法（1）模具处理不净，型腔某些部位被粘胶后，留下痕迹，局部表面粗糙。制造模具的材料最好是钢材质，模具表面光亮，硬度高，不易损伤，才能制造出外观光亮的产品。

（2）模具养护不好，尤其是第一次使用模具时，在处理时间、处理次数、脱模剂选择上不合适，使得新模具表面干涩。模具的一次抛光要做到最佳状态，初次处理模具必须彻底，型腔表面形成保护膜后才能转入浇注。

（3）模具抛光不精细，光洁度不够。所以生产中做好保养维护，模具停用后也需要定期养护。

色灰产生原因（1）正常情况下，不加颜料的浇注件是白色的，如果填料（采用三氧化二铝时）计量错误，加入比例超出了正常范围，颜色会变得深灰。

（2）混料罐中有金属接触到罐壁，随着搅拌研磨而产生色灰。

（3）填料潮湿且长时间搅拌（这种情况出现在钢制搅拌罐中）。

杂质的产生原因及解决方法（1）材料本身不洁净，材料使用时将杂质带入制品中。装脱模时，操作台之间未隔离，交叉作业影响带入杂质。因此要严格原材料检验，避免原材料中带入杂质。净化现场作业环境，需隔离的区域必须隔离，避免交叉污染。

（2）采用一罐法浇注工艺时，混料罐壁产生胶渣，未及时清理形成杂质。最好采用技术先进的静态混料浇注设备，可避免混料过程产生杂质。

（3）装模时违规操作，对型腔清洁不够。装嵌件，合模具时粗暴操作，嵌件上的导电橡胶涂层被强震动后落入型腔。浇注时选择过滤网的孔眼目数不恰当。浇口封堵不严，在烘箱中鼓风加热时进入杂质。这些都需要精细作业，严格按规范操作。

裂纹产生原因及解决方法（1）环氧树脂和嵌件的热膨胀系数不一致，而嵌件没有进行合适的预处理，造成裂纹。

（2）环氧树脂浇注层厚薄不均匀处没有过渡区域。要求嵌件和材料的所有过渡部分必须有一定要求的弧度，不允许突变。

（3）环氧树脂与嵌件接触处没有对嵌件倒圆角或喷砂、滚花处理。

（4）与嵌件接触处的环氧树脂层太薄。

（5）室温太低的环境下，产品脱模后没有保温措施，冷却太快。遇到这种情况，产品脱模后必须用保温材料迅速保护，并尽快转入后固化，后固化结束后自然冷却到室温。

（6）产品后固化后，没有缓慢冷却到室温，而是直接打开烘炉冷却。

（7）模具温度、浇注温度、固化温度不匹配而产生的应力作用。工艺中应严格控制模具温度、浇注料温度、固化温度之间的匹配。

（8）环氧树脂固化度低于85%时，强度变差，无法抵抗内应力释放，产生冲击力造成裂纹。

（9）原材料选择和配方设计不正确，没有考虑对制品抗开裂的影响以及如何提高制品的韧性。在保证产品性能的前提下，可考虑在配方中引入增韧剂1。

总结通过分析影响浇注产品外观质量的原因和相应的解决方法，但切忌孤立考虑问题，当某种外观缺陷产生时，难以确定单一原因，所以在解决浇注件的外观质量问题时应系统分析，结合工艺、设备、管理、原材料等持续改进提升，才能提高浇注产品的外观质量3。