鋁合金陽極氧化膜耐磨性測試的研究

紀 紅，李永豐

(北京有色金屬研究總院分析測試技術(shù)研究所，北京 100088)

引 言

鋁合金產(chǎn)品在航空、電子、工業(yè)型材、建筑型材、汽車裝飾部件、民用裝飾五金件及太陽能支架材料等方面有著廣泛的應(yīng)用，但由于鋁的電極電位較負，容易發(fā)生腐蝕，因此為了提高裝飾效果、增強耐腐蝕性及延長使用壽命，鋁合金一般都要經(jīng)過表面處理后才能投入使用。而陽極氧化就是鋁合金表面處理最常用的手段之一，經(jīng)過處理后的鋁合金表面可形成一層陽極氧化膜，具有防護、耐蝕、耐磨、裝飾及絕緣等作用。隨著鋁合金陽極氧化的廣泛應(yīng)用，需要對其質(zhì)量進行監(jiān)控和檢測。耐磨性是衡量膜層優(yōu)劣的一項重要質(zhì)量指標，它反映了陽極氧化膜對摩擦作用的抵抗能力［1］。

鋁合金陽極氧化膜的耐磨性可通過落砂試驗、噴磨試驗及輪磨試驗等方法進行測試［2-4］。目前國內(nèi)多采用落砂法，由于落砂試驗的結(jié)果與試驗過程的環(huán)境因素，砂粒的形狀，砂粒的使用次數(shù)等因素有關(guān)系［5］，導(dǎo)致得到的測試數(shù)據(jù)比較分散，同時落砂試驗所需時間長，勞動強度大，因此近年來人們開始嘗試使用試驗參數(shù)要求嚴格，試驗時間短的噴磨試驗來評價鋁合金陽極氧化膜的耐磨性。在新修訂的相關(guān)標準中也開始規(guī)定采用噴磨試驗來評定鋁合金陽極氧化膜的耐磨性［6-7］，但噴磨試驗在我國目前開展的不多。本文從穩(wěn)定性、精密度和重現(xiàn)性等幾方面對噴磨試驗進行考察，旨在對其應(yīng)用進行探索。

1 實驗部分

1.1 儀 器

噴磨試驗所用的儀器為噴磨試驗儀，圖1給出了儀器的示意圖，其中試樣面與噴嘴的軸線成55°，試樣面到噴嘴底端的垂直距離為10mm，所用磨料是粒徑為F100的綠碳化硅。使用前將磨料于105℃下烘干2h。實驗終點的判定是當(dāng)試驗中裸露出的基體直徑達到2mm時停止，并記錄磨穿試樣所用的時間。

圖1 噴磨試驗儀示意圖

1.2 原 理

噴磨試驗的原理是在指定的條件下(包括氣體壓力、磨料流速、磨料下落高度、試驗角度及試樣距噴嘴的高度等)，用干燥的空氣流或惰性氣體將干燥的磨料顆粒噴射在試樣的檢驗區(qū)上，至裸露出的金屬基體達到預(yù)設(shè)的尺寸，試樣的耐磨性用噴磨時間來表示，試樣的結(jié)果需和標準試樣的結(jié)果相比較，以平均耐磨性的方式來衡量試樣的耐磨性［2］。

1.3 試樣制備

選用尺寸為140mm×70mm×1mm的1050鋁合金，在進行堿浸脫脂處理后，用硫酸電解液進行陽極氧化，溶液組成為 180g/L硫酸，5～10g/L Al3+，氧化 θ為 20℃，Ja為 1.5A/dm2，氧化 t為45min，之后進行沸水封孔，封孔液為pH=5.5 ～6.5的1g/L醋酸銨溶液，封孔t為60min。

1.4 實驗步驟

將試樣固定在試樣臺上，其受檢面與噴嘴相對，磨料的流速為29g/min。壓縮空氣的流速為3.2 m3/h，壓力為15KPa。用噴磨試驗儀測量試樣的平均耐磨性，以試樣裸露出的基體直徑達到2mm為試驗終點。記錄時間，在每個試樣上平行測量三次，取平均值為耐磨性R，其計算公式如下:

式中:R為以標準試樣的平均耐磨性，無量綱值;S為試樣的耐磨性參數(shù)，s;d為試樣上的檢驗面原始膜厚，μm;K為噴磨系數(shù)，μm/s，本文所用儀器的 K 值為5.7μm/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)定性試驗

取同一塊試樣，分別于不同時間進行噴磨試驗(每兩次測試的時間間隔為7d)，測試平均耐磨性，結(jié)果見表1。

表1 噴磨穩(wěn)定性試驗結(jié)果

從表1的結(jié)果進一步計算可得到:試樣平均耐磨性的均值為9.6，相對標準偏差(RSD)=7.4%，表明不同時間下的噴磨試驗結(jié)果基本穩(wěn)定。相關(guān)的計算公式如下:

平均值:

標準差:

式中:S為平均耐磨性的標準差;

相對標準偏差:

2.2 精密度試驗

取同一塊試樣，在其不同位置進行噴磨試驗，計算平均耐磨性及相對標準偏差。平均耐磨性測試結(jié)果見表2。由表2的數(shù)據(jù)計算得到，試樣平均耐磨性的均值為9.3，RSD=2.3%，表明噴磨試驗精密度良好。

表2 噴磨精密度試驗結(jié)果

2.3 重復(fù)性試驗

取同一批的5塊試樣進行噴磨試驗，在其不同位置進行噴磨試驗，計算平均耐磨性及相對標準偏差。平均耐磨性測試結(jié)果見表3。由表3的數(shù)據(jù)計算得到，試樣平均耐磨性的均值為9.3，RSD=5.2%，表明噴磨試驗具有良好的重復(fù)性。

表3 噴磨重復(fù)性試驗結(jié)果

3 結(jié)語

噴磨試驗是一種簡單易行的測量鋁合金陽極氧化膜耐磨性的測試方法，該方法可通過在試樣表面形成一定尺寸的裸露基體來做為試驗終點，其重復(fù)性、精密度和穩(wěn)定性的相對標準偏差都在10%之內(nèi)。該方法試驗時間短，勞動強度低，可以提高分析檢測的效率，為監(jiān)控相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量提供了快速的檢測方法，可在生產(chǎn)實踐中推廣應(yīng)用。

［1］朱祖芳.鋁合金陽極氧化與表面處理技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:306.

［2］GB/T12967.1-2008，鋁及鋁合金陽極氧化膜檢測方法第1部分:用噴磨試驗儀測定陽極氧化膜的平均耐磨性［S］.

［3］GB/T12967.2-2008，鋁及鋁合金陽極氧化膜檢測方法第2部分:用輪式磨損試驗儀測定陽極氧化膜的耐磨性和耐磨系數(shù)［S］.

［4］GB/T12967.7-2010，鋁及鋁合金陽極氧化膜檢測方法第7部分:用落砂試驗儀測定陽極氧化膜的耐磨性［S］.

［5］朱祖芳.鋁合金建筑型材陽極氧化膜的性能分析及質(zhì)量評價［J］.電鍍與涂飾，2008，27(4):30-33.

［6］GB/T8013-2007，鋁及鋁合金陽極氧化膜與有機聚合物膜［S］.

［7］YS/T773-2011，太陽能電池框架用鋁合金型材［S］.