噴磨法測定鋁合金型材兩種不同膜層耐磨性的探討

李文成，周 磊，張文龍，劉 慶

（安徽省鋁制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，安徽 淮北 235100）

鋁合金型材表面處理的目的是要解決或提高材料防腐性、裝飾性和功能性三方面的問題。陽極氧化、有機聚合物噴涂是鋁合金表面處理常用的手段，而耐磨性是鋁及鋁合金膜層功能性的一項重要指標，建筑型材、太陽能電池框架和一些特殊用途的工業(yè)型材常需要耐磨性檢測,也是一些標準中選用的耐磨性檢測方法。而目前常使用的一種方法是落砂法，多用于膜層耐磨性能的通過性測試，但該方法磨穿膜層時間長，勞動強度大、重復性差，且終點不易觀察，結(jié)果不可靠。使用噴磨試驗儀能提高試驗效率，操作便捷，重復性較好，適用于多種類型的膜層耐磨性測定。已有相關(guān)文獻對噴磨法測定膜層耐磨性的影響因素做過研究，但對于不同膜層的耐磨特點還沒有相關(guān)研究。為此，文章使用噴磨試驗儀按照GB/T 12967.1-2020 中噴磨法的試驗要求對鋁合金型材兩種不同膜層的耐磨性進行了試驗和研究，并對噴磨法及其標準附錄A 中的A 型噴磨試驗儀的結(jié)構(gòu)特點提出一些看法，以期望噴磨法能得到進一步推廣使用，并推動市場出現(xiàn)自動化程度更高，穩(wěn)定性更好的噴磨試驗儀。

1 試驗方法

1.1 原理

噴磨試驗法是利用干燥的空氣流將干燥的碳化硅磨料顆粒噴射在試樣的測試位置上，直到裸露出金屬基體為止。耐磨性可用單位磨耗時間、單位耗砂質(zhì)量、平均磨耗性或相對磨耗性來表示結(jié)果。

1.2 儀器、耗材及試驗環(huán)境

（1）噴磨試驗儀：符合GB/T 12967.1-2020 附錄A 中的A 型噴磨試驗儀基本結(jié)構(gòu)要求，并配有成像測量系統(tǒng)，高精度伺服調(diào)壓系統(tǒng)，觸摸屏控制等。

（2）磨料：F100 碳化硅，用篩孔公稱尺寸300μm 的篩子粗篩，使用前在105 ℃烘箱中干燥不得低于2 h，干燥后儲存在干凈密閉玻璃瓶中，最好在24 h 內(nèi)使用。重復使用次數(shù)不超過50 次，每次使用前必須粗篩和干燥。

（3）環(huán)境溫度應為室溫，相對濕度不大于60%。

1.3 試樣

（1）陽極氧化膜試樣：取自同一根陽極氧化型材的氧化面，銑床加工銑取試樣，試樣尺寸為100 mm×40 mm，并將邊部毛刺消除。

（2）陽極氧化膜參比試樣：因標準陽極氧化膜試樣較難獲得，本試驗采用參比試樣，試驗結(jié)果用相對磨耗性Rrel表示，由型材生產(chǎn)企業(yè)提供，在純鋁試板上進行陽極氧化，氧化膜平均膜厚為15 μm 左右。試樣尺寸為100 mm×40 mm。

（3）有機聚合物膜試樣：取自同一根聚酯噴粉型材的噴涂面，銑床加工銑取試樣，試樣尺寸為100 mm×40 mm。

（4）有機聚合物膜參比試樣：由型材生產(chǎn)企業(yè)提供，在純鋁試板上進行噴粉處理，聚酯粉末涂層平均膜厚為50 μm 左右。試樣尺寸為100 mm×40 mm，并將邊部毛刺消除。

1.4 試驗步驟

1.4.1 噴磨試驗儀磨料流量調(diào)節(jié)

將干燥后的磨料倒入噴砂試驗儀儲料箱中，通過控制電動補砂開關(guān)，將供料漏斗中盛滿磨料（距漏斗上邊沿1 cm 即可），在供料漏斗下方放置一接料盤，打開噴磨試驗儀，選擇間斷噴砂模式，設(shè)置噴砂時間1 min，點擊觸摸屏開始按鍵，噴砂開始，1 min 后噴砂閥自動關(guān)閉。將接料盤放在電子天平上稱量質(zhì)量，減去接料盤自身質(zhì)量，即是每分鐘磨料流量。逐步調(diào)整漏斗內(nèi)插入的調(diào)節(jié)桿高低，并按上述方法測試，直至將流量調(diào)節(jié)至25 g·min-1±1 g·min-1范圍內(nèi)，固定螺桿此位置，磨料流量調(diào)節(jié)完畢。

1.4.2 陽極氧化膜噴磨試驗

在調(diào)節(jié)好磨料流量并將供料漏斗盛滿磨料后，將試樣放置在試樣臺上固定，通過快速定位塊調(diào)整高度和傾斜角度，取下定位塊，通過觀察顯示屏的放大圖像，在噴嘴正下方位置用細記號筆做一點狀標記，然后取下試樣，按GB/T 4957-2003 規(guī)定的方法，用渦流測厚儀測量標記處的平均膜厚，記錄。重新裝上試樣，選擇持續(xù)噴砂模式，打開氣壓開關(guān)，噴嘴開始噴氣，待氣流壓力穩(wěn)定在7.5 kPa±0.5 kPa 范圍內(nèi)，點擊開始按鈕進行試驗，通過顯示屏及屏幕標尺，觀察磨點變化情況，待磨點的短軸長度達到2.0 mm 長度時停止試驗，記錄時間作為磨耗時間，取下試樣后用游標卡尺測量磨點短軸長度值，與標尺測量值作比較。按此步驟依次測試7 支試樣。參比試樣的測試同上述步驟，依次測試三支試樣，并用參比試樣的單位磨耗時間平均值來計算試樣的相對磨耗性。測試及計算結(jié)果如表1。

表1 陽極氧化膜噴磨試驗結(jié)果

1.4.3 有機聚合物膜噴磨試驗

步驟同上述陽極氧化試驗步驟，氣流壓力設(shè)置為15 kPa±0.5 kPa，測試及計算結(jié)果如表2。

表2 有機聚合物膜噴磨試驗結(jié)果

部分陽極氧化膜磨痕的照片如圖1。

圖1 部分陽極氧化膜磨痕

部分有機聚合物磨痕照片如圖2。

圖2 部分有機聚合物磨痕照片

2 結(jié)果及分析

2.1 陽極氧化膜的噴磨試驗結(jié)果分析

測試的陽極氧化膜試樣，膜厚基本在15μm 左右，屬膜層較薄試樣，一般采用較小氣流壓力，達到試驗終點用時較短。通過成像系統(tǒng)，經(jīng)顯示屏放大，標尺測量，發(fā)現(xiàn)磨點痕跡邊緣線較為平滑，肉眼觀測易判斷試驗終點，說明陽極氧化膜在膜厚測量點周圍相對較小范圍內(nèi)的厚度較為均勻，膜層致密。根據(jù)參比試樣計算試樣的相對磨耗性數(shù)值小于100（平均值87），說明該陽極氧化膜參比試樣的耐磨性優(yōu)于型材測試試樣。

2.2 有機聚合物膜的噴磨試驗結(jié)果分析

測試的有機聚合物膜試樣，膜厚基本在50 μm左右，屬膜層較厚試樣，一般采用較大氣流壓力，達到試驗終點用時較長。磨點痕跡邊緣線不光滑，成鋸齒狀，不太容易及時判斷試驗終點，說明聚合物噴涂過程中膜層與基材、膜層之間（因依次經(jīng)過多個噴頭而成一定厚度）的固化結(jié)合程度不夠均勻。根據(jù)參比試樣計算試樣的相對磨耗性數(shù)值接近100（平均值99），說明該有機聚合物膜參比試樣的耐磨性基本與型材測試試樣一致。

2.3 關(guān)于磨點痕跡的結(jié)果分析

影響噴磨試驗儀穩(wěn)定性與重復性最重要的部件是噴嘴，良好的磨點應形如橢圓形，并且長軸平行與試樣的長度方向，如圖1。不良的磨痕形狀不規(guī)則，或傾斜，或變形，如圖3。噴嘴的設(shè)計及加工精度好壞關(guān)系著噴嘴口是否能形成均勻穩(wěn)定的氣流，均勻穩(wěn)定的氣流才會形成外形一致的磨點痕跡。文章通過多次試驗觀察試樣的磨痕，在噴嘴內(nèi)芯穩(wěn)固且加工精度良好的情況下，磨痕形態(tài)基本一致。同批次同類型厚度接近的膜層的單位磨耗時間偏差很小。

圖3 不良磨痕

2.4 關(guān)于成像測量系統(tǒng)的結(jié)果分析

將成像測量系統(tǒng)應用在試驗終點的磨痕測量，與游標卡尺實測磨痕相比，二者差距很小，顯示屏放大的實時圖像更利于對試驗終點的判定。

2.5 膜厚測量方法的分析

一般型材產(chǎn)品其膜厚均勻性有差異，因此試驗位置的膜厚測量對試驗結(jié)果影響較大，用手持式渦流測厚儀進行測量時，無法保證每次測量點的位置都是同一點，膜厚測量結(jié)果偏差較大，為準確測量試驗位置的膜厚，文章用渦流測厚儀按GB/T 4957-2003 規(guī)定的方法進行膜厚測量時，采用一支架固定測厚儀，并可垂直上下移動，保證了接觸測量的是同一位置，膜厚數(shù)值偏差遠小于手持測量的偏差。重復測量標記的試驗位置3 次，取平均值作為試驗位置的膜厚。

3 結(jié)語

相對磨耗性反映了同參比試樣相比，試樣耐磨性的優(yōu)劣，實際生產(chǎn)中供需雙方可選擇認可的試樣作為參比試樣，更直觀的描述膜層耐磨性。

不同類型膜層的磨痕形態(tài)各有特點，磨痕形態(tài)特點能反映出各種表面處理工藝形成的膜的特點。

設(shè)計良好，加工精度高的噴嘴，決定著噴磨試驗儀的穩(wěn)定性和重復性，磨痕一致性較好；成像放大測量系統(tǒng)利于試驗終點的判定；垂直穩(wěn)定的膜厚測量支架實現(xiàn)了試驗位置的同一性，這些都是減小噴磨法試驗誤差的有效方法。