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鋁陽極氧化膜的厚度測定方法

拓普思實驗室系統 2022-12-22

鋁陽極氧化膜的厚度測定方法

  陽極氧化膜厚度的測量方法很多,最理想的方法自然縣韭破壞性的無損測量技術,既不破壞陽極氧化膜也不影響基體鋁合金,而又精確得到真實膜厚的準確數據。但是實際上很難有一種既簡捷又精確的兩全其美的技術,適合于測量各種類型的陽極氧化膜。目前最常用的鋁陽極氧化膜厚度的非破壞性測量技術是渦流測量法(適用于膜厚大于5μm的陽極氧化膜),其它還有直接顯微鏡測量、干涉顯微鏡測量、分光束顯微鏡測量(適用于膜厚大于10μm的一般工業用陽極氧化膜,或表面平滑、膜厚大于5μm的陽極氧化膜)、擊穿電壓測量(原理簡單,但因實際操作比較復雜而使用不多)等方法。陽極氧化膜厚度的有損測量技術有:顯微截面測量法、質量損失(失重)法、金屬溶解法等。這三種方法雖然屬于有損測量技術,但也都是目前經常使用的測試技術,使用者可以根據不同的對象和目的分別選擇使用上述各類測試技術。 保護和裝飾用的多孔型陽極氧化膜厚度的測量方法,目前最常用的有三種:①顯微截面測量法,②質量損失(失重)法,③渦流測厚法,既用于企業生產線的在線測量,又在實驗室研究開發中廣泛使用。表1是三種常用測量方法的各國標準號,供讀者進一步查證之用。顯微截面測量法可以直接觀察測量陽極氧化膜的厚度。質量損失法是在設定的氧化膜密度下,通過失重計算得:到陽極氧化膜厚度測量部分的厚度平均值。渦流測厚法是非破壞性的測定方法,操作者可以逐點測出指定位置的局部膜厚數值,從而比較方便地了解膜厚的均勻性。誠然,測量陽極氧化膜的厚度,必須選擇有代表性的位置,比如陽極氧化電接觸點周圍5mm以內或者邊角位置,都不應該是選擇測量的位置。當各種檢測方法的厚度數據不一致而發生爭議時,需要根據仲裁檢驗方法的結果,作為最終判別結果的依據。橫截面的顯微截面測量法,是鋁陽極氧化膜厚度大于5μm的仲裁檢驗方法;而膜厚小于5μm時,質量損失(失重)?法是仲裁檢驗方法。表1中所列的常用的幾種陽極氧化膜厚度測量方法,在表后再分段進行技術說明。   表1 三種常用的膜厚測量方法的我國標準、國際標準和外國標準號

序號

測量方法

中國

國際ISO 美國 英國

日本

1

顯微截面法

GB/T 6462 ISO 1463 ASTM B487 BS5411-5 JISH8680-1

2

質量損失法

GB/T 8014.2

ISO 2106 ASTM B137 BS6161-1

JISH8688

3

渦流法 GB/T 4957 ISO 2360 ASTM B244 BS5411-3

JISH8680-2

  (1)顯微截面測量法 顯微截面測厚法是一種有損測量方法,該方法使用金相顯微鏡直接觀測待測試樣的橫截面,可以直接反映某測量位置鋁陽極氧化膜的局部膜厚。雖然顯微截面測量方法比較直觀,并不需要諸如氧化膜密度或折射指數等信息,又通過計算得到膜厚的數值,但是測量位置(即顯微截面及測量位置)的范圍有限,因此應該注意選擇有代表性的位置,才能獲得厚度與膜厚均勻性的準確信息。顯微截面測厚法的測量精度影響因素很多,例如樣品的表面粗糙度、橫截面的垂直度、顯微鏡的測量精度、放大倍數的選擇、氧化膜變形等都會引起測量數據的偏差。在正常測量條件下,當膜厚大于25μm時,測量誤差可以小于5%。顯微截面測厚法的具體操作,可參見表1中序號1“顯微截面測量法”的各國標準中的有關條文規定。 顯微截面測量法是一種經典的金相實驗技術,操作比較耗時而且需要有操作技巧,操作者只有具備熟練的金相技術才可以得到準確的結果。操作技術應該注意的是:①切割橫截面要仔細,避免飛邊或變形;②試樣的橫截面必須與試樣表面完全垂直,垂直度的偏差直接引起厚度測量的誤差。例如垂直度偏差10°,則厚度誤差達到2%;③橫截面試樣鑲樣時,樣品與鑲樣樹脂材料之間不得留有空隙;④金相顯微鏡的測微鏡必須經常標定,放大倍數可根據視場直徑為膜厚的1.5~3倍來考慮,原則上放大倍數愈大則測量誤差愈小。但是最常用的顯微鏡放大倍數是1000倍,此時屏幕上的1mm正好相當于1μm膜厚,換算比較方便而且非常直觀。 顯微截面法是陽極氧化膜厚度在5μm以上時厚度測定的仲裁方法,該樣品可以作為標定其他厚度測定方法的基準片。 (2)質量損失法 質量損失法(也稱重量法或失重法)是通過脫膜前后的質量變化(即失重值)計算陽極氧化膜的厚度,此方法適用于絕大部分變形或鑄造鋁合金,但是銅含量大于6%的鋁合金不宜使用。在確定鋁陽極氧化膜的密度后,按照下列公式可以計算得到測量面積A的平均膜厚。

δa=10-4W/(A·d)

式中δa為陽極氧化膜厚度,μm;W為去除的陽極氧化膜重量,g,即質量損失值;A為待測位置陽極氧化膜的表面積,cm2;d為陽極氧化膜的密度,g/cm3,也稱表觀密度。 對于非封孔的鋁陽極氧化膜,其密度通常取2.4g/cm3,封孔膜的密度取2.6g/cm3。由于這個陽極氧化膜的密度數據為近似值,為此本方法-般也只能得出平均膜厚的近似值。如果可以具體測定或查表得到該陽極氧化膜本身的真實密度,這樣計算得到的膜厚值才更加接近于真實值。 質量損失法是陽極氧化膜厚度低于5μm時的仲裁方法。質量損失法的磷鉻酸腐蝕脫膜水溶液成分為:在1L水溶液中,磷酸H3PO4(ρ=1.7g/ml)35ml/L(或加倍為70m/L),鉻酐CrO3(AR)20g/L(或相應加倍為40g/L)。在溫度為85~100C時,該脫膜溶液可以很快去除鋁陽極氧化膜而不會損傷鋁基體。脫膜的時間視膜厚而定,-般控制在1~10min以內,如果膜很厚則脫膜時間可能接近10min。在脫膜溶液中,磷酸是腐蝕性成分,而鉻酸(酐)是緩蝕性成分,控制它們之間的合適比例十分重要。在含鎂高、含銅高或含鋅高的鋁合金脫膜時,常??梢赃m當提高鉻酐的含量以降低其腐蝕性,甚至推薦磷酸(ρ=1.7g/ml)20ml/L與鉻酸200g/L溶液,用于高鎂、高銅或高鋅的鋁合金薄陽極氧化膜的去除比較合適。 質量損失法的操作步驟是:①測量并計算出陽極氧化試樣待測表面的面積;②稱重(精確至0.01mg)至恒重為止,操作應符合分析化學測量的要求;③試樣置于磷鉻酸試驗溶液中浸泡10min;④取出試樣用去離子水清洗干凈,干燥后再稱重。兩次稱重的差值就是質量損失值(也稱失重值),如此操作需要重復浸泡和稱量,直至得到準確的質量損失值為止。具體操作可參見表1中序號2方法的各國標準的有關條文規定。 質量損失法測定中應當注意的事項是:①待測試樣的面積需要大于1000mm2;②非有效測量面上的陽極氧化膜可以預先設法除去,或預先用電工PVC塑料膠帶進行掩蔽保護;③鋁試樣不得與其它金屬接觸,脫膜容器宜選擇玻璃或不銹鋼材料制成,以玻璃容器為脫膜容器之首選;④重金屬離子不得污染磷鉻酸脫膜的腐蝕溶液,因為存在重金屬離子會加速引起鋁基體的腐蝕;⑤1L脫膜溶液溶解大約12g陽極氧化膜之后,一般應該棄用并重新配置腐蝕溶液。 (3)渦流測厚法 渦流測厚法是工廠最常用的、非常方便的在線非破壞性的無損快速測量方法,特別適用于生產現場、銷售現場和施工現場的快速無損膜厚監測。渦流測厚儀器本身的品質是保證測量精確度和重復性的關鍵因素,購置之前應該充分了解儀器的性能和精度,使用之前應該熟讀儀器所附的說明書。渦流測厚儀適用于在非磁性金屬上的非導電膜(絕緣膜)的厚度測量,因此作為鋁合金陽極氧化膜厚度的快速測量非常合適和方便,但是一般不能用于很薄的鋁合金化學轉化膜的厚度測量。渦流測厚法的原理是:置于氧化膜上的測量探頭中安裝高頻交流線圈產生的高頻電磁場,使絕緣膜下非磁性金屬導體產生一個渦流值,這個渦流值的大小是與膜的厚度定量相關的?;谶@個事實,在選擇的高頻下,膜厚δ與電容值C成反比的函數關系:

??????C=Aε/(4πδ)

式中,δ為陽極氧化膜厚度,μm;A為氧化膜的表面積,cm2;ε為氧化膜的介電常數。 當渦流測厚儀的探頭置于鋁陽極氧化膜的表面時,一.般可以在儀器面板上直接讀出探頭與金屬鋁基體之間的距離,這個距離就是非導電性的絕緣陽極氧化膜厚度的數值。儀器讀數的準確性直接與零點校準(采用沒有氧化膜的同–鋁合金進行校準)和標準膜厚標定(采用標準厚度片標定)有明顯關系,因此渦流測厚儀在每次測量之前必須進行零點校準和膜厚標定,這是一項不可缺少的測量步驟。渦流測厚儀不能測量非常薄的氧化膜,而只適用于測定厚度為5μm以上的陽極氧化膜。在測量中還必須注意試樣測量面的平面度和平整度,以保證測量的可靠性和精確度。目前渦流測厚儀已經使用了接近半個世紀,現代渦流測厚儀在防止零點漂移和提高測量精度方面已經有了很大的改進和提高,因此選擇高精度渦流測厚儀是維持高精度檢測的前提。 渦流測厚儀測量陽極氧化膜的厚度,應該注意各種因素對于測量精度的影響。這些影響因素有膜的厚度、基體金屬的厚度、表面粗糙度、試樣曲率、試樣變形度、測試位置和施加探頭的壓力、表面附著污染物、環境溫度等。為此在測量操作時,應該將探頭平穩、垂直地置于清潔干燥的待測試樣表面,探頭施加的壓力盡可能保持恒定。試樣的被測量的位置應該在平面上,盡可能符合測試目的和要求,試樣如有一定曲率需要使用專用于有曲率平面的探頭。另外試樣不得變形,膜的厚度應該在儀器的測量范圍內。操作時一-般應該進行多次測量而取其平均值。 特別需要再次指出的是,為了保證測量精度,每次厚度測量前,都要對沒有陽極氧化膜的鋁合金基體進行零點校準,然后使用標準膜厚檢測片進行多點膜厚標定。