分享：硬度法測(cè)量鋁合金陽極氧化膜附著力

鋁合金陽極氧化膜是以鋁或鋁合金制品為陽極,在電解質(zhì)溶液中利用電解作用制成的疏松多孔狀的膜層結(jié)構(gòu),其具有高硬度、高耐磨性、抗腐蝕性、耐高溫、強(qiáng)吸附性、強(qiáng)絕緣性等優(yōu)點(diǎn)[1],被廣泛運(yùn)用于各類電子終端中,因此對(duì)電子終端外殼上的鋁合金陽極氧化膜附著力評(píng)估尤為重要。 

目前行業(yè)內(nèi)針對(duì)鋁合金陽極氧化膜的評(píng)估項(xiàng)目有：GB/T 8013—2018 《鋁及鋁合金陽極氧化膜與有機(jī)聚合物膜》對(duì)陽極氧化膜的外觀、色差、氧化膜厚度、表面密度、封孔質(zhì)量、硬度、耐磨性、抗變形破裂性等進(jìn)行了要求；GB/T 8013.1—2018 《鋁及鋁合金陽極氧化膜與有機(jī)聚合物膜 第1部分：陽極氧化膜》對(duì)氧化膜單位面積質(zhì)量、耐腐蝕性、耐光照色牢度、耐化學(xué)品性等性能進(jìn)行了要求。但以上評(píng)估項(xiàng)目都不能直接模擬鋁合金陽極氧化膜遭受自由落體磕碰或者外力磕碰時(shí)的脫落情況。 

金屬覆蓋層附著力測(cè)試方法主要有：定量的劃格法,如GB/T 5270—2005 《金屬機(jī)體上的金屬覆蓋層 電沉積和化學(xué)沉積層 附著強(qiáng)度試驗(yàn)方法評(píng)述》；定性的熱震法、彎曲法等。鋁合金陽極氧化膜的膜層結(jié)構(gòu)較特殊,其表面是一層硬脆的管狀結(jié)構(gòu)膜[2],當(dāng)采用劃格法直接將刀片劃上去時(shí),鋁合金陽極氧化膜的宏觀形貌如圖1所示,可見該方法無法有效評(píng)估鋁合金陽極氧化膜的附著力。 

圖  1  劃格后的鋁合金陽極氧化膜宏觀形貌

筆者采用維氏矩陣化硬度打點(diǎn)法,利用壓痕與壓痕的擠壓作用,定量表征了陽極氧化膜的附著力,并參考其他附著力評(píng)級(jí)分類方法,制定了鋁合金陽極氧化膜附著力的評(píng)價(jià)等級(jí)分類方法。該新方法可以對(duì)鋁合金陽極氧化膜的附著力進(jìn)行定量測(cè)試,并對(duì)其附著力水平進(jìn)行合適的評(píng)價(jià)。 

1.   試驗(yàn)方法

利用自動(dòng)顯微維氏硬度計(jì)的壓頭在陽極氧化膜表面構(gòu)造5×5個(gè)菱形硬度壓痕矩陣,壓痕與壓痕之間小部分重疊,從而使重疊部分的陽極氧化膜碎裂,根據(jù)壓痕交界處氧化膜碎裂剝落情況的嚴(yán)重程度評(píng)估陽極氧化膜的附著力水平。 

完善掃描電子顯微鏡(SEM)、光學(xué)顯微鏡的設(shè)備要求,反復(fù)進(jìn)行測(cè)試,以得到合理的試驗(yàn)參數(shù)。由于試樣的壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度不同,故分別設(shè)置不同間距的硬度矩陣；選擇不同的維氏硬度載荷,探索硬度與陽極氧化膜厚度的關(guān)系；調(diào)整光學(xué)顯微鏡和SEM的實(shí)際參數(shù),以期用最短時(shí)間得到清晰的壓痕矩陣照片,并觀察陽極氧化膜脫落情況；明確不同脫落位置及統(tǒng)計(jì)規(guī)則標(biāo)準(zhǔn),將判定標(biāo)準(zhǔn)量化,避免人工評(píng)價(jià)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響,并制定對(duì)應(yīng)的附著力評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果

2.1   維氏硬度載荷的選擇

一般陽極氧化膜厚度為十幾到幾十微米,維氏硬度計(jì)的壓頭角度α為136°,利用維氏壓痕倒金字塔型幾何原理計(jì)算出壓痕深度,可得壓痕直徑d約為壓痕深度t的5倍(見圖2)。當(dāng)陽極氧化膜硬度未知時(shí),可以測(cè)量陽極氧化膜厚度及不同載荷下的壓痕直徑,確保壓痕深度大于陽極氧化膜厚度,以便能將氧化膜破碎。經(jīng)前期驗(yàn)證比對(duì),當(dāng)壓痕深度大于陽極氧化膜厚度10倍時(shí),測(cè)量結(jié)果較為理想。 

圖  2  壓痕與壓痕深度位置示意

測(cè)試陽極氧化膜厚度及載荷為49,98,294 N下的壓痕直徑,并換算出壓痕深度,以得到最優(yōu)維氏硬度載荷。試樣1,2的膜厚測(cè)量結(jié)果如圖3所示,壓痕直徑及壓痕深度測(cè)量結(jié)果如表1所示。由圖3和表1可知：試樣的壓痕深度均遠(yuǎn)大于膜厚,且壓痕直徑的測(cè)量結(jié)果對(duì)合成不確定度評(píng)定結(jié)果的影響更大[3],理論上應(yīng)盡可能選擇大的載荷[4],以減小硬度測(cè)試結(jié)果的誤差。 

圖  3  試樣1,2的膜厚測(cè)量結(jié)果

2.2   壓痕間距的選擇

為確保壓痕與壓痕之間重疊,使陽極氧化膜在交界處發(fā)生破裂,選擇壓痕間距分別為壓痕直徑的98%,96%,94%,92%,90%進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓痕間距為壓痕直徑的92%時(shí),測(cè)試效果最佳。 

2.3   光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)的選擇

關(guān)于放大倍數(shù)的選擇,以在視場(chǎng)中完整體現(xiàn)壓痕矩陣為佳,如放大200倍時(shí),可以完整顯示5×5個(gè)菱形硬度壓痕矩陣。由于壓痕存在深度,普通光學(xué)顯微鏡僅可以觀測(cè)到一個(gè)平面,為了完整、清晰地體現(xiàn)壓痕形貌,利用帶有疊圖功能的光學(xué)顯微鏡,從壓痕表面觀察到壓痕底部,以得到硬度矩陣整體的形貌。陽極氧化膜有部分剝落,但不是很明顯(見圖4),需要用掃描電鏡進(jìn)一步觀察。 

圖  4  硬度壓痕在光學(xué)顯微鏡下的微觀形貌

2.4   掃描電鏡放大倍數(shù)的選擇

陽極氧化膜破裂后會(huì)發(fā)生剝落現(xiàn)象,有些地方會(huì)顯示隆起的白色,且有一定的景深,利用帶有背散射功能的掃描電鏡,在低倍下(35～100倍)觀察壓痕交界處的陽極氧化膜層破裂情況。從上到下、從左到右統(tǒng)計(jì)陽極氧化膜脫落位置,脫落位置如圖5所示,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示,頂點(diǎn)為兩條邊的相交點(diǎn),視場(chǎng)內(nèi)有25個(gè)硬度壓痕,共計(jì)100個(gè)頂點(diǎn)。壓痕里面為壓頭黏連而成,故主要統(tǒng)計(jì)壓痕交界處脫落情況,統(tǒng)計(jì)得到陽極氧化膜的脫落數(shù)為17。 

圖  5  陽極氧化膜脫落位置示意

圖  6  陽極氧化膜脫落的SEM形貌

2.5   附著力等級(jí)的判定

參照其他鍍層類附著力的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),制定硬度法測(cè)試陽極氧化膜附著力評(píng)價(jià)等級(jí)方法如表2所示,其中A為脫落數(shù)與測(cè)試交點(diǎn)的比值。由表2可知：對(duì)于一般性用途的陽極氧化膜,附著力等級(jí)需達(dá)到0～2級(jí)；附圖是劃格后每個(gè)分級(jí)對(duì)應(yīng)的脫落后表面形貌,根據(jù)表面形貌可以得到的脫落數(shù)與測(cè)試交點(diǎn)的比值,但相同比值不一定對(duì)應(yīng)相同的表面形貌。 

3.   結(jié)論

該附著力評(píng)價(jià)方法屬于金屬材料覆蓋層性能測(cè)試領(lǐng)域,提供了一種量化評(píng)估鋁合金陽極氧化膜附著力的測(cè)試方法。與通常采用的納米壓痕或納米刮痕技術(shù)相比,該方法易于在傳統(tǒng)儀器設(shè)備上實(shí)施。在表面具有鋁合金陽極氧化膜的試樣上形成壓痕區(qū)域,并在壓痕區(qū)域與非壓痕區(qū)域的相接邊緣形成多個(gè)測(cè)試交點(diǎn),保證壓痕深度大于鋁合金陽極氧化膜厚度,統(tǒng)計(jì)壓痕區(qū)域測(cè)試交點(diǎn)位置陽極氧化膜脫落數(shù)量,根據(jù)脫落數(shù)量可以量化評(píng)估鋁合金陽極氧化膜的附著力水平。 

該方法能定量評(píng)價(jià)鋁合金陽極氧化膜的附著力水平,排除人工評(píng)價(jià)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；該方法實(shí)操性強(qiáng),具體的試驗(yàn)參數(shù)指標(biāo)制定有據(jù)可依,附著力水平的判定都有明確可行的參數(shù)指標(biāo)。此外,該方法具有一定的前瞻性,目前已有較大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用,可以最大程度模擬具有鋁合金陽極氧化膜的電子設(shè)備在遭受自由落體磕碰或者外力磕碰時(shí),其陽極氧化膜的脫落情況給鋁合金陽極氧化膜的附著力管控指明了方向,未來將會(huì)填補(bǔ)業(yè)內(nèi)一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的空白。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)