李文成，周 磊，張文龍，劉 慶

（安徽省鋁制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(jī)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(xiàng)重要指標(biāo)，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(cè),也是一些標(biāo)準(zhǔn)中選用的耐磨性檢測(cè)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(cè)試，但該方法磨穿膜層時(shí)間長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大、重復(fù)性差，且終點(diǎn)不易觀察，結(jié)果不可靠。使用噴磨試驗(yàn)儀能提高試驗(yàn)效率，操作便捷，重復(fù)性較好，適用于多種類型的膜層耐磨性測(cè)定。已有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)噴磨法測(cè)定膜層耐磨性的影響因素做過研究，但對(duì)于不同膜層的耐磨特點(diǎn)還沒有相關(guān)研究。為此，文章使用噴磨試驗(yàn)儀按照GB/T 12967.1-2020 中噴磨法的試驗(yàn)要求對(duì)鋁合金型材兩種不同膜層的耐磨性進(jìn)行了試驗(yàn)和研究，并對(duì)噴磨法及其標(biāo)準(zhǔn)附錄A 中的A 型噴磨試驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出一些看法，以期望噴磨法能得到進(jìn)一步推廣使用，并推動(dòng)市場(chǎng)出現(xiàn)自動(dòng)化程度更高，穩(wěn)定性更好的噴磨試驗(yàn)儀。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原理

噴磨試驗(yàn)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(cè)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(shí)間、單位耗砂質(zhì)量、平均磨耗性或相對(duì)磨耗性來表示結(jié)果。

1.2 儀器、耗材及試驗(yàn)環(huán)境

（1）噴磨試驗(yàn)儀：符合GB/T 12967.1-2020 附錄A 中的A 型噴磨試驗(yàn)儀基本結(jié)構(gòu)要求，并配有成像測(cè)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(chǔ)存在干凈密閉玻璃瓶中，最好在24 h 內(nèi)使用。重復(fù)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(yīng)為室溫，相對(duì)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(biāo)準(zhǔn)陽極氧化膜試樣較難獲得，本試驗(yàn)采用參比試樣，試驗(yàn)結(jié)果用相對(duì)磨耗性Rrel表示，由型材生產(chǎn)企業(yè)提供，在純鋁試板上進(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(yàn)步驟

1.4.1 噴磨試驗(yàn)儀磨料流量調(diào)節(jié)

將干燥后的磨料倒入噴砂試驗(yàn)儀儲(chǔ)料箱中，通過控制電動(dòng)補(bǔ)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(yàn)儀，選擇間斷噴砂模式，設(shè)置噴砂時(shí)間1 min，點(diǎn)擊觸摸屏開始按鍵，噴砂開始，1 min 后噴砂閥自動(dòng)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(cè)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(yàn)

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(tái)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(xì)記號(hào)筆做一點(diǎn)狀標(biāo)記，然后取下試樣，按GB/T 4957-2003 規(guī)定的方法，用渦流測(cè)厚儀測(cè)量標(biāo)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(diǎn)擊開始按鈕進(jìn)行試驗(yàn)，通過顯示屏及屏幕標(biāo)尺，觀察磨點(diǎn)變化情況，待磨點(diǎn)的短軸長(zhǎng)度達(dá)到2.0 mm 長(zhǎng)度時(shí)停止試驗(yàn)，記錄時(shí)間作為磨耗時(shí)間，取下試樣后用游標(biāo)卡尺測(cè)量磨點(diǎn)短軸長(zhǎng)度值，與標(biāo)尺測(cè)量值作比較。按此步驟依次測(cè)試7 支試樣。參比試樣的測(cè)試同上述步驟，依次測(cè)試三支試樣，并用參比試樣的單位磨耗時(shí)間平均值來計(jì)算試樣的相對(duì)磨耗性。測(cè)試及計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 陽極氧化膜噴磨試驗(yàn)結(jié)果

1.4.3 有機(jī)聚合物膜噴磨試驗(yàn)

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

表2 有機(jī)聚合物膜噴磨試驗(yàn)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(jī)聚合物磨痕照片如圖2。

圖2 部分有機(jī)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(yàn)結(jié)果分析

測(cè)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(dá)到試驗(yàn)終點(diǎn)用時(shí)較短。通過成像系統(tǒng)，經(jīng)顯示屏放大，標(biāo)尺測(cè)量，發(fā)現(xiàn)磨點(diǎn)痕跡邊緣線較為平滑，肉眼觀測(cè)易判斷試驗(yàn)終點(diǎn)，說明陽極氧化膜在膜厚測(cè)量點(diǎn)周圍相對(duì)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(jì)算試樣的相對(duì)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(cè)試試樣。

2.2 有機(jī)聚合物膜的噴磨試驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)試的有機(jī)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(dá)到試驗(yàn)終點(diǎn)用時(shí)較長(zhǎng)。磨點(diǎn)痕跡邊緣線不光滑，成鋸齒狀，不太容易及時(shí)判斷試驗(yàn)終點(diǎn)，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(gè)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(jì)算試樣的相對(duì)磨耗性數(shù)值接近100（平均值99），說明該有機(jī)聚合物膜參比試樣的耐磨性基本與型材測(cè)試試樣一致。

2.3 關(guān)于磨點(diǎn)痕跡的結(jié)果分析

影響噴磨試驗(yàn)儀穩(wěn)定性與重復(fù)性最重要的部件是噴嘴，良好的磨點(diǎn)應(yīng)形如橢圓形，并且長(zhǎng)軸平行與試樣的長(zhǎng)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(jì)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(huì)形成外形一致的磨點(diǎn)痕跡。文章通過多次試驗(yàn)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(shí)間偏差很小。

圖3 不良磨痕

2.4 關(guān)于成像測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)果分析

將成像測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用在試驗(yàn)終點(diǎn)的磨痕測(cè)量，與游標(biāo)卡尺實(shí)測(cè)磨痕相比，二者差距很小，顯示屏放大的實(shí)時(shí)圖像更利于對(duì)試驗(yàn)終點(diǎn)的判定。

2.5 膜厚測(cè)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(yàn)位置的膜厚測(cè)量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大，用手持式渦流測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，無法保證每次測(cè)量點(diǎn)的位置都是同一點(diǎn)，膜厚測(cè)量結(jié)果偏差較大，為準(zhǔn)確測(cè)量試驗(yàn)位置的膜厚，文章用渦流測(cè)厚儀按GB/T 4957-2003 規(guī)定的方法進(jìn)行膜厚測(cè)量時(shí)，采用一支架固定測(cè)厚儀，并可垂直上下移動(dòng)，保證了接觸測(cè)量的是同一位置，膜厚數(shù)值偏差遠(yuǎn)小于手持測(cè)量的偏差。重復(fù)測(cè)量標(biāo)記的試驗(yàn)位置3 次，取平均值作為試驗(yàn)位置的膜厚。

3 結(jié)語

相對(duì)磨耗性反映了同參比試樣相比，試樣耐磨性的優(yōu)劣，實(shí)際生產(chǎn)中供需雙方可選擇認(rèn)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(diǎn)，磨痕形態(tài)特點(diǎn)能反映出各種表面處理工藝形成的膜的特點(diǎn)。

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