鋁型材氧化膜性能分析及其質量評價?

　　眾所周知,鋁合金陽極氧化膜可以明顯提高鋁合金的表面性能,尤其是表面硬度、耐腐蝕性、耐磨損性等關系到使用壽命的重要性能,因此人們將陽極氧化膜形容為鋁合金“萬能的”表面強化處理手段。

　　從20年前進口年產3000噸簡單的小型臥式陽極氧化生產線,到目前多條年產3萬噸以上的大型立式陽極氧化線的投產,其發展之迅速可見一斑。經過不斷淘汰、選擇、融合和提高,目前,我國鋁合金建筑型材形成了3大系列的表面處理技術,即陽極氧化,陽極氧化電泳涂裝及有機聚合物靜電噴涂技術,其發展方向和水平是與國際發展同步的,裝備水平、工藝特點和產品質量都達到了國際先進水平。早在20世紀80年代中期,我國的鋁型材工業處于萌芽時期。

　　1986年當時的中國有色金屬總公司科技局,根據一些專家的意見及時草擬了“關于建筑鋁型材陽極氧化膜性能測試方法和指標”的文件,在當時起到了規范產品質量和推動生產發展的極好作用。該文件建議檢測6項性能:(1)外觀色差;(2)氧化膜厚度;(3)封孔質量;(4)耐鹽霧腐蝕性;(5)耐磨性和(6)耐光性(色牢度)。由于當時技術水平和設備的限制,只對于前3項測試提出了具體要求。耐腐蝕性、耐磨性、耐光性只是提出一個概念,具體的性能檢測方法與測試參數,以及性能驗收指標等都沒有做出規定。目前看來,這個文件的內容可能還不夠完善,但是在20年之前就已經明確提出陽極氧化膜的厚度和封孔質量是具有本質意義的基本性能,也就是目前所謂的屬于陽極氧化膜性能的必測項目。

　　20年來我國的鋁型材工業迅速發展,相應的陽極氧化膜的性能要求、驗收指標及檢測方法等技術內容比較明確,相應的國家標準已經得到完善和提高,與各先進工業國家的標準基本接軌。因此現在的性能檢測項目及檢測方法應該具有更新和更多的內容,才可能跟上我國生產的發展步伐,并且可以與國際先進技術水平和國際標準內容的更全面和更系統地接軌。

　　中國有色金屬標準化委員會在2004年組織和安排了一系列性能檢測試驗,國家和華南有色金屬質量監督檢驗中心,以及堅美、南平、興發、閩發等6家公司,對于工廠正規生產而不是特意安排的產品,參與了這項性能檢測的全面試驗并取得大量的接近2萬個數據。實驗結果已經由全國有色金屬標準化委員會匯集成冊。盡管我國的產品質量就全國而言還高低不一,但總體上有了很大的提高。試驗數據表明上述工廠產品與國際先進水平比較毫不遜色,因此可以自豪地說,我國的鋁建筑型材工業已經不僅是一個大國,而且成為一個名副其實的強國。膜厚均勻性及封孔質量陽極氧化膜的厚度是最重要的性能指標之一,可能就是使用壽命的一個標志性數據,封孔質量則是反映氧化膜耐腐蝕性的重要指標。檢測表明,磷鉻酸失重試驗的數據變化,都在6%~15%范圍之間,或者說磷鉻酸腐蝕失重數據偏差保持在15%以內,可視為可以接受的測量誤差。即將頒布的新標準8013.1規定,鋁合金建筑型材陽極氧化膜封孔質量,硝酸預浸磷鉻酸試驗是仲裁試驗,這是歐洲標準EN12373.6:1999規定。

　　實驗數據表明,封孔質量愈差的樣品,硝酸預浸的“失重增加”作用越大,因此硝酸預浸對于磷鉻酸失重標志的封孔質量合格與否的鑒別與篩選更加靈敏。冷封孔后處理可以明顯提高封孔質量和加快封孔時間。試驗表明,如果進行冷封孔后處理(即在60~80℃純水浸漬10min),可以縮短陳化時間迅速達到封孔質量合格水平。

　　其他國內外試驗還證明,冷封孔后處理可以明顯改善冷封孔陽極氧化膜的塑性,以適合隨后的機械變形不致開裂。耐腐蝕性和耐候性陽極氧化膜的CASS試驗是耐鹽霧腐蝕的常規試驗方法。試驗表明,陽極氧化膜的CASS試驗與封孔質量的結果并不是完全可以對應的,因為封孔質量表示平均腐蝕速度,而CASS試驗反映局部腐蝕的結果。尤其對于機械噴砂表面的陽極氧化膜,即使封孔質量合格,不能通過CASS試驗的情況時有發生,相同試樣的CASS試驗與堿洗的評級比較,腐蝕級別也會低1到2個級別。噴砂樣品的微觀形貌可能由于噴砂的部分凹坑處陽極氧化膜并不完整,引起局部腐蝕的敏感性增加。

　　陽極氧化膜的滴堿試驗方法有待改進。GB5237規定的目視氣泡發生判別終點的誤差很大,看來已經不宜繼續采用而應該予以修改。即使今后采用日本的電阻測量法得到的數據,并且利用“逼近法”提高準確度,滴堿試驗結果與磷鉻酸封孔質量試驗或CASS試驗的結果也很難完全對應。鑒于陽極氧化膜的滴堿試驗只見于日本的標準,國際標準和歐洲標準均沒有這項方法,因此滴堿試驗的必要性仍然值得商榷的。

　　著色陽極氧化膜的耐候性。電解著色古銅色的陽極氧化膜,試驗表明經過紫外線輻射的色差的數據可以保持在ΔE<2.6,因此可以達到國家標準的規定ΔE<3.0。由于本試驗的參與單位和提供數據比較少,因此數據可信度和代表性的把握比較小,宜繼續擴大和深入試驗。鑒于在陽極氧化電泳涂裝復合膜方面中日雙方的試驗中,日本建議耐候性與耐腐蝕的聯合試驗,著色陽極氧化膜的聯合試驗是否必要值得考慮。

　　陽極氧化膜的耐磨性目前國內基本上采用落砂法檢驗陽極氧化膜的耐磨性,但是數據比較分散,許多單位都認為可以遠遠超過國標規定的磨耗系數<300g/μm的指標。因為落砂法試驗結果與試驗過程的環境因素,砂粒的形狀,砂粒的使用次數等因素都有關系。例如某廠測定陽極氧化膜的磨耗系數,銀白色陽極氧化膜的磨耗系數國產砂為1107g/μm和894g/μm,而日本砂的相應數值為517g/μm和567g/μm。古銅色陽極氧化膜的磨耗系數國產砂為1541g/μm和1423g/μm,而日本砂的相應數值為911g/μm和697g/μm,幾乎相差一倍。國家標準規定落砂法的耐磨性的判據以磨耗系數<300g/μm為合格是可以完成的,大多數單位數據表明全部數據均>300g/μm,其中一般說來AA20的試樣優于AA15的試樣。

　　噴磨法的設備試驗參數要求比較嚴格,目前只有北京國家有色金屬監督檢驗中心使用,其試驗數據的分散性比較大,又缺少國內其他單位數據的比較佐證,因此還需要進一步完善設備,爭取更多的單位參加試驗工作,才可能做出正確的判斷。由于噴磨法具有國家標準、也有國際標準和歐洲標準,而落砂法制有日本標準,因此廣泛建設噴磨法的設備與方法很有實際意義,同時可以縮短試驗時間。

　　大氣腐蝕暴露的結果(英國16年試驗的結果)陽極氧化膜的大氣暴露的數據是最基礎的腐蝕數據,各種快速腐蝕檢測方法的可信性,原則上都應該具有對于大氣暴露數據的對應性。我國雖然已經在各大氣腐蝕試驗站進行了接近20年的常用金屬的試驗,但是至今還沒有完整的綠陽極氧化膜的數據發表。根據BarryR.Ellard發表的報告,對于6063TF鋁合金,陽極氧化條件為:150~165g/L硫酸,電流密度:1.4A/dm2,氧化溫度:20~21℃,陽極氧化膜的厚度為15~40μm。

　　Barry總結了16年中在英國各類型大氣腐蝕站的試驗結果,這些數據可以作為今后我國總結大氣腐蝕暴露試驗結果時的參考。鑒于大氣腐蝕暴露試驗時間很長,同時數據的重復性不會特別理想,尤其是污染環境的程度各有不同,英國的的數據盡管很有意義,也只能具有參考價值。在實際利用這些數據時,只能選擇較大的保險系數予以考慮,或者說應該選擇點腐蝕級別較低或膜厚損失較大的數據作為依據比較可靠。數據說明,不同試驗站對于點腐蝕程度的差別很大,證明不同大氣污染程度對于陽極氧化膜的點腐蝕級別的影響很大。在農村、海洋和輕度污染大氣中,膜厚從15~40μm均未發生點腐蝕,而重度污染工業大氣,只有膜厚達到35μm以上才可以達到9級,其余膜厚的腐蝕程度都比較嚴重,膜厚15μm試樣只有7級。英國的試驗表明,海洋大氣并不是最嚴酷的試驗條件,為此盡管國際標準規定美國的弗羅里達試驗作為大氣腐蝕的規定場所,實際上并不是可以代表所有大氣腐蝕的情況,嚴格地說,應該選擇使用環境相近的試驗站得到的試驗數據才更加可靠。