硬度法测量铝合金阳极氧化膜附着力

昌 飞,樊 星

(上海华测品标检测技术有限公司,上海 201199)

铝合金阳极氧化膜是以铝或铝合金制品为阳极,在电解质溶液中利用电解作用制成的疏松多孔状的膜层结构,其具有高硬度、高耐磨性、抗腐蚀性、耐高温、强吸附性、强绝缘性等优点[1],被广泛运用于各类电子终端中,因此对电子终端外壳上的铝合金阳极氧化膜附着力评估尤为重要。

目前行业内针对铝合金阳极氧化膜的评估项目有:GB/T 8013—2018《铝及铝合金阳极氧化膜与有机聚合物膜》对阳极氧化膜的外观、色差、氧化膜厚度、表面密度、封孔质量、硬度、耐磨性、抗变形破裂性等进行了要求;GB/T 8013.1—2018《铝及铝合金阳极氧化膜与有机聚合物膜 第1部分:阳极氧化膜》对氧化膜单位面积质量、耐腐蚀性、耐光照色牢度、耐化学品性等性能进行了要求。但以上评估项目都不能直接模拟铝合金阳极氧化膜遭受自由落体磕碰或者外力磕碰时的脱落情况。

金属覆盖层附着力测试方法主要有:定量的划格法,如GB/T 5270—2005《金属机体上的金属覆盖层 电沉积和化学沉积层 附着强度试验方法评述》;定性的热震法、弯曲法等。铝合金阳极氧化膜的膜层结构较特殊,其表面是一层硬脆的管状结构膜[2],当采用划格法直接将刀片划上去时,铝合金阳极氧化膜的宏观形貌如图1所示,可见该方法无法有效评估铝合金阳极氧化膜的附着力。

图1 划格后的铝合金阳极氧化膜宏观形貌

笔者采用维氏矩阵化硬度打点法,利用压痕与压痕的挤压作用,定量表征了阳极氧化膜的附着力,并参考其他附着力评级分类方法,制定了铝合金阳极氧化膜附着力的评价等级分类方法。该新方法可以对铝合金阳极氧化膜的附着力进行定量测试,并对其附着力水平进行合适的评价。

1 试验方法

利用自动显微维氏硬度计的压头在阳极氧化膜表面构造5×5个菱形硬度压痕矩阵,压痕与压痕之间小部分重叠,从而使重叠部分的阳极氧化膜碎裂,根据压痕交界处氧化膜碎裂剥落情况的严重程度评估阳极氧化膜的附着力水平。

完善扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜的设备要求,反复进行测试,以得到合理的试验参数。由于试样的压痕对角线长度不同,故分别设置不同间距的硬度矩阵;选择不同的维氏硬度载荷,探索硬度与阳极氧化膜厚度的关系;调整光学显微镜和SEM的实际参数,以期用最短时间得到清晰的压痕矩阵照片,并观察阳极氧化膜脱落情况;明确不同脱落位置及统计规则标准,将判定标准量化,避免人工评价对测试结果造成影响,并制定对应的附着力评价分级标准。

2 试验结果

2.1 维氏硬度载荷的选择

一般阳极氧化膜厚度为十几到几十微米,维氏硬度计的压头角度α为136°,利用维氏压痕倒金字塔型几何原理计算出压痕深度,可得压痕直径d约为压痕深度t的5倍(见图2)。当阳极氧化膜硬度未知时,可以测量阳极氧化膜厚度及不同载荷下的压痕直径,确保压痕深度大于阳极氧化膜厚度,以便能将氧化膜破碎。经前期验证比对,当压痕深度大于阳极氧化膜厚度10倍时,测量结果较为理想。

图2 压痕与压痕深度位置示意

测试阳极氧化膜厚度及载荷为49,98,294 N下的压痕直径,并换算出压痕深度,以得到最优维氏硬度载荷。试样1,2的膜厚测量结果如图3所示,压痕直径及压痕深度测量结果如表1所示。由图3和表1可知:试样的压痕深度均远大于膜厚,且压痕直径的测量结果对合成不确定度评定结果的影响更大[3],理论上应尽可能选择大的载荷[4],以减小硬度测试结果的误差。

表1 试样1,2压痕直径及压痕深度测量结果 μm

图3 试样1,2的膜厚测量结果

2.2 压痕间距的选择

为确保压痕与压痕之间重叠,使阳极氧化膜在交界处发生破裂,选择压痕间距分别为压痕直径的98%,96%,94%,92%,90%进行验证,结果发现当压痕间距为压痕直径的92%时,测试效果最佳。

2.3 光学显微镜放大倍数的选择

关于放大倍数的选择,以在视场中完整体现压痕矩阵为佳,如放大200倍时,可以完整显示5×5个菱形硬度压痕矩阵。由于压痕存在深度,普通光学显微镜仅可以观测到一个平面,为了完整、清晰地体现压痕形貌,利用带有叠图功能的光学显微镜,从压痕表面观察到压痕底部,以得到硬度矩阵整体的形貌。阳极氧化膜有部分剥落,但不是很明显(见图4),需要用扫描电镜进一步观察。

图4 硬度压痕在光学显微镜下的微观形貌

2.4 扫描电镜放大倍数的选择

阳极氧化膜破裂后会发生剥落现象,有些地方会显示隆起的白色,且有一定的景深,利用带有背散射功能的扫描电镜,在低倍下(35～100倍)观察压痕交界处的阳极氧化膜层破裂情况。从上到下、从左到右统计阳极氧化膜脱落位置,脱落位置如图5所示,统计结果如图6所示,顶点为两条边的相交点,视场内有25个硬度压痕,共计100个顶点。压痕里面为压头黏连而成,故主要统计压痕交界处脱落情况,统计得到阳极氧化膜的脱落数为17。

图5 阳极氧化膜脱落位置示意

图6 阳极氧化膜脱落的SEM形貌

2.5 附着力等级的判定

参照其他镀层类附着力的分级标准,制定硬度法测试阳极氧化膜附着力评价等级方法如表2所示,其中A为脱落数与测试交点的比值。由表2可知:对于一般性用途的阳极氧化膜,附着力等级需达到0～2级;附图是划格后每个分级对应的脱落后表面形貌,根据表面形貌可以得到的脱落数与测试交点的比值,但相同比值不一定对应相同的表面形貌。

表2 硬度法测试阳极氧化膜附着力评价等级方法

3 结论

该附着力评价方法属于金属材料覆盖层性能测试领域,提供了一种量化评估铝合金阳极氧化膜附着力的测试方法。与通常采用的纳米压痕或纳米刮痕技术相比,该方法易于在传统仪器设备上实施。在表面具有铝合金阳极氧化膜的试样上形成压痕区域,并在压痕区域与非压痕区域的相接边缘形成多个测试交点,保证压痕深度大于铝合金阳极氧化膜厚度,统计压痕区域测试交点位置阳极氧化膜脱落数量,根据脱落数量可以量化评估铝合金阳极氧化膜的附着力水平。

该方法能定量评价铝合金阳极氧化膜的附着力水平,排除人工评价对测试结果的影响;该方法实操性强,具体的试验参数指标制定有据可依,附着力水平的判定都有明确可行的参数指标。此外,该方法具有一定的前瞻性,目前已有较大规模的实际应用,可以最大程度模拟具有铝合金阳极氧化膜的电子设备在遭受自由落体磕碰或者外力磕碰时,其阳极氧化膜的脱落情况给铝合金阳极氧化膜的附着力管控指明了方向,未来将会填补业内一些标准规范的空白。