鋁合金陽(yáng)極氧化膜是以鋁或鋁合金制品為陽(yáng)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(lèi)電子終端中,因此對(duì)電子終端外殼上的鋁合金陽(yáng)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(yáng)極氧化膜的評(píng)估項(xiàng)目有：GB/T 8013—2018 《鋁及鋁合金陽(yáng)極氧化膜與有機(jī)聚合物膜》對(duì)陽(yáng)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(yáng)極氧化膜與有機(jī)聚合物膜 第1部分：陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極氧化膜的宏觀形貌如圖1所示,可見(jiàn)該方法無(wú)法有效評(píng)估鋁合金陽(yáng)極氧化膜的附著力。 

圖  1  劃格后的鋁合金陽(yáng)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(yáng)極氧化膜的附著力,并參考其他附著力評(píng)級(jí)分類(lèi)方法,制定了鋁合金陽(yáng)極氧化膜附著力的評(píng)價(jià)等級(jí)分類(lèi)方法。該新方法可以對(duì)鋁合金陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(jiàn)圖2)。當(dāng)陽(yáng)極氧化膜硬度未知時(shí),可以測(cè)量陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極氧化膜有部分剝落,但不是很明顯(見(jiàn)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(yáng)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(yáng)極氧化膜層破裂情況。從上到下、從左到右統(tǒng)計(jì)陽(yáng)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(yáng)極氧化膜的脫落數(shù)為17。 

圖  5  陽(yáng)極氧化膜脫落位置示意

圖  6  陽(yáng)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(lèi)附著力的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),制定硬度法測(cè)試陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極氧化膜厚度,統(tǒng)計(jì)壓痕區(qū)域測(cè)試交點(diǎn)位置陽(yáng)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(yáng)極氧化膜的附著力水平。 

該方法能定量評(píng)價(jià)鋁合金陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極氧化膜的脫落情況給鋁合金陽(yáng)極氧化膜的附著力管控指明了方向,未來(lái)將會(huì)填補(bǔ)業(yè)內(nèi)一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的空白。

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