铝型材氧化膜性能分析及其质量评价

众所周知,铝合金阳极氧化膜可以明显提高铝合金的表面性能,尤其是表面硬度、耐腐蚀性、耐磨损性等关系到使用寿命的重要性能,因此人们将阳极氧化膜形容为铝合金“多功能的”表面强化处理手段。

从20年前进口年产3000吨简单的小型卧式阳极氧化生产线,到目前多条年产3万吨以上的大型立式阳极氧化线的投产,其发展之迅速可见一斑。经过不断淘汰、选择、融合和提高,目前,我国铝合金建筑型材形成了3大系列的表面处理技术,即阳极氧化,阳极氧化电泳涂装及有机聚合物静电喷涂技术,其发展方向和水平是与国际发展同步的,装备水平、工艺特点和产品质量都达到了国际先进水平。早在20世纪80年代中期,我国的铝型材工业处于萌芽时期。

1986年当时的中国有色金属总公司科技局,根据一些专家的意见及时草拟了“关于建筑铝型材阳极氧化膜性能测试方法和指标”的文件,在当时起到了规范产品质量和推动生产发展的极好作用。该文件建议检测6项性能:(1)外观色差;(2)氧化膜厚度;(3)封孔质量;(4)耐盐雾腐蚀性;(5)耐磨性和(6)耐光性(色牢度)。由于当时技术水平和设备的限制,只对于前3项测试提出了具体要求。耐腐蚀性、耐磨性、耐光性只是提出一个概念,具体的性能检测方法与测试参数,以及性能验收指标等都没有做出规定。目前看来,这个文件的内容可能还不够完善,但是在20年之前就已经明确提出阳极氧化膜的厚度和封孔质量是具有本质意义的基本性能,也就是目前所谓的属于阳极氧化膜性能的必测项目。

20年来我国的铝型材工业迅速发展,相应的阳极氧化膜的性能要求、验收指标及检测方法等技术内容比较明确,相应的国家标准已经得到完善和提高,与各先进工业国家的标准基本接轨。因此现在的性能检测项目及检测方法应该具有更新和更多的内容,才可能跟上我国生产的发展步伐,并且可以与国际先进技术水平和国际标准内容的更全面和更系统地接轨。

中国有色金属标准化委员会在2004年组织和安排了一系列性能检测试验,国家和华南有色金属质量监督检验中心,以及坚美、南平、兴发、闽发等6家公司,对于工厂正规生产而不是特意安排的产品,参与了这项性能检测的全面试验并取得大量的接近2万个数据。实验结果已经由全国有色金属标准化委员会汇集成册。尽管我国的产品质量就全国而言还高低不一,但总体上有了很大的提高。试验数据表明上述工厂产品与国际先进水平比较毫不逊色,因此可以自豪地说,我国的铝建筑型材工业已经不仅是一个大国,而且成为一个名副其实的强国。膜厚均匀性及封孔质量阳极氧化膜的厚度是较重要的性能指标之一,可能就是使用寿命的一个标志性数据,封孔质量则是反映氧化膜耐腐蚀性的重要指标。检测表明,磷铬酸失重试验的数据变化,都在6%~15%范围之间,或者说磷铬酸腐蚀失重数据偏差保持在15%以内,可视为可以接受的测量误差。即将颁布的新标准8013.1规定,铝合金建筑型材阳极氧化膜封孔质量,硝酸预浸磷铬酸试验是仲裁试验,这是欧洲标准EN12373.6:1999规定。

实验数据表明,封孔质量愈差的样品,硝酸预浸的“失重增加”作用越大,因此硝酸预浸对于磷铬酸失重标志的封孔质量合格与否的鉴别与筛选更加灵敏。冷封孔后处理可以明显提高封孔质量和加快封孔时间。试验表明,如果进行冷封孔后处理(即在60~80℃纯水浸渍10min),可以缩短陈化时间迅速达到封孔质量合格水平。

其他国内外试验还证明,冷封孔后处理可以明显改善冷封孔阳极氧化膜的塑性,以适合随后的机械变形不致开裂。耐腐蚀性和耐候性阳极氧化膜的CASS试验是耐盐雾腐蚀的常规试验方法。试验表明,阳极氧化膜的CASS试验与封孔质量的结果并不是完全可以对应的,因为封孔质量表示平均腐蚀速度,而CASS试验反映局部腐蚀的结果。尤其对于机械喷砂表面的阳极氧化膜,即使封孔质量合格,不能通过CASS试验的情况时有发生,相同试样的CASS试验与碱洗的评级比较,腐蚀级别也会低1到2个级别。喷砂样品的微观形貌可能由于喷砂的部分凹坑处阳极氧化膜并不完整,引起局部腐蚀的敏感性增加。

阳极氧化膜的滴碱试验方法有待改进。GB5237规定的目视气泡发生判别终点的误差很大,看来已经不宜继续采用而应该予以修改。即使今后采用日本的电阻测量法得到的数据,并且利用“逼近法”提高准确度,滴碱试验结果与磷铬酸封孔质量试验或CASS试验的结果也很难完全对应。鉴于阳极氧化膜的滴碱试验只见于日本的标准,国际标准和欧洲标准均没有这项方法,因此滴碱试验的必要性仍然值得商榷的。

着色阳极氧化膜的耐候性。电解着色古铜色的阳极氧化膜,试验表明经过紫外线辐射的色差的数据可以保持在ΔE<2.6,因此可以达到国家标准的规定ΔE<3.0。由于本试验的参与单位和提供数据比较少,因此数据可信度和代表性的把握比较小,宜继续扩大和深入试验。鉴于在阳极氧化电泳涂装复合膜方面中日双方的试验中,日本建议耐候性与耐腐蚀的联合试验,着色阳极氧化膜的联合试验是否必要值得考虑。

阳极氧化膜的耐磨性目前国内基本上采用落砂法检验阳极氧化膜的耐磨性,但是数据比较分散,许多单位都认为可以远远超过国标规定的磨耗系数<300g/μm的指标。因为落砂法试验结果与试验过程的环境因素,砂粒的形状,砂粒的使用次数等因素都有关系。例如某厂测定阳极氧化膜的磨耗系数,银白色阳极氧化膜的磨耗系数国产砂为1107g/μm和894g/μm,而日本砂的相应数值为517g/μm和567g/μm。古铜色阳极氧化膜的磨耗系数国产砂为1541g/μm和1423g/μm,而日本砂的相应数值为911g/μm和697g/μm,几乎相差一倍。国家标准规定落砂法的耐磨性的判据以磨耗系数<300g/μm为合格是可以完成的,大多数单位数据表明全部数据均>300g/μm,其中一般说来AA20的试样优于AA15的试样。

喷磨法的设备试验参数要求比较严格,目前只有北京国家有色金属监督检验中心使用,其试验数据的分散性比较大,又缺少国内其他单位数据的比较佐证,因此还需要进一步完善设备,争取更多的单位参加试验工作,才可能做出正确的判断。由于喷磨法具有国家标准、也有国际标准和欧洲标准,而落砂法制有日本标准,因此广泛建设喷磨法的设备与方法很有实际意义,同时可以缩短试验时间。

大气腐蚀暴露的结果(英国16年试验的结果)阳极氧化膜的大气暴露的数据是较基础的腐蚀数据,各种快速腐蚀检测方法的可信性,原则上都应该具有对于大气暴露数据的对应性。我国虽然已经在各大气腐蚀试验站进行了接近20年的常用金属的试验,但是至今还没有完整的绿阳极氧化膜的数据发表。根据BarryR.Ellard发表的报告,对于6063TF铝合金,阳极氧化条件为:150~165g/L硫酸,电流密度:1.4A/dm2,氧化温度:20~21℃,阳极氧化膜的厚度为15~40μm。

Barry总结了16年中在英国各类型大气腐蚀站的试验结果,这些数据可以作为今后我国总结大气腐蚀暴露试验结果时的参考。鉴于大气腐蚀暴露试验时间很长,同时数据的重复性不会特别理想,尤其是污染环境的程度各有不同,英国的的数据尽管很有意义,也只能具有参考价值。在实际利用这些数据时,只能选择较大的保险系数予以考虑,或者说应该选择点腐蚀级别较低或膜厚损失较大的数据作为依据比较可靠。数据说明,不同试验站对于点腐蚀程度的差别很大,证明不同大气污染程度对于阳极氧化膜的点腐蚀级别的影响很大。在农村、海洋和轻度污染大气中,膜厚从15~40μm均未发生点腐蚀,而重度污染工业大气,只有膜厚达到35μm以上才可以达到9级,其余膜厚的腐蚀程度都比较严重,膜厚15μm试样只有7级。英国的试验表明,海洋大气并不是较严酷的试验条件,为此尽管国际标准规定美国的弗罗里达试验作为大气腐蚀的规定场所,实际上并不是可以代表所有大气腐蚀的情况,严格地说,应该选择使用环境相近的试验站得到的试验数据才更加可靠。