鋁及鋁合金不同表面處理膜層耐磨性試驗方法研究

蔣春麗，許栩達，陳 慧，魯炎卿

(佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山528133)

磨損是致使材料破壞、失效的形式之一。據(jù)文獻報道，對我國冶金礦山、農(nóng)機、煤炭、電力和建材5個工業(yè)部門的不完全統(tǒng)計，每年由于磨損而需要補充的配件達106t，價值15億元～20億元。由此可見，各種材料耐磨性的優(yōu)劣對于評價和控制產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要，因而在經(jīng)濟上占有舉足輕重的地位。鋁合金型材的耐磨性是反映型材的抗摩擦、耐磨損能力的重要參數(shù)。通常鋁合金型材外面有一層保護膜或涂層，耐磨性主要是涂層對摩擦機械作用的抵抗能力。它實際上是涂層的硬度、附著力和內(nèi)聚力等綜合效應(yīng)的體現(xiàn)，直接影響到鋁型材的使用壽命。

迄今，工業(yè)發(fā)達國家對于不同材料均有相應(yīng)的磨損試驗方法，如日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS H8503[1]規(guī)定了有關(guān)金屬鍍膜耐磨性試驗方法、JIS H8615[2]敘述了鉻電鍍層的耐磨性試驗；美國材料試驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 968[3]和ASTM D 658[4]分別規(guī)定用落砂法和噴砂法測定有機涂層的耐磨性；而在國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7784.2-1999[5]中則采用旋轉(zhuǎn)磨擦橡膠輪法測定色漆和清漆的耐磨性；在ISO 8251-1987[6]和JIS H8682-1999[7]中均規(guī)定用磨擦輪磨耗試驗機測定鋁和鋁合金表面陽極氧化膜的耐磨系數(shù)。我國已有國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1768-2006[8]，以及GB 5237.5-2008[9]中規(guī)定用落砂耐磨試驗機測定鋁合金建筑型材表面氟碳漆膜的耐磨系數(shù)。綜上所述，不難看出，目前國內(nèi)外涂料鍍層耐磨性試驗普遍采用旋轉(zhuǎn)磨擦橡膠輪法(Taber法)、落砂法和噴砂法，但是卻沒有一種方法能覆蓋較多類型的膜層。本文采用Taber法，對鋁及鋁合金不同表面處理膜層的耐磨性能進行測試，旨在評估Taber法對各種膜層耐磨性能測試的適用性，以及測試各種膜層耐磨性能的參數(shù)，為GB/T 8013系列標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供依據(jù)。

1 實驗

1.1 試樣

選用6063-T5基材、加工成尺寸為Φ100mm×1mm～2mm、中心Φ7mm直徑圓孔的試樣。分別進行15種不同膜層(陽極氧化、電泳、粉末、氟碳)的表面處理，見表1。

表1 樣品

1.2 試驗設(shè)備及方案

采用如圖1所示Taber式漆膜磨耗儀，其主要由夾試樣的轉(zhuǎn)盤、摩擦轉(zhuǎn)輪和加載裝置3部分組成。在進行測試時，將樣品固定于轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)盤上，使之在一定的壓力下，承受兩個轉(zhuǎn)輪的摩擦，轉(zhuǎn)輪由試樣轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動帶動，配置在轉(zhuǎn)盤右側(cè)的轉(zhuǎn)輪從試樣中心向外摩擦，左側(cè)的轉(zhuǎn)輪與此相反，從外向試樣中心摩擦，因為在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動中連續(xù)進行摩擦，從而在試樣上形成Taber法特有的X型摩擦。

在橡膠輪上粘附兩個不同廠家的150目和400目砂紙(圖2)對不同膜層的試樣進行輪磨，評估不同廠家生產(chǎn)的同規(guī)格砂紙對試驗結(jié)果的影響。分別用循環(huán)次數(shù)法和質(zhì)量磨損法來進行試驗，即耐磨性能用單位磨損厚度的循環(huán)次數(shù)和100次循環(huán)的質(zhì)量磨損來表示。通過數(shù)據(jù)對比確定Taber法測試膜層耐磨性能的參數(shù)。

2 試驗結(jié)果

2.1 循環(huán)次數(shù)法

測試各膜層被不同廠家砂紙磨穿所需的平均循環(huán)次數(shù)、質(zhì)量磨損，計算膜層單位磨損厚度的循環(huán)次數(shù)(表2)和100次循環(huán)的質(zhì)量磨損(表3)。

圖1 Taber式漆膜磨耗儀 圖2 切成長條的砂紙Fig.1 Taber paint film wear instrument Fig.2 Long cut sandpaper

編號膜層表面狀態(tài)單位磨損厚度的循環(huán)次數(shù)/(r/μm)1-1502-1501-4002-4001陽極氧化AA10光白8.00 7.19 34.15 33.07 2陽極氧化AA10砂白5.31 3.41 32.96 32.67 3陽極氧化AA15光白8.47 7.31 34.96 36.33 4陽極氧化AA15砂白6.67 4.37 33.28 35.56 5陽極氧化AA20光白8.92 8.75 40.17 43.56 6陽極氧化AA20砂白7.95 6.41 38.45 42.84 7電泳/B級有光白2.96 2.59 18.00 21.58 8電泳/B級噴砂白2.86 2.21 17.27 21.07 9聚酯粉亞光白1.25 1.11 3.09 2.47 10聚酯粉砂白1.26 1.07 2.69 2.79 11聚氨酯木紋半透明1.28 1.20 3.11 2.68 12聚氨酯木紋普通粉1.17 1.03 2.59 2.21 13氟碳光面白色0.90 0.81 2.12 2.03 14氟碳砂面白色0.68 0.77 1.54 1.39 15氟碳金屬粉0.99 0.81 2.13 2.14

表3 100次循環(huán)的質(zhì)量磨損(循環(huán)次數(shù)法)

2.2 質(zhì)量磨損法

根據(jù)循環(huán)次數(shù)法的試驗結(jié)果，考慮可能出現(xiàn)膜厚偏差，結(jié)合實驗過程中出現(xiàn)的最少循環(huán)次數(shù)，設(shè)定質(zhì)量磨損法實驗的固定循環(huán)次數(shù)見表4，并計算膜層100次循環(huán)的質(zhì)量磨損見表5。因磨損后表面粗糙，無法測量到準(zhǔn)確地剩余膜厚，故不能得出單位磨損厚度的循環(huán)次數(shù)結(jié)果。

3 試驗結(jié)果分析與討論

3.1 不同砂紙磨耗下各膜層單位磨損厚度的循環(huán)次數(shù)對比

將表2數(shù)據(jù)繪制曲線圖見圖3，可以看出，兩種150砂紙的測試結(jié)果比較接近，而兩種400砂紙對陽極氧化和電泳的測試結(jié)果差距較明顯，說明不同廠家同規(guī)格的砂紙對試驗結(jié)果有一定的影響；但從總體趨勢來看，并不影響各膜層耐磨性能的比較，即陽極氧化膜>陽極氧化復(fù)合膜>粉末噴涂(及木紋)>氟碳噴涂。同種膜層砂紋不如光面耐磨，這是由于砂紋表面粗糙所致。因質(zhì)量磨損法是固定循環(huán)次數(shù)，膜層并未磨穿(即未露出基材)，磨損后表面粗糙，無法測量到準(zhǔn)確地剩余膜厚，故不能得出單位磨損厚度的循環(huán)次數(shù)結(jié)果。

表4 質(zhì)量磨損法設(shè)定的固定循環(huán)次數(shù)

表5 100次循環(huán)的質(zhì)量磨損(質(zhì)量磨損法)

圖3 各膜層單位磨損厚度的循環(huán)次數(shù)對比Fig.3 Comparison of cycle times per unit wear thickness of each film

3.2 不同試驗方法后膜層100次循環(huán)的質(zhì)量磨損對比

將表3和表5數(shù)據(jù)繪制成曲線圖(圖4)，可以看出，對于同型號砂紙，循環(huán)次數(shù)法和質(zhì)量磨損法得到的各膜層100次循環(huán)的質(zhì)量磨損結(jié)果雖有一定差別，但總體變化趨勢一致。由于計算膜層100次循環(huán)的質(zhì)量磨損受砂紙(粒度、安裝方式等)的影響很大，并且需要保證試驗前后稱重的精確性，要得到一個精確地質(zhì)量磨損數(shù)據(jù)，可能需要大量數(shù)據(jù)支持。因此，不宜用質(zhì)量磨損法評估膜層的耐磨性能，應(yīng)用循環(huán)次數(shù)法的單位磨損厚度的循環(huán)次數(shù)來評估。但是，由于循

環(huán)次數(shù)法與測量膜厚有直接關(guān)系，對于粉末、氟碳等容易膜厚不均的膜層，在試驗前需要準(zhǔn)確測量到最小膜厚值；不同的砂紙對試驗有一定影響，需要規(guī)范磨耗材料(砂紙或砂輪)；磨穿時需要肉眼觀察，受個人經(jīng)驗影響，需要一個統(tǒng)一的磨穿標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 各膜層100次循環(huán)的質(zhì)量磨損對比Fig.4 Mass wear comparison of 100 cycles of each film

3.3 評定各膜層耐磨性能的參數(shù)

耐磨性能與測量膜厚有直接關(guān)系，根據(jù)GB 5237系列標(biāo)準(zhǔn)，按不同膜層的允許最小局部膜厚，結(jié)合表2，將同規(guī)格砂紙單位磨損厚度的循環(huán)次數(shù)取平均值，計算磨穿循環(huán)次數(shù)見表6。

表6 各膜層最小局部膜厚時耐磨性能的參數(shù)(循環(huán)次數(shù))

由表6可以看出，采用150目砂紙輪磨時，對于單位磨損厚度循環(huán)次數(shù)<5的膜層，磨穿循環(huán)次數(shù)都較低，特別是氟碳，易出現(xiàn)試驗誤差；采用400目砂紙輪磨時，對于單位磨損厚度循環(huán)次數(shù)>30的膜層，磨穿循環(huán)次數(shù)都較高，特別是陽極氧化AA20，輪磨效率較低。因此，結(jié)合試驗過程，從試驗效率和準(zhǔn)確性等方面考慮，陽極氧化膜和陽極氧化復(fù)合膜宜用150目砂紙，而有機聚合物涂層宜用400目砂紙。最后得出各種膜層最小局部膜厚對應(yīng)的建議采用循環(huán)次數(shù)。

4 結(jié)論

本試驗采用Taber法測試鋁及鋁合金膜層的耐磨性能，分別用兩個廠家的150目和400目砂紙對各種膜層進行輪磨，對比循環(huán)次數(shù)法和質(zhì)量磨損法的結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1)Taber法可以作為陽極氧化膜、陽極氧化復(fù)合膜和有機聚合物涂層的耐磨性能評定方法；

(2)宜用單位磨損厚度的循環(huán)次數(shù)來評定膜層耐磨性能，更直觀方便；

(3)陽極氧化膜和陽極氧化膜復(fù)合膜宜用150目砂紙，有機聚合物涂層宜用400目砂紙；

(4)Taber法測試鋁及鋁合金陽極氧化、陽極氧化膜復(fù)合膜及有機聚合物涂層耐磨性能的參數(shù)(對應(yīng)最小局部膜厚)見表6；

(5)不同的砂紙對試驗有一定影響，需要規(guī)范磨耗材料(砂紙或磨輪)；磨穿時需要肉眼觀察，受個人經(jīng)驗影響，需要一個統(tǒng)一的磨穿標(biāo)準(zhǔn)。