铝阳极氧化膜的厚度检测

　　阳极氧化膜的厚度是决定使用性能的基本参数，也是最重要的使用性能指标，其重要性不仅是膜厚往往决定了使用寿命，而且是阳极氧化生产成本的主要因素。阳极氧化膜厚度的指标首先取决于用途和使用环境，同时还与各国标准的规定有关系。中国曾规定建筑用的铝型材的阳极氧化膜厚度应为10μm，而新版国标GB/T 8013.1-2007按阳极氧化膜最小平均膜厚分别以AA5、AA10、AA15、AA20和AA25级别将膜厚分成五个层次，即平均膜厚分别为5μm、10μm、15μm、20μm和25μm，相应于最小局部膜厚为4μm、8μm、12μm、16μm和20μm，由用户根据使用环境的需要选择，并希望在今后各种产品的标准中具体规定，这种考虑方式与国外标准，尤其是日本的考虑基本相同。新国家标准GB/T 8013.1-2007还给出一般性的膜厚适用指导原则，在室外建筑业，根据大气环境的需要，一般使用级别为AA10、AA15和AA20的阳极氧化膜。对于室内应用和许多一般性应用，通常使用级别为AA15、AA10和AA5的阳极氧化膜。对于特殊应用的情况，如热反射器或光反射器，膜厚可以是5μm或小于5μm，由供需双方商定。日本工业标准JIS H 8601: 1999还有AA3的级别，作为铝制光反射板等电器器件之用。硬质阳极氧化膜的厚度通常为40~ 60μm，特殊需要时可能要求达到100μm或更厚一些。对于某些染色阳极氧化膜，为了使染料被充分吸附并具备一定的耐光性能，必须至少选择膜厚级别为AA20或AA25的阳极氧化膜。这种考虑的方式显然比以前的硬性规定厚度指标更加科学、实用，至少提供了根据环境和用途选择不同膜厚的空间，符合于节能减排原则。

　　在具体考虑阳极氧化膜厚度的适用范围时，按照国内外的实验和实践可以将阳极氧化膜的厚度适用范围更加明确一些，例如AA10适用于无污染、非海洋性的清洁大气环境，AA15和AA20适用于一般工业性污染大气或海洋大气环境。而AA20和AA25则用于非常恶劣的工业污染大气环境，当然室内装饰用阳极氧化膜可能只需要AA5的级别。这种原则规定是从各种大气环境状况对于阳极氧化膜腐蚀影响的研究中得到的，我国目前还没有发表各种大气条件下阳极氧化膜大气曝露的腐蚀数据，表14-3和表14-4收集英国各类型大气腐蚀站16年试验的腐蚀评定结果，作为中国技术界的参考。

　　阳极氧化膜的大气曝露的腐蚀数据是最基础性的数据，各种快速腐蚀检测方法的可信度，原则上都应该具有对大气曝露数据的对应性。中国虽然已经在各大气腐蚀试验站进行了接近20年的常用金属试验，但是至今还没有完整的铝材阳极氧化膜的大气腐蚀数据发表。现根据Barry R E发表的报告，提供如下资料供中国选材之参考。试验样品为铝合金建筑型材常用的6063 TF铝合金，阳极氧化条件为：150~165 g/L硫酸，电流密度：1.4 A/dm²，氧化温度：20~21℃，阳极氧化膜的厚度范围为15~40μm。Barry总结16年中在英国各类型大气腐蚀站的试验结果，如表14-3和14-4所示，这些数据可以作为今后中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才比较可靠。

　　表14-3 英国各类型大气腐蚀站16年试验的点腐蚀评定
  表14-4    不同膜厚阳极氧化膜在英国各类型大气腐蚀站16年试验的膜厚损失评定

　　表14-3表示阳极氧化膜局部腐蚀的情形，数据说明在不同试验站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 16年均未发生点腐蚀，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，其余膜厚的点腐蚀程度都比较严重，膜厚15μm试样只有7级。英国的试验结果表明，海洋大气并不是最严酷的试验条件，重污染的工业大气的腐蚀更加严酷。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，更不能认为是最严格的大气腐蚀数据。从实际应用的角度出发，应该选择环境相近的试验站得到的试验数据更加可靠。

　　众所周知，膜厚损失或失重变化数据只对于材料的全面腐蚀才有意义。表14-4则表示阳极氧化膜全面腐蚀的情况，数据说明不同大气条件对于膜厚损失的影响差别也很大，证明大气污染程度不同对于阳极氧化膜的腐蚀失重的影响很大。任何膜厚的阳极氧化膜在农村大气(班伯里地区)中的腐蚀作用最小，而在大气污染最重的谢菲尔德地区腐蚀最为严重。如果希望在污染大气中使用，阳极氧化膜的厚度应该选择在25μm以上，污染愈严重的地区则阳极氧化膜厚度应该选择更厚一些。这种大气污染程度对于腐蚀影响的趋势，平均腐蚀和局部腐蚀的结果是一致的。

　　在目前常用的阳极氧化膜厚度测量方法中，质量损失法(重量法)只可以在设定的阳极氧化膜密度的情况下，计算得到的待测量面积的阳极氧化膜厚度(μm)的平均值，现在还作为AA5以下的膜厚测量的仲裁试验法，或者直接用表面质量的数值表征薄氧化膜的厚度。质量损失法的脱膜溶液可以用35 ml/L正磷酸+20 g/L三氧化铬，在85～100℃可以迅速脱去阳极氧化膜而不会损伤铝基体。其中磷酸与铬酸的比例十分重要，磷酸是腐蚀性成分，铬酸是缓蚀性成分。如果脱去薄氧化膜或者测定含高镁、高铜或锌的铝合金，常常可以提高铬酐的量，以减缓腐蚀速度。具体操作步骤请参见中国国标GB/T 8014. 2-2005。

　　非破坏性的涡流测厚法使用方便，适用于非磁性材料上非导电膜的厚度测量，正好是铝阳极氧化膜厚度测量的技术范围。涡流测厚仪在工业上应用比较普遍，不受表面光泽或着色的影响，是生产线在线品质控制最广泛使用的现场监测工具。涡流测厚仪可以逐点测出阳极氧化膜的厚度值，从而可以了解阳极氧化膜厚度的均匀性，但是涡流测厚法不适合于AA5以下的薄氧化膜的测量。

　　显微截面法是经典的金相实验技术，可以直接观测阳极氧化膜的厚度。虽然显微截面观测比较直观，但是样品制作比较麻烦，又是破坏性实验，测量的范围也有限，一般只在AA5以上的膜厚仲裁试验时使用。具体操作步骤请参见GB/T 6462-1986。显微截面法的检测应该注意选择有代表性的位置，以获得真实膜厚及其均匀性的准确信息。分光束显微镜法使用比较少，通常用于测量透明膜厚度及表面粗糙度，不适用于深色氧化膜或表面粗糙的氧化膜。其方法原理和测量程序，请详见GB/T 8014. 3-2005。

　　阳极氧化膜的厚度控制是非常方便的，目前的阳极氧化生产线基本上采取控制电流的方法(俗称恒电流法)生产的。阳极氧化膜的厚度是由电流乘以时间，也就是通过的电量决定的，因此恒电流法更容易控制阳极氧化膜的厚度。下面公式表示膜厚与电流和时间的关系。

　　σ=κIt，

　　式中 σ-膜厚/μm;

　　κ-一个常数，通常取0. 27~0.34;

　　I和t-分别为电流密度/(A·dm-2)和时间/min。