铝阳极氧化膜的厚度测定方法

  阳极氧化膜厚度的测量方法很多，最理想的方法自然县韭破坏性的无损测量技术，既不破坏阳极氧化膜也不影响基体铝合金，而又精确得到真实膜厚的准确数据。但是实际上很难有一种既简捷又精确的两全其美的技术，适合于测量各种类型的阳极氧化膜。目前最常用的铝阳极氧化膜厚度的非破坏性测量技术是涡流测量法(适用于膜厚大于5μm的阳极氧化膜)，其它还有直接显微镜测量、干涉显微镜测量、分光束显微镜测量(适用于膜厚大于10μm的一般工业用阳极氧化膜，或表面平滑、膜厚大于5μm的阳极氧化膜)、击穿电压测量(原理简单，但因实际操作比较复杂而使用不多)等方法。阳极氧化膜厚度的有损测量技术有:显微截面测量法、质量损失(失重)法、金属溶解法等。这三种方法虽然属于有损测量技术，但也都是目前经常使用的测试技术，使用者可以根据不同的对象和目的分别选择使用上述各类测试技术。 保护和装饰用的多孔型阳极氧化膜厚度的测量方法，目前最常用的有三种:①显微截面测量法，②质量损失(失重)法，③涡流测厚法，既用于企业生产线的在线测量，又在实验室研究开发中广泛使用。表1是三种常用测量方法的各国标准号，供读者进一步查证之用。显微截面测量法可以直接观察测量阳极氧化膜的厚度。质量损失法是在设定的氧化膜密度下，通过失重计算得:到阳极氧化膜厚度测量部分的厚度平均值。涡流测厚法是非破坏性的测定方法，操作者可以逐点测出指定位置的局部膜厚数值，从而比较方便地了解膜厚的均匀性。诚然，测量阳极氧化膜的厚度，必须选择有代表性的位置，比如阳极氧化电接触点周围5mm以内或者边角位置，都不应该是选择测量的位置。当各种检测方法的厚度数据不一致而发生争议时，需要根据仲裁检验方法的结果，作为最终判别结果的依据。横截面的显微截面测量法，是铝阳极氧化膜厚度大于5μm的仲裁检验方法;而膜厚小于5μm时，质量损失(失重) 法是仲裁检验方法。表1中所列的常用的几种阳极氧化膜厚度测量方法，在表后再分段进行技术说明。   表1 三种常用的膜厚测量方法的我国标准、国际标准和外国标准号

序号	测量方法	中国	国际ISO	美国	英国	日本
1	显微截面法	GB/T 6462	ISO 1463	ASTM B487	BS5411-5	JISH8680-1
2	质量损失法	GB/T 8014.2	ISO 2106	ASTM B137	BS6161-1	JISH8688
3	涡流法	GB/T 4957	ISO 2360	ASTM B244	BS5411-3	JISH8680-2

  (1)显微截面测量法 显微截面测厚法是一种有损测量方法，该方法使用金相显微镜直接观测待测试样的横截面，可以直接反映某测量位置铝阳极氧化膜的局部膜厚。虽然显微截面测量方法比较直观，并不需要诸如氧化膜密度或折射指数等信息，又通过计算得到膜厚的数值，但是测量位置(即显微截面及测量位置)的范围有限，因此应该注意选择有代表性的位置，才能获得厚度与膜厚均匀性的准确信息。显微截面测厚法的测量精度影响因素很多，例如样品的表面粗糙度、横截面的垂直度、显微镜的测量精度、放大倍数的选择、氧化膜变形等都会引起测量数据的偏差。在正常测量条件下，当膜厚大于25μm时，测量误差可以小于5%。显微截面测厚法的具体操作，可参见表1中序号1“显微截面测量法”的各国标准中的有关条文规定。 显微截面测量法是一种经典的金相实验技术，操作比较耗时而且需要有操作技巧，操作者只有具备熟练的金相技术才可以得到准确的结果。操作技术应该注意的是:①切割横截面要仔细，避免飞边或变形;②试样的横截面必须与试样表面完全垂直，垂直度的偏差直接引起厚度测量的误差。例如垂直度偏差10°，则厚度误差达到2%;③横截面试样镶样时，样品与镶样树脂材料之间不得留有空隙;④金相显微镜的测微镜必须经常标定，放大倍数可根据视场直径为膜厚的1.5~3倍来考虑，原则上放大倍数愈大则测量误差愈小。但是最常用的显微镜放大倍数是1000倍，此时屏幕上的1mm正好相当于1μm膜厚,换算比较方便而且非常直观。 显微截面法是阳极氧化膜厚度在5μm以上时厚度测定的仲裁方法，该样品可以作为标定其他厚度测定方法的基准片。 (2)质量损失法 质量损失法(也称重量法或失重法)是通过脱膜前后的质量变化(即失重值)计算阳极氧化膜的厚度，此方法适用于绝大部分变形或铸造铝合金，但是铜含量大于6%的铝合金不宜使用。在确定铝阳极氧化膜的密度后，按照下列公式可以计算得到测量面积A的平均膜厚。

δa=10-4W/(A·d)

式中δa为阳极氧化膜厚度，μm;W为去除的阳极氧化膜重量，g，即质量损失值;A为待测位置阳极氧化膜的表面积，cm2;d为阳极氧化膜的密度，g/cm3，也称表观密度。 对于非封孔的铝阳极氧化膜，其密度通常取2.4g/cm3，封孔膜的密度取2.6g/cm3。由于这个阳极氧化膜的密度数据为近似值，为此本方法-般也只能得出平均膜厚的近似值。如果可以具体测定或查表得到该阳极氧化膜本身的真实密度，这样计算得到的膜厚值才更加接近于真实值。 质量损失法是阳极氧化膜厚度低于5μm时的仲裁方法。质量损失法的磷铬酸腐蚀脱膜水溶液成分为:在1L水溶液中，磷酸H3PO4(ρ=1.7g/ml)35ml/L(或加倍为70m/L)，铬酐CrO3(AR)20g/L(或相应加倍为40g/L)。在温度为85~100C时，该脱膜溶液可以很快去除铝阳极氧化膜而不会损伤铝基体。脱膜的时间视膜厚而定，-般控制在1~10min以内，如果膜很厚则脱膜时间可能接近10min。在脱膜溶液中，磷酸是腐蚀性成分，而铬酸(酐)是缓蚀性成分，控制它们之间的合适比例十分重要。在含镁高、含铜高或含锌高的铝合金脱膜时，常常可以适当提高铬酐的含量以降低其腐蚀性，甚至推荐磷酸(ρ=1.7g/ml)20ml/L与铬酸200g/L溶液，用于高镁、高铜或高锌的铝合金薄阳极氧化膜的去除比较合适。 质量损失法的操作步骤是:①测量并计算出阳极氧化试样待测表面的面积;②称重(精确至0.01mg)至恒重为止，操作应符合分析化学测量的要求;③试样置于磷铬酸试验溶液中浸泡10min;④取出试样用去离子水清洗干净，干燥后再称重。两次称重的差值就是质量损失值(也称失重值)，如此操作需要重复浸泡和称量，直至得到准确的质量损失值为止。具体操作可参见表1中序号2方法的各国标准的有关条文规定。 质量损失法测定中应当注意的事项是:①待测试样的面积需要大于1000mm2;②非有效测量面上的阳极氧化膜可以预先设法除去，或预先用电工PVC塑料胶带进行掩蔽保护;③铝试样不得与其它金属接触，脱膜容器宜选择玻璃或不锈钢材料制成，以玻璃容器为脱膜容器之首选;④重金属离子不得污染磷铬酸脱膜的腐蚀溶液，因为存在重金属离子会加速引起铝基体的腐蚀;⑤1L脱膜溶液溶解大约12g阳极氧化膜之后，一般应该弃用并重新配置腐蚀溶液。 (3)涡流测厚法 涡流测厚法是工厂最常用的、非常方便的在线非破坏性的无损快速测量方法，特别适用于生产现场、销售现场和施工现场的快速无损膜厚监测。涡流测厚仪器本身的品质是保证测量精确度和重复性的关键因素，购置之前应该充分了解仪器的性能和精度，使用之前应该熟读仪器所附的说明书。涡流测厚仪适用于在非磁性金属上的非导电膜(绝缘膜)的厚度测量，因此作为铝合金阳极氧化膜厚度的快速测量非常合适和方便，但是一般不能用于很薄的铝合金化学转化膜的厚度测量。涡流测厚法的原理是:置于氧化膜上的测量探头中安装高频交流线圈产生的高频电磁场，使绝缘膜下非磁性金属导体产生一个涡流值，这个涡流值的大小是与膜的厚度定量相关的。基于这个事实，在选择的高频下，膜厚δ与电容值C成反比的函数关系:

      C=Aε/(4πδ)

式中，δ为阳极氧化膜厚度，μm;A为氧化膜的表面积，cm2;ε为氧化膜的介电常数。 当涡流测厚仪的探头置于铝阳极氧化膜的表面时，一.般可以在仪器面板上直接读出探头与金属铝基体之间的距离，这个距离就是非导电性的绝缘阳极氧化膜厚度的数值。仪器读数的准确性直接与零点校准(采用没有氧化膜的同–铝合金进行校准)和标准膜厚标定(采用标准厚度片标定)有明显关系，因此涡流测厚仪在每次测量之前必须进行零点校准和膜厚标定，这是一项不可缺少的测量步骤。涡流测厚仪不能测量非常薄的氧化膜，而只适用于测定厚度为5μm以上的阳极氧化膜。在测量中还必须注意试样测量面的平面度和平整度，以保证测量的可靠性和精确度。目前涡流测厚仪已经使用了接近半个世纪，现代涡流测厚仪在防止零点漂移和提高测量精度方面已经有了很大的改进和提高，因此选择高精度涡流测厚仪是维持高精度检测的前提。 涡流测厚仪测量阳极氧化膜的厚度，应该注意各种因素对于测量精度的影响。这些影响因素有膜的厚度、基体金属的厚度、表面粗糙度、试样曲率、试样变形度、测试位置和施加探头的压力、表面附着污染物、环境温度等。为此在测量操作时，应该将探头平稳、垂直地置于清洁干燥的待测试样表面，探头施加的压力尽可能保持恒定。试样的被测量的位置应该在平面上，尽可能符合测试目的和要求，试样如有一定曲率需要使用专用于有曲率平面的探头。另外试样不得变形，膜的厚度应该在仪器的测量范围内。操作时一-般应该进行多次测量而取其平均值。 特别需要再次指出的是，为了保证测量精度，每次厚度测量前，都要对没有阳极氧化膜的铝合金基体进行零点校准，然后使用标准膜厚检测片进行多点膜厚标定。