喷磨法测定铝合金型材两种不同膜层耐磨性的探讨

李文成，周 磊，张文龙，刘 庆

（安徽省铝制品质量监督检验中心，安徽 淮北 235100）

铝合金型材表面处理的目的是要解决或提高材料防腐性、装饰性和功能性三方面的问题。阳极氧化、有机聚合物喷涂是铝合金表面处理常用的手段，而耐磨性是铝及铝合金膜层功能性的一项重要指标，建筑型材、太阳能电池框架和一些特殊用途的工业型材常需要耐磨性检测,也是一些标准中选用的耐磨性检测方法。而目前常使用的一种方法是落砂法，多用于膜层耐磨性能的通过性测试，但该方法磨穿膜层时间长，劳动强度大、重复性差，且终点不易观察，结果不可靠。使用喷磨试验仪能提高试验效率，操作便捷，重复性较好，适用于多种类型的膜层耐磨性测定。已有相关文献对喷磨法测定膜层耐磨性的影响因素做过研究，但对于不同膜层的耐磨特点还没有相关研究。为此，文章使用喷磨试验仪按照GB/T 12967.1-2020 中喷磨法的试验要求对铝合金型材两种不同膜层的耐磨性进行了试验和研究，并对喷磨法及其标准附录A 中的A 型喷磨试验仪的结构特点提出一些看法，以期望喷磨法能得到进一步推广使用，并推动市场出现自动化程度更高，稳定性更好的喷磨试验仪。

1 试验方法

1.1 原理

喷磨试验法是利用干燥的空气流将干燥的碳化硅磨料颗粒喷射在试样的测试位置上，直到裸露出金属基体为止。耐磨性可用单位磨耗时间、单位耗砂质量、平均磨耗性或相对磨耗性来表示结果。

1.2 仪器、耗材及试验环境

（1）喷磨试验仪：符合GB/T 12967.1-2020 附录A 中的A 型喷磨试验仪基本结构要求，并配有成像测量系统，高精度伺服调压系统，触摸屏控制等。

（2）磨料：F100 碳化硅，用筛孔公称尺寸300µm 的筛子粗筛，使用前在105 ℃烘箱中干燥不得低于2 h，干燥后储存在干净密闭玻璃瓶中，最好在24 h 内使用。重复使用次数不超过50 次，每次使用前必须粗筛和干燥。

（3）环境温度应为室温，相对湿度不大于60%。

1.3 试样

（1）阳极氧化膜试样：取自同一根阳极氧化型材的氧化面，铣床加工铣取试样，试样尺寸为100 mm×40 mm，并将边部毛刺消除。

（2）阳极氧化膜参比试样：因标准阳极氧化膜试样较难获得，本试验采用参比试样，试验结果用相对磨耗性Rrel表示，由型材生产企业提供，在纯铝试板上进行阳极氧化，氧化膜平均膜厚为15 µm 左右。试样尺寸为100 mm×40 mm。

（3）有机聚合物膜试样：取自同一根聚酯喷粉型材的喷涂面，铣床加工铣取试样，试样尺寸为100 mm×40 mm。

（4）有机聚合物膜参比试样：由型材生产企业提供，在纯铝试板上进行喷粉处理，聚酯粉末涂层平均膜厚为50 µm 左右。试样尺寸为100 mm×40 mm，并将边部毛刺消除。

1.4 试验步骤

1.4.1 喷磨试验仪磨料流量调节

将干燥后的磨料倒入喷砂试验仪储料箱中，通过控制电动补砂开关，将供料漏斗中盛满磨料（距漏斗上边沿1 cm 即可），在供料漏斗下方放置一接料盘，打开喷磨试验仪，选择间断喷砂模式，设置喷砂时间1 min，点击触摸屏开始按键，喷砂开始，1 min 后喷砂阀自动关闭。将接料盘放在电子天平上称量质量，减去接料盘自身质量，即是每分钟磨料流量。逐步调整漏斗内插入的调节杆高低，并按上述方法测试，直至将流量调节至25 g·min-1±1 g·min-1范围内，固定螺杆此位置，磨料流量调节完毕。

1.4.2 阳极氧化膜喷磨试验

在调节好磨料流量并将供料漏斗盛满磨料后，将试样放置在试样台上固定，通过快速定位块调整高度和倾斜角度，取下定位块，通过观察显示屏的放大图像，在喷嘴正下方位置用细记号笔做一点状标记，然后取下试样，按GB/T 4957-2003 规定的方法，用涡流测厚仪测量标记处的平均膜厚，记录。重新装上试样，选择持续喷砂模式，打开气压开关，喷嘴开始喷气，待气流压力稳定在7.5 kPa±0.5 kPa 范围内，点击开始按钮进行试验，通过显示屏及屏幕标尺，观察磨点变化情况，待磨点的短轴长度达到2.0 mm 长度时停止试验，记录时间作为磨耗时间，取下试样后用游标卡尺测量磨点短轴长度值，与标尺测量值作比较。按此步骤依次测试7 支试样。参比试样的测试同上述步骤，依次测试三支试样，并用参比试样的单位磨耗时间平均值来计算试样的相对磨耗性。测试及计算结果如表1。

表1 阳极氧化膜喷磨试验结果

1.4.3 有机聚合物膜喷磨试验

步骤同上述阳极氧化试验步骤，气流压力设置为15 kPa±0.5 kPa，测试及计算结果如表2。

表2 有机聚合物膜喷磨试验结果

部分阳极氧化膜磨痕的照片如图1。

图1 部分阳极氧化膜磨痕

部分有机聚合物磨痕照片如图2。

图2 部分有机聚合物磨痕照片

2 结果及分析

2.1 阳极氧化膜的喷磨试验结果分析

测试的阳极氧化膜试样，膜厚基本在15µm 左右，属膜层较薄试样，一般采用较小气流压力，达到试验终点用时较短。通过成像系统，经显示屏放大，标尺测量，发现磨点痕迹边缘线较为平滑，肉眼观测易判断试验终点，说明阳极氧化膜在膜厚测量点周围相对较小范围内的厚度较为均匀，膜层致密。根据参比试样计算试样的相对磨耗性数值小于100（平均值87），说明该阳极氧化膜参比试样的耐磨性优于型材测试试样。

2.2 有机聚合物膜的喷磨试验结果分析

测试的有机聚合物膜试样，膜厚基本在50 µm左右，属膜层较厚试样，一般采用较大气流压力，达到试验终点用时较长。磨点痕迹边缘线不光滑，成锯齿状，不太容易及时判断试验终点，说明聚合物喷涂过程中膜层与基材、膜层之间（因依次经过多个喷头而成一定厚度）的固化结合程度不够均匀。根据参比试样计算试样的相对磨耗性数值接近100（平均值99），说明该有机聚合物膜参比试样的耐磨性基本与型材测试试样一致。

2.3 关于磨点痕迹的结果分析

影响喷磨试验仪稳定性与重复性最重要的部件是喷嘴，良好的磨点应形如椭圆形，并且长轴平行与试样的长度方向，如图1。不良的磨痕形状不规则，或倾斜，或变形，如图3。喷嘴的设计及加工精度好坏关系着喷嘴口是否能形成均匀稳定的气流，均匀稳定的气流才会形成外形一致的磨点痕迹。文章通过多次试验观察试样的磨痕，在喷嘴内芯稳固且加工精度良好的情况下，磨痕形态基本一致。同批次同类型厚度接近的膜层的单位磨耗时间偏差很小。

图3 不良磨痕

2.4 关于成像测量系统的结果分析

将成像测量系统应用在试验终点的磨痕测量，与游标卡尺实测磨痕相比，二者差距很小，显示屏放大的实时图像更利于对试验终点的判定。

2.5 膜厚测量方法的分析

一般型材产品其膜厚均匀性有差异，因此试验位置的膜厚测量对试验结果影响较大，用手持式涡流测厚仪进行测量时，无法保证每次测量点的位置都是同一点，膜厚测量结果偏差较大，为准确测量试验位置的膜厚，文章用涡流测厚仪按GB/T 4957-2003 规定的方法进行膜厚测量时，采用一支架固定测厚仪，并可垂直上下移动，保证了接触测量的是同一位置，膜厚数值偏差远小于手持测量的偏差。重复测量标记的试验位置3 次，取平均值作为试验位置的膜厚。

3 结语

相对磨耗性反映了同参比试样相比，试样耐磨性的优劣，实际生产中供需双方可选择认可的试样作为参比试样，更直观的描述膜层耐磨性。

不同类型膜层的磨痕形态各有特点，磨痕形态特点能反映出各种表面处理工艺形成的膜的特点。

设计良好，加工精度高的喷嘴，决定着喷磨试验仪的稳定性和重复性，磨痕一致性较好；成像放大测量系统利于试验终点的判定；垂直稳定的膜厚测量支架实现了试验位置的同一性，这些都是减小喷磨法试验误差的有效方法。