铝型材阳极氧化膜膜厚检测方法的研究

摘要：铝型材作为一种密度小、质量轻、强度与钢类似、加工性能优异的建筑金属材料，在工业上使用非常广泛，在实际应用中为了增强铝型材的使用寿命，需要对铝型材表面进行处理，工业上多用阳极氧化技术形成一层具有良好的耐腐蚀性能、力学性能以及耐摩擦性能的多孔氧化铝膜层，需要选用可靠的膜厚检测方法来监测形成的阳极氧化膜的厚度，这对于稳定工艺质量十分重要，本文作者归纳整理了目前常用的几种铝型材阳极氧化膜膜厚的检测方法，分析了每种方法的优缺点及操作注意事项，并对膜厚检测方法的改进提出了自己的想法。

关键词：铝型材；阳极氧化膜；膜厚；检测方法

铝合金密度低，质量比钢轻，但强度与钢类似，可加工成各种型材，具有优良的导电、导热和抗腐蚀性，工业上被广泛使用，用量仅次于钢，其中在建筑领域的应用最为广泛[1]。铝合金虽然在大气中容易被氧化形成一层致密的自然氧化薄膜，能起到一定的保护基体作用，但该自然氧化薄膜的膜层疏松多孔、不均匀、在苛刻的大气环境下保护能力不足，并且用作建筑装饰材料的铝合金型材，应该是一种半永久性的材料[2]，在抵御外界气候条件的侵蚀方面，须具备良好的抗腐蚀，抗摩擦，耐热和耐候性能，并且随着物质生活水平的提高，单一的银白色外观也不再能满足人们对家居装饰的需求，因此，人们想到利用物理或化学的方法，对铝合金型材的表面进行处理，使铝型材兼具保护性和装饰性的功效，增加铝型材的使用寿命。

目前铝及铝合金型材表面的处理技术主要有阳极氧化技术、化学微弧氧化、电镀及激光熔覆等技术[3]。在工业生产中应用较多的处理方法是阳极氧化法，经处理后，铝合金表面形成多孔氧化铝膜层，具有良好的耐腐蚀性能、力学性能以及耐摩擦性能等。通过表面处理技术，铝合金型材在防护、装饰及特殊的功能化方面都得到了很好的使用。但随着市场环境对铝合金型材的不同要求，不同的使用环境对铝型材膜厚有不同的要求，例如阳极氧化膜的厚度室内为10μm-20μm之间，室外则为40μm-120μm。

经过阳极氧化处理的铝合金型材要进行膜厚检测，选用可靠的膜厚检测方法，对于稳定工艺质量十分重要，同时对工艺流程进行统计及溯源，才能有效及时发现生产过程哪个环节出现问题，并且在出现生产缺陷前找出形成的原因及解决办法，降低因膜厚不良导致的返工，提升生产速度和品质。根据操作方法的不同测量铝型材阳极氧化膜膜厚的检测方法主要分为破环性检测和非破坏性检测两大类[4]，破坏性试验有横截面显微镜测定法和阳极氧化膜质量测定法，非破坏性试验有涡流测定法和分光光束显微镜测定法。

1、横截面显微镜测定法

该测定方法是对铝阳极氧化膜垂直截面抛光后，用显微镜放大进行膜厚测量。再放大的图像下，用目镜测微尺测量阳极氧化膜横截面的宽度，从而得到准确的膜厚数据测量的是局部厚度。

该测量方法中观察的横截面必须与试样表面完全垂直，要求抛光时就必须保持试样表面与观察面垂直，若垂直度偏差倾斜10°，则测定误差为1.5%。用于读数的目镜测微尺在使用之前必须进行数值修正，并且在显微镜视野中的测定位置也很重要，由于铝阳极氧化膜表面粗糙度或材料所含合金的影响，不同测定位置所得到的厚度数值也有很大差异。

2、阳极氧化膜质量测定法

该测定方法是使用磷-铬酸水溶液将阳极氧化膜溶解，用校正后的天平称量溶解前后的质量差求出单位面积上的质量，从而计算出阳极氧化膜的平均厚度。

该测量方法得到的是阳极氧化膜的平均膜厚，由于使用的是质量差来计算，必须将阳极氧化膜用干燥器充分干燥后再进行测量。并且磷-铬酸水溶液加热产生的蒸气对人体有害，测量实验必须在通风橱中进行，且废液排放前需采取适当措施先将铬酸离子除掉。

3、涡流测厚法

该测定方法是目前最常用的非破坏性的膜厚检测方法，是利用高频涡流测定膜厚。

该测定方法中，铝基体的材质、表面粗糙度和平整度等都会影响测量结果，并且在测量之前需先用标准样品对涡流测厚仪进行校正。由于测量值的影响因素较多，在实际操作中需要增加测量次数和测量位置来减少测量偏差。

4、分光束显微镜测定法

该方法也是一种非破坏性的膜厚检测方法，是将光线从斜方向照射到试样上，测量阳极氧化膜表面的反射光与铝基体表面反射光的偏移值，从偏移值与膜折射率之间关系通过计算求出膜厚。

由于该方法中涉及到的量具都必须经过校准之后再使用，由于存在精度上的问题，企业上也不常用，99年修订的日本JIS标准中已删除了膜厚的分光束显微镜测量方法。

5、其他测量新方法

随着仪器技术的进步，出现了新的膜厚检测技术，例如工业CT法[5]，该方法基于射线穿透被测物体而获得其断面图象，工业CT断面图像上的不同灰度值代表不同材质的线密度，从而计算出不同材料的层厚。该方法中不同材质的边界区域存在明显的过度区域，增加了测厚的测量难度，且由于存在辐射等原因，无法在实际生产环境中应用，多用于实验室条件下的检测。

国家标准GB52372.2-2008《铝合金建筑型材 第2部分 阳极氧化型材》明确规定了阳极氧化膜的测定按GB/T 8014.1中规定的测量原则，可采用GB/T 4957中的涡流法或GB/T 6462规定的显微镜法进行测量，仲裁试验按GB/T 6462规定的显微镜法进行。大家可以根据实际工作需要或检测精度的要求来选择合适的膜厚检测方法。

对比几种阳极氧化膜的膜厚检测方法或多或少都存在不足之处，特别是最常用的人工采用涡流测厚仪进行测量，GB/T 4957在 4.6 中表面粗糙度提到，如果基体金属粗糙，需要在未涂覆的粗糙基体金属试样上的若干位置校验仪器零点[6]。且利用涡流测厚仪对铝型材膜进行测量的时候，需要将涡流测厚仪的测厚探头抵在铝型材外面的膜上，这就存在以下不足：一是人工操作使得每次涡流测厚仪与铝型材的角度不同存在误差；二是当需要多次测量时，难免使得测厚探头与铝型材膜之间接触的力度不同，不仅影响测量结果，还容易损坏测厚探头；对于一些容易变形的铝型材膜，还会使铝型材膜膜厚发生变化，影响使用。

涡流测厚仪膜厚测量方法的改进：通过设置横向调整装置和竖向调整装置，使得涡流测厚仪每次都能与铝型材膜保持垂直测量。通过在基座内设置吸盘，使得装置与铝型材保证一定的吸力，在使用涡流测厚仪测量的时候更加稳定。利用缓冲装置，在涡流测厚仪测厚探头未接触铝型材膜之前通过压力传感器进行压力测量，保证了测厚探头不会受压。实现了无接触测量铝型材膜厚，减少人工操作带来的影响。

总之，随着社会的不断进步，科学的不断发展，期待出现新的测量方法，减少测量人员的操作步骤，不断改进测量精度和测量准确度。

参考文献

[1]. 林兰芳，彭军.建筑铝型材表面处理技术的概况及研究进展[J].化工新型材料，2020，48（12）：18-21.

[2]. 袁翔.建筑铝合金型材着色与工艺研究[D].中南大学，2012.

[3].杨斌.铝合金表面阳极氧化膜的制备、性能及应用研究[D].兰州理工大学，2019.

[4].铝阳极氧化作业指南和技术管理[M]. 化学工业出版社.2015.

[5].江柏红，于士章，董家驹，等.基于工业CT的多层环状缠绕复合材料层厚检测方法研究[J].玻璃钢/复合材料，2019，（02）：96-101.

[6]陈锦平，夏秀群.阳极氧化膜膜厚测定显微法和涡流法对比试验报告[C]//中国有色金属加工工业协会.2018年中国铝加工产业年度大会论文集.广东兴发铝业有限公司;，2018：6.