CN108107035B - 一种辉光放电光谱仪测定铝材表面氧化膜质量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种辉光放电光谱仪测定铝材表面氧化膜质量的方法，通过设定辉光放电光谱仪的工作条件，对铝材表面氧化膜进行由表及里的辉光放电光谱检测，获得由表层氧化膜到铝基材的元素分布图，由于氧化膜结构的差异导致其成分分布和表面不同，所以可以根据氧化膜中元素分布的特点，判断氧化膜质量是否合格。氧化膜内元素Al、O、S由表及里的分布发生激增或者骤降，则氧化膜质量不合格；氧化膜内元素Al、O、S由表及里的分布变化稳定，则氧化膜质量合格。
Description
技术领域
本发明属于金属表面处理技术领域，具体涉及一种辉光放电光谱仪测定铝材表面氧化膜质量的方法。
背景技术
阳极氧化处理技术可以使铝合金表面形成一层氧化膜，这层氧化膜具有防护性、装饰性以及绝缘性等功能特性，扩大了铝材的应用范围，同时延长了铝材的使用寿命，而氧化膜的质量由多方面因素决定，如表面粗糙度、氧化膜厚度、颜色均匀性、光泽度等。因此，测定铝材表面氧化膜质量的方法多种多样，关于粗糙度可以使用粗糙度仪测量表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度；针对氧化膜厚度，工业上通常采用涡流测厚仪，可以快速准确测量氧化膜厚度；针对表面颜色均匀性，工业上通常采用色差仪辨别两种颜色的差别，但是对异色缺陷不能识别，主要是依靠肉眼识别，凭经验判断是否合格，这种肉眼判定异色缺陷的方法阻碍了阳极氧化铝材在高端产品上的应用。
发明内容
针对现有测定方法的不足，本发明提供一种辉光放电光谱仪测定铝材表面氧化膜质量的方法，该方法操作简便、快速，着色处理不影响测量结果，数据准确性高。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种辉光放电光谱仪测定铝材表面氧化膜质量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)设定辉光放电光谱仪的工作条件；
(2)将铝材表面氧化膜进行由表及里的辉光放电光谱检测，获得所述氧化膜中各元素原始的强度-时间分布曲线；
(3)解析步骤(2)中所述原始的强度-时间分布曲线，根据各元素不同含量的标准样品的溅射速率确定各元素的校正系数，最后拟合出所述氧化膜中各元素的含量-深度分布曲线；
(4)根据步骤(3)中的所述含量-深度分布曲线，判断所述氧化膜质量是否合格；所述氧化膜中的元素Al、O、S含量由表及里的分布发生激增或者骤降，则所述氧化膜质量不合格；所述氧化膜中的元素Al、O、S含量由表及里的分布平稳，则所述氧化膜质量合格。
根据上述的方法，其特征在于，所述氧化膜中质量百分含量≤1％的元素Mg、Fe、Si、Zn、Zr、Ti、Cu、Cr、H与元素Al、O、S作用相同，可以用于判断所述氧化膜质量是否合格，所述氧化膜中的元素Mg、Fe、Si、Zn、Zr、Ti、Cu、Cr、H含量由表及里的分布发生激增或者骤降，则所述氧化膜质量不合格；所述氧化膜中的元素Mg、Fe、Si、Zn、Zr、Ti、Cu、Cr、H含量由表及里的分布平稳，则所述氧化膜质量合格。
本发明的辉光放电光谱仪测定铝材表面氧化膜质量的方法可准确判定铝材表面氧化膜质量是否合格，且操作简便、快速、安全，着色处理不影响测量结果。
附图说明
图1为本发明实施例1氧化膜中Al、O、S元素的含量-深度分布曲线；
图2为本发明实施例1氧化膜中Mg、H、Cu、Ti元素的含量-深度分布曲线；
图3为本发明实施例2氧化膜中Al、O、S元素的含量-深度分布曲线；
图4为本发明实施例3氧化膜中Al、O、S元素的含量-深度分布曲线；
图5为本发明实施例4氧化膜中Al、O、S元素的含量-深度分布曲线；
图6为本发明对比例1氧化膜中Al、O、S元素的含量-深度分布曲线；
图7为本发明对比例2氧化膜中Al、O、S元素的含量-深度分布曲线；
图8为本发明对比例3氧化膜中Al、O、S元素的含量-深度分布曲线；
图9为本发明对比例3氧化膜中Si、H、Cu、Cr元素的含量-深度分布曲线。
具体实施方式
辉光放电光谱仪属于发射光谱分析仪器，其基本原理与其它发射光谱仪基本类同，即利用一种光源使被测样品元素处于受激状态，样品元素外层电子从高能态回到低能态时发射出特征光谱，根据元素发射出的特征光谱分析出样品中含有的元素。整个过程是动态的，氩气离子持续轰击样品表面并溅射出样品粒子，样品粒子持续进入等离子体进行激化发光，不断有新的层在被溅射，从而获得不同层的元素含量随时间的变化曲线。
铝材的阳极氧化处理后获得的氧化膜是由两层物质组成，底层是与金属表面连接的致密无孔的阻挡层，其厚度取决于外加阳极氧化电压，并且一般不会大于0.1μm；主体层是多孔型结构，是含有中心孔的六角柱形蜂窝状结构，其特殊的多孔型结构可进行着色处理，使铝材表面具有保护和装饰的效果。一般根据阳极氧化膜不同着色和耐磨性的要求，厚度有所差异：本色2μm～5μm；浅色5μm～10μm；深色12.5μm～25μm；硬质阳极氧化25μm～115μm。
阳极氧化技术按电流形式分为直流电阳极氧化、交流电阳极氧化、脉冲电流阳极氧化，其电解液可以是硫酸、草酸、铬酸、混合酸。当前，在工业上，铝合金阳极氧化最为普遍采用的是硫酸阳极氧化工艺，硫酸浓度10％～20％，电解液温度在20℃左右，电流密度在1.0A～2.0A/dm2，氧化电压8V～18V，氧化时间20min～30min或更长，其氧化膜层较厚，硬度较高，电解液成分简单，操作方便，有利于连续生产和实践操作自动化，此外，硫酸对人身的危害较铬酸小、货源广、价格低。由于阳极氧化工艺参数较多以及铝材表面微观组织的原因，氧化膜质量受多重因素影响。对于参数控制合理的阳极化产品，表面质量优良，其氧化膜结构致密，排列规则；对应参数不合适的阳极化产品，表面存在缺陷，其氧化膜疏松，膜薄而脆、硬度小、耐磨性差，着色后往往出现异色缺陷。
本发明采用辉光放电光谱仪测定铝材表面氧化膜质量，具体操作方法如下：
(1)设定辉光放电光谱仪的工作条件，包括阳极类型、电压、功率、启动电压、分析时间；
(2)固定光谱仪的溅射功率为40W，工作气压为700Pa，将铝材表面氧化膜进行由表及里的辉光放电光谱检测，获得所述氧化膜中各元素原始的强度-时间分布曲线；
(3)解析步骤(2)中所述原始的强度-时间分布曲线，根据各元素不同含量的标准样品的溅射速率确定各元素的校正系数，未进行校正的元素弃用，最后拟合出所述氧化膜中各元素的含量-深度分布曲线；
(4)根据步骤(3)中的所述含量-深度分布曲线，判断所述氧化膜质量是否合格；阳极氧化后的氧化膜中存在孔洞疏松，组织分布不均匀等缺陷，导致着色和封孔处理后表面出现异色缺陷，致使产品不合格，如果氧化膜中存在缺陷，则氧化膜中的元素Al、O、S含量由表及里的分布发生激增或者骤降，氧化膜质量不合格；如果没有上述缺陷，则氧化膜中的元素Al、O、S含量由表及里的分布平稳，氧化膜质量合格。
氧化膜中质量百分含量≤1％的元素，如Mg、Fe、Si、Zn、Zr、Ti、Cu、Cr、H，具有与主要元素Al、O、S同样的作用，可以用于判断阳极化表面质量是否合格；如果氧化膜中存在缺陷，则氧化膜中的元素Mg、Fe、Si、Zn、Zr、Ti、Cu、Cr、H含量由表及里的分布发生激增或者骤降，氧化膜质量不合格；如果没有上述缺陷，则氧化膜中的元素Mg、Fe、Si、Zn、Zr、Ti、Cu、Cr、H含量由表及里的分布平稳，氧化膜质量合格。
辉光放电光谱法至少测定3个点元素的含量-深度分布，作为最终的氧化膜质量测定结果。
下述实施例和比较例用于对本发明作进一步的说明。应注意的是，以下实施例仅说明本发明，但本发明并不限于以下实施例。
采用当前主流的5000系，6000系和7000系阳极化铝材，成分如表1所示。本发明中铝材在阳极氧化处理之前，表面经过化学抛光方法实施平坦化处理，使铝材表面的轧制条纹消失，同时粗糙度Ra为0.4μm或更小。在阳极氧化处理之前，还要将上述板材浸在15％的NaOH水溶液中，消除铝材表层原始氧化膜；然后，浸入20％的硝酸溶液中，使铝材表面清洁化；接下来，在硫酸溶液浓度为18％左右的电解液中进行阳极氧化处理，温度20℃左右。采用恒电流控制，选定电流密度1.4A/dm2，可以精确控制氧化膜厚度，氧化膜厚度一般为3μm～30μm，优选厚度为10μm左右，可本色封孔，亦可着色后再封孔处理，着色后铝合金表面料纹/异色缺陷将更显著化。在D65光源下，观察阳极氧化处理铝材表面异色情况，再根据表面是否存在异色条纹图案以及异色条纹图案的多少，确定铝材阳极氧化处理效果：铝材表面几乎没有异色条纹为合格；铝材表面有非常多的异色条纹为不合格。
针对实施例1～4和比较例1～3中所得试片，按照本发明的方法进行铝材表面氧化膜质量的判定，再与常规肉眼评价结果对比，两种方法评价结果一致，详细数据列于表2。
以上所述实施例仅为本发明的优选结果，并不用于限制本发明。对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明的精神和原则之内所做的修改、同等替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
表1铝材成分
表2铝板氧化膜中成分突变与表面质量
Claims (1)
1.辉光放电光谱法用于阳极化铝材表面质量评价的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）设定辉光放电光谱仪的工作条件；
（2）将铝材表面氧化膜进行由表及里的辉光放电光谱检测，获得所述氧化膜中各元素原始的强度-时间分布曲线；
（3）解析步骤（2）中所述原始的强度-时间分布曲线，根据各元素不同含量的标准样品的溅射速率确定各元素的校正系数，最后拟合出所述氧化膜中各元素的含量-深度分布曲线；
（4）根据步骤（3）中的所述含量-深度分布曲线，判断所述氧化膜质量是否合格，所述氧化膜中质量百分含量≤1%的元素Mg、Fe、Si、Zn、Zr、Ti、Cu、Cr、H与元素Al、O、S作用相同，可以用于判断所述氧化膜质量是否合格，所述氧化膜中的元素Al、O、S、Mg、Fe、Si、Zn、Zr、Ti、Cu、Cr、H含量由表及里的分布发生激增或者骤降，则所述氧化膜质量不合格；所述氧化膜中的元素Al、O、S、Mg、Fe、Si、Zn、Zr、Ti、Cu、Cr、H含量由表及里的分布平稳，则所述氧化膜质量合格。
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