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正确测试铝车轮的镀层性能,有利于产品质量的提高

放大字体  缩小字体发布日期:2020-01-07  作者:陆斌  浏览次数:517
核心提示:Part 1前言对电镀铝车轮镀层质量的评定有两类方法,其一是让电镀后的铝车轮在使用条件下进行实效考核,这类方法虽然结果最准确,但

1前言

对电镀铝车轮镀层质量的评定有两类方法,其一是让电镀后的铝车轮在使用条件下进行实效考核,这类方法虽然结果最准确,但测定周期很长,因而,一般广泛采用第二类方法,即人工模拟使用时的条件或选择性地测定某些关键性能(如镀层厚度、孔隙率等)来评定镀层的质量。显然,第二类方法测定时间短,能及时指导电镀铝车轮的生产,但目前国内尚未有统一的《电镀铝车轮》标准,本着满足客户要求的宗旨,电镀铝车轮的最终产品和各生产环节均应以顾客接收准则为指导,而国外OEM厂家对镀层性能测试的项目比较多。一般包括镀层厚度、多层电镀镍厚度和电位差、孔隙率、耐盐雾性、镀层结合力和加速老化试验等等。尽管这些方法不能使我们得到一种在使用条件下的完整情况,但仍能在某种程度上判断出镀层的质量。镀层质量评判标准指的就是这些能达到顾客要求的可测量的关键参数,这些质量评判参数的波动将影响到车轮的外观、装配以及使用性能等等,因此,不管是国内的车轮厂家还是电镀厂家都必须基于这样的考虑,及时准确地根据顾客要求的项目进行相关测试,本文结合实际操作过程,对这些测试一进行介绍。

镀层性能要求不同的顾客对电镀铝车轮的镀层性能有不完全一致的测试项目,表1列出了一些国外主机厂家( OEM) 对镀层性能的要求及相关测试标准。

表1镀层性能测试矩阵


 2镀层性能测试

1镀层厚度

1金相显微法( ASTMB487 )金相显微法的原理是从电镀铝车轮轮辐的正面和侧面各切割一块试样,镶嵌后,采用适当的技术对横断面进行研磨、抛光和浸蚀(有经验的金相学家对这些技术很熟悉,对于经验不足的操作者,GB/T6462-2005的第5章和附录A中给出了一些指南),再用校正过的标尺测量覆盖层横断面的厚度。测量仪器主要是带测微标尺目镜的金相显微镜,为保留测量结果,可配用金相显微摄影仪照相装置,在制备金相试片时,还必须配置金相抛光机。金相显微法测定镀层厚度是一种精确度高(误差约±5%)的方法,一般把这种方法当作仲裁试验法,利用它求出使用其他方法时的校正系数。但这种方法存在着使用不方便、设备、辅助设备多、价格高、试验时间长等缺点。本方法能测定的镀层厚度范围为2.5~254μm,如图1所示,它能准确测量电镀铝车轮镀层中除铬层以外的其他所有镀层的厚度,图1(a)为轮辐正面镀层厚度,铬层( Cr) : 0.25μ m(XRF测量),光亮镍( Light Ni) : 23.6μm, 半亮镍( HalflightNi) : 25.2μm,铜层(Cu) : 42.8μm;图1(b)为轮辐侧面镀层厚度,铬层( Cr) : 0.18μ m(XRF测量),光亮镍( Light Ni) : 11.8μm, 半亮镍( HalflightNi) : 20.4μm,铜层(Cu) : 36.4μm。


2 X射线光谱法(ASTM B568)

X射 线 荧 光 ( X-ray fluorescence,XRF)是指高强度入射X射线撞击置于入射光束路径上的材料时产生的二次辐射,因为这种二次发射具有该材料的波长和能量特征,所以,X射线光谱法测量镀层厚度的机理就是基于镀层单位面积质量(若密度已知,则为镀层线性厚度)和二次辐射强度之间存在一定的关系,对于任何实际的仪器系统,该关系首先由已知单位面积质量的镀层校正标准块校正确定,若镀层材料的密度已知,同时又给出实际的密度,则这样的标准块就能给出镀层的线性厚度。这种测量方式具备无损检测的优点,其测量范围是铬镀层: 0.03~3.8μm,镍镀层: 1.3~30.5μm,图1中的铬层厚度就是该法测量的结果。

3电化学法( ASTM B504 )电化学法又叫库仑法或阳极溶解法,其原理是:用适当的电解液阳极溶解精确限定面积的镀层。通过电解池电压的变化测定镀层的完全溶解,镀层的厚度通过电解所耗的电量(以库仑计)来计算。所耗的电量依次由下列项数计算:(1)若用恒定电流密度溶解时,由试验开始到试验终止的时间间隔;(2)溶解镀层时累计所耗电量。库仑测厚仪就是基于镀层的恒电流阳极溶解(退镀),通过测定溶解时间以确定厚度。此法采用一小电解槽,电解槽中充装适当的电解液,以试样作电解槽的底,电解槽底附一橡胶或塑料密封圈,此密封圈的孔确定测量(阳极退镀)的面积。若采用金属电解槽,则橡胶密封圈使试样与电解槽电绝缘。用试样作阳极、电解槽或搅拌器管作阴极,将电解槽通以直流恒电流,一直到镀层溶解。这种方法测量速度快、准确度高、方便,并不受基体的限制,适合于单层和多层金属镀层厚度的测量,其可测镀层厚度范围为0.2~50μm,对于电镀铝车轮这种组合镀层已知的镀层,在能被直径为20mm的球接触到的主要表面上任一点,都能测量出其铬层厚度、镍层总厚度和铜层厚度。

4 STEP法(ASTM B764)双层和三层镍镀层中各层厚度可以用STEP法测定。ASTM B764《多层镍镀层中单层的同步厚度和电化学电势测定方法( STEP试验)》是对阳极溶解库仑法( ASTM B504)的改进,也叫阳极溶解或电化学退镀法。每种金属或同种金属件都需要一定的电压(电化学电位)来维持退镀时的恒电流。在库仑测厚仪的电解槽通以直流恒电流,不同的金属层开始溶解时,电极之间的电压会发生突变,如图2所示,当一镍层溶解完而下一镍层暴露时将会发生电压变化(假设电流恒定且两层镍层间存在电化学特征差别),如亮镍-半光亮镍之间的电位差△φ=120~ 150mV;亮镍-高硫镍之间的电位差△ φ=15~35mV;镍封-亮镍之间的电位差△ φ=10~ 20mV (镍封电位应校正)。出现电压变化所耗去的时间(从试验开始或上一电压变化开始时计时)就是镀层厚度的量度。


根据溶解所耗去的电量(电流密度x时间)、溶解的面积、镍的电化学当量、阳极效率和镍层的密度,就可计算出任一规定镍层的厚度。

2孔隙率镀层的孔隙是指镀层表面直至基体金属的细小孔道,孔隙大小影响镀层的防护能力。GM 264M[21要求根据ASTM B456规定的两种方法测定不连续铬镀层。

1用Dubpernell镀铜的方法测定微孔数( ASTM B456-X4)该法用于对单位面积上镍封颗粒数的测量,其原理是:在低电流或低电压下从硫酸盐溶液中电镀铜,这种铜只沉积于不连续铬层所暴露的镍层上。在使用显微镜时,这种方法可以用来快速直观地测量孔隙(镍封)的数量,如图3所示。


试验最好在电镀工序完成后立即实施,若有延迟,样品试验前应进行全面脱脂处理,避免使用电解液处理。沉积铜时,用试验样品作阴极,在含有约200g/L五水硫酸铜( CuSO4-5H2O )和20g/L硫酸 ( H2SO4)溶液中进行电镀,槽液温度保持在20±5°C,平均电流密度为30A/m2,时间约为1min。如果试验是在镀铬后数天才进行,镀铜前,试验样品应浸入约65°C、含有10g/L至20g/L的硝酸(HNO3)溶液中浸泡时间为4min,这样做有助于显露出孔隙,在测量长度范围内进行测量,至少能数出200个孔隙。

2腐蚀试验后活化点数的测定( ASTM B456-X5)方法原理:一些按ASTM B456 -X4判定的不连续铬镀层可能不能成为腐蚀点,因为这些点在铬层退镀以后,实际上已经受到腐蚀,表面凹陷在镍层里,已经是连续的,即为“活化点”。本试验进行前,受测试部位必须先用镁氧化物、热肥皂水或者洗涤剂等方式清洗干净。为激发活化点,试片先按规定的时间完成CASS试验,以测试其服役所要求的相关腐蚀特性和镀层厚度,CASS试验以后,将试片放入热水中去除盐层,如果试片包含腐蚀产品的着色,可用软海绵在热水中洗去,但不允许使用任何带腐蚀性的洗液。经热空气或通道式加热炉烘干后,用放大100~200倍的显微镜来检测微孔尺寸及其致密度。试片上有代表性的腐蚀点比未腐蚀点大,呈清晰的黑点且质地光滑。在已知放大倍数的照片中,单位面积活化区域内的活化点数都能数出来。在电镀铝车轮的所有重要表面,不同的照片必须采用相同的放大倍数来检测,活化点的平均直径不得超过0.032mm (0.00125in),最大单个活化点不得超过0.0635 mm(0.0025in)。允许在CASS试验后和测试活化点前脱去电镀铝车轮上的铬镀层,可采用与已知孔隙率的图片作比较的方法来评定每平方厘米上的活化点数。在本试验中,即使活化腐蚀点与Dubpernel镀铜方法测试的开始点之间的相关性尚未建立,对指定的电流密度和沉积系统,试验所观察到的腐蚀前的微孔数与CASS试验后的活化点数仍有一定的相关性。一旦所给定系统的这种相关性已经建立,试样放大100~ 200倍后,就能表征试片腐蚀后的服役特性。但将要测得的活化点的数目,不是一成不变的,一般会受腐蚀前后微孔的大小、镀层厚度、潜在的沉积系统、基体金属腐蚀与CASS试验中着色的平衡状况等因素的影响。

3镀层耐腐蚀性.盐雾试验是一种主要利用盐雾试验设备所创造的人工模拟盐雾环境条件来考核电镀铝车轮耐腐蚀性能的环境试验。OEM厂家所采用的测试方法主要是中性盐雾试验(NSS)和铜加速的醋酸盐雾试验(CASS)。

1中性盐雾试验( ASTMB117)中性盐雾试验(NSS试验)是出现最早,目前应用领域最广的一种加速腐蚀试验方法。它采用5%的氯化钠( NaCI) 盐水溶液,溶液PH值调在中性范围(6~7 )作为喷雾用的溶液。试验温度均取35°C,要求盐雾的沉降率在1~ 2mL/ ( 80cm2*h)之间。图4是划格为1cm2电镀车轮经1000h中性盐雾试验后的试样。


2铜加速的醋酸-盐雾试验( ASTM B368 )铜盐加速的醋酸-盐雾试验( CASS试验)是国外新近发展起来的一种快速盐雾腐蚀试验,试验温度为50℃,在5 %的氯化钠( NaCI)盐水溶液中加入0.25g/L铜盐-氯化铜( CuCl2*2H20),溶液PH值调整到3.1~3.3范围内,充分溶解与混合后,强烈诱发腐蚀,其腐蚀速度大约是NSS试验的8倍。图5为电镀铝车轮不同部位试样经66h的CASS试验后的照片,划线长度约40mm,试验结果如表2所示。



4镀层结合力评定镀层与基体金属结合力通常采用定性测量法,它是以镀层金属和基体金属的物理-机械性能的不同为基础,即当试样经受不均匀变形、热应力和外力的直接作用后,检查镀层是否有结合不良现象。下面介绍对电镀铝车轮所选定的具体方法。

1镀层附着力试验( ASTM B571 )ASTM B571标准要求的镀层附着力试验,通常包括划线划格试验、磨锯试验等,其中的划线划格试验有两种刻划方法,如图6所示为轮辐和内轮辋刻划后在潮湿空气中暴露96h后的结果。


一是用划格器在镀层上切出十字格图形,夹角35° ~45° ( 每条线长40mm),切口直至基材,用高压汽车清洗机,以21kg/cm2的压 力对着交叉点喷水20s,角度35° ~45°,清洗长度为20mm;另一种试验是划边长为1mm的方格,同时,观察在此区域内的镀层是否从基体金属上剥落。

2锯刀试验( GM264M)对镍和铬这类较硬的镀层,利用一种钢锯条锯切已镀覆的试样边缘。如果覆盖层的附着强度差,则沉积层将从基体金属上裂开。试验所用锯条是具有规则齿状锯口的金属锯条,锯条上每254cm( 1英寸)有10个锯齿,锯速60.96m/min, 锯条宽0.95cm,厚0.06cm。摆放好电镀铝车轮的试样(如轮辐部位),锯齿由镀层面向基体面锯割的是正向锯刀试验( 如图7中的右半部分,正向4次锯割),而锯齿由基体面向镀层锯割的是反向锯刀试验(如图7中的左半部分,反向4次锯割),试验一般作3或4次切割,相互之间的测试距离约3~ 4mm,观察底材与镀层或镀层与镀层之间有没有结合不良。任何结合不良都被认为不通过此次测量。


3热循环试验(TCT)GM 264M中规定电镀铝车轮必须通过热循环试验,试验按下列步骤进行:步骤1: CASS试验至少66h;步骤2: -30± 1.5C,1h;步骤3: 25± 50C, 15min;步骤4: 85+1.5C,1h(车轮置于具有空气循环的烤箱内) ;步骤5: 25+5C, 15min;步骤6:步骤2至步骤5组成一个热循环,重复步骤2至步骤5三次,总共做四个循环,每个循环后均需检验车轮,车轮必须无变形、龟裂、起泡、丝状裂纹,要求镀层与底材的结合力以及各镀层之间的结合力良好。图8为电锼铝车轮轮辐部分试样通过4次热循环试验后的结果,仅在刻划线内有少许附着不良,并无其他影响。


5镀层延展性( ASTM B490)镀层延展性是指金属或其他材料受到外力作用不发生裂纹所表现的弹性或塑性形变的能力。电镀铝车轮复合镀镍层的每一镀镍层应符合ASTM B490的测试标准,在沿一规定直径( 11.5+0.1mm) 的圆轴上弯曲已镀镍层的试样,使之达到8%的最小延伸率,试样表面完全没有裂纹,则其延展性可判为合格。试验时将已镀车轮的铬层退镀后,从适当的表面(如轮缘正面或轮辐) ,取一个长1 50mm、宽100mm.厚1.0± 0. 1mm的试片,将试片沿圆轴表面弯曲180°,至试片的两端互相平行,使电镀面承受张力,所施的压力稳定,在弯曲过程中,应保证试片和圆轴之间保持接触,目试检测弯曲试片凸面的裂纹。

6加速老化试验( SAE J1960 )人工气候(氙灯)试验原理:以氙灯作光源,模拟并强化到达地面的日光光谱,并适当控制温度、湿度和喷水条件的试验。SAE J1960《使用辐照度受控的水冷型氙弧灯装置进行汽车外装饰材料的加速老化试验》对试验作了如下规定:(1)辐射强度在300~890m波长范围内为(1000+ 200) W/m2;低于300nm应不超过1 W/m2;在挂试验样品区域,偏离应少于10%。(2)试验箱的温度由黑板进行测量,黑板温度为63+3°C。根据需要也可以是55℃± 3° C或比63° C更高的温度,但较高的温度可能会产生热老化效应,影响试验结果。黑板的温度应在不喷水情况下达到稳定时测量读数。(3)相对湿度可选择65%士5%、 50%士5%或90%士5%三种条件。相对湿度应在不喷水情况下达到稳定时测量读数。(4)喷水周期可选择每隔102min喷水18min或每隔48min喷水12min。(5)氙灯和滤光罩在使用过程中会逐渐老化,沉积水垢或其他原因都会造成辐照强度下降,因此必须进行光能量监测。在测定光能量时,光感受器应固定在与试验样品接受光能量相同的位置上,当测得光能量有减弱或下降时,应调节氙灯功率,有必要时,清洗氙灯和滤光罩,氙灯和滤光罩有一定的寿命应按规定使用到一定时间后更换。(6)试验样品在样品架上应不受外来施加的压力,为了避免因试验样品暴露位置不同而造成表面受光照射强度的不同,在安装试验样品时,要根据试验样品的尺寸和形状,合理地排列和固定在旋转支架上,并能调换位置,如“上、下排调换一原地180°翻转上、下排调换一原地180° 翻转”,经过四步构成一交换循环。在交换循环内,每一步交换时间应相等。


图9为电镀铝车轮轮辐部分试样在水冷型氙弧灯试验暴露4171 kJ后的结果。

3结束语

国内的电镀铝车轮主要以出口为主,无论是车轮厂家还是电镀厂家,在消化吸收顾客接收标准的同时,应主动提高自身产品的质量和档次,认真做好各项镀层性能的测试,积极适时地与国际市场接轨。

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