分享：高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備用壓氣缸陽(yáng)極氧化層測(cè)試方法

高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。在開(kāi)閉過(guò)程中，GIS核心組件滅弧室內(nèi)壓氣缸與壓氣活塞間因開(kāi)閉過(guò)程產(chǎn)生摩擦，若壓氣缸內(nèi)部硬度較小，會(huì)產(chǎn)生異物，繼而引發(fā)放電事故。因此要求壓氣缸內(nèi)部具有較大的硬度、優(yōu)異的耐磨性及耐腐蝕性。壓氣缸的材料為6061-T6鋁合金，對(duì)壓氣缸內(nèi)部進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理，可以增大其硬度，改善其耐磨性和耐腐蝕性[1-5]。 

壓氣缸與壓氣活塞之間精密配合，對(duì)尺寸要求嚴(yán)格。壓氣缸內(nèi)陽(yáng)極氧化層的厚度過(guò)厚，會(huì)影響壓氣缸與壓氣活塞的順利裝配，以及壓氣缸的正常運(yùn)行；壓氣缸內(nèi)陽(yáng)極氧化層的厚度過(guò)薄，則無(wú)法有效增大壓氣缸內(nèi)部的硬度，導(dǎo)致壓氣缸磨損產(chǎn)生異物。壓氣缸入廠測(cè)試時(shí)，需要測(cè)試其陽(yáng)極氧化層的外觀、厚度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性，以及其是否已封閉。測(cè)試方法有多種，不同測(cè)試方法的復(fù)雜性、耗費(fèi)時(shí)間不同。采用無(wú)損渦流測(cè)厚儀測(cè)試氧化層厚度的方法操作簡(jiǎn)單、耗時(shí)短、效率高，但準(zhǔn)確性不高。采用金相檢驗(yàn)法測(cè)試氧化層厚度的方法準(zhǔn)確性高，但需要從產(chǎn)品上切割試樣，過(guò)程繁瑣、成本高、花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。另外，需要專用測(cè)試設(shè)備對(duì)氧化層的耐磨性、耐腐蝕性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法較為復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)。以上因素導(dǎo)致壓氣缸入廠測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，影響高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的裝配進(jìn)度。 

基于以上，筆者開(kāi)展了GIS用壓氣缸內(nèi)部陽(yáng)極氧化層性能研究，對(duì)陽(yáng)極氧化層的厚度、硬度、耐磨性及耐腐蝕性之間的關(guān)系進(jìn)行研究，確定壓氣缸內(nèi)合適的陽(yáng)極氧化厚度，并對(duì)不同測(cè)試方法的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，建立了表面陽(yáng)極氧化零部件入廠測(cè)試的快速評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)，研究結(jié)果可提升裝配效率及質(zhì)量。 

1.   試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1   試樣制備

選擇6061-T6鋁合金材料制備試樣，試樣的直徑為50 mm、厚度為20 mm，試樣數(shù)量為12塊，每2塊為1組，共6組，采用相同陽(yáng)極氧化工藝對(duì)試樣進(jìn)行處理。陽(yáng)極氧化工藝流程為：脫脂、除油→高壓水洗→酸洗→高壓水洗→陽(yáng)極氧化（體積分?jǐn)?shù)為20%的硫酸溶液，溫度為－2~0 ℃）→高壓水洗→封閉（體積分?jǐn)?shù)為10%的醋酸鎳溶液，溫度為90 ℃，15 min）→干燥。 

控制電鍍時(shí)間，以得到不同厚度陽(yáng)極氧化層的試樣[6-7]，試樣氧化層厚度分別為（5±1），（10±1），（15±1），（20±1），（25±1），（30±1） μm。 

1.2   試驗(yàn)方法

觀察陽(yáng)極氧化后試樣的宏觀形貌，應(yīng)確保試樣不存在顏色不均勻、劃傷、斑點(diǎn)、燒傷、起泡等缺陷。 

在6組試樣中，每組各取1塊試樣，在不破壞試樣的情況下，分別使用渦流測(cè)厚儀、維氏硬度計(jì)對(duì)試樣的厚度、表面硬度進(jìn)行測(cè)試。使用切割機(jī)將試樣切成小塊，取小塊試樣放入專用金相試樣制作模具中，倒入環(huán)氧樹(shù)脂，固化后得到金相試樣，使用拋光機(jī)對(duì)金相試樣進(jìn)行拋光、打磨，分別采用光學(xué)顯微鏡、維氏硬度計(jì)對(duì)金相試樣的厚度、內(nèi)部硬度進(jìn)行測(cè)試。同一試樣的厚度、硬度均隨機(jī)取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，取平均值作為最終結(jié)果。 

依據(jù)GB/T 12967.7—2020 《鋁及鋁合金陽(yáng)極氧化膜檢測(cè)方法 第7部分：用落砂試驗(yàn)儀測(cè)定陽(yáng)級(jí)氧化膜的耐磨性》、GB/T 10125—2021 《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》，取6組中每組剩余試樣，對(duì)試樣進(jìn)行耐磨性、耐腐蝕性測(cè)試，首先采用落砂試驗(yàn)儀對(duì)各試樣正面進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)，再采用鹽霧試驗(yàn)箱對(duì)試樣反面進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)。 

取厚度為（10±1） μm的試樣，首先不進(jìn)行封閉處理，使用維氏硬度計(jì)測(cè)試試樣表面硬度，分析封閉快速測(cè)試方法后再進(jìn)行封閉處理，之后將試樣在10%（體積分?jǐn)?shù)）醋酸鎳溶液90 ℃下封閉15 min，冷卻后再次測(cè)試氧化層的表面硬度和厚度。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果

2.1   氧化層厚度對(duì)氧化層硬度的影響

不同測(cè)試方法下的氧化層厚度測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可知：采用渦流測(cè)厚儀和金相檢驗(yàn)得到的各組試樣氧化層厚度無(wú)較大的差異；第5組和第6組試樣的厚度差最大，差值均為1.2 μm；第1組試樣的厚度差最小，差值為0.1 μm。兩種測(cè)試方法得到的結(jié)果表現(xiàn)出良好的一致性，但金相檢驗(yàn)需要分解本體制作金相試樣，過(guò)程復(fù)雜、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，采用渦流測(cè)厚儀測(cè)試厚度操作簡(jiǎn)單、結(jié)果準(zhǔn)確、耗時(shí)短，因此，該方法適用于入廠測(cè)試時(shí)對(duì)陽(yáng)極氧化層厚度的測(cè)試。 

不同測(cè)試方法下的氧化層硬度測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可知：各組試樣陽(yáng)極氧化層表面和內(nèi)部的硬度測(cè)試結(jié)果均有所不同，各組試樣的表面硬度均大于其內(nèi)部硬度，第3組試樣的硬度差最大，差值為11.3 HV；第1組試樣的硬度差最小，差值為5.7 HV。陽(yáng)極氧化層微觀形貌為多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)[8]，經(jīng)過(guò)封閉處理后，陽(yáng)極氧化表面氧化鋁與水反應(yīng)生成水合氧化鋁，導(dǎo)致體積膨脹，從而使表面多數(shù)孔隙閉合。相比內(nèi)部陽(yáng)極氧化層，表面陽(yáng)極氧化層因封閉，其致密性增大，提高了氧化層表面的抗變形能力。壓氣缸工作時(shí)，陽(yáng)極氧化層表面直接承受磨損，其表面的硬度決定了陽(yáng)極氧化層的耐磨性。因此，采用表面硬度測(cè)試方法對(duì)陽(yáng)極氧化層進(jìn)行測(cè)試。 

氧化層厚度和氧化層硬度的關(guān)系如圖1所示。由圖1可知：隨著陽(yáng)極氧化層厚度的增大，試樣硬度逐漸增大，當(dāng)試樣氧化層厚度為5.2 μm時(shí)，試樣的氧化層硬度最小，硬度為260.3 HV，當(dāng)試樣氧化層厚度為30.8 μm時(shí)，試樣的氧化層硬度最大，硬度為365.4 HV。鋁基體的平均維氏硬度為114.5 HV，相比鋁基體硬度，經(jīng)陽(yáng)極氧化處理后，試樣的硬度顯著增大。當(dāng)氧化層厚度大于10 μm時(shí)，試樣氧化層硬度大于339.5 HV，之后隨氧化層厚度增大，氧化層硬度增大較為緩慢。主要原因?yàn)殛?yáng)極氧化初期，膜層在無(wú)約束力條件下迅速生成，且膜層的生長(zhǎng)和溶解共同存在[9-11]，導(dǎo)致初期陽(yáng)極氧化層為疏松多孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)膜層厚度為5 μm時(shí)，初期疏松結(jié)構(gòu)導(dǎo)致氧化層的硬度較?。浑S著陽(yáng)極氧化反應(yīng)的穩(wěn)定，后續(xù)生成的膜層逐漸密集，結(jié)構(gòu)更為致密，由此導(dǎo)致隨氧化層厚度的增大，氧化層硬度隨之增大。 

圖  1  氧化層厚度和氧化層硬度的關(guān)系

2.2   氧化層厚度對(duì)氧化層耐磨性的影響

氧化層厚度與氧化層磨耗系數(shù)的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知：隨著陽(yáng)極氧化層厚度的增大，試樣的磨耗系數(shù)逐漸增大，即耐磨性逐漸增大。根據(jù)GB/T 8013.1—2018《鋁及鋁合金陽(yáng)極氧化膜與有機(jī)聚合物膜 第1部分：陽(yáng)極氧化膜》，采用落砂法測(cè)試陽(yáng)極氧化層的耐磨性時(shí)，磨耗系數(shù)應(yīng)不小于300 g/μm。采用前面所述的陽(yáng)極氧化工藝，磨耗系數(shù)最小為4 879 g/μm，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，但壓氣缸零部件應(yīng)用于高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備核心組件滅弧室內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格，禁止開(kāi)閉過(guò)程中因磨損產(chǎn)生異物，因此，需結(jié)合硬度、耐磨性及耐腐蝕性等綜合考慮，以確定壓氣缸內(nèi)部陽(yáng)極氧化層合適的厚度。 

圖  2  氧化層厚度與氧化層磨耗系數(shù)的關(guān)系

2.3   氧化層厚度對(duì)氧化層耐腐蝕性的影響

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8013.1—2018，對(duì)各組試樣進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，以測(cè)試其耐腐蝕性，試驗(yàn)時(shí)間為480 h，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知：陽(yáng)極氧化層厚度為5.2，10.6 μm時(shí)，保護(hù)評(píng)級(jí)和外觀評(píng)級(jí)均為9/-級(jí)和-/9 s E級(jí)，9/-級(jí)表示陽(yáng)極氧化層表面輕微生銹，生銹面積不超過(guò)0.1%，-/9 s E級(jí)表示陽(yáng)極氧化層表面輕度點(diǎn)蝕，但未擴(kuò)展到基體上；陽(yáng)極氧化層厚度不小于14.6 μm時(shí)，保護(hù)評(píng)級(jí)和外觀評(píng)級(jí)均為10/-級(jí)和-/0 vs B級(jí)，10/-級(jí)表示陽(yáng)極氧化層表面無(wú)缺陷，-/0 vs B級(jí)表示陽(yáng)極氧化層表面很難看到覆蓋層腐蝕所至的發(fā)暗。因此，當(dāng)陽(yáng)極氧化層厚度不小于14.6 μm時(shí)，陽(yáng)極氧化層的耐腐蝕性更為優(yōu)異。 

2.4   封閉對(duì)氧化層的影響

封閉前后陽(yáng)極氧化層的微觀形貌如圖3所示。由圖3可知：封閉前，陽(yáng)極氧化膜的結(jié)構(gòu)疏松多孔，孔隙分布廣且孔徑大，孔徑不一，差異性大；封閉后陽(yáng)極氧化膜的結(jié)構(gòu)致密，孔隙減少，且孔徑小而均勻。 

圖  3  封閉前后陽(yáng)極氧化層的微觀形貌

封閉前氧化層平均厚度為10.4 μm，封閉后氧化層平均厚度為10.6 μm，封閉前后的厚度差異較小。說(shuō)明封閉對(duì)陽(yáng)極氧化膜厚度無(wú)明顯影響。封閉前氧化層表面硬度為308.4 HV，封閉后氧化層表面硬度為339.5 HV，說(shuō)明封閉能夠增大陽(yáng)極氧化層的表面硬度。 

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8013.1—2018規(guī)定了封閉質(zhì)量的試驗(yàn)方法，但該方法較為復(fù)雜，需要采用專用溶液進(jìn)行測(cè)試，不適用于入廠測(cè)試。封閉前，陽(yáng)極氧化層的結(jié)構(gòu)為疏松多孔，具有較強(qiáng)的附著力，因此，常用于基體染色前的處理，以實(shí)現(xiàn)基體表面染色目的?；诖耍P者模擬染料上色原理，對(duì)封閉前后的陽(yáng)極氧化層使用黑色油性筆進(jìn)行涂畫，干燥后使用乙醇溶液對(duì)涂畫位置進(jìn)行擦拭，以評(píng)定封閉前后氧化層的區(qū)別，宏觀形貌如圖4所示。封閉前，經(jīng)乙醇溶液擦拭后，筆跡仍明顯存在，封閉后筆跡能夠完全擦除掉，由此可評(píng)定陽(yáng)極氧化膜層是否已封閉處理及封閉質(zhì)量。 

圖  4  封閉前后試樣氧化層的宏觀形貌

2.5   陽(yáng)極氧化層厚度驗(yàn)證

取3件壓氣缸產(chǎn)品進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理，將厚度控制為15~20 μm，實(shí)測(cè)厚度平均值分別為15.4，17.3，19.8 μm，將3件壓氣缸產(chǎn)品裝配到高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備滅弧室內(nèi)，裝配過(guò)程中無(wú)裝配不順利等問(wèn)題，之后按要求在廠內(nèi)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后拆解，觀察到壓氣缸氣室內(nèi)無(wú)異物產(chǎn)生，壓氣缸陽(yáng)極氧化層無(wú)明顯磨損痕跡。因此，將陽(yáng)極氧化層厚度控制為15~20 μm具備可行性，壓氣缸內(nèi)部陽(yáng)極氧化層對(duì)裝配無(wú)影響，且氧化層的硬度、耐磨性、耐腐蝕性等性能良好。原陽(yáng)極氧化層厚度要求為20~30 μm，筆者研究得出的適用厚度較小，可降低壓氣缸的生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)時(shí)間，且能夠滿足裝配及運(yùn)行性能要求。 

3.   結(jié)論

（1）隨著陽(yáng)極氧化層厚度的增大，試樣的表面硬度、耐磨性也隨之增大，且相比未陽(yáng)極氧化前鋁基體硬度，經(jīng)陽(yáng)極氧化處理后，試樣的硬度明顯增大。當(dāng)陽(yáng)極氧化層厚度不小于14.6 μm時(shí)，試樣的耐腐蝕性較好。陽(yáng)極氧化層厚度為15~20 μm時(shí)，試樣的硬度為346~359 HV，磨耗系數(shù)為5 423~5 530 g/μm，耐腐蝕性保護(hù)評(píng)級(jí)和外觀評(píng)級(jí)分別為10/-級(jí)和-/0 vs B級(jí)。經(jīng)產(chǎn)品裝配及操作試驗(yàn)驗(yàn)證，壓氣缸內(nèi)部陽(yáng)極氧化層厚度對(duì)裝配無(wú)影響，無(wú)明顯磨損特征，試樣的耐磨性、耐腐蝕性較好。 

（2）陽(yáng)極氧化層表面硬度均大于其內(nèi)部硬度，主要原因是：經(jīng)封閉處理后，陽(yáng)極氧化表面生成了水合氧化鋁，體積膨脹，使表面孔隙封閉形成致密結(jié)構(gòu)，氧化層抗變形能力提高。表面硬度測(cè)試結(jié)果更能反應(yīng)壓氣缸耐磨性的優(yōu)劣。 

（3）采用筆者提出的陽(yáng)極氧化工藝處理試樣，可提高試樣的耐磨性。當(dāng)陽(yáng)極氧化厚度最小時(shí)，試樣的磨耗系數(shù)也遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求。陽(yáng)極氧化封閉處理對(duì)氧化層厚度無(wú)明顯影響，且封閉能夠增大試樣的表面硬度和耐磨性。 

（4）可將壓氣缸內(nèi)部陽(yáng)極氧化層厚度控制為15~20 μm，硬度控制為346~359 HV。入廠例行測(cè)試時(shí)，可僅對(duì)陽(yáng)極氧化層的外觀、厚度、硬度及是否封閉進(jìn)行測(cè)試，不用測(cè)試氧化層的耐磨性及耐腐蝕性。采用渦流測(cè)厚儀測(cè)試氧化層的厚度，用與產(chǎn)品同步進(jìn)行陽(yáng)極氧化工藝處理的試樣，對(duì)試樣直接進(jìn)行表面硬度測(cè)試，采用黑色油性筆直接在壓氣缸產(chǎn)品上涂畫后用乙醇溶液擦拭，測(cè)試氧化層是否封閉。簡(jiǎn)化了壓氣缸的入廠測(cè)試方式，縮短了測(cè)試時(shí)間，提高了入廠測(cè)試的效率。

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