高壓開關設備（GIS）在電力系統中發揮著重要的作用。在開閉過程中，GIS核心組件滅弧室內壓氣缸與壓氣活塞間因開閉過程產生摩擦，若壓氣缸內部硬度較小，會產生異物，繼而引發放電事故。因此要求壓氣缸內部具有較大的硬度、優異的耐磨性及耐腐蝕性。壓氣缸的材料為6061-T6鋁合金，對壓氣缸內部進行陽極氧化處理，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，對尺寸要求嚴格。壓氣缸內陽極氧化層的厚度過厚，會影響壓氣缸與壓氣活塞的順利裝配，以及壓氣缸的正常運行；壓氣缸內陽極氧化層的厚度過薄，則無法有效增大壓氣缸內部的硬度，導致壓氣缸磨損產生異物。壓氣缸入廠測試時，需要測試其陽極氧化層的外觀、厚度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性，以及其是否已封閉。測試方法有多種，不同測試方法的復雜性、耗費時間不同。采用無損渦流測厚儀測試氧化層厚度的方法操作簡單、耗時短、效率高，但準確性不高。采用金相檢驗法測試氧化層厚度的方法準確性高，但需要從產品上切割試樣，過程繁瑣、成本高、花費時間長。另外，需要專用測試設備對氧化層的耐磨性、耐腐蝕性進行測試，測試方法較為復雜、耗時長。以上因素導致壓氣缸入廠測試時間長，影響高壓開關設備的裝配進度。 

基于以上，筆者開展了GIS用壓氣缸內部陽極氧化層性能研究，對陽極氧化層的厚度、硬度、耐磨性及耐腐蝕性之間的關系進行研究，確定壓氣缸內合適的陽極氧化厚度，并對不同測試方法的測試結果進行對比，建立了表面陽極氧化零部件入廠測試的快速評價方法及標準，研究結果可提升裝配效率及質量。 

1.   試樣制備及試驗方法

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，試樣數量為12塊，每2塊為1組，共6組，采用相同陽極氧化工藝對試樣進行處理。陽極氧化工藝流程為：脫脂、除油→高壓水洗→酸洗→高壓水洗→陽極氧化（體積分數為20%的硫酸溶液，溫度為－2~0 ℃）→高壓水洗→封閉（體積分數為10%的醋酸鎳溶液，溫度為90 ℃，15 min）→干燥。 

控制電鍍時間，以得到不同厚度陽極氧化層的試樣[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   試驗方法

觀察陽極氧化后試樣的宏觀形貌，應確保試樣不存在顏色不均勻、劃傷、斑點、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，分別使用渦流測厚儀、維氏硬度計對試樣的厚度、表面硬度進行測試。使用切割機將試樣切成小塊，取小塊試樣放入專用金相試樣制作模具中，倒入環氧樹脂，固化后得到金相試樣，使用拋光機對金相試樣進行拋光、打磨，分別采用光學顯微鏡、維氏硬度計對金相試樣的厚度、內部硬度進行測試。同一試樣的厚度、硬度均隨機取3個點進行測試，取平均值作為最終結果。 

依據GB/T 12967.7—2020 《鋁及鋁合金陽極氧化膜檢測方法 第7部分：用落砂試驗儀測定陽級氧化膜的耐磨性》、GB/T 10125—2021 《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》，取6組中每組剩余試樣，對試樣進行耐磨性、耐腐蝕性測試，首先采用落砂試驗儀對各試樣正面進行耐磨性試驗，再采用鹽霧試驗箱對試樣反面進行中性鹽霧試驗。 

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

2.   試驗結果

2.1   氧化層厚度對氧化層硬度的影響

不同測試方法下的氧化層厚度測試結果如表1所示。由表1可知：采用渦流測厚儀和金相檢驗得到的各組試樣氧化層厚度無較大的差異；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。兩種測試方法得到的結果表現出良好的一致性，但金相檢驗需要分解本體制作金相試樣，過程復雜、耗費時間長，采用渦流測厚儀測試厚度操作簡單、結果準確、耗時短，因此，該方法適用于入廠測試時對陽極氧化層厚度的測試。 

不同測試方法下的氧化層硬度測試結果如表2所示。由表2可知：各組試樣陽極氧化層表面和內部的硬度測試結果均有所不同，各組試樣的表面硬度均大于其內部硬度，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。陽極氧化層微觀形貌為多孔蜂窩狀結構[8]，經過封閉處理后，陽極氧化表面氧化鋁與水反應生成水合氧化鋁，導致體積膨脹，從而使表面多數孔隙閉合。相比內部陽極氧化層，表面陽極氧化層因封閉，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，陽極氧化層表面直接承受磨損，其表面的硬度決定了陽極氧化層的耐磨性。因此，采用表面硬度測試方法對陽極氧化層進行測試。 

氧化層厚度和氧化層硬度的關系如圖1所示。由圖1可知：隨著陽極氧化層厚度的增大，試樣硬度逐漸增大，當試樣氧化層厚度為5.2 μm時，試樣的氧化層硬度最小，硬度為260.3 HV，當試樣氧化層厚度為30.8 μm時，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，經陽極氧化處理后，試樣的硬度顯著增大。當氧化層厚度大于10 μm時，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。主要原因為陽極氧化初期，膜層在無約束力條件下迅速生成，且膜層的生長和溶解共同存在[9-11]，導致初期陽極氧化層為疏松多孔結構，當膜層厚度為5 μm時，初期疏松結構導致氧化層的硬度較小；隨著陽極氧化反應的穩定，后續生成的膜層逐漸密集，結構更為致密，由此導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系

2.2   氧化層厚度對氧化層耐磨性的影響

氧化層厚度與氧化層磨耗系數的關系如圖2所示。由圖2可知：隨著陽極氧化層厚度的增大，試樣的磨耗系數逐漸增大，即耐磨性逐漸增大。根據GB/T 8013.1—2018《鋁及鋁合金陽極氧化膜與有機聚合物膜 第1部分：陽極氧化膜》，采用落砂法測試陽極氧化層的耐磨性時，磨耗系數應不小于300 g/μm。采用前面所述的陽極氧化工藝，磨耗系數最小為4 879 g/μm，遠高于標準要求，但壓氣缸零部件應用于高壓開關設備核心組件滅弧室內，標準要求嚴格，禁止開閉過程中因磨損產生異物，因此，需結合硬度、耐磨性及耐腐蝕性等綜合考慮，以確定壓氣缸內部陽極氧化層合適的厚度。 

圖  2  氧化層厚度與氧化層磨耗系數的關系

2.3   氧化層厚度對氧化層耐腐蝕性的影響

根據標準GB/T 8013.1—2018，對各組試樣進行中性鹽霧試驗，以測試其耐腐蝕性，試驗時間為480 h，試驗結果如表3所示。由表3可知：陽極氧化層厚度為5.2，10.6 μm時，保護評級和外觀評級均為9/-級和-/9 s E級，9/-級表示陽極氧化層表面輕微生銹，生銹面積不超過0.1%，-/9 s E級表示陽極氧化層表面輕度點蝕，但未擴展到基體上；陽極氧化層厚度不小于14.6 μm時，保護評級和外觀評級均為10/-級和-/0 vs B級，10/-級表示陽極氧化層表面無缺陷，-/0 vs B級表示陽極氧化層表面很難看到覆蓋層腐蝕所至的發暗。因此，當陽極氧化層厚度不小于14.6 μm時，陽極氧化層的耐腐蝕性更為優異。 

2.4   封閉對氧化層的影響

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

圖  3  封閉前后陽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。說明封閉對陽極氧化膜厚度無明顯影響。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，說明封閉能夠增大陽極氧化層的表面硬度。 

標準GB/T 8013.1—2018規定了封閉質量的試驗方法，但該方法較為復雜，需要采用專用溶液進行測試，不適用于入廠測試。封閉前，陽極氧化層的結構為疏松多孔，具有較強的附著力，因此，常用于基體染色前的處理，以實現基體表面染色目的。基于此，筆者模擬染料上色原理，對封閉前后的陽極氧化層使用黑色油性筆進行涂畫，干燥后使用乙醇溶液對涂畫位置進行擦拭，以評定封閉前后氧化層的區別，宏觀形貌如圖4所示。封閉前，經乙醇溶液擦拭后，筆跡仍明顯存在，封閉后筆跡能夠完全擦除掉，由此可評定陽極氧化膜層是否已封閉處理及封閉質量。 

圖  4  封閉前后試樣氧化層的宏觀形貌

2.5   陽極氧化層厚度驗證

取3件壓氣缸產品進行陽極氧化處理，將厚度控制為15~20 μm，實測厚度平均值分別為15.4，17.3，19.8 μm，將3件壓氣缸產品裝配到高壓開關設備滅弧室內，裝配過程中無裝配不順利等問題，之后按要求在廠內對產品進行壽命試驗，試驗完成后拆解，觀察到壓氣缸氣室內無異物產生，壓氣缸陽極氧化層無明顯磨損痕跡。因此，將陽極氧化層厚度控制為15~20 μm具備可行性，壓氣缸內部陽極氧化層對裝配無影響，且氧化層的硬度、耐磨性、耐腐蝕性等性能良好。原陽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成本，縮短生產時間，且能夠滿足裝配及運行性能要求。 

3.   結論

（1）隨著陽極氧化層厚度的增大，試樣的表面硬度、耐磨性也隨之增大，且相比未陽極氧化前鋁基體硬度，經陽極氧化處理后，試樣的硬度明顯增大。當陽極氧化層厚度不小于14.6 μm時，試樣的耐腐蝕性較好。陽極氧化層厚度為15~20 μm時，試樣的硬度為346~359 HV，磨耗系數為5 423~5 530 g/μm，耐腐蝕性保護評級和外觀評級分別為10/-級和-/0 vs B級。經產品裝配及操作試驗驗證，壓氣缸內部陽極氧化層厚度對裝配無影響，無明顯磨損特征，試樣的耐磨性、耐腐蝕性較好。 

（2）陽極氧化層表面硬度均大于其內部硬度，主要原因是：經封閉處理后，陽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構，氧化層抗變形能力提高。表面硬度測試結果更能反應壓氣缸耐磨性的優劣。 

（3）采用筆者提出的陽極氧化工藝處理試樣，可提高試樣的耐磨性。當陽極氧化厚度最小時，試樣的磨耗系數也遠大于標準要求。陽極氧化封閉處理對氧化層厚度無明顯影響，且封閉能夠增大試樣的表面硬度和耐磨性。 

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

文章來源——材料與測試網