Prüfverfahren zur Bestimmung der Oxidschichtdicke und Härte von Automobilbauteilen aus Aluminiumlegierung

Die anodische Oxidschicht auf Automobilbauteilen aus Aluminiumlegierungen wirkt wie eine Schutzschicht auf deren Oberfläche. Sie bildet eine dichte Schutzschicht, die die Korrosionsbeständigkeit der Bauteile erhöht und deren Lebensdauer verlängert. Gleichzeitig weist die Oxidschicht eine hohe Härte auf, was die Verschleißfestigkeit der Aluminiumlegierungsoberfläche verbessert.

Die anodische Oxidschicht von Aluminiumlegierungen zeichnet sich durch eine relativ geringe Dicke und eine relativ hohe Härte aus. Um eine Beschädigung der Schicht durch den Eindringkörper zu vermeiden, ist die Auswahl eines geeigneten Prüfgeräts für die Mikrohärteprüfung erforderlich. Daher empfehlen wir die Verwendung eines Mikro-Vickers-Härteprüfgeräts mit einer Prüfkraft von 0,01–1 kgf zur Bestimmung von Härte und Dicke. Vor der Vickers-Härteprüfung muss das zu prüfende Werkstück zu einer Probe verarbeitet werden. Hierfür wird eine metallografische Einbettungsmaschine benötigt (dieser Schritt kann entfallen, wenn das Werkstück zwei ebene Flächen aufweist). Anschließend wird die Probe mit einer metallografischen Schleif- und Poliermaschine geschliffen und poliert, bis eine glänzende Oberfläche entsteht. Die Einbettungsmaschine und die Schleif- und Poliermaschine sind in der folgenden Abbildung dargestellt:

1. Probenvorbereitungsschritte (Gilt für Härte- und Dickenprüfungen)

1.1 Probenahme: Schneiden Sie eine Probe von etwa 10 mm × 10 mm × 5 mm aus dem zu prüfenden Bauteil (wobei der Bereich mit Spannungskonzentrationen des Bauteils vermieden wird) und stellen Sie sicher, dass die Prüffläche die ursprüngliche Oberfläche des Oxidfilms ist.

1.2 Montage: Die Probe wird mit einem Heißmontagemittel (z. B. Epoxidharz) so montiert, dass die Oberfläche des Oxidfilms und der Querschnitt (für Dickenmessungen wird ein Querschnitt benötigt) freigelegt werden, um eine Verformung der Probe beim Schleifen zu verhindern.

1.3 Schleifen und Polieren: Zuerst wird schrittweise nassgeschliffen mit Schleifpapier der Körnungen 400, 800 und 1200. Anschließend wird mit Diamantpolierpasten (1 µm und 0,5 µm) poliert. Abschließend wird sichergestellt, dass die Grenzfläche zwischen Oxidschicht und Substrat kratzfrei und deutlich sichtbar ist (der Querschnitt dient zur Dickenmessung).

2. Prüfverfahren: Vickers-Mikrohärteprüfung (HV)

2.1 Grundprinzip: Mit einem Diamantpyramiden-Eindringkörper wird eine kleine Last (üblicherweise 50-500 g) auf die Filmoberfläche aufgebracht, um eine Eindellung zu erzeugen. Die Härte wird anhand der Diagonalenlänge der Eindellung berechnet.

2.2 Wichtige Parameter: Die Last muss der Filmdicke entsprechen (wählen Sie eine Last < 100 g, wenn die Filmdicke < 10 μm ist, um zu vermeiden, dass die Eindellung bis zum Substrat reicht).

Entscheidend ist, eine Last zu wählen, die der Schichtdicke entspricht, und zu verhindern, dass eine zu hohe Last in die Oxidschicht eindringt, da dies dazu führen würde, dass die Messergebnisse den Härtewert des Aluminiumlegierungssubstrats miteinbeziehen (die Härte des Substrats ist viel geringer als die der Oxidschicht).

Bei einer Oxidschichtdicke von 5-20 μm: Wählen Sie eine Last von 100-200 g (z. B. 100 gf, 200 gf), und der Eindruckdurchmesser muss innerhalb von 1/3 der Schichtdicke liegen (z. B. bei einer Schichtdicke von 10 μm die Eindruckdiagonale ≤ 3,3 μm).

Bei einer Oxidschichtdicke < 5 μm (ultradünne Schicht): Wählen Sie eine Last unter 50 g (z. B. 50 gf) und verwenden Sie ein Objektiv mit hoher Vergrößerung (40x oder höher), um die Eindringung zu beobachten und ein Durchdringen zu vermeiden.

Bei der Durchführung einer Härteprüfung orientieren wir uns an der Norm ISO 10074:2021 „Spezifikation für harte anodische Oxidschichten auf Aluminium und Aluminiumlegierungen“. Diese Norm legt die Prüfkräfte und Härtebereiche für die Messung verschiedener Oxidschichten mit einem Mikro-Vickers-Härteprüfgerät genau fest. Die detaillierten Spezifikationen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Tabelle: Akzeptanzwerte für den Vickers-Mikrohärtetest

Hinweis: Bei Oxidschichten mit einer Dicke von mehr als 50 μm sind die Mikrohärtewerte relativ niedrig, insbesondere bei der äußeren Schicht der Schicht.

2.3 Vorsichtsmaßnahmen:

Für dasselbe Bauteil sollten jeweils 3 Punkte in 3 verschiedenen Bereichen gemessen werden, und der Mittelwert der 9 Datenpunkte sollte als endgültige Härte herangezogen werden, um den Einfluss lokaler Schichtdefekte auf die Ergebnisse zu vermeiden.
Wenn am Rand der Eindellung Risse oder unscharfe Übergänge auftreten, deutet dies darauf hin, dass die Belastung zu hoch ist und die Filmschicht durchdrungen hat. Die Belastung sollte reduziert und der Test wiederholt werden.