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        正確測試鋁車輪的鍍層性能,有利于產品質量的提高

        放大字體  縮小字體發布日期:2020-01-07  作者:陸斌  瀏覽次數:1605
        核心提示:Part 1前言對電鍍鋁車輪鍍層質量的評定有兩類方法,其一是讓電鍍后的鋁車輪在使用條件下進行實效考核,這類方法雖然結果最準確,但

        1前言

        對電鍍鋁車輪鍍層質量的評定有兩類方法,其一是讓電鍍后的鋁車輪在使用條件下進行實效考核,這類方法雖然結果最準確,但測定周期很長,因而,一般廣泛采用第二類方法,即人工模擬使用時的條件或選擇性地測定某些關鍵性能(如鍍層厚度、孔隙率等)來評定鍍層的質量。顯然,第二類方法測定時間短,能及時指導電鍍鋁車輪的生產,但目前國內尚未有統一的《電鍍鋁車輪》標準,本著滿足客戶要求的宗旨,電鍍鋁車輪的最終產品和各生產環節均應以顧客接收準則為指導,而國外OEM廠家對鍍層性能測試的項目比較多。一般包括鍍層厚度、多層電鍍鎳厚度和電位差、孔隙率、耐鹽霧性、鍍層結合力和加速老化試驗等等。盡管這些方法不能使我們得到一種在使用條件下的完整情況,但仍能在某種程度上判斷出鍍層的質量。鍍層質量評判標準指的就是這些能達到顧客要求的可測量的關鍵參數,這些質量評判參數的波動將影響到車輪的外觀、裝配以及使用性能等等,因此,不管是國內的車輪廠家還是電鍍廠家都必須基于這樣的考慮,及時準確地根據顧客要求的項目進行相關測試,本文結合實際操作過程,對這些測試一進行介紹。

        鍍層性能要求不同的顧客對電鍍鋁車輪的鍍層性能有不完全一致的測試項目,表1列出了一些國外主機廠家( OEM) 對鍍層性能的要求及相關測試標準。

        表1鍍層性能測試矩陣


         2鍍層性能測試

        1鍍層厚度

        1金相顯微法( ASTMB487 )金相顯微法的原理是從電鍍鋁車輪輪輻的正面和側面各切割一塊試樣,鑲嵌后,采用適當的技術對橫斷面進行研磨、拋光和浸蝕(有經驗的金相學家對這些技術很熟悉,對于經驗不足的操作者,GB/T6462-2005的第5章和附錄A中給出了一些指南),再用校正過的標尺測量覆蓋層橫斷面的厚度。測量儀器主要是帶測微標尺目鏡的金相顯微鏡,為保留測量結果,可配用金相顯微攝影儀照相裝置,在制備金相試片時,還必須配置金相拋光機。金相顯微法測定鍍層厚度是一種精確度高(誤差約±5%)的方法,一般把這種方法當作仲裁試驗法,利用它求出使用其他方法時的校正系數。但這種方法存在著使用不方便、設備、輔助設備多、價格高、試驗時間長等缺點。本方法能測定的鍍層厚度范圍為2.5~254μm,如圖1所示,它能準確測量電鍍鋁車輪鍍層中除鉻層以外的其他所有鍍層的厚度,圖1(a)為輪輻正面鍍層厚度,鉻層( Cr) : 0.25μ m(XRF測量),光亮鎳( Light Ni) : 23.6μm, 半亮鎳( HalflightNi) : 25.2μm,銅層(Cu) : 42.8μm;圖1(b)為輪輻側面鍍層厚度,鉻層( Cr) : 0.18μ m(XRF測量),光亮鎳( Light Ni) : 11.8μm, 半亮鎳( HalflightNi) : 20.4μm,銅層(Cu) : 36.4μm。


        2 X射線光譜法(ASTM B568)

        X射 線 熒 光 ( X-ray fluorescence,XRF)是指高強度入射X射線撞擊置于入射光束路徑上的材料時產生的二次輻射,因為這種二次發射具有該材料的波長和能量特征,所以,X射線光譜法測量鍍層厚度的機理就是基于鍍層單位面積質量(若密度已知,則為鍍層線性厚度)和二次輻射強度之間存在一定的關系,對于任何實際的儀器系統,該關系首先由已知單位面積質量的鍍層校正標準塊校正確定,若鍍層材料的密度已知,同時又給出實際的密度,則這樣的標準塊就能給出鍍層的線性厚度。這種測量方式具備無損檢測的優點,其測量范圍是鉻鍍層: 0.03~3.8μm,鎳鍍層: 1.3~30.5μm,圖1中的鉻層厚度就是該法測量的結果。

        3電化學法( ASTM B504 )電化學法又叫庫侖法或陽極溶解法,其原理是:用適當的電解液陽極溶解精確限定面積的鍍層。通過電解池電壓的變化測定鍍層的完全溶解,鍍層的厚度通過電解所耗的電量(以庫侖計)來計算。所耗的電量依次由下列項數計算:(1)若用恒定電流密度溶解時,由試驗開始到試驗終止的時間間隔;(2)溶解鍍層時累計所耗電量。庫侖測厚儀就是基于鍍層的恒電流陽極溶解(退鍍),通過測定溶解時間以確定厚度。此法采用一小電解槽,電解槽中充裝適當的電解液,以試樣作電解槽的底,電解槽底附一橡膠或塑料密封圈,此密封圈的孔確定測量(陽極退鍍)的面積。若采用金屬電解槽,則橡膠密封圈使試樣與電解槽電絕緣。用試樣作陽極、電解槽或攪拌器管作陰極,將電解槽通以直流恒電流,一直到鍍層溶解。這種方法測量速度快、準確度高、方便,并不受基體的限制,適合于單層和多層金屬鍍層厚度的測量,其可測鍍層厚度范圍為0.2~50μm,對于電鍍鋁車輪這種組合鍍層已知的鍍層,在能被直徑為20mm的球接觸到的主要表面上任一點,都能測量出其鉻層厚度、鎳層總厚度和銅層厚度。

        4 STEP法(ASTM B764)雙層和三層鎳鍍層中各層厚度可以用STEP法測定。ASTM B764《多層鎳鍍層中單層的同步厚度和電化學電勢測定方法( STEP試驗)》是對陽極溶解庫侖法( ASTM B504)的改進,也叫陽極溶解或電化學退鍍法。每種金屬或同種金屬件都需要一定的電壓(電化學電位)來維持退鍍時的恒電流。在庫侖測厚儀的電解槽通以直流恒電流,不同的金屬層開始溶解時,電極之間的電壓會發生突變,如圖2所示,當一鎳層溶解完而下一鎳層暴露時將會發生電壓變化(假設電流恒定且兩層鎳層間存在電化學特征差別),如亮鎳-半光亮鎳之間的電位差△φ=120~ 150mV;亮鎳-高硫鎳之間的電位差△ φ=15~35mV;鎳封-亮鎳之間的電位差△ φ=10~ 20mV (鎳封電位應校正)。出現電壓變化所耗去的時間(從試驗開始或上一電壓變化開始時計時)就是鍍層厚度的量度。


        根據溶解所耗去的電量(電流密度x時間)、溶解的面積、鎳的電化學當量、陽極效率和鎳層的密度,就可計算出任一規定鎳層的厚度。

        2孔隙率鍍層的孔隙是指鍍層表面直至基體金屬的細小孔道,孔隙大小影響鍍層的防護能力。GM 264M[21要求根據ASTM B456規定的兩種方法測定不連續鉻鍍層。

        1用Dubpernell鍍銅的方法測定微孔數( ASTM B456-X4)該法用于對單位面積上鎳封顆粒數的測量,其原理是:在低電流或低電壓下從硫酸鹽溶液中電鍍銅,這種銅只沉積于不連續鉻層所暴露的鎳層上。在使用顯微鏡時,這種方法可以用來快速直觀地測量孔隙(鎳封)的數量,如圖3所示。


        試驗最好在電鍍工序完成后立即實施,若有延遲,樣品試驗前應進行全面脫脂處理,避免使用電解液處理。沉積銅時,用試驗樣品作陰極,在含有約200g/L五水硫酸銅( CuSO4-5H2O )和20g/L硫酸 ( H2SO4)溶液中進行電鍍,槽液溫度保持在20±5°C,平均電流密度為30A/m2,時間約為1min。如果試驗是在鍍鉻后數天才進行,鍍銅前,試驗樣品應浸入約65°C、含有10g/L至20g/L的硝酸(HNO3)溶液中浸泡時間為4min,這樣做有助于顯露出孔隙,在測量長度范圍內進行測量,至少能數出200個孔隙。

        2腐蝕試驗后活化點數的測定( ASTM B456-X5)方法原理:一些按ASTM B456 -X4判定的不連續鉻鍍層可能不能成為腐蝕點,因為這些點在鉻層退鍍以后,實際上已經受到腐蝕,表面凹陷在鎳層里,已經是連續的,即為“活化點”。本試驗進行前,受測試部位必須先用鎂氧化物、熱肥皂水或者洗滌劑等方式清洗干凈。為激發活化點,試片先按規定的時間完成CASS試驗,以測試其服役所要求的相關腐蝕特性和鍍層厚度,CASS試驗以后,將試片放入熱水中去除鹽層,如果試片包含腐蝕產品的著色,可用軟海綿在熱水中洗去,但不允許使用任何帶腐蝕性的洗液。經熱空氣或通道式加熱爐烘干后,用放大100~200倍的顯微鏡來檢測微孔尺寸及其致密度。試片上有代表性的腐蝕點比未腐蝕點大,呈清晰的黑點且質地光滑。在已知放大倍數的照片中,單位面積活化區域內的活化點數都能數出來。在電鍍鋁車輪的所有重要表面,不同的照片必須采用相同的放大倍數來檢測,活化點的平均直徑不得超過0.032mm (0.00125in),最大單個活化點不得超過0.0635 mm(0.0025in)。允許在CASS試驗后和測試活化點前脫去電鍍鋁車輪上的鉻鍍層,可采用與已知孔隙率的圖片作比較的方法來評定每平方厘米上的活化點數。在本試驗中,即使活化腐蝕點與Dubpernel鍍銅方法測試的開始點之間的相關性尚未建立,對指定的電流密度和沉積系統,試驗所觀察到的腐蝕前的微孔數與CASS試驗后的活化點數仍有一定的相關性。一旦所給定系統的這種相關性已經建立,試樣放大100~ 200倍后,就能表征試片腐蝕后的服役特性。但將要測得的活化點的數目,不是一成不變的,一般會受腐蝕前后微孔的大小、鍍層厚度、潛在的沉積系統、基體金屬腐蝕與CASS試驗中著色的平衡狀況等因素的影響。

        3鍍層耐腐蝕性.鹽霧試驗是一種主要利用鹽霧試驗設備所創造的人工模擬鹽霧環境條件來考核電鍍鋁車輪耐腐蝕性能的環境試驗。OEM廠家所采用的測試方法主要是中性鹽霧試驗(NSS)和銅加速的醋酸鹽霧試驗(CASS)。

        1中性鹽霧試驗( ASTMB117)中性鹽霧試驗(NSS試驗)是出現最早,目前應用領域最廣的一種加速腐蝕試驗方法。它采用5%的氯化鈉( NaCI) 鹽水溶液,溶液PH值調在中性范圍(6~7 )作為噴霧用的溶液。試驗溫度均取35°C,要求鹽霧的沉降率在1~ 2mL/ ( 80cm2*h)之間。圖4是劃格為1cm2電鍍車輪經1000h中性鹽霧試驗后的試樣。


        2銅加速的醋酸-鹽霧試驗( ASTM B368 )銅鹽加速的醋酸-鹽霧試驗( CASS試驗)是國外新近發展起來的一種快速鹽霧腐蝕試驗,試驗溫度為50℃,在5 %的氯化鈉( NaCI)鹽水溶液中加入0.25g/L銅鹽-氯化銅( CuCl2*2H20),溶液PH值調整到3.1~3.3范圍內,充分溶解與混合后,強烈誘發腐蝕,其腐蝕速度大約是NSS試驗的8倍。圖5為電鍍鋁車輪不同部位試樣經66h的CASS試驗后的照片,劃線長度約40mm,試驗結果如表2所示。



        4鍍層結合力評定鍍層與基體金屬結合力通常采用定性測量法,它是以鍍層金屬和基體金屬的物理-機械性能的不同為基礎,即當試樣經受不均勻變形、熱應力和外力的直接作用后,檢查鍍層是否有結合不良現象。下面介紹對電鍍鋁車輪所選定的具體方法。

        1鍍層附著力試驗( ASTM B571 )ASTM B571標準要求的鍍層附著力試驗,通常包括劃線劃格試驗、磨鋸試驗等,其中的劃線劃格試驗有兩種刻劃方法,如圖6所示為輪輻和內輪輞刻劃后在潮濕空氣中暴露96h后的結果。


        一是用劃格器在鍍層上切出十字格圖形,夾角35° ~45° ( 每條線長40mm),切口直至基材,用高壓汽車清洗機,以21kg/cm2的壓 力對著交叉點噴水20s,角度35° ~45°,清洗長度為20mm;另一種試驗是劃邊長為1mm的方格,同時,觀察在此區域內的鍍層是否從基體金屬上剝落。

        2鋸刀試驗( GM264M)對鎳和鉻這類較硬的鍍層,利用一種鋼鋸條鋸切已鍍覆的試樣邊緣。如果覆蓋層的附著強度差,則沉積層將從基體金屬上裂開。試驗所用鋸條是具有規則齒狀鋸口的金屬鋸條,鋸條上每254cm( 1英寸)有10個鋸齒,鋸速60.96m/min, 鋸條寬0.95cm,厚0.06cm。擺放好電鍍鋁車輪的試樣(如輪輻部位),鋸齒由鍍層面向基體面鋸割的是正向鋸刀試驗( 如圖7中的右半部分,正向4次鋸割),而鋸齒由基體面向鍍層鋸割的是反向鋸刀試驗(如圖7中的左半部分,反向4次鋸割),試驗一般作3或4次切割,相互之間的測試距離約3~ 4mm,觀察底材與鍍層或鍍層與鍍層之間有沒有結合不良。任何結合不良都被認為不通過此次測量。


        3熱循環試驗(TCT)GM 264M中規定電鍍鋁車輪必須通過熱循環試驗,試驗按下列步驟進行:步驟1: CASS試驗至少66h;步驟2: -30± 1.5C,1h;步驟3: 25± 50C, 15min;步驟4: 85+1.5C,1h(車輪置于具有空氣循環的烤箱內) ;步驟5: 25+5C, 15min;步驟6:步驟2至步驟5組成一個熱循環,重復步驟2至步驟5三次,總共做四個循環,每個循環后均需檢驗車輪,車輪必須無變形、龜裂、起泡、絲狀裂紋,要求鍍層與底材的結合力以及各鍍層之間的結合力良好。圖8為電鎪鋁車輪輪輻部分試樣通過4次熱循環試驗后的結果,僅在刻劃線內有少許附著不良,并無其他影響。


        5鍍層延展性( ASTM B490)鍍層延展性是指金屬或其他材料受到外力作用不發生裂紋所表現的彈性或塑性形變的能力。電鍍鋁車輪復合鍍鎳層的每一鍍鎳層應符合ASTM B490的測試標準,在沿一規定直徑( 11.5+0.1mm) 的圓軸上彎曲已鍍鎳層的試樣,使之達到8%的最小延伸率,試樣表面完全沒有裂紋,則其延展性可判為合格。試驗時將已鍍車輪的鉻層退鍍后,從適當的表面(如輪緣正面或輪輻) ,取一個長1 50mm、寬100mm.厚1.0± 0. 1mm的試片,將試片沿圓軸表面彎曲180°,至試片的兩端互相平行,使電鍍面承受張力,所施的壓力穩定,在彎曲過程中,應保證試片和圓軸之間保持接觸,目試檢測彎曲試片凸面的裂紋。

        6加速老化試驗( SAE J1960 )人工氣候(氙燈)試驗原理:以氙燈作光源,模擬并強化到達地面的日光光譜,并適當控制溫度、濕度和噴水條件的試驗。SAE J1960《使用輻照度受控的水冷型氙弧燈裝置進行汽車外裝飾材料的加速老化試驗》對試驗作了如下規定:(1)輻射強度在300~890m波長范圍內為(1000+ 200) W/m2;低于300nm應不超過1 W/m2;在掛試驗樣品區域,偏離應少于10%。(2)試驗箱的溫度由黑板進行測量,黑板溫度為63+3°C。根據需要也可以是55℃± 3° C或比63° C更高的溫度,但較高的溫度可能會產生熱老化效應,影響試驗結果。黑板的溫度應在不噴水情況下達到穩定時測量讀數。(3)相對濕度可選擇65%士5%、 50%士5%或90%士5%三種條件。相對濕度應在不噴水情況下達到穩定時測量讀數。(4)噴水周期可選擇每隔102min噴水18min或每隔48min噴水12min。(5)氙燈和濾光罩在使用過程中會逐漸老化,沉積水垢或其他原因都會造成輻照強度下降,因此必須進行光能量監測。在測定光能量時,光感受器應固定在與試驗樣品接受光能量相同的位置上,當測得光能量有減弱或下降時,應調節氙燈功率,有必要時,清洗氙燈和濾光罩,氙燈和濾光罩有一定的壽命應按規定使用到一定時間后更換。(6)試驗樣品在樣品架上應不受外來施加的壓力,為了避免因試驗樣品暴露位置不同而造成表面受光照射強度的不同,在安裝試驗樣品時,要根據試驗樣品的尺寸和形狀,合理地排列和固定在旋轉支架上,并能調換位置,如“上、下排調換一原地180°翻轉上、下排調換一原地180° 翻轉”,經過四步構成一交換循環。在交換循環內,每一步交換時間應相等。


        圖9為電鍍鋁車輪輪輻部分試樣在水冷型氙弧燈試驗暴露4171 kJ后的結果。

        3結束語

        國內的電鍍鋁車輪主要以出口為主,無論是車輪廠家還是電鍍廠家,在消化吸收顧客接收標準的同時,應主動提高自身產品的質量和檔次,認真做好各項鍍層性能的測試,積極適時地與國際市場接軌。

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