Phương pháp kiểm tra độ dày lớp oxit và độ cứng của các bộ phận hợp kim nhôm trong ngành ô tô.

Lớp màng oxit anot trên các chi tiết hợp kim nhôm trong ô tô hoạt động như một lớp bảo vệ trên bề mặt. Nó tạo thành một lớp bảo vệ dày đặc trên bề mặt hợp kim nhôm, tăng cường khả năng chống ăn mòn của các chi tiết và kéo dài tuổi thọ. Đồng thời, lớp màng oxit có độ cứng cao, giúp cải thiện khả năng chống mài mòn của bề mặt hợp kim nhôm.

Lớp màng oxit anot của hợp kim nhôm có đặc điểm là độ dày tương đối nhỏ và độ cứng tương đối cao. Cần phải lựa chọn thiết bị thử nghiệm phù hợp với độ cứng vi mô để tránh làm hỏng lớp màng do đầu đo gây ra. Do đó, chúng tôi khuyến nghị sử dụng máy đo độ cứng Vickers vi mô với lực thử nghiệm từ 0,01-1 kgf để kiểm tra độ cứng và độ dày của nó. Trước khi tiến hành thử nghiệm độ cứng Vickers, phôi cần thử nghiệm phải được chế tạo thành mẫu. Thiết bị cần thiết là máy gắn phôi (bước này có thể bỏ qua nếu phôi có hai mặt phẳng) để gắn phôi vào mẫu có hai mặt phẳng, sau đó sử dụng máy mài và đánh bóng kim loại để mài và đánh bóng mẫu cho đến khi đạt được bề mặt sáng bóng. Máy gắn phôi và máy mài & đánh bóng được thể hiện trong hình dưới đây:

1. Các bước chuẩn bị mẫu (Áp dụng cho thử nghiệm độ cứng và độ dày)

1.1 Lấy mẫu: Cắt một mẫu có kích thước khoảng 10mm × 10mm × 5mm từ chi tiết cần kiểm tra (tránh vùng tập trung ứng suất của chi tiết), và đảm bảo bề mặt kiểm tra là bề mặt ban đầu của lớp màng oxit.

1.2 Gắn mẫu: Gắn mẫu bằng vật liệu gắn nóng (ví dụ: nhựa epoxy), để lộ bề mặt và mặt cắt ngang của lớp màng oxit (mặt cắt ngang là cần thiết cho việc kiểm tra độ dày) để tránh làm biến dạng mẫu trong quá trình mài.

1.3 Mài và đánh bóng: Đầu tiên, thực hiện mài ướt từng bước với giấy nhám 400#, 800# và 1200#. Sau đó đánh bóng bằng bột đánh bóng kim cương 1μm và 0,5μm. Cuối cùng, đảm bảo bề mặt tiếp xúc giữa lớp màng oxit và chất nền không bị trầy xước và có thể nhìn thấy rõ (mặt cắt ngang được sử dụng để quan sát độ dày).

2. Phương pháp kiểm tra: Phương pháp đo độ cứng vi mô Vickers (HV)

2.1 Nguyên tắc cốt lõi: Sử dụng đầu đo độ cứng hình chóp kim cương để tác dụng một lực nhỏ (thường là 50-500g) lên bề mặt màng phim nhằm tạo ra vết lõm, và tính toán độ cứng dựa trên chiều dài đường chéo của vết lõm.

2.2 Các thông số chính: Tải trọng phải phù hợp với độ dày màng (chọn tải trọng < 100g khi độ dày màng < 10μm để tránh vết lõm xuyên vào lớp nền).

Điều mấu chốt là phải chọn tải trọng phù hợp với độ dày màng và tránh tải trọng quá lớn xuyên qua lớp màng oxit, vì điều này sẽ khiến kết quả đo bao gồm cả giá trị độ cứng của chất nền hợp kim nhôm (độ cứng của chất nền thấp hơn nhiều so với độ cứng của lớp màng oxit).

Nếu độ dày màng oxit là 5-20μm: Chọn tải trọng 100-200g (ví dụ: 100gf, 200gf), và đường kính vết lõm phải được kiểm soát trong phạm vi 1/3 độ dày màng (ví dụ: đối với màng dày 10μm, đường chéo vết lõm ≤ 3,3μm).

Nếu độ dày màng oxit nhỏ hơn 5μm (màng siêu mỏng): Chọn tải trọng dưới 50g (ví dụ: 50gf), và phải sử dụng kính hiển vi có độ phóng đại cao (40x trở lên) để quan sát vết lõm nhằm tránh làm thủng màng.

Khi tiến hành thử độ cứng, chúng tôi tham khảo tiêu chuẩn: ISO 10074:2021 “Quy chuẩn về lớp phủ oxit anot cứng trên nhôm và hợp kim nhôm”, trong đó quy định rõ ràng lực thử và phạm vi độ cứng cần sử dụng khi đo các loại lớp phủ oxit khác nhau bằng máy đo độ cứng vi Vickers. Các thông số kỹ thuật chi tiết được thể hiện trong bảng dưới đây:

Bảng: Giá trị chấp nhận được cho phép đo độ cứng vi mô Vickers

Lưu ý: Đối với màng oxit có độ dày lớn hơn 50 μm, giá trị độ cứng vi mô của chúng tương đối thấp, đặc biệt là lớp ngoài cùng của màng.

2.3 Các biện pháp phòng ngừa:

Đối với cùng một linh kiện, cần đo 3 điểm ở mỗi trong 3 khu vực khác nhau, và lấy giá trị trung bình của 9 điểm dữ liệu đó làm độ cứng cuối cùng để tránh ảnh hưởng của các khuyết tật màng cục bộ đến kết quả.
Nếu xuất hiện các "vết nứt" hoặc "mờ nhòe" ở mép vết lõm, điều đó cho thấy tải trọng quá lớn và đã xuyên qua lớp màng. Cần giảm tải trọng và tiến hành lại thử nghiệm.