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涂層耐磨性試驗方法與測試儀器
  • 發布時間:Update:2014-05-19 16:05:48
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磨損是致使材料破壞,失效的形式之一。據有關文獻報導,對我國冶金礦山,農機、煤炭、電力和建材 5 個工業部門的不完全統計,每年由于磨損而需要補充的配件達 10 6 t ,價值 15~ 20 億元。由此可見,各種材料耐磨性的優劣對于評價和控制產品質量至關重要,因而在經濟上占有舉足輕重的地位。

  迄今,工業發達國家對于不同材料均有相應的磨損試驗方法,如日本工業標準 JIS H8503 規定了有關金屬鍍膜耐磨性試驗方法;JIS H8615 敘述了鉻電鍍層的耐磨性試驗;又如美國材料試驗協會標準 ASTM D 968 — 93 和 ASTM D 658 —81(86) 分別規定用落砂法和噴砂法測定有機涂層的耐磨性;而在國際標準 ISO7784.2 — 97中則采用旋轉磨擦橡膠輪法測定色漆和清漆的耐磨性;在 IS08251 — 87 和 JIS H8682中均規定用磨擦輪磨耗試驗機測定鋁和鋁合金表面陽極氧化膜的耐磨系數。我國已有國家標準 GB / T1768 — 79(89)《漆膜耐磨性測定法》,近年又在 GB / T5237.5 — 2000中規定用落砂耐磨試驗機測定鋁合金建筑型材表面氟碳漆膜的耐磨性。綜上所述,不難看出,目前國內外涂料鍍層耐磨性試驗,方法多樣,各具特色。盡管對于上述各種試驗方法及其應用性能的評價人們在認識上不盡相同,但就多項檢測手段的開發和推廣應用來說,仍以采用旋轉磨擦橡膠輪法、落砂法和噴砂法較為普遍。本文擬重點探討這些常用試驗方法的技術特征與相關儀器的開發應用現狀,供業內人士參考。

  1 涂層耐磨性的試驗方法

  涂層耐磨性系指涂層表面抵抗某種機械作用的能力,通常采用砂輪研磨或砂粒沖擊的試驗方式來測定,它是使用過程中經常受到機械磨損的涂層的重要特征之一,而且與涂層的硬度、附著力、柔韌性等其它物理性能密切相關。國內外常用的涂層耐磨性試驗方法及其主要技術特征如表1 所示。

  表 1 涂層耐磨性試驗方法及其主要技術特征

    1.1 旋轉磨擦橡膠輪法 (Taber 試驗 )

     國際標準 ISO 7784 . 2--97規定用旋轉磨擦橡膠輪法測定涂層的耐磨性,即在旋轉盤轉速為 60r / min、加壓臂承載一定負荷的規定試驗條件下,采用嵌有金剛砂磨料的硬質橡膠磨擦輪磨耗涂層表面,其耐磨性可分別以經規定研磨轉數研磨后涂層質量損耗( 失重法 ) 的平均值或以磨損某一厚度涂層所需的平均研磨轉數 ( 轉數法 )2種方法表示與評價。二者相比較,失重法對試樣的稱重精度要求嚴格,但它不受涂層厚薄的影響;而轉數法測定時直觀方便,不需稱重,但對涂層研磨厚度的測量要求甚嚴。國家標準GB / T1768--79(89)中規定的方法與儀器雖然工作原理與其相同,但未對旋轉盤轉速作明確規定,而且試驗結果只以經規定研磨轉數研磨后的涂層質量損耗 ( 失重法 )的單一方法表示。旋轉磨擦橡膠輪法可廣泛用于涂層、鍍層和金屬、非金屬材料的耐磨性試驗,但是用作研磨的橡膠砂輪需要經常修整和適時更新。

     1.2 落砂沖刷試驗法

     ASTMD 968 — 93規定用落砂耐磨試驗器測定有機涂層的耐磨性,即采用規定產地的天然石英砂作磨料,通過試驗器導管從一定高度自由落下,沖刷試樣表面,以磨損規定面積的單位厚度涂層所消耗磨料的體積(L),并通過計算耐磨系數來評價涂層的耐磨性。采用這種試驗方法,天然砂磨料的選擇將對試驗結果產生直接影響,因此對砂粒的硬度、粒度和幾何形狀要求嚴格。國家標準GB/T 5237.5 — 2000 規定采用符合 GB/T 178 — 77標準要求的標準砂作磨料。應當指出,在采用落砂沖刷試驗法的上述 2項標準中,盡管都采取了主要技術參數完全相同的耐磨性試驗器,但由于所用天然砂磨料的粒度不同,因而同性流出體積為 2L磨料的流速成并不相同,前都規定為 21 ~ 23.5s ,后者規定為 16 ~ 18s 。

     1.3  噴砂沖擊試驗法

    ASTM D 658 - 81(86)規定用鼓風磨蝕(噴砂)試驗測定有機涂層的耐磨性,這種方法是通過調節氣泵輸出壓力,使試驗器噴管處的空氣流速為 0.07m 3 /min,以保證每分鐘平均噴出( 44 ± 1 ) g 的金剛砂束沖擊涂層,并以磨損規定面積的單位厚度涂層所消耗磨料的質量 (g),通過計算其耐磨系數來評價涂層的耐磨性。因此必須按標準規定選用粒度范圍為 75 ~ 90 μ m的碳化硅作磨料,而氣源輸出壓力和磨料的均一噴速成為影響試驗結果的決定因素。

     1.4  往復運運磨耗試驗法

    ISO 8251 - 87 和 JIS H 8682都規定了用磨擦輪磨耗試驗機測定鋁和鋁合金陽極氧化膜的耐磨性。這種試驗方法是在規定的試驗條件下,使涂鍍層與膠接在磨擦輪外緣上的研磨砂紙作平面往復運動,每雙行程后磨擦輪轉動一小角度(0.9 o ),經規定的若干次研磨后,以涂層厚度(μ m )或涂層質量( mg)的減少,并通過計算其磨損阻力評價涂層的耐磨性。由于該方法的試驗條件易于控制,而無其它方法所存在的諸如磨輪修整、老化,砂流速率、砂束形狀等較難控制的問題,因而試驗結果的重復性較好,而且除涂鍍層外,這種方法已廣泛用于塑料、橡膠和金屬材料的耐磨性試驗。

    2  涂層耐磨性的測試儀器

  涂層耐磨性試驗方法標準的制訂,統一和規范了不同材料的檢測手段與質量要求,也為各種制式耐磨性試驗儀器的開發研制提供了必須遵循的設計依據。表2 列舉了國產典型耐磨性試驗儀器的主要技術特征。

技術特征

型號名稱
功能用途
執行技術標準
主要技

術參數
結構特點
制造商

JM - IV 型磨耗儀
用于家具漆、人造板、建筑裝飾材料表面的耐磨性測定
GB/T4893.8 - 85

GB/T17657 - 99

GB/T1768 - 79(89)

GB/T15036.2 - 2001
轉盤轉速 :0 ~ 90r/min

試樣規格 : φ 100mm × φ 6.2 mm × 3 mm

橡膠砂輪 : φ 50mm × φ 16mm × φ 12.7 mm

齒輪箱傳動、無級調速,或滿足多項標準對不同轉速的要求;采用可設定、記數儀表記數與顯示;依據不同試樣可采取不同材料的研磨砂輪
東莞華琪檢測儀器有限公司

QMX 型漆膜耐磨性試驗機
用于測定各種漆膜,大理石等建筑裝飾材料表面的耐磨性
ISO 7784.2 - 97

GB/T 1768 - 79(89)
轉盤轉數 :(60 ± 2) r/min

試樣規格 : φ 100mm × φ 7mm × 3 mm

橡膠砂輪 : φ 50mm × φ 16mm × φ 12.7 mm

砂輪硬度 :(50 ± 5)IRHD

荷重砝碼 : 250g , 500g , 750g
齒形帶傳動,雙輸出軸結構,采用工作轉數設定、鍵入,自動記數與顯示裝置,吸塵采用負壓調頻,根據需要調控吸塵量
天津市建筑儀器試驗機公司

QML 型落砂涂層耐磨性試驗機
用于鋁合金建筑材表面氟碳漆膜耐磨性的測試
ASTM D 968 - 93

GB/T 5237.5 - 2000
量具容積 : 2L

漏斗角度 :60 o

導管內徑 : φ 19mm

導管高度 : 914mm

試樣架角度 :45 o
儀器由機架、料斗、導管和試樣架四部件組成:導管下管口距涂層表面 25mm ,測試面與導管成 45o角;磨料自由下落,其流速為 16 ~ 18s 內流出 2L

PMJ - 1 型平面磨耗試驗機
測定各種涂層、電鍍層、鋁合金陽極氧化膜及金屬材料的耐磨性
ISO 8251 - 87

JIS H 8682
試樣臺行程 : 30mm

磨擦輪步進角 :0.9 o / 行程

研磨砂紙規格 :(12 × 158)mm

荷重精度 :400 ± 8gf

重復測量誤差 : ≤ 15%
主機由試樣安裝臺、磨擦輪、加載機構和計數器四部件構成;試樣安裝臺采用了曲柄滑塊機構,加載機構采取了垂直流動導軌設計
沈陽儀表工藝研究所
 

 

     2.1 JM - IV 型磨耗儀

     JM - IV 型磨耗儀的突出特點是旋轉盤采取無級變速,其轉速可在 0 ~ 90r /min范圍內任選,因此能滿足多項技術標準對不同轉速的試驗要求,而且根據不同的試樣可選用不同橡膠輪寬度和不同材料配比的研磨砂輪,從而拓寬了應用領域。

     2.2 QMX 型漆膜磨耗試驗機

   該儀器采用齒形帶傳動,因而質量輕、工作噪聲小;由于采取了雙輸出軸結構,可同時研磨雙試樣,提高了工作效率;另外,采用負壓為 1.5 ~1.6kPa 的調頻吸塵裝置,吸塵量可根據實際需要加以調控。

    上述兩規格磨耗儀,其試驗原理同屬旋轉磨擦橡膠輪法,因此又都共同面臨橡膠砂輪的加工質量和安裝性能對涂層耐磨性測試精度的影響。應用實踐表明,研磨砂輪的橡膠硬度、含金剛砂比例及其均勻性,以及因磨輪偏擺導致磨耗槽寬窄、深淺的變化,都將直接影響規定研磨轉數后涂層的失重。應當指出,通常一項試驗方法標準的制定,僅適用于某一類材料試樣的磨耗試驗,這是因為不同標準所規定的轉盤軸心線與磨耗輪中心線的間距不同,因而切削角不同,導致磨槽寬窄不一,失重不同。

    關于橡膠砂輪的修整,當采用砂輪修整機的金剛石修整刀時,其進刀量必須適度,以防止砂輪邊緣破損,而砂輪修整機主軸的徑向跳動勢必影響其修整直線度。當研磨砂輪的直徑小于45mm 時,應予報廢更新。為保證試驗精度,同一轉盤上的兩只砂輪經成對同時修整后應各復原位,并通過調節平衡砝碼使加壓臂自身恒重。

     2.3 QML 型落砂涂層耐磨性試驗機

     采用該儀器測定有機涂層的耐磨性,是在選用標準規定其粒度范圍的天然砂磨料并控制在 16 ~18s 內流出 2L 的前提下,使砂束內心正好落在試樣表面被劃定的 Φ 25mm圓形區域中心,是保證試驗精度的關鍵,為此每隔一定時間應檢查儀器導管的校準線,標準砂束的下落位置。當標準砂使用 50次后,應予更新,而且每次試驗完畢將漏斗和擋板遺留的砂粒清理干凈。

     2.4 PMJ —重型平面磨耗試驗機

     該儀器應用往復運動磨耗試驗原理,要求試樣尺寸為 (80 ~ 110)mm × (50 ~70)mm × (1 ~ 2)mm ;磨擦輪膠接砂紙尺寸為 12mm × l 58mm ,其粒度可分別為 W40( 用于硝基漆磨耗試驗) 和 280 # 碳化硅研磨紙 ( 用于鋁合金氧化膜磨耗試驗 ) 。

    實踐表明,應用該儀器必須注意如下事項:一是磨擦輪的軸心線應與試樣安裝臺面平行,即要保證磨擦輪磨耗時在整個 12mm的寬度內與試樣表面緊密接觸,而無任何間隙;二是砂紙要平直貼實地粘在整個輪緣上,不得歪扭;三是磨耗試驗時應保證磨擦運動平穩,不可超負荷運行,如出現抖動現象,應減少磨擦輪與試樣間的負荷或改用粒度較小的砂紙。

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