涂层耐磨性试验方法与测试仪器

磨损是致使材料破坏,失效的形式之一。据有关文献报导,对我国冶金矿山,农机、煤炭、电力和建材 5 个工业部门的不完全统计,每年由于磨损而需要补充的配件达 10 6 t ,价值 15~ 20 亿元。由此可见,各种材料耐磨性的优劣对于评价和控制产品质量至关重要,因而在经济上占有举足轻重的地位。

  迄今,工业发达国家对于不同材料均有相应的磨损试验方法,如日本工业标准 JIS H8503 规定了有关金属镀膜耐磨性试验方法;JIS H8615 叙述了铬电镀层的耐磨性试验;又如美国材料试验协会标准 ASTM D 968 — 93 和 ASTM D 658 —81(86) 分别规定用落砂法和喷砂法测定有机涂层的耐磨性;而在国际标准 ISO7784.2 — 97中则采用旋转磨擦橡胶轮法测定色漆和清漆的耐磨性;在 IS08251 — 87 和 JIS H8682中均规定用磨擦轮磨耗试验机测定铝和铝合金表面阳极氧化膜的耐磨系数。我国已有国家标准 GB / T1768 — 79(89)《漆膜耐磨性测定法》,近年又在 GB / T5237.5 — 2000中规定用落砂耐磨试验机测定铝合金建筑型材表面氟碳漆膜的耐磨性。综上所述,不难看出,目前国内外涂料镀层耐磨性试验,方法多样,各具特色。尽管对于上述各种试验方法及其应用性能的评价人们在认识上不尽相同,但就多项检测手段的开发和推广应用来说,仍以采用旋转磨擦橡胶轮法、落砂法和喷砂法较为普遍。本文拟重点探讨这些常用试验方法的技术特征与相关仪器的开发应用现状,供业内人士参考。

  1 涂层耐磨性的试验方法

  涂层耐磨性系指涂层表面抵抗某种机械作用的能力,通常采用砂轮研磨或砂粒冲击的试验方式来测定,它是使用过程中经常受到机械磨损的涂层的重要特征之一,而且与涂层的硬度、附着力、柔韧性等其它物理性能密切相关。国内外常用的涂层耐磨性试验方法及其主要技术特征如表1 所示。

  表 1 涂层耐磨性试验方法及其主要技术特征

     1.1 旋转磨擦橡胶轮法 (Taber 试验 )

     国际标准 ISO 7784 . 2--97规定用旋转磨擦橡胶轮法测定涂层的耐磨性,即在旋转盘转速为 60r / min、加压臂承载一定负荷的规定试验条件下,采用嵌有金刚砂磨料的硬质橡胶磨擦轮磨耗涂层表面,其耐磨性可分别以经规定研磨转数研磨后涂层质量损耗( 失重法 ) 的平均值或以磨损某一厚度涂层所需的平均研磨转数 ( 转数法 )2种方法表示与评价。二者相比较,失重法对试样的称重精度要求严格,但它不受涂层厚薄的影响;而转数法测定时直观方便,不需称重,但对涂层研磨厚度的测量要求甚严。国家标准GB / T1768--79(89)中规定的方法与仪器虽然工作原理与其相同,但未对旋转盘转速作明确规定,而且试验结果只以经规定研磨转数研磨后的涂层质量损耗 ( 失重法 )的单一方法表示。旋转磨擦橡胶轮法可广泛用于涂层、镀层和金属、非金属材料的耐磨性试验,但是用作研磨的橡胶砂轮需要经常修整和适时更新。

     1.2 落砂冲刷试验法

     ASTMD 968 — 93规定用落砂耐磨试验器测定有机涂层的耐磨性,即采用规定产地的天然石英砂作磨料,通过试验器导管从一定高度自由落下,冲刷试样表面,以磨损规定面积的单位厚度涂层所消耗磨料的体积(L),并通过计算耐磨系数来评价涂层的耐磨性。采用这种试验方法,天然砂磨料的选择将对试验结果产生直接影响,因此对砂粒的硬度、粒度和几何形状要求严格。国家标准GB/T 5237.5 — 2000 规定采用符合 GB/T 178 — 77标准要求的标准砂作磨料。应当指出,在采用落砂冲刷试验法的上述 2项标准中,尽管都采取了主要技术参数完全相同的耐磨性试验器,但由于所用天然砂磨料的粒度不同,因而同性流出体积为 2L磨料的流速成并不相同,前都规定为 21 ~ 23.5s ,后者规定为 16 ~ 18s 。

     1.3  喷砂冲击试验法

     ASTM D 658 - 81(86)规定用鼓风磨蚀(喷砂)试验测定有机涂层的耐磨性,这种方法是通过调节气泵输出压力,使试验器喷管处的空气流速为 0.07m 3 /min,以保证每分钟平均喷出( 44 ± 1 ) g 的金刚砂束冲击涂层,并以磨损规定面积的单位厚度涂层所消耗磨料的质量 (g),通过计算其耐磨系数来评价涂层的耐磨性。因此必须按标准规定选用粒度范围为 75 ~ 90 μ m的碳化硅作磨料,而气源输出压力和磨料的均一喷速成为影响试验结果的决定因素。

     1.4  往复运运磨耗试验法

     ISO 8251 - 87 和 JIS H 8682都规定了用磨擦轮磨耗试验机测定铝和铝合金阳极氧化膜的耐磨性。这种试验方法是在规定的试验条件下,使涂镀层与胶接在磨擦轮外缘上的研磨砂纸作平面往复运动,每双行程后磨擦轮转动一小角度(0.9 o ),经规定的若干次研磨后,以涂层厚度(μ m )或涂层质量( mg)的减少,并通过计算其磨损阻力评价涂层的耐磨性。由于该方法的试验条件易于控制,而无其它方法所存在的诸如磨轮修整、老化,砂流速率、砂束形状等较难控制的问题,因而试验结果的重复性较好,而且除涂镀层外,这种方法已广泛用于塑料、橡胶和金属材料的耐磨性试验。

     2  涂层耐磨性的测试仪器

   涂层耐磨性试验方法标准的制订,统一和规范了不同材料的检测手段与质量要求,也为各种制式耐磨性试验仪器的开发研制提供了必须遵循的设计依据。表2 列举了国产典型耐磨性试验仪器的主要技术特征。

技术特征

型号名称
 功能用途
 执行技术标准
 主要技

术参数
 结构特点
 制造商
 
JM - IV 型磨耗仪
 用于家具漆、人造板、建筑装饰材料表面的耐磨性测定
 GB/T4893.8 - 85

GB/T17657 - 99

GB/T1768 - 79(89)

GB/T15036.2 - 2001
 转盘转速 :0 ~ 90r/min

试样规格 : φ 100mm × φ 6.2 mm × 3 mm

橡胶砂轮 : φ 50mm × φ 16mm × φ 12.7 mm

 齿轮箱传动、无级调速,或满足多项标准对不同转速的要求;采用可设定、记数仪表记数与显示;依据不同试样可采取不同材料的研磨砂轮 
 东莞华琪检测仪器有限公司
 
QMX 型漆膜耐磨性试验机
 用于测定各种漆膜,大理石等建筑装饰材料表面的耐磨性
 ISO 7784.2 - 97

GB/T 1768 - 79(89)
 转盘转数 :(60 ± 2) r/min

试样规格 : φ 100mm × φ 7mm × 3 mm

橡胶砂轮 : φ 50mm × φ 16mm × φ 12.7 mm

砂轮硬度 :(50 ± 5)IRHD

荷重砝码 : 250g , 500g , 750g
 齿形带传动,双输出轴结构,采用工作转数设定、键入,自动记数与显示装置,吸尘采用负压调频,根据需要调控吸尘量
 天津市建筑仪器试验机公司
 
QML 型落砂涂层耐磨性试验机
 用于铝合金建筑材表面氟碳漆膜耐磨性的测试
 ASTM D 968 - 93

GB/T 5237.5 - 2000
 量具容积 : 2L

漏斗角度 :60 o

导管内径 : φ 19mm

导管高度 : 914mm

试样架角度 :45 o
 仪器由机架、料斗、导管和试样架四部件组成:导管下管口距涂层表面 25mm ,测试面与导管成 45o角;磨料自由下落,其流速为 16 ~ 18s 内流出 2L
 
PMJ - 1 型平面磨耗试验机
 测定各种涂层、电镀层、铝合金阳极氧化膜及金属材料的耐磨性
 ISO 8251 - 87

JIS H 8682
 试样台行程 : 30mm

磨擦轮步进角 :0.9 o / 行程

研磨砂纸规格 :(12 × 158)mm

荷重精度 :400 ± 8gf

重复测量误差 : ≤ 15%
 主机由试样安装台、磨擦轮、加载机构和计数器四部件构成;试样安装台采用了曲柄滑块机构,加载机构采取了垂直流动导轨设计
 沈阳仪表工艺研究所
 

 

     2.1 JM - IV 型磨耗仪

     JM - IV 型磨耗仪的突出特点是旋转盘采取无级变速,其转速可在 0 ~ 90r /min范围内任选,因此能满足多项技术标准对不同转速的试验要求,而且根据不同的试样可选用不同橡胶轮宽度和不同材料配比的研磨砂轮,从而拓宽了应用领域。

     2.2 QMX 型漆膜磨耗试验机

    该仪器采用齿形带传动,因而质量轻、工作噪声小;由于采取了双输出轴结构,可同时研磨双试样,提高了工作效率;另外,采用负压为 1.5 ~1.6kPa 的调频吸尘装置,吸尘量可根据实际需要加以调控。

    上述两规格磨耗仪,其试验原理同属旋转磨擦橡胶轮法,因此又都共同面临橡胶砂轮的加工质量和安装性能对涂层耐磨性测试精度的影响。应用实践表明,研磨砂轮的橡胶硬度、含金刚砂比例及其均匀性,以及因磨轮偏摆导致磨耗槽宽窄、深浅的变化,都将直接影响规定研磨转数后涂层的失重。应当指出,通常一项试验方法标准的制定,仅适用于某一类材料试样的磨耗试验,这是因为不同标准所规定的转盘轴心线与磨耗轮中心线的间距不同,因而切削角不同,导致磨槽宽窄不一,失重不同。

    关于橡胶砂轮的修整,当采用砂轮修整机的金刚石修整刀时,其进刀量必须适度,以防止砂轮边缘破损,而砂轮修整机主轴的径向跳动势必影响其修整直线度。当研磨砂轮的直径小于45mm 时,应予报废更新。为保证试验精度,同一转盘上的两只砂轮经成对同时修整后应各复原位,并通过调节平衡砝码使加压臂自身恒重。

     2.3 QML 型落砂涂层耐磨性试验机

     采用该仪器测定有机涂层的耐磨性,是在选用标准规定其粒度范围的天然砂磨料并控制在 16 ~18s 内流出 2L 的前提下,使砂束内心正好落在试样表面被划定的 Φ 25mm圆形区域中心,是保证试验精度的关键,为此每隔一定时间应检查仪器导管的校准线,标准砂束的下落位置。当标准砂使用 50次后,应予更新,而且每次试验完毕将漏斗和挡板遗留的砂粒清理干净。

     2.4 PMJ —重型平面磨耗试验机

     该仪器应用往复运动磨耗试验原理,要求试样尺寸为 (80 ~ 110)mm × (50 ~70)mm × (1 ~ 2)mm ;磨擦轮胶接砂纸尺寸为 12mm × l 58mm ,其粒度可分别为 W40( 用于硝基漆磨耗试验) 和 280 # 碳化硅研磨纸 ( 用于铝合金氧化膜磨耗试验 ) 。

    实践表明,应用该仪器必须注意如下事项:一是磨擦轮的轴心线应与试样安装台面平行,即要保证磨擦轮磨耗时在整个 12mm的宽度内与试样表面紧密接触,而无任何间隙;二是砂纸要平直贴实地粘在整个轮缘上,不得歪扭;三是磨耗试验时应保证磨擦运动平稳,不可超负荷运行,如出现抖动现象,应减少磨擦轮与试样间的负荷或改用粒度较小的砂纸。

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