涂層耐磨性試驗方法與測試儀器

1、涂層耐磨性試驗方法與測試儀器振作（天津市建筑儀器試驗機公司 300200 ） 摘要：敘述了國內(nèi)外常用的涂層耐磨性試驗方法及其主要技術(shù)特征，介紹了國產(chǎn)涂層耐磨性試驗儀器的開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀。 關(guān)鍵詞：涂層；耐磨性；試驗方法；測試儀器   磨損是致使材料破壞，失效的形式之一。據(jù)有關(guān)文獻報導，對我國冶金礦山，農(nóng)機、煤炭、電力和建材 5 個工業(yè)部門的不完全統(tǒng)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(yōu)劣對于評價和控制產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要，因而在經(jīng)濟上占有舉足輕重的地位。   迄今，工業(yè)發(fā)達國家對于不同材料均有相應(yīng)的磨損試驗方法，如日

2、本工業(yè)標準 JIS H8503 規(guī)定了有關(guān)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(xié)會標準 ASTM D 968 93 和 ASTM D 658 81(86) 分別規(guī)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(zhuǎn)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(guī)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(shù)。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(guī)定用落砂耐磨試驗機測定鋁合

3、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(nèi)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(yīng)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(fā)和推廣應(yīng)用來說，仍以采用旋轉(zhuǎn)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(shù)特征與相關(guān)儀器的開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀，供業(yè)內(nèi)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(jīng)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(guān)。國內(nèi)外常用

4、的涂層耐磨性試驗方法及其主要技術(shù)特征如表 1 所示。   表 1 涂層耐磨性試驗方法及其主要技術(shù)特征   1.1 旋轉(zhuǎn)磨擦橡膠輪法 (Taber 試驗 )   國際標準 ISO 7784 2-97 規(guī)定用旋轉(zhuǎn)磨擦橡膠輪法測定涂層的耐磨性，即在旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為 60r min 、加壓臂承載一定負荷的規(guī)定試驗條件下，采用嵌有金剛砂磨料的硬質(zhì)橡膠磨擦輪磨耗涂層表面，其耐磨性可分別以經(jīng)規(guī)定研磨轉(zhuǎn)數(shù)研磨后涂層質(zhì)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(zhuǎn)數(shù) ( 轉(zhuǎn)數(shù)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

5、影響；而轉(zhuǎn)數(shù)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(guī)定的方法與儀器雖然工作原理與其相同，但未對旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速作明確規(guī)定，而且試驗結(jié)果只以經(jīng)規(guī)定研磨轉(zhuǎn)數(shù)研磨后的涂層質(zhì)量損耗 ( 失重法 ) 的單一方法表示。旋轉(zhuǎn)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(jīng)常修整和適時更新。   1.2 落砂沖刷試驗法   ASTMD 968 93 規(guī)定用落砂耐磨試驗器測定有機涂層的耐磨性，即采用規(guī)定產(chǎn)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(guī)定面積的

6、單位厚度涂層所消耗磨料的體積 (L) ，并通過計算耐磨系數(shù)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(jié)果產(chǎn)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(guī)定采用符合 GB/T 178 77 標準要求的標準砂作磨料。應(yīng)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(shù)參數(shù)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(guī)定為 21 23.5s ，后者規(guī)定為 16 18s 。   1.3 噴砂沖擊試驗法   ASTM D 658

7、 81(86) 規(guī)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(diào)節(jié)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(guī)定面積的單位厚度涂層所消耗磨料的質(zhì)量 (g) ，通過計算其耐磨系數(shù)來評價涂層的耐磨性。因此必須按標準規(guī)定選用粒度范圍為 75 90 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(jié)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(guī)定了用磨擦輪磨耗試驗機測定鋁和鋁合金陽極

8、氧化膜的耐磨性。這種試驗方法是在規(guī)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(zhuǎn)動一小角度（ 0.9 o ），經(jīng)規(guī)定的若干次研磨后，以涂層厚度（ m ）或涂層質(zhì)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(jié)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(tǒng)一和規(guī)范了不同材料的檢測手段與質(zhì)量要求，也為各種制

9、式耐磨性試驗儀器的開發(fā)研制提供了必須遵循的設(shè)計依據(jù)。表 2 列舉了國產(chǎn)典型耐磨性試驗儀器的主要技術(shù)特征。   表 2 國產(chǎn)涂層耐磨性試驗儀及其主要技術(shù)特征 技術(shù)特征 型號名稱 功能用途 執(zhí)行技術(shù)標準 主要技 術(shù)參數(shù) 結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速 :0 90r/min 試樣規(guī)格 : 100mm × 6.2 mm × 3 mm 橡膠砂輪 : 50mm × 16mm 

10、15; 12.7 mm   齒輪箱傳動、無級調(diào)速，或滿足多項標準對不同轉(zhuǎn)速的要求；采用可設(shè)定、記數(shù)儀表記數(shù)與顯示；依據(jù)不同試樣可采取不同材料的研磨砂輪 上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)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(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù) :(60 ± 2) r/min 試樣規(guī)格 : 100mm × 7mm × 3 mm 橡膠砂輪 : 50mm × 16mm × 12.7 mm 砂輪硬度 :(50 ± 5)IRHD 荷重砝碼 : 2

11、50g ， 500g ， 750g 齒形帶傳動，雙輸出軸結(jié)構(gòu)，采用工作轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定、鍵入，自動記數(shù)與顯示裝置，吸塵采用負壓調(diào)頻，根據(jù)需要調(diào)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(nèi)徑 : 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 45 o角；磨料自由下落，其流速為 16 18s 內(nèi)流出 2L PMJ 1 型平面磨耗

12、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(guī)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(gòu)和計數(shù)器四部件構(gòu)成；試樣安裝臺采用了曲柄滑塊機構(gòu)，加載機構(gòu)采取了垂直流動導軌設(shè)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(zhuǎn)盤采取無級變速，其轉(zhuǎn)速可在 0 90r min 范圍內(nèi)任選，因此能滿足多項

13、技術(shù)標準對不同轉(zhuǎn)速的試驗要求，而且根據(jù)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(yīng)用領(lǐng)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(zhì)量輕、工作噪聲??；由于采取了雙輸出軸結(jié)構(gòu)，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(diào)頻吸塵裝置，吸塵量可根據(jù)實際需要加以調(diào)控。   上述兩規(guī)格磨耗儀，其試驗原理同屬旋轉(zhuǎn)磨擦橡膠輪法，因此又都共同面臨橡膠砂輪的加工質(zhì)量和安裝性能對涂層耐磨性測試精度的影響。應(yīng)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

14、變化，都將直接影響規(guī)定研磨轉(zhuǎn)數(shù)后涂層的失重。應(yīng)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(guī)定的轉(zhuǎn)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(guān)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(yīng)予報廢更新。為保證試驗精度，同一轉(zhuǎn)盤上的兩只砂輪經(jīng)成對同時修整后應(yīng)各復原位，并通過調(diào)節(jié)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(guī)定其粒度范圍的天然砂磨料并控制在 16 18s 內(nèi)流出 2L 的前提下，使砂束內(nèi)心正好落在試樣表面被劃定的 25mm 圓形區(qū)域中心，是保證試驗精度的關(guān)鍵，為此每隔一定時間應(yīng)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(yīng)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(yīng)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