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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)外常用的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(dǎo)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 － 81(86)規(guī)定用鼓風(fēng)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 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(jié)果的決定因素。
1.4 往復(fù)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(fù)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（μ 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(fù)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。
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(dǎo)，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； JISH8615 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。
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涂層耐磨性的測試儀器
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 IS 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(fù)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(dǎo)軌設(shè)計
磨耗儀
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。
漆膜磨耗試驗機
該儀器采用齒形帶傳動，因而質(zhì)量輕、工作噪聲小；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(dǎo)致磨耗槽寬窄、深淺的變化，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(dǎo)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(fù)原位，并通過調(diào)節(jié)平衡砝碼使加壓臂自身恒重。
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 Φ 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(dǎo)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。
重型平面磨耗試驗機
該儀器應(yīng)用往復(fù)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(yīng)用該儀器必須注意如下事項：一是磨擦輪的軸心線應(yīng)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(nèi)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(yīng)保證磨擦運動平穩(wěn)，不可超負荷運行，如出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，應(yīng)減少磨擦輪與試樣間的負荷或改用粒度較小的砂紙。
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。
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 : 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(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
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
轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù) :(60 ± 2) r/min
試樣規(guī)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(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
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(dǎo)管內(nèi)徑 : φ 19mm
導(dǎo)管高度 : 914mm
試樣架角度 :45 o
儀器由機架、料斗、導(dǎo)管和試樣架四部件組成：導(dǎo)管下管口距涂層表面 25mm ，測試面與導(dǎo)管成 45o角；磨料自由下落，其流速為 16 ～ 18s 內(nèi)流出 2L
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