中國涂料在線 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特征，介紹了國產(chǎn)涂層耐磨性試驗儀器的開發(fā) 應用現(xiàn)狀。 關鍵詞：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)品質量至關重要，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的磨損試驗方法，如日本工業(yè)標準 JIS H8503 規(guī)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(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(fā)應用現(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。國內(nèi)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 中國涂料在線 旋轉磨擦橡膠輪法 (Taber 試驗 ) 國際標準 ISO 7784 ． 2--97 規(guī)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(guī)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(jīng)規(guī)定研磨轉數(shù)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(shù) ( 轉數(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，但未對旋轉盤轉速作明確規(guī)定，而且試驗結果只以經(jīng)規(guī)定研磨轉數(shù) 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(jīng)常修整和適時更新。 1.2 落砂沖刷試驗法 中國涂料在線 — 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(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(tǒng)一和規(guī)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(fā)研制提供了必須遵循的設計依據(jù)。表 2 列舉了國產(chǎn)典型耐磨性試驗儀器的主要技術特征。 表 2 國產(chǎn)涂層耐磨性試驗儀及其主要技術特征 技術特征 功能用途 執(zhí)行技術標 主要技 準 結構特點 制造 商 中國涂料在線 型號名稱 術參數(shù) 轉盤轉速 :0 ～ GB/T4893.8 － 85 90r/min 用于家具 GB/T17657 JM － IV 型磨耗儀 漆、人造板、－ 99 建筑裝飾材 料表面的耐GB/T1768 磨性測定 － 79(89) 試樣規(guī)格 : φ 100mm × φ 6.2 mm × 3 mm 橡膠砂輪 : φ 50mm × φ 16mm × GB/T15036.2 φ 12.7 mm 齒輪箱傳動、無 級多同采數(shù)顯試同調(diào)項轉用儀示樣材速標速可表；可料依，準的設記采的據(jù)或對要定數(shù)取研不滿不求、與不磨足同記；上現(xiàn)環(huán)工技有公海代境程術限司 － 2001 砂輪 轉盤轉數(shù) :(60 ± 2) r/min 用于測定各ISO 7784.2 QMX 型 種漆膜，大－ 97 漆膜耐磨 理石等建筑 性試驗機 裝飾材料表GB/T 1768 面的耐磨性－ 79(89) 試樣規(guī)格 : φ 100mm × φ 7mm 齒形帶傳動，雙 × 3 mm 輸出軸結構，采 用工作轉數(shù)設 橡膠砂輪 : φ 定、鍵入，自動 50mm × φ 16mm 記數(shù)與顯示裝 × φ 12.7 mm 置，吸塵采用負 砂輪硬度 :(50 ± 5)IRHD 壓要調(diào)調(diào)頻控，吸根塵據(jù)量需天市津建 筑儀 荷重砝碼 : 250g ， 器試 500g ， 750g 驗機 儀器由機架、料公司 量具容積 : 2L 斗、導管和試樣 QML 型 落砂涂層 漏斗角度 用于鋁合金ASTM D 968 建筑材表面－ 93 導管內(nèi)徑 :60 o :φ 耐磨性試 驗機 氟碳漆膜耐 磨性的測試G－B/2T0050237.5 19mm 導管高度 : 914mm 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 試樣架角度 :45 o 16 ～ 18s 內(nèi) 流出 2L 試樣臺行程 : 30mm 主機由試樣安 PMJ － 1 型平面磨 耗試驗機 測定各種涂 層、電鍍層、ISO 8251 － 鋁合金陽極87 氧化膜及金 屬材料的耐JIS H 8682 磨性 磨擦輪步進角 / 行程 研磨砂紙規(guī)格 × 158)mm 荷重精度 :400 :0.9 o :(12 ± 裝臺、磨擦輪、 加載機構和計 沈陽 數(shù)器四部件構 儀表 成；試樣安裝臺工藝 采用了曲柄滑 研究 塊機構，加載機所 構采取了垂直 8gf 流動導軌設計 2.1 JM － IV 型磨耗儀 中國涂料在線 重復測量誤差 : ≤ 15% 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(nèi)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(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??；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(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(guī)定研磨轉數(shù)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(guī)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(jīng)成對同時修整后應各復原位，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 Φ 25mm 圓形區(qū)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 中國涂料在線 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(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，應減少磨擦輪與試樣間的負 荷或改用粒度較小的砂紙。