TABER 耐磨试验机对不同样品的耐磨性研究

发布时间:2017-09-18 | 阅读次数:1244

  1 引言

  运动产生摩擦, 机械设备的相对运动部件之间都存在摩擦。 由摩擦造成的非正常磨损,在影响人们生产活动的同时也造成了社会财富的巨大浪费, 因此对耐磨损机理、材料的耐磨性进行研究至关重要,耐磨损试验机是研究的关键设备。

  通常认为, 一次能源大约 1/3 是消耗于摩擦损失,约有 70% 的设备损坏是由各种形式的磨损而引起的。 磨擦学是交叉学科,融基础知识和应用技术于一体,是包括大家都熟悉的摩擦、 磨损、 润滑在内的一个宽广的科技领域。 它在工程上的应用包括:建筑、装备和产品的摩擦学设计,全生命周期中摩擦消耗和磨损控制,以及润滑技术措施的实施与新型润滑材料的研发。 摩擦学具有重要的经济价值,在建筑、装备和产品的设计中,重视和应用摩擦学前沿科技知识, 积极进行摩擦学设计, 可以提高建筑、装备和产品的性能、可靠性,降低运行费用,从而提高建筑、装备和产品在市场上的竞争力。

  利用摩擦磨损试验机进行摩擦学相关试验是最简单便捷的测试材料摩擦性能的方法。 与实际使用试验相比,试验机测试周期短、成本低,并且可以单独控制一些参数进行单项测试,灵活性也很好,所以在摩擦学研究领域,摩擦磨损试验机械被广泛应用于机械设计、 材料科学等领域进行材料磨损摩擦性能试验, 用来评定材料的耐磨性,此外,也可用于测定摩擦功率及材料摩擦系数等。 摩擦磨损试验机能够简单明了地演示摩擦磨损机理, 对于摩擦磨损的教学有很好的促进作用。 因此,摩擦磨损试验机也广泛应用于摩擦学的教学试验使用。

  2 TABER 耐磨试验机的使用及标准解读

  2.1 TABER 耐磨试验机的使用

  耐磨试验机的种类很多, 对其分类的方式也不相同。本文对 TABER 耐磨试验机的结构及原理加以介绍, 以期为研究人员进行耐磨损试验的设计和设备选型提供参考。

  TABER 耐磨试验机是一类用于做磨耗测试的试验机,它适用于布、纸、涂料、合板、皮革、地砖、玻璃、天然塑胶等。 测试方法为,回转试料顶着一对磨耗轮,并加以规定的负荷,试料旋转时带动磨耗轮,磨耗试料,磨耗损失重量为试验前后试料的重量差。 供选择的砂轮型号为:H18 、 H22 、 CS17 、 S32 、 S33 。 它的应用广泛,包括:旅行箱、地毯、纸板、衣物、玻璃、塑料涂层、瓷砖、金属镀层、油漆、清漆、装饰薄片、高压薄片、塑料、纺织品、弹性地板垫、交通漆、阳极氧化层、毛毯、电子部件、装饰板、蜡、标签、皮套、牙科材料、汽车内装饰物、树脂、家具等。

  2.1.1 TABER 耐磨试验机的组成

  TABER 耐磨试验机由三部分组成:

  ( 1 ) 砂轮压力臂

  双臂内侧安装磨轮,双臂外侧安装的是砝码,如图 1 所示, 这样的结构方式能适应此方法下的任何砝码和砂轮的更换。 本论文所阐述的 ASTM C1353-2009 使用的是 H-22 砂轮和 1000 g 的砝码。

图一

  ( 2 ) 旋转平台

  旋转平台,是用于放置及固定样品的平台,中间有一直径为 9 mm 的丝杆,钻好孔的样品穿过丝杆放置在旋转平台上,用一螺母固定拧进丝杆,固定样品如图 2 所示。旋转平台能根据设备设置的转动速度转动。

  ( 3 ) 控制平台及吸尘器

  控制平台主要控制设备旋转平台的转数和转速。 吸尘器将样品磨掉的粉末吸入粉尘收集罐子中。

  2.1.2 TABER 耐磨试验机的基本操作步骤

  将制备好的样品安装在旋转平台上,固定。 在砂轮压力臂内侧安装砂轮,在外侧安装所要求的砝码,并将其从竖直方向垂直倒下,让砂轮与样品接触。 开机设置平台旋转的次数和旋转的速度。启动旋转,并开启吸尘器。转动次数计数完毕后,抬起砂轮压力臂,并取下样品,用毛刷刷干净样品表面粉尘,试验完成,然后可再次安装下一个样品。

  2.2 标准 ASTM C1353-2009 意义及操作方法

  标准 ASTM C1353-2009 测试方法提供了一种方法来量化尺寸石材的耐磨性,可用于对比材料性能等级。 在试验室的 TABER 耐磨试验机上测量石材尺寸的耐磨损性能,可考虑的影响因素包括试验条件、样品与磨料之间的压力、 样品的安装或拉伸、 还有样品种类或材料的数量。 样品在测试过程中受到双头磨轮的摩擦,根据磨料的不同类型和样品, 磨轮表面也会因为测试样品或其他材料而发生变化。

  3 试验步骤

  3.1 样品制备及预处理

  选择样品,将样品切成 100 mm×100 mm 大小的正方形,清洗样品表面,在样品中心位置进行钻孔,钻出一个直径 10 mm 的通孔,放入 60±2℃ 的烘箱烘干 48 h 。

  取出样品,放于温度 22±3℃ 、湿度 45~55% 的环境内降温至常温,将凉置好的样品进行编号并初次称量,单位为 g ,精确到小数点后两位。 取出样品测量其体积比重。

  将 H-22 磨轮安装在耐磨机上, 安装前需用精确度 0.1 及以上的卡尺对磨轮进行测量,避免磨轮经过多次试验后磨轮磨损过大,影响试验结果,本标准要求磨轮直径不得低于 41.3 mm ,否则需更换磨轮。

  3.2 试验过程

  把制备好的样品安装上耐磨机的转盘上, 设定转速 72 r/min ,转数 1000 ,放下磨轮开始研磨。

  磨后取下样品,用毛刷刷净样品表面粉尘,用单位为 g 精确度小数点后两位的天平进行二次称重。将称量出来的两次重量和体积比重,带入公式计算样品耐磨指数。

  4 测试结果与分析

  石材作为一种高档建筑装饰材料广泛应用于室内外装饰设计、幕墙装饰和公共设施建设。 目前市场上常见的石材主要分为天然石和人造石。 使用三种类型的样品进行试验,测试它们的耐磨属性。 测试结果见表 1 ,表 2 。

耐磨计算公式

  其中 I W = 耐磨性指数, w 0 = 样品初始重量, w 1 =1000 转后的样品重量, ρ= 体积比重, n= 在测试中实际运行的转数。

各样品的重量差及耐磨指数

表 1 各样品的重量差及耐磨指数

  由表 1 和图 3 数据可以看出, 在石材中, 1 , 2 号天然石材比 3 号人造石材的磨损质量明显要少, 这说明 1 , 2 号天然石材耐磨性要比 3 号人造石材耐磨性好。 在磨损质量接近的 1 , 2 号天然石材中,由公式可知,同等磨损质量下, 体积密度高的 1 号天然石材比 2 号天然石材耐磨指数高。 在釉面地砖中, 4 , 5 , 6 号釉面砖的体积密度都较为接近,我们忽略其体积密度差异对耐磨指数的影响,三种不同颜色的釉面砖, 磨损质量分别为 0.23 、 0.23 、 0.22 ,计算出耐磨系数 Iw 为 379 、 375 、 394 ,磨损质量非常接近,耐磨系数也相差不大。

试验后样品形态

  选用 GB/T 3810.7-2006 《有釉砖表面耐磨性的测定》方法对上述几种砖进行试验; 由此可知 4 号样品试验结果为 1500 r ,级别为 3 级; 5 号样品为 2100 r ,级别为 4 级; 6 号样品试验结果为 750 r ,级别为 3 级; 4 、 5 、 6 号样品从转数和等级上都有区别 (相关标准见表 2 ), 因 GB/T 3810.7-2006 《有釉砖表面耐磨性的测定》的试验方法需人工进行观察, 人工观察除了主观因素, 还受瓷砖颜色影响, 表面与底坯越接近, 越难观察出磨后的磨损效果。 ASTM C1353-2009 《石材耐磨性 - 旋转平台,双头磨轮》主要以磨耗判断样品 4 、 5 、 6 的磨损量和耐磨指数, 结果都非常接近, 从而使结果更为客观。 但是必须注意一个问题,釉面砖是以底坯和釉层组合而成,理论上釉层和底坯的硬度有区别,如果釉面砖吸水率低于 0.5% ,底坯的硬度与釉面硬度会较为接近, 但如果使用高吸水率的瓷片进行试验,表面釉层磨穿后磨到底坯,则试验结果数据就会大大出现偏离。 所以在使用磨耗对不同吸水率系数的釉面砖判断其耐磨性试验中,应注意磨轮重量及旋转数量,保证其不会磨穿釉面,对试验结果造成影响。

表 2 有釉砖样品表面耐磨性的测定

表 2 有釉砖样品表面耐磨性的测定

  从抛光砖 7 、 8 、 9 、 10 号的试验结果,可以看出, 它们体积密度接近, 10 号条纹砖的磨损质量最小,其耐磨性较好,其余几种抛光砖耐磨系数接近。 我们再和 GB/T 3810.6-2006 《无釉砖耐磨深度的测定》进行比较,样品 7 、 8 、 9 、 10 干压砖,耐磨深度介乎于 133 mm 3 ~136 mm 3 , 4 个样品区别不大。 样品 11 挤压砖, 耐磨深度为 188 mm 3 。

  GB/T 3810.6-2006 《无釉砖耐磨深度的测定》是以磨轮磨损后的磨坑弦长为依据进行判断, 虽在测量弦长的时候会引入主观因素,但与釉面砖耐磨深度相比,影响较小。通过上表和耐磨深度进行比较,发现 7 、 8 、 9 、 10 的耐磨系数和耐磨深度差别不大,属于同一水平。 样品 11 挤压砖的耐磨深度大,耐磨性差,耐磨指数较低。

  5 结语

  从上述试验中得知,市场上各类样品符合标准 ASTM C1353-2009 《石材耐磨性 - 旋转平台, 双头磨轮》及 TABER 耐 磨 试 验 机 下 的 耐 磨 系 数 , 并 且 标 准 ASTM C1353-2009 《石材耐磨性 - 旋转平台,双头磨轮》有其独到性,将其与国内标准 GB/T 3810.7-2006 《有釉砖表面耐磨性的测定》联合使用,能更为客观地通过数据反映样品的釉面砖耐磨性,将其与国内标准 GB/T 3810.6-2006 《无釉砖耐磨深度的测定》联合使用,能清晰地得出不同样品的相关关系。 笔者认为,使用 ASTM C1353-2009 《石材耐磨性 - 旋转平台,双头磨轮》的方法能更好地对砖的耐磨性进行测试。