建筑铝合金型材的耐磨性是反映型材的抗摩擦、耐磨损能力的重要技术参数。通常铝合金型材外面有一层保护膜或涂层,耐磨性主要是涂层对摩擦机械作用的抵抗能力。它实际上是涂层的硬度、附着力和内聚力综合效应的体现,直接影响到铝型材的使用寿命。耐磨性可用磨耗量或耐磨指数表示,通常可使用耐磨试验仪来测定。对于建筑铝合金型材而言,国内外常用的耐磨性测定方法包括落砂试验法、喷砂试验仪法、轮磨试验仪法以及 Taber试验法等,了解各种方法的特点及其所采用的标准异同对实际工作有重要意义,因此笔者对该四种方法进行了介绍和比较。
一、落砂试验法
落砂试验法是GB5237-2008[1]中规定的铝型材耐磨性测定方法,其原理是用规定的磨料在一定高度自由落下,直至磨穿试样表面2mm左右,用落下磨料的质量或体积来评定型材的耐磨性。对于阳极氧化型材,GB5237-2008中规定其落砂试验磨耗系数不小于300g/μm;对于电泳涂漆型材,GB5237-2008规定磨穿 A 级电泳膜所需的磨料质量应不小于3300g;对于氟碳涂层型材,GB5237-2008规定其落砂试验磨耗系数不小于1.6L/μm。
不同表面处理方式的建筑铝合金型材,用落砂试验法评定耐磨性的原理都相同,但各自所用的仪器、评定方法和参考标准略有差别。对于阳极氧化型材和电泳涂漆型材,GB5237-2008中采用的喷砂试验方法与JISH8682-3-1999[2]中规定的方法相同,所用的仪器均由漏斗、导管以及试样支架组成,漏斗内径为70mm,内角为60°,漏 斗 底 部 内 侧 直 径 为 5 mm,导 管 长 度 为970mm,直径为20mm,底部距试样板的小距离为30mm,试样台的倾斜角度为45°。磨料都选用了粒度为F80的黑色碳化硅。二者不同之处在于,JISH8682-3-1999规定对于试验终点的判定,除了可以采用目视法外,还可以采用导通法来判断,即电阻值小于5000Ω,代表已经露出基体。对于氟碳涂层型材而言,GB5237-2008与ASTMD968-2001[3]所规定的仪器大致相同,同样由漏斗、导管和试样支架组成。漏斗内角为60°,试样支架倾斜角度为45°,导管内径为19mm,外径为22mm,导 管 到 试 样 表 面 近 点 的 垂 直 距 离 为25mm。试验终点的判定也都是以露出4mm 的基材为准,并以单位涂层厚度所用的砂量来表示试验结果。但在具体操作参数上二者略有差别,在磨料的选择上,ASTMD968-2001使用的是石英砂,并要求21.0~23.5s内流完2L砂子。而GB5237-2008使 用 的 则 是 水 泥 强 度 用 标 准 砂,并 要 求16~18s内流完 2L 砂子。此外 ASTM D968-2001要求试样在使用前进行状态调节,而 GB5237-2008则无此要求。
落砂试验法操作比较简单,但试验耗时比较长,而且试验结果重现性差,并且磨料对试验结果有显著影响。这是因为从不同来源得到的磨料,即使满足粒度要求,但其磨料粒子形态特点存在差异,产生磨损的效果也会有所不同。因此,为了使试验结果有对比性,试验各方应尽量使用同一来源的磨料,并且在使用之前应进行粗筛和干燥。
二、喷砂试验仪法
喷砂试验仪法是利用干燥的空气流或惰性气体将干燥的碳化硅颗粒喷射在铝型材一个小的检验区上,一直到裸露出金属基体为止。铝型材的平均耐磨性可用喷磨时间或所用的碳化硅质量来表示。建筑铝合金型材喷砂试验所遵循的相关标准有GB/T12967.1-2008,ISO8252-1987,EN12373-10:1998和JISH8682-2:1999[4-7],这几个标准均以ISO8252-1987为基础。喷砂试验仪可由玻璃、黄铜、不锈钢或其他的硬质材料制成。它主要由两个管子组成,管子之间为同轴固定。外管与净化干燥的压缩空气或惰性气体发生器相通,所供气体由控制阀控制流速。干燥磨料通过内管在出口端与空气混合后,直接喷射在试样的表面上。对于喷磨试验仪的结构没有严格的规定,只要求在连续多次的试验中应有较好的重现性,并且测量准确。在各国标准中所推荐的仪器也大致相同,仅有细微的差别。如在JISH8682-2:1999中规定喷砂管的直径为3mm,而其他三个标准规定都为2mm。另外,各个标准中对磨料的粒度的规定也有所不同。喷砂试验法耗时短,并且试验结果是以试样的测试结果和标样的测试结果进行比较后获得的相对值给出的,因而试验结果具有一定的重现性。对于喷磨试验而言,气源输出压力的稳定和磨料的均匀喷速是影响试验结果的主要因素。同时,磨料在使用之前必须干燥,否则会对试验结果产生较大的影响。此外,由于喷嘴在使用过程会发生磨损,所以要及时更换。
三、轮磨试验仪法
轮式磨损试验仪法简称轮磨试验仪法,又称平面磨耗试验法,其原理是在规定的试验条件下,使试样与摩擦轮外缘上的研磨砂纸作平面往复运动,每完成一次往复运动后,研磨轮就转过一个小角度,带来一个未使用过的研磨砂纸部位,这个新的纸带部位继续与试验区域相接触,继续进行研磨。耐磨性是以若干次研磨后,试样厚度或试样质量的减少来表示。
对轮式磨损试验仪的要求是:研磨轮的直径为50mm,外缘宽度为12.0mm。并且一次往复运动后,轮子恰好转动0.9°;传动装置使往复运动的相对速度在40次/min时,磨痕的长度在30mm 的范围内;加载装置应使轮子和样品之间的力可调,且试验时接触力应在加载装置的量程范围内,保证精度能达到±0.05N;计数器能准确记录往复运动的次数,当达到预定的往复运动次数后能自动停机。建筑铝合金型材轮磨试验所遵循的相关标准有GB/T12967.2-2008,ISO8251-1987,EN12373-9:1998和JISH8682-1:1999[8-11],这几个标准均以ISO8251-1987为基础。但在JISH8682-1:1999和新修订的 GB/T12967.2-2008中都加入了对于硬质阳极氧化膜的试验条件,并规定了硬质阳极氧化膜标准试样的制备方法。轮式磨损试验仪法适用于表面较平的试样,并且由于试验条件易于控制,没有磨轮修整、老化以及控制砂流速度等问题,因而试验结果的重复性较好,但需要更换研磨砂纸。
四、犜犪犫犲狉试验法
Taber磨耗试验仪产生于1930年,主要用于磨耗承变力的测试。经过多年的改进和发展,Taber磨耗试验仪在许多场合得到了应用,并逐渐成为一种工业标准试验仪。Taber磨耗试验仪主要由夹试样的转盘、摩擦转轮和加载装置三部分组成。在进行测试时,将样品固定于转动的转盘上,使之在一定的压力下,承受两个转轮的摩擦。转轮由试样转盘转动带动,配置在转盘右侧的转轮从试样中心向外摩擦,左侧的转轮与此相反,从外向试样中心摩擦。因为在转盘转动中连续进行摩擦,从而在试样上形成了Taber磨耗试验仪所特有的 X型摩擦,耐磨性以试验前后试样的质量差来表示。
建筑铝合金型材的 Taber试验标准可参照ASTMD4060[12]执行。选用的是含磨耗粒子的CS10或CS?17弹性橡胶磨轮,结果可用磨耗损失质量、磨耗指数或单位磨损厚度的循环次数来表示。此外,在我国GB/T1768-2006[13]标准中规定的旋转橡胶砂轮法也属于 Taber试验的范畴,其中规定采用 TaberCS?10F,CS?10,CS?17或与特定的磨耗作用相当的橡胶砂轮来摩擦试样,耐磨性是以经过规定次数的摩擦循环后试样的质量损耗来表示,或以磨去某一厚度涂层所需要的循环次数来表示。二者相比较,质量损耗法对试样的称重精度要求严格,但不受涂层厚薄的影响;而循环次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严格。
五、结语
建筑铝合金型材的耐磨性可用多种方法来评价,GB5237-2008中对阳极氧化型材、电泳涂漆型材和氟碳涂层型材有耐磨性的要求,所规定的试验方法是落砂试验法,但我国目前没有专用的落砂试验方法标准,且落砂试验工作量大,耗费时间长,试验用砂对结果也有很大的影响,结果的重现性也不能保证。喷砂试验仪法、轮磨试验仪法及 Taber试验法等耐磨性试验方法在铝型材耐磨性实践中应用得还比较少,需要在今后的工作中进一步积累数据,以建立合适的判别依据。
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