TABER 耐磨試驗機對不同樣品的耐磨性研究

陸倩映 顧軒 何問慎 肖景紅

摘 要：本文介紹了TABER耐磨試驗機的使用，以及對不同的陶瓷磚、石材進(jìn)行測試分析研究，并對標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1353-2009上所要求的試驗方法選取多種常見的樣品進(jìn)行對比分析。

關(guān)鍵詞：TABER耐磨試驗機；陶瓷磚；石材；磨損

1 引言

運動產(chǎn)生摩擦，機械設(shè)備的相對運動部件之間都存在摩擦。由摩擦造成的非正常磨損，在影響人們生產(chǎn)活動的同時也造成了社會財富的巨大浪費，因此對耐磨損機理、材料的耐磨性進(jìn)行研究至關(guān)重要，耐磨損試驗機是研究的關(guān)鍵設(shè)備。

通常認(rèn)為，一次能源大約1/3是消耗于摩擦損失，約有70%的設(shè)備損壞是由各種形式的磨損而引起的。磨擦學(xué)是交叉學(xué)科，融基礎(chǔ)知識和應(yīng)用技術(shù)于一體，是包括大家都熟悉的摩擦、磨損、潤滑在內(nèi)的一個寬廣的科技領(lǐng)域。它在工程上的應(yīng)用包括：建筑、裝備和產(chǎn)品的摩擦學(xué)設(shè)計，全生命周期中摩擦消耗和磨損控制，以及潤滑技術(shù)措施的實施與新型潤滑材料的研發(fā)。摩擦學(xué)具有重要的經(jīng)濟價值，在建筑、裝備和產(chǎn)品的設(shè)計中，重視和應(yīng)用摩擦學(xué)前沿科技知識，積極進(jìn)行摩擦學(xué)設(shè)計，可以提高建筑、裝備和產(chǎn)品的性能、可靠性，降低運行費用，從而提高建筑、裝備和產(chǎn)品在市場上的競爭力。

利用摩擦磨損試驗機進(jìn)行摩擦學(xué)相關(guān)試驗是最簡單便捷的測試材料摩擦性能的方法。與實際使用試驗相比，試驗機測試周期短、成本低，并且可以單獨控制一些參數(shù)進(jìn)行單項測試，靈活性也很好，所以在摩擦學(xué)研究領(lǐng)域，摩擦磨損試驗機械被廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計、材料科學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)行材料磨損摩擦性能試驗，用來評定材料的耐磨性，此外，也可用于測定摩擦功率及材料摩擦系數(shù)等。摩擦磨損試驗機能夠簡單明了地演示摩擦磨損機理，對于摩擦磨損的教學(xué)有很好的促進(jìn)作用。因此，摩擦磨損試驗機也廣泛應(yīng)用于摩擦學(xué)的教學(xué)試驗使用。

2 TABER耐磨試驗機的使用及標(biāo)準(zhǔn)解讀

2.1 TABER耐磨試驗機的使用

耐磨試驗機的種類很多，對其分類的方式也不相同。本文對TABER耐磨試驗機的結(jié)構(gòu)及原理加以介紹，以期為研究人員進(jìn)行耐磨損試驗的設(shè)計和設(shè)備選型提供參考。

TABER耐磨試驗機是一類用于做磨耗測試的試驗機，它適用于布、紙、涂料、合板、皮革、地磚、玻璃、天然塑膠等。測試方法為，回轉(zhuǎn)試料頂著一對磨耗輪，并加以規(guī)定的負(fù)荷，試料旋轉(zhuǎn)時帶動磨耗輪，磨耗試料，磨耗損失重量為試驗前后試料的重量差。供選擇的砂輪型號為：H18、H22、CS17、S32、S33。它的應(yīng)用廣泛，包括：旅行箱、地毯、紙板、衣物、玻璃、塑料涂層、瓷磚、金屬鍍層、油漆、清漆、裝飾薄片、高壓薄片、塑料、紡織品、彈性地板墊、交通漆、陽極氧化層、毛毯、電子部件、裝飾板、蠟、標(biāo)簽、皮套、牙科材料、汽車內(nèi)裝飾物、樹脂、家具等。

2.1.1 TABER耐磨試驗機的組成

TABER耐磨試驗機由三部分組成：

（1） 砂輪壓力臂

雙臂內(nèi)側(cè)安裝磨輪，雙臂外側(cè)安裝的是砝碼，如圖1所示，這樣的結(jié)構(gòu)方式能適應(yīng)此方法下的任何砝碼和砂輪的更換。本論文所闡述的ASTM C1353-2009使用的是H-22砂輪和1000 g的砝碼。

（2） 旋轉(zhuǎn)平臺

旋轉(zhuǎn)平臺，是用于放置及固定樣品的平臺，中間有一直徑為9 mm的絲桿，鉆好孔的樣品穿過絲桿放置在旋轉(zhuǎn)平臺上，用一螺母固定擰進(jìn)絲桿，固定樣品如圖2所示。旋轉(zhuǎn)平臺能根據(jù)設(shè)備設(shè)置的轉(zhuǎn)動速度轉(zhuǎn)動。

（3） 控制平臺及吸塵器

控制平臺主要控制設(shè)備旋轉(zhuǎn)平臺的轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)速。吸塵器將樣品磨掉的粉末吸入粉塵收集罐子中。

2.1.2 TABER耐磨試驗機的基本操作步驟

將制備好的樣品安裝在旋轉(zhuǎn)平臺上，固定。在砂輪壓力臂內(nèi)側(cè)安裝砂輪，在外側(cè)安裝所要求的砝碼，并將其從豎直方向垂直倒下，讓砂輪與樣品接觸。開機設(shè)置平臺旋轉(zhuǎn)的次數(shù)和旋轉(zhuǎn)的速度。啟動旋轉(zhuǎn)，并開啟吸塵器。轉(zhuǎn)動次數(shù)計數(shù)完畢后，抬起砂輪壓力臂，并取下樣品，用毛刷刷干凈樣品表面粉塵，試驗完成，然后可再次安裝下一個樣品。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1353-2009意義及操作方法

標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1353-2009測試方法提供了一種方法來量化尺寸石材的耐磨性，可用于對比材料性能等級。在試驗室的TABER耐磨試驗機上測量石材尺寸的耐磨損性能，可考慮的影響因素包括試驗條件、樣品與磨料之間的壓力、樣品的安裝或拉伸、還有樣品種類或材料的數(shù)量。樣品在測試過程中受到雙頭磨輪的摩擦，根據(jù)磨料的不同類型和樣品，磨輪表面也會因為測試樣品或其他材料而發(fā)生變化。

3 試驗步驟

3.1 樣品制備及預(yù)處理

選擇樣品，將樣品切成100 mm×100 mm大小的正方形，清洗樣品表面，在樣品中心位置進(jìn)行鉆孔，鉆出一個直徑10 mm的通孔，放入60±2℃的烘箱烘干48 h。

取出樣品，放于溫度22±3℃、濕度45～55%的環(huán)境內(nèi)降溫至常溫，將涼置好的樣品進(jìn)行編號并初次稱量，單位為g，精確到小數(shù)點后兩位。取出樣品測量其體積比重。

將H-22磨輪安裝在耐磨機上，安裝前需用精確度0.1及以上的卡尺對磨輪進(jìn)行測量，避免磨輪經(jīng)過多次試驗后磨輪磨損過大，影響試驗結(jié)果，本標(biāo)準(zhǔn)要求磨輪直徑不得低于41.3 mm，否則需更換磨輪。

3.2 試驗過程

把制備好的樣品安裝上耐磨機的轉(zhuǎn)盤上，設(shè)定轉(zhuǎn)速72 r/min，轉(zhuǎn)數(shù)1000，放下磨輪開始研磨。

磨后取下樣品，用毛刷刷凈樣品表面粉塵，用單位為g精確度小數(shù)點后兩位的天平進(jìn)行二次稱重。將稱量出來的兩次重量和體積比重，帶入公式計算樣品耐磨指數(shù)。

4 測試結(jié)果與分析

石材作為一種高檔建筑裝飾材料廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外裝飾設(shè)計、幕墻裝飾和公共設(shè)施建設(shè)。目前市場上常見的石材主要分為天然石和人造石。使用三種類型的樣品進(jìn)行試驗，測試它們的耐磨屬性。測試結(jié)果見表1，表2。

其中IW=耐磨性指數(shù)，w0=樣品初始重量，w1=1000轉(zhuǎn)后的樣品重量，ρ=體積比重，n=在測試中實際運行的轉(zhuǎn)數(shù)。

由表1和圖3數(shù)據(jù)可以看出，在石材中，1，2號天然石材比3號人造石材的磨損質(zhì)量明顯要少，這說明1，2號天然石材耐磨性要比3號人造石材耐磨性好。在磨損質(zhì)量接近的1，2號天然石材中，由公式可知，同等磨損質(zhì)量下，體積密度高的1號天然石材比2號天然石材耐磨指數(shù)高。在釉面地磚中，4，5，6號釉面磚的體積密度都較為接近，我們忽略其體積密度差異對耐磨指數(shù)的影響，三種不同顏色的釉面磚，磨損質(zhì)量分別為0.23、0.23、0.22，計算出耐磨系數(shù)Iw為379、375、394，磨損質(zhì)量非常接近，耐磨系數(shù)也相差不大。

選用GB/T 3810.7-2006《有釉磚表面耐磨性的測定》方法對上述幾種磚進(jìn)行試驗；由此可知4號樣品試驗結(jié)果為1500 r，級別為3級；5號樣品為2100 r，級別為4級；6號樣品試驗結(jié)果為750 r，級別為3級；4、5、6號樣品從轉(zhuǎn)數(shù)和等級上都有區(qū)別（相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表2），因GB/T 3810.7-2006《有釉磚表面耐磨性的測定》的試驗方法需人工進(jìn)行觀察，人工觀察除了主觀因素，還受瓷磚顏色影響，表面與底坯越接近，越難觀察出磨后的磨損效果。ASTM C1353-2009《石材耐磨性-旋轉(zhuǎn)平臺，雙頭磨輪》主要以磨耗判斷樣品4、5、6的磨損量和耐磨指數(shù)，結(jié)果都非常接近，從而使結(jié)果更為客觀。但是必須注意一個問題，釉面磚是以底坯和釉層組合而成，理論上釉層和底坯的硬度有區(qū)別，如果釉面磚吸水率低于0.5%，底坯的硬度與釉面硬度會較為接近，但如果使用高吸水率的瓷片進(jìn)行試驗，表面釉層磨穿后磨到底坯，則試驗結(jié)果數(shù)據(jù)就會大大出現(xiàn)偏離。所以在使用磨耗對不同吸水率系數(shù)的釉面磚判斷其耐磨性試驗中，應(yīng)注意磨輪重量及旋轉(zhuǎn)數(shù)量，保證其不會磨穿釉面，對試驗結(jié)果造成影響。

從拋光磚7、8、9、10號的試驗結(jié)果，可以看出，它們體積密度接近，10號條紋磚的磨損質(zhì)量最小，其耐磨性較好，其余幾種拋光磚耐磨系數(shù)接近。我們再和GB/T 3810.6-2006《無釉磚耐磨深度的測定》進(jìn)行比較，樣品7、8、9、10干壓磚，耐磨深度介乎于133 mm3～136 mm3，4個樣品區(qū)別不大。樣品11擠壓磚，耐磨深度為188 mm3。

GB/T 3810.6-2006《無釉磚耐磨深度的測定》是以磨輪磨損后的磨坑弦長為依據(jù)進(jìn)行判斷，雖在測量弦長的時候會引入主觀因素，但與釉面磚耐磨深度相比，影響較小。通過上表和耐磨深度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)7、8、9、10的耐磨系數(shù)和耐磨深度差別不大，屬于同一水平。樣品11擠壓磚的耐磨深度大，耐磨性差，耐磨指數(shù)較低。

5 結(jié)語

從上述試驗中得知，市場上各類樣品符合標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1353-2009《石材耐磨性-旋轉(zhuǎn)平臺，雙頭磨輪》及TABER耐磨試驗機下的耐磨系數(shù)，并且標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1353-2009《石材耐磨性-旋轉(zhuǎn)平臺，雙頭磨輪》有其獨到性，將其與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3810.7-2006《有釉磚表面耐磨性的測定》聯(lián)合使用，能更為客觀地通過數(shù)據(jù)反映樣品的釉面磚耐磨性，將其與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3810.6-2006《無釉磚耐磨深度的測定》聯(lián)合使用，能清晰地得出不同樣品的相關(guān)關(guān)系。筆者認(rèn)為，使用ASTM C1353-2009《石材耐磨性-旋轉(zhuǎn)平臺，雙頭磨輪》的方法能更好地對磚的耐磨性進(jìn)行測試。

參考文獻(xiàn)

[1] ASTM C1353-2009 Abrasion Resistance of Dimension Stone Subjected to Foot Traffic Using a Rotary Platform， Double-Head Abraser[S].

[2] GB 3810.7-2006有釉磚表面耐磨性的測定[S].

[3] GB 3810.6-2006無釉磚耐磨深度的測定[S].

[4] TABER耐磨擦試驗機說明書[Z].