無釉磚耐磨性能測定儀的試驗原理及測量結果的分析研究

薛金，郭貴勇

（福建省計量科學研究院，福建 福州 350003）

0 引言

陶瓷磚是由粘土、長石和石英為主要原料制造的用于覆蓋墻面和地面的板狀或塊狀建筑陶瓷制品，根據(jù)國家標準GB/T 4100-2015《陶瓷磚》，陶瓷磚按照成型方法可分為擠壓成型陶瓷磚和干壓成型陶瓷磚，目前市場上常用干壓陶瓷磚成型方法。陶瓷磚按表面性能分為無釉陶瓷磚和有釉陶瓷磚，耐磨性是陶瓷磚的一項重要性能指標。如果耐磨性不好，陶瓷磚在使用中表面容易出現(xiàn)劃痕、磨損，直接影響到陶瓷磚的裝飾效果和消費者的切身利益。本文以無釉磚耐磨性能測定儀為例，闡述了用其測定耐磨性的試驗原理，并根據(jù)其主要計量參數(shù)的校準結果，分析了其量值傳遞過程中的不確定度評定方法。

1 無釉磚耐磨性試驗方法原理

1.1 試驗原理

無釉磚的耐磨性試驗方法的標準為GB/T 3810.6-2016《陶瓷磚試驗方法 第6部分無釉磚耐磨深度的測定》，其原理是在規(guī)定條件和有磨料情況下，通過摩擦鋼輪在無釉陶瓷磚的正面旋轉(zhuǎn)一定的轉(zhuǎn)數(shù)后，在磚表面產(chǎn)生磨坑，測量磨坑弦長并計算出磨損的體積來表示無釉磚的耐磨性。

1.2 試驗儀器

無釉磚耐磨性能測定儀主要包括一個摩擦鋼輪，一個帶有磨料給料裝置的貯料斗，一個試樣夾具和一個平衡錘。摩擦鋼輪是用符合ISO630-1鋼材制造的，直徑為200mm±0.2mm，邊緣厚度為10mm±0.1mm，轉(zhuǎn)速為75r/min。當摩擦鋼輪損耗至最初直徑的0.5%時，必須更換摩擦鋼輪。耐磨性具體試驗方法是將干凈、干燥的試樣固定在無釉磚耐磨性能測定儀的試樣夾具上，使試樣垂直于夾具底座與摩擦鋼輪正切，鋼輪以75r/min的速度轉(zhuǎn)動，將磨料按100g/100r±10g/100r的給入速度均勻加入，當鋼輪轉(zhuǎn)到150轉(zhuǎn)時，加入磨料質(zhì)量需為150g±15g，然后測量試樣表面的磨坑弦長并計算出磨損體積以表征其耐磨性。

2 無釉磚耐磨性能測定儀的不確定度評定

由于目前并未有無釉轉(zhuǎn)耐磨性能測定儀的國家或部門的檢定/校準規(guī)程，計量機構只能依據(jù)JJF 1071-2010《國家計量校準規(guī)范編寫規(guī)則》及其相關國家、行業(yè)標準來制定非標設備校準方法，來對其主要計量參數(shù)包括摩擦鋼輪的直徑、厚度、轉(zhuǎn)速和平衡錘重量進行校準，下面用電子數(shù)顯卡尺（量程：300mm，MPE：0.04mm）、高精度標準智能測速頻率計（不確定度為Urel=0.003%,k=3）、電子天平（量程：5000g，中準確度級）對摩擦鋼輪直徑和厚度、摩擦鋼輪轉(zhuǎn)速及平衡錘質(zhì)量分別測量三次，將所測得的具體數(shù)據(jù)為例，分別評定其不確定度。

2.1 摩擦鋼輪直徑的測量結果不確定度評定

2.1.1 測量模型及不確定度來源分析

（1）測量模型：

式中：D-摩擦鋼輪的直徑尺寸，mm；d-摩擦鋼輪的直徑測量值，mm。

（2）不確定度來源。摩擦鋼輪直徑的測量結果不確定度來源包括：摩擦鋼輪直徑測量重復性引入的標準不確定度u1(d)，用A類評定方法；電子數(shù)顯卡尺的準確度引入的標準不確定度u2(d)，用B類評定方法。

2.1.2 標準不確定度評定

（1）摩擦鋼輪直徑測量重復性引入的標準不確定度u1(d)。根據(jù)測量過程，在重復性條件下測量三次摩擦鋼輪直徑值，由于測量次數(shù)較少，采用極差法公式s(d)=（dmax-dmin)/1.69計算單次測量結果的實驗標準偏差，其標準不確定度，如表1所示：

表1 不確定度的A類評定Table 1 Type A evaluation of uncertainty

（2）電子數(shù)顯卡尺的準確度引入的標準不確定度u2(d)。電子數(shù)顯卡尺的最大允許誤差為±0.04mm，估計為均勻分布，其引入的標準不確定度為：

2.1.3 合成標準不確定度及擴展不確定度

（1）標準不確定度匯總表，見表2：

表2 不確定度分量一覽表Table 2 List of uncertainty components

（2）合成標準不確定度。標準不確定度匯總表根據(jù)不確定度傳播規(guī)律，合成標準不確定度計算公式為uc(d)2=u1(d)2+u2(d)2，摩擦鋼輪直徑測量結果的合成標準不確定度為

2.1.4 擴展不確定度

取包含因子k=2，擴展不確定度U=k?uc(d)=0.046mm，取0.05mm。

對摩擦鋼輪厚度的測量結果不確定度評定可參照上述方法，摩擦鋼輪厚度測量結果的擴展不確定度為U=0.05mm，k=2。

2.2 摩擦鋼輪轉(zhuǎn)速的測量結果不確定度評定

2.2.1 測量模型及不確定度來源分析

（1）測量模型：

式中：N-摩擦鋼輪的轉(zhuǎn)速值，r/min；n-摩擦鋼輪的轉(zhuǎn)速測量值，r/min。

（2）不確定度來源。摩擦鋼輪轉(zhuǎn)速的測量結果不確定度來源包括：摩擦鋼輪轉(zhuǎn)速測量重復性引入的標準不確定度u1(n)，用A類評定方法；高精度標準智能測速頻率計的準確度引入的標準不確定度u2(n)，用B類評定方法。

2.2.2 標準不確定度評定

（1）摩擦鋼輪轉(zhuǎn)速測量重復性引入的標準不確定度u1(n)。根據(jù)測量過程，在重復性條件下測量三次摩擦鋼輪轉(zhuǎn)速值，由于測量次數(shù)較少，采用極差法公式s(n)=（nmax-nmin)/1.69計算單次測量結果的實驗標準偏差，其標準不確定度，如表3所示：

表3 不確定度的A類評定Table 3 Type A evaluation of uncertainty

（2）高精度標準智能測速頻率計的準確度引入的標準不確定度u2(n)。高精度標準智能測速頻率計的擴展不確定度為Urel=0.003%,k=3，其引入的標準不確定度為：

2.2.3 合成標準不確定度及擴展不確定度

（1）標準不確定度匯總表，見表4：

表4 不確定度分量一覽表Table 4 List of uncertainty components

（2）合成標準不確定度。標準不確定度匯總表根據(jù)不確定度傳播規(guī)律，合成標準不確定度計算公式為uc(n)2=u1(n)2+u2(n)2，摩擦鋼輪轉(zhuǎn)速測量結果的合成標準不確定度為：

2.2.4 擴展不確定度

取包含因子k=2，擴展不確定度U=k?uc(n)=0.06r/min，取0.1r/min。

2.3 平衡錘質(zhì)量的測量結果不確定度評定

按照GB/T3810.6-2016《陶瓷磚試驗方法 第6部分 無釉磚耐磨深度的測定》的試驗步驟，做無釉陶瓷磚耐磨試驗時，必須進行壓力調(diào)校，用石英玻璃或浮法玻璃或其他適用的材料，經(jīng)過F80（ISO 8486-1）剛玉磨料150轉(zhuǎn)后，產(chǎn)生弦長為24mm±0.5mm的磨坑時，才能對試樣進行試驗。當其他試驗條件不變，單獨改變平衡錘的配重質(zhì)量，即可改變試樣產(chǎn)生的磨坑弦長，從而影響無釉陶瓷磚耐磨性的試驗結果。所以需要對無釉磚耐磨性能測定儀所配的平衡錘質(zhì)量進行校準，使其所配的平衡錘質(zhì)量能滿足無釉陶瓷磚耐磨性試驗的基本要求。

2.3.1 測量模型及不確定度來源分析

（1）測量模型：

式中：M-平衡錘的質(zhì)量值，g；m-平衡錘的質(zhì)量測量值，g。

（2）不確定度來源。平衡錘質(zhì)量的測量結果不確定度來源包括：平衡錘質(zhì)量測量重復性引入的標準不確定度u1(m)，用A類評定方法；電子天平的準確度引入的標準不確定度u2(m)，用B類評定方法。

2.3.2 標準不確定度評定

（1）平衡錘質(zhì)量測量重復性引入的標準不確定度u1(m)。根據(jù)測量過程，在重復性條件下測量三次平衡錘質(zhì)量值，由于測量次數(shù)較少，采用極差法公式s(m)=（mmax- mmin)/1.69計算單次測量結果的實驗標準偏差，其標準不確定度，如表5所示：

表5 不確定度的A類評定Table 5 Type A evaluation of uncertainty

（2）電子天平的準確度引入的標準不確定度u2(m)。電子天平在2.5kg左右稱量的最大允許誤差為±0.4g，估計為均勻分布，其引入的標準不確定度為：

2.3.3 合成標準不確定度及擴展不確定度

（1）標準不確定度匯總表，見表6：

表6 不確定度分量一覽表Table 6 List of uncertainty components

（2）合成標準不確定度。標準不確定度匯總表根據(jù)不確定度傳播規(guī)律，合成標準不確定度計算公式為uc(m)2=u1(m)2+u2(m)2，平衡錘質(zhì)量測量結果的合成標準不確定度為：

2.3.4 擴展不確定度

取包含因子k=2，擴展不確定度U=k?uc(m)=0.46g，取0.5g。

2.4 無釉磚耐磨性能測定儀各參數(shù)測量結果的不確定度如表7所示

表7 各參數(shù)測量結果的不確定度Table 7 Measurement uncertainty evaluation of various parameters

3 探討無機地面材料耐磨性能試驗設備的測量結果不確定度評定

有些無釉磚耐磨性能測定儀還具有檢測無機地面材料耐磨性能的條件，它通過更換摩擦鋼輪以及相應的平衡錘配重即可達到試驗的要求。混凝土、陶瓷、天然石材等無機地面材料的耐磨性能是依據(jù)GB/T 12988-2009《無機地面材料耐磨性能試驗方法》來進行試驗的，該試驗所要求配套的耐磨試驗機主要參數(shù)是摩擦鋼輪的材質(zhì)為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，摩擦鋼輪直徑為200mm±0.2mm，厚度為70mm±0.1mm，摩擦鋼輪的轉(zhuǎn)速為75r/min±5%，配重為14.00kg±0.01kg，當摩擦鋼輪直徑磨損至199.0mm時應更換。

校準該類耐磨試驗機與無釉磚耐磨性能測定儀時所采用的計量標準器具除了電子天平不同外，其余標準器具均相同，由于配重要求較高，所以采用量程為15kg，d=0.1g高準確度等級的電子天平進行校準，該電子天平在14kg左右稱量的最大允許誤差為1.0g，其引入的標準不確定度為u2(m)=α/k=0.58g（估計為均勻分部，k=（）,配重測量重復性較好，其引入的重復性不確定度可忽略不計，那么耐磨試驗機配重的測量結果擴展不確定度U=k?uc(m)=1.16g，取1.2g，其他參數(shù)測量結果的不確定度評定均可采用以上評定方法。

4 結論

本文通過介紹無釉陶瓷磚耐磨性能試驗的方法原理，表明該試驗所要求配套的耐磨試驗機的鋼輪直徑大小、磨料下料速度、摩擦鋼輪轉(zhuǎn)數(shù)及平衡錘配重大小均會影響到無釉陶瓷磚耐磨性結果的準確性，因此有必要對耐磨試驗機的各主要參數(shù)進行校準，通過舉例無釉磚耐磨性能測定儀所測得的校準數(shù)據(jù)，建立測量模型，分析不確定度來源，并給出各個參數(shù)的測量結果不確定度。本文還提出了與之相類似的無機地面材料耐磨性能試驗所配套的設備測量結果不確定度的評定方法，指出了二者的不同之處，并舉例對其不同參數(shù)范圍的測量結果進行不確定度評定。