球壓試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證計(jì)劃技術(shù)探討

肖斌濤

（珠海格力電器股份有限公司香洲分公司 珠海 519070）

引言

現(xiàn)在電器產(chǎn)品使用的大量非金屬絕緣材料大多為各種經(jīng)過(guò)改性的塑料材料，這些材料的機(jī)械物理性能受溫度影響很大，尤其是帶電件由于回路電流而發(fā)熱產(chǎn)生高溫，作為支撐帶電件的熱塑性塑料在高溫環(huán)境下會(huì)逐漸變軟、熔融、機(jī)械強(qiáng)度下降，這些變化會(huì)使電器部件的爬電距離和電氣間隙也產(chǎn)生變化，導(dǎo)致電氣強(qiáng)度降低，絕緣電阻下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電器短路甚至火災(zāi)事故的發(fā)生。出于安全方面的考慮，電工電子產(chǎn)品相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的非金屬材料制成的外部零件、用來(lái)支撐帶電部件（包括連接）的絕緣材料零件以及提供附加絕緣或加強(qiáng)絕緣的熱塑材料零件應(yīng)充分耐熱。非正常熱球壓試驗(yàn)作為許多產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)中考核非金屬材料耐熱性的重要試驗(yàn)方法被一再引用。因此，正確地進(jìn)行球壓試驗(yàn)，根據(jù)材料的耐熱性正確篩選合適的非金屬材料，確保設(shè)計(jì)的產(chǎn)品和選用的材料滿(mǎn)足安全要求也就變得非常重要。

能力驗(yàn)證[1]是利用實(shí)驗(yàn)室間的比對(duì)，按照預(yù)先制定的準(zhǔn)則評(píng)價(jià)參加者能力的一項(xiàng)活動(dòng)。ISO/IEC 17025:2017第7.7.2條規(guī)定：實(shí)驗(yàn)室應(yīng)盡可能參加能力驗(yàn)證以監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室水平。CNAS-RL02:2018《能力驗(yàn)證規(guī)則》規(guī)定了申請(qǐng)認(rèn)可和獲準(zhǔn)認(rèn)可的合格評(píng)定機(jī)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足的要求，包括領(lǐng)域的頻次要求和出現(xiàn)不滿(mǎn)意結(jié)果時(shí)的要求，且規(guī)則內(nèi)容為強(qiáng)制性要求。

本文圍繞已實(shí)施完成的球壓試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證計(jì)劃展開(kāi)技術(shù)探討，旨在進(jìn)一步分析球壓試驗(yàn)的影響因素及該測(cè)試項(xiàng)目的注意事項(xiàng)，希望通過(guò)本次技術(shù)探討，對(duì)提高該行業(yè)實(shí)驗(yàn)室的整體水平有所幫助。

1 球壓試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證計(jì)劃試驗(yàn)方法及要求

1）球壓試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證計(jì)劃依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 5169.21-2017[2]，要求直徑為5±0.05 mm的壓力球，在樣品上施加一個(gè)相當(dāng)于20N±0.2N負(fù)載的向下作用力，在規(guī)定的溫度下保持600+2min，取出樣品后在20±5 ℃的水中保持6±2 min，然后從水中取出擦去表面水份，3 min內(nèi)完成壓痕直徑測(cè)量。

2）樣品為塑料圓形試樣，直徑50 mm，厚度4 mm，要求在樣品中心區(qū)域進(jìn)行125 ℃球壓試驗(yàn)后，測(cè)量樣品的最大壓痕直徑。

2 球壓試驗(yàn)的主要影響因素

2.1 球壓試驗(yàn)裝置

GB/T 5169.21-2017規(guī)定“負(fù)載裝置由一個(gè)直徑為5±0.05 mm的壓力球（符合ISO 3290-1的滾動(dòng)軸承成品鋼球）連接到砝碼系統(tǒng)中構(gòu)成，其被設(shè)計(jì)成可施加一個(gè)垂直向下的力，包含壓力球的質(zhì)量相當(dāng)于20±0.2 N的負(fù)載”，球壓試驗(yàn)裝置如下圖1所示。

圖1 負(fù)載裝置

關(guān)于負(fù)載裝置，還需注意以下要點(diǎn)：①試驗(yàn)前應(yīng)核查壓力球表面是否保持圓滑，如有磨損，壓力球和樣品表面的接觸面積發(fā)生變化，從而影響在樣品表面的作用力，最終試驗(yàn)結(jié)果發(fā)生偏離；②樣品支座應(yīng)為光滑的剛性水平支撐面，有足夠的支撐強(qiáng)度，質(zhì)量應(yīng)足夠大，從而確保短時(shí)間打開(kāi)烘箱門(mén)溫度下降不明顯。

2.2 烘箱

試驗(yàn)溫度是影響球壓試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù)，會(huì)直接影響樣品壓痕直徑的大小。GB/T 5169.21-2017規(guī)定“烘箱應(yīng)是單室烘箱，溫度偏差不超過(guò)±2℃；恒溫后放入樣品，烘箱能在5 min內(nèi)恢復(fù)至設(shè)定溫度的±2 ℃內(nèi)，且溫度過(guò)沖不超過(guò)5 ℃?！?/p>

實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行球壓試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證計(jì)劃前應(yīng)要進(jìn)行烘箱溫度恢復(fù)能力測(cè)試，建議方法：①將試樣支座放入烘箱，設(shè)定烘箱溫度至125 ℃，啟動(dòng)烘箱運(yùn)行過(guò)夜，使試樣支座與烘箱空氣溫度平衡后，測(cè)量試樣支座溫度和支座后面距離支座50 mm處的烘箱空氣溫度，記錄溫度值；②打開(kāi)烘箱門(mén)30 s，然后關(guān)上烘箱門(mén)。記錄第5 min時(shí)試樣支座的溫度及支座后面的烘箱空氣溫度；記錄試樣支座溫度及支座后面的烘箱空氣溫度恢復(fù)為烘箱門(mén)打開(kāi)前溫度期間的最高溫度。

實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行球壓試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)選擇的烘箱進(jìn)行核查確認(rèn)，如果烘箱的溫度偏差和/或溫度恢復(fù)能力不符合上述標(biāo)準(zhǔn)的要求，就會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。如在低于設(shè)定溫度下進(jìn)行球壓試驗(yàn)，所得到的球壓壓痕直徑會(huì)比實(shí)際尺寸小，反之則偏大。同樣，溫度過(guò)沖太大，會(huì)導(dǎo)致樣品短時(shí)間經(jīng)受高溫考驗(yàn)，特別是對(duì)試驗(yàn)溫度處于材料臨界溫度的測(cè)試，結(jié)果可能出現(xiàn)較大的偏離。

測(cè)試中，樣品應(yīng)放置在支座的大致中間的位置，壓力球應(yīng)輕輕的放置在樣品的中心區(qū)域。打開(kāi)烘箱門(mén)放入樣品應(yīng)盡可能在短的時(shí)間內(nèi)完成（注：放置樣品過(guò)程應(yīng)該先求穩(wěn)，再求快；平穩(wěn)和快速的放置可以通過(guò)重復(fù)練習(xí)該過(guò)程實(shí)現(xiàn)），從而避免試驗(yàn)溫度下降過(guò)多，確保試驗(yàn)箱在5 min內(nèi)恢復(fù)到指定的試驗(yàn)溫度，使樣品在規(guī)定的試驗(yàn)溫度中進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 測(cè)量

2.3.1 測(cè)量裝置

GB/T 5169.21-2017規(guī)定“光學(xué)測(cè)量裝置應(yīng)有至少10倍的光學(xué)放大倍率，并與經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的分辨率不超過(guò)0.1 mm的網(wǎng)格或十字線測(cè)量臺(tái)一起使用。照明裝置可用于照亮施加過(guò)壓力球的表面?！?常用的壓痕直徑測(cè)量裝置有顯微鏡、二次元影像測(cè)量?jī)x、刻度放大鏡等，不同的測(cè)量裝置分辨率及精度不盡相同，但都應(yīng)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。本次球壓試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證計(jì)劃共有6家實(shí)驗(yàn)室使用了不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)量裝置測(cè)量壓痕直徑，其中4家實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果發(fā)生偏離，獲得了不滿(mǎn)意結(jié)果，占比66.7 %。對(duì)此6家實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)后樣品進(jìn)行復(fù)核，復(fù)核結(jié)果都在滿(mǎn)意范圍內(nèi)，具體情況見(jiàn)表1。因此，試驗(yàn)人員在進(jìn)行試驗(yàn)前應(yīng)仔細(xì)研讀標(biāo)準(zhǔn)條款，確認(rèn)設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)滿(mǎn)足要求，試驗(yàn)期間應(yīng)使用滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)量裝置。

表1 不滿(mǎn)意實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果復(fù)核情況表

2.3.2 壓痕直徑測(cè)量

GB/T 5169.21-2017規(guī)定“尺寸d是能測(cè)量出從壓痕的一邊清晰邊界到另一邊清晰邊界之間的最大距離”（如圖2）。

圖2 壓痕直徑d的測(cè)量

壓痕邊界的判定是影響測(cè)量結(jié)果的一個(gè)重要因素，為得到清晰的壓痕邊界，可通過(guò)在樣品表面涂上比對(duì)色以清晰壓痕邊界，以便精確測(cè)量出壓痕直徑“d”。球壓試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證計(jì)劃不滿(mǎn)意實(shí)驗(yàn)室中就有2家（代碼05、40）因?yàn)閴汉圻吔绲呐卸ㄥe(cuò)誤導(dǎo)致了測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重偏離。它們?cè)跍y(cè)量過(guò)程中采取了如圖3、圖5所示的測(cè)量方式，錯(cuò)誤的將反光光圈邊緣判斷為了壓痕邊界，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重偏離。

05試驗(yàn)樣品復(fù)核情況（見(jiàn)圖3、4）。

圖3 d=1.23 mm（錯(cuò)誤）

圖4 d=1.72 mm（正確）

圖5 d=1.14 mm（錯(cuò)誤）

40試驗(yàn)樣品復(fù)核情況（見(jiàn)圖5、6）。

圖6 d=1.75 mm（正確）

3 球壓試驗(yàn)應(yīng)關(guān)注的技術(shù)要點(diǎn)

1）試驗(yàn)前對(duì)烘箱進(jìn)行核查確認(rèn)，確保烘箱的溫度偏差/溫度恢復(fù)能力符合標(biāo)準(zhǔn)的要求；

2）樣品應(yīng)放置在支座的大致中間的位置，壓力球應(yīng)輕輕的放置在樣品的中心區(qū)域。打開(kāi)烘箱門(mén)放入樣品應(yīng)盡可能在短的時(shí)間內(nèi)完成，不超過(guò)30 s；

3）壓力球施加在樣品的時(shí)間、樣品從烘箱取出后浸入水中的保持時(shí)間應(yīng)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的要求；

4）為得到清晰的壓痕邊界，可在試樣表面涂上比對(duì)色；

5）測(cè)量裝置應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，測(cè)量壓痕直徑過(guò)程中在壓痕的區(qū)域內(nèi)會(huì)有一些高亮顯示的小圓環(huán)，但這些并不是壓痕的邊界，而是反光光圈。

4 結(jié)論

本文根據(jù)組織實(shí)施的球壓試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證計(jì)劃，通過(guò)分析參加實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)及試驗(yàn)過(guò)程調(diào)查結(jié)果，結(jié)合GB/T 5169.21-2017/IEC 60695-10-2:2014標(biāo)準(zhǔn)的要求，詳細(xì)分析了球壓試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)烘箱、壓痕直徑的測(cè)量等影響球壓試驗(yàn)結(jié)果的因素，為實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行球壓試驗(yàn)提供參考，確保實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)能力的提升。