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鋁合金硬陽極化膜的耐磨試驗
1 引言
鋁合金硬陽極化膜, 以膜的硬度和耐磨性作為其主要 特性。 和普通陽極化膜相比, 硬陽極 化膜通常是更厚、 更致密。它們主要應用于工程上一些需要非常耐磨表面的零件, 如象活塞, 汽缸和液壓裝置等 , 所以膜層的耐磨性能是硬陽極化膜的首要檢驗項目。盡管有各種各樣的耐磨試驗方法, 但到目前為止, zui為流行和被國際社會普遍接受的是下述三種方法, 即輪式磨損試驗法, 噴磨試驗法和和 T aber 耐磨試驗法。前兩者已經(jīng)分別列為國際標準和我國標準, Taber 耐磨試驗雖然尚未列為國際標準, 但在美國仍占統(tǒng)治地位 ,并且在宇航工業(yè)中被普遍采用。耐磨試驗機
2 輪式磨損試驗法
Erichsen 耐磨試驗機[ 1] 的原理是采用碳化硅的砂紙帶作為磨蝕介質(zhì)。該方法設計成讓砂紙每一部分只用一次。它是將這種砂紙帶固定在磨輪的周邊上, 然后讓磨輪上的砂紙帶在一定的載荷下與被試表面接觸, 讓試樣與磨輪作相對往返運動, 但每一次往返行程之后, 磨輪就向前轉(zhuǎn)動一角度, 讓砂紙的新的部位發(fā)揮作用。 這樣就保證了試片總是與新的砂紙面相接觸。 每往返 400次, 磨輪正好轉(zhuǎn)一周 ( 每次轉(zhuǎn)0. 9度) , 恰好一條砂紙帶用完, 繼續(xù)試驗就要更換一條新的砂紙帶 。耐磨性的測定, 是在用固定數(shù)目的輪子往返運動之后, 測定膜層的重量損失或厚度損失。
日本人研制的一種平面耐磨試驗機與 Erichsen儀器的不同在于, 磨輪是在試樣的下面, 試樣在選位時保持在輪子上面。這就允許試樣精確選位, 以便能在該試樣的同一部位進行多次測定。 而且, 來自試樣上的任何氧化物渣, 也隨著磨蝕的進行而從試樣上掉落。
據(jù)報導] , 上述兩種型式的儀器我國都有引進, 而且沈陽儀表工藝研究所已于1985 年研制成功了 PWJ -1型平面磨耗試驗機[9,10] , 19 88年還進行了改型。
國際標準化組織 ISO [10] 曾分別采用T aber 法、 噴磨法和平磨法對陽極化膜的耐磨性進行測定, 然后比較這三種試驗結(jié)果的再現(xiàn)性。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 平磨法的再現(xiàn)性明顯地優(yōu)于其它兩種方法。
3 噴磨試驗法
噴磨法是在落砂法的基礎上變化而來, zui早由英國人提出, 并首先在1949 年英國標準 BS 161 5第yi版中被采用, 后來又在1955 , 19 61和197 2年幾次修訂。由于不同批次的磨料會使試驗結(jié)果產(chǎn)生一定誤差, 所以本試驗只是一種相對的檢驗。這種試驗方法的影響因素比較多, S Wernick[ 1] 詳細地列舉了英國鋁公司 P. G . Herris對這種方法的各種觀察和分析。 這些影響因素包括: 磨料的批次; 磨料使用次數(shù)和磨料一致性的關(guān)系; 管子內(nèi)部粗糙度的影響; 噴射裝置的磨損; 磨料流速的影響;空氣流速的影響; 空氣溫度的影響人提出, 并首先在1949 年英國標準 BS 161 5第yi版中被采用, 后來又在1955 , 19 61和197 2年幾次修訂 。由于不同批次的磨料會使試驗結(jié)果產(chǎn)生一定誤差, 所以本試驗只是一種相對的檢驗。這種試驗方法的影響因素比較多, S Wernick[ 1] 詳細地列舉了英國鋁公司 P. G . Herris對這種方法的各種觀察和分析。 這些影響因素包括: 磨料的批次; 磨料使用次數(shù)和磨料一致性的關(guān)系; 管子內(nèi)部粗糙度的影響; 噴射裝置的磨損; 磨料流速的影響;空氣流速的影響;空氣溫度的影響; 空氣的含水量以及
碳化硅磨料中水分的影響等等。這種試驗方法的優(yōu)點是可以用在面積小的試樣上 , 甚至是用在彎曲的表面上。這種方法所報告的試驗結(jié)果 , 為膜層磨穿時所消耗的磨料重量 , 或磨掉單位厚度的膜層所消耗的磨料重量。
4 Taber 耐磨試驗機法
該法所得的耐磨性由兩 只加載的磨輪磨穿平面膜層的轉(zhuǎn)數(shù)給出 , 也能測定每 1000轉(zhuǎn)的重量損失。試樣必須是邊長 8cm 方形平板形式 , 它帶動輪子旋轉(zhuǎn) , 磨蝕面積大約為 30cm2 , 以兩個彼此交叉往來 的弧的形式進行。對于鋁陽極化膜 , 采用 1000g 載荷、 粗糙而有彈性的磨輪或是 500g 載荷、細粒度而無彈性的磨輪。
Taber 耐磨試驗方法雖然尚未形成國際標準 , 但已被廣泛用于陽極化膜 , 特別是硬陽極化膜 , 它被規(guī)定在許多軍用標準和宇航標準中[1] 。關(guān)于 Taber 耐磨試驗方法本身的文本 , 已經(jīng)檢索到 3個。
R . W . T homas 指出 , T aber 試驗所需的時間, 頻繁更換輪子的費用 , 以及試樣的尺寸和形狀, 對其應用有很大的局限性。 另外, 試驗的重現(xiàn)性又是一個問題。
而且要制造質(zhì)量一致的磨輪 , 也有一定困難。 濕度變化 , 對其也有重要影響。
R . F . Hitchcock也提出 : Taber 耐磨試驗機已經(jīng)統(tǒng)治著規(guī)范 , 轉(zhuǎn)換角度的磨輪和在適當條件下的噴磨這兩種方法都是適宜的 , 但 Taber 耐磨試驗機往往是不穩(wěn)定的。
ASTM D 4060 中 明確提出了Taber 耐磨試驗方法的重現(xiàn)性不好 , 并在標準文本中給出了試驗值的精度表。該表所列結(jié)果表明 : 在一個試驗室內(nèi)部 , 其試驗結(jié)果的變化系數(shù)基本上為10% , 其zui大允許差值 , 基本上為 50 % ; 在不同的試驗室之間, 其試驗結(jié)果變化系數(shù) ,
基本上為 30% , 其zui大允許差值 , 基本上為 100 % 。 而聯(lián)邦標準試驗方法 N O . 1 41C ( 6192.1 ) , 雖然 86年的C版比 79 年的 B 版相比增加了“精度” 一章 , 但無數(shù)據(jù)。
ISO 10074 -199 4附錄 B所提出的 Taber 耐磨試驗方法 , 有一項重要的改進 , 那就是該方法規(guī)定在預定磨損 10 000轉(zhuǎn)測量試驗的質(zhì)量損失之前 , 試片要預備性磨蝕1000轉(zhuǎn)。我們注意到, 在 ASTMD 4060-95中 , 在處理試驗結(jié)果時也提到: 在計算磨損指數(shù)時 , 舍棄掉zui后200轉(zhuǎn)可能是合理的 , 因為其結(jié)果可能受暴露基體磨蝕的影響 ; 在計算磨損轉(zhuǎn)數(shù)時 , 舍棄掉zui初和zui后的讀數(shù)是合理的 , 因為zui初的讀數(shù)受表面不均勻的影響 , 而zui后的讀數(shù)可能受基體部分磨蝕的影響。這個思路和上述先預備性磨蝕 1000轉(zhuǎn)不計的思路是相通的 , 都是合情合理的。
實際上 , R . W . T homas比 R . H . Hitchcock 早10年 (1981年) 就已經(jīng)提出了這種想法 : Taber 試驗中zui恒定的結(jié)果 , 應是靠進行短的預備性運行, 將它忽略,然后在磨損試驗之前和之后立即進行適當?shù)姆Q重。
在10000轉(zhuǎn) 的Taber 耐磨試驗中 發(fā)現(xiàn) , 在第yi個10000轉(zhuǎn)內(nèi)的重量損失, 通常比以后的10000轉(zhuǎn)要大一些( 試驗時每磨1000 轉(zhuǎn)都要重新修復磨輪 ) 。 而在試驗過程中 , 將試驗中斷幾個小時之后 , 再繼續(xù)耐磨試驗時,這種現(xiàn)象再次出現(xiàn)。
M . L erner 報導了Taber 耐磨試驗結(jié)果的季節(jié)性波動。他根據(jù)三年多積累的大量數(shù)據(jù) , 證明了試驗結(jié)果的季節(jié)性波動 , 是由于試驗期間濕度條件的變化。他的試驗室所在的N atick 地區(qū), 位于波士頓以西大約2 0英里 , 那里相對濕度的變化 , 為冬季的 10% ～ 3 0% 到夏季的 70% ～ 95% 。
Taber 耐磨試驗方法中所用的磨輪為CS - 17, 這是一種有粘彈性的橡膠磨輪。磨輪本身也是影響試驗重現(xiàn)性的一個因素 : 首先 , 每批制造的磨輪是否完全一致 ; 其次就橡膠老化問題來說, 即使是在有效期之內(nèi),硬化程度也是在變化的。
Taber 耐磨試驗中的磨輪 , 是應該經(jīng)常修復的。其方法讓磨輪在 S11砂紙上修磨 50轉(zhuǎn) , 以保證磨輪的磨削性。但各標準文獻中規(guī)定或執(zhí)行修整磨輪這一點是不盡一致的 : ASTMD 1060 規(guī) 定每磨 500 轉(zhuǎn)要修整磨輪 ;
DPS 11. 04 以及文獻是每磨 1000轉(zhuǎn)要修整磨輪 ;
BAC582 1[ 14] 規(guī)定每磨 3000～ 3500轉(zhuǎn)要修整磨輪; 文獻] 每磨 5000 轉(zhuǎn)修整磨輪 ; 新的軍標 M I L - A 862 5F和ISO 10074 的附錄B是規(guī)定磨 10000 轉(zhuǎn)才修整磨輪 ; 而zui早的 AMS 2468A , 是以運轉(zhuǎn)12h 為zui大間隔 ,就要重新修理磨輪表面 , 此即每磨 5 0000 轉(zhuǎn)才修整磨輪。這一串數(shù)字是 : 500→ 1000→ 3000 ～3500→5000→10000→ 50000
可見 , 這個修整磨輪的間隔是沒有統(tǒng)一過。不過, 從zui新的軍標和國際標準都已規(guī)定磨10000轉(zhuǎn)才修復磨輪 , 看來是正在走向統(tǒng)一。
5 三種耐磨試驗方法的小結(jié)
上述三種耐磨試驗方法 , 盡管噴磨法和磨輪法已經(jīng)制定了國際標準 , 而Taber 試驗法還尚未形成正式的國際標準, 但基本上都屬于相對比較型試驗方法。所以國際標準規(guī)定 : 一定的合金, 在一定的工藝條件下產(chǎn)生的膜層作為比較標準 , 將在其它條件下所作的數(shù)據(jù)與標準情況進行對比。
在這三種試驗方法中 , 噴磨法由于是測量磨穿膜層所耗磨料重量 , 所以它得出的是關(guān)于膜層整體的或平均的耐磨性 ; 而磨輪法或 T a ber 法只是磨蝕了膜的表層。
這樣 , 這類方法可用于研究不同層次膜層的耐磨性能?！〈送?, 噴磨法屬于zui容易 , zui快速, zui多用途的方法 , 可用于小面積的試樣或彎曲表面的試件 , 這種方法在英國一直是主要的耐磨試驗方法 。
平磨法則是較后出現(xiàn)的一種方法, 但它的試驗重現(xiàn)性好 , 所以在西歐和日本受到普遍重視 , Taber 試驗方法 在美國 占統(tǒng)治地 位 , 而且被許多軍用標準和宇航標準所采用。耐磨試驗機
