大連產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)研究院有限公司 遼寧 大連 116035

1 引言

非金屬材料的球壓試驗(yàn)是電工電子產(chǎn)品著火試驗(yàn)中常見(jiàn)的一種試驗(yàn),試驗(yàn)的目的是用于確認(rèn)絕緣材料的耐受非正常熱的能力,甄別電工電子產(chǎn)品所用的絕緣材料在合理可預(yù)見(jiàn)的情況下可能發(fā)生的和潛在的耐受非正常熱情況,將風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受的范圍內(nèi)。例如,絕緣材料在某個(gè)溫度的持續(xù)作用下,材料變形不足以導(dǎo)致支撐或固定帶電部件的措施失效或致使電氣間隙或爬電距離降低到影響安全的程度。

球壓試驗(yàn)后的壓痕測(cè)量是整個(gè)試驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),通常使用的設(shè)備都是帶有十字叉絲線的讀數(shù)顯微鏡。由于絕緣材料性能的多樣性,顏色有深色有淺色,再加上材料表面光滑程度不一,反光情況差異較大,使得較小的壓痕,尤其是1mm以下的壓痕更加難以準(zhǔn)確測(cè)量。本文通過(guò)測(cè)量原理的對(duì)比,引入一種準(zhǔn)確測(cè)量球壓試驗(yàn)壓痕測(cè)量方法,并通過(guò)了實(shí)踐驗(yàn)證。

2 球壓試驗(yàn)壓痕測(cè)量與布什硬度計(jì)測(cè)量原理對(duì)比

球壓試驗(yàn)的主要原理是利用一個(gè)重力為20N±0.2N的負(fù)載裝置,通過(guò)一個(gè)直徑5mm±0.05mm的鋼球垂直向下施加在平整的絕緣材料表面,絕緣材料底面用一個(gè)有平滑表面、質(zhì)量足夠大且有足夠支撐強(qiáng)度的負(fù)載裝置將試樣剛性支撐在水平位置,通常支撐機(jī)構(gòu)多為一個(gè)直徑至少50mm,高100mm的圓柱形鋼快。在典型溫度(125℃或75℃)或其他特殊要求的溫度下試驗(yàn)1h,試驗(yàn)后立即取出放置到20℃±5℃的水中冷卻6min±3min,并在移出水后的3min內(nèi),通過(guò)放大倍率在10倍至20倍之間的光學(xué)測(cè)量裝置測(cè)量壓痕的直徑。

GB/T5169.21是球壓試驗(yàn)的基準(zhǔn)方法,該標(biāo)準(zhǔn)等同采用IEC60695-10-2,較早的標(biāo)準(zhǔn)版本中給出的壓痕示意圖如圖1所示,對(duì)于直徑d的測(cè)量端點(diǎn)根據(jù)不同情況見(jiàn)圖2所示。通常情況下,試驗(yàn)后壓痕實(shí)際形狀多靠近圖1中2c所示,在顯微鏡下觀察,只有將放大倍數(shù)調(diào)整到40倍至50倍左右時(shí),才有可能看到圖2所示的測(cè)試端點(diǎn)位置,但同時(shí),端點(diǎn)附近的邊界也同時(shí)被放大,這種情況下,準(zhǔn)確選擇端點(diǎn)也變得困難了。在理想情況下,應(yīng)在壓痕直徑的切面上進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量,而在實(shí)踐中這幾乎是不可能的。新修訂的GB/T5169.21-2014標(biāo)準(zhǔn)等同采用了IEC60695-10-2:2014,新版標(biāo)準(zhǔn)里不再給出圖1、圖2的原理示意圖,而是給出了實(shí)際操作中可能觀察到的壓痕圖示例,見(jiàn)圖3所示。

布氏硬度的測(cè)定原理是用一定的試驗(yàn)力F將一定直徑的碳化鎢合金球壓入金屬材料表面,保持一定時(shí)間后,卸除試驗(yàn)力,然后測(cè)量試樣表面形成的壓痕直徑d,通過(guò)試驗(yàn)力F、合金球直徑D以及壓痕直徑d等參數(shù)利用公式計(jì)算得出布氏硬度值。

對(duì)比上述兩種試驗(yàn),可以看出其共同點(diǎn):都是用金屬球在一定條件下壓被試材料,且均測(cè)量試驗(yàn)后壓痕的直徑;都是通過(guò)讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行觀察測(cè)量壓痕直徑d。布氏硬度計(jì)使用的測(cè)微目鏡系統(tǒng)性能優(yōu)于普通的讀數(shù)顯微鏡,因此考慮使用布什硬度計(jì)的測(cè)微目鏡系統(tǒng)測(cè)量球壓試驗(yàn)的壓痕直徑。

3 用布氏硬度計(jì)的測(cè)微目鏡系統(tǒng)測(cè)量球壓試驗(yàn)的壓痕直徑

筆者使用的布氏硬度計(jì)型號(hào)XHB-3000,其試樣支撐平臺(tái)可通過(guò)絲杠系統(tǒng)手動(dòng)控制升降,最大升降高度225mm,可精細(xì)調(diào)整測(cè)量時(shí)的成像焦距;成像系統(tǒng)有無(wú)影燈式LED照明,成像質(zhì)量高;測(cè)微目鏡最大放大倍率20倍,并可隨焦距變化自動(dòng)調(diào)整并保持在10倍至17倍之間;同時(shí),測(cè)微目鏡可做360°旋轉(zhuǎn),在試樣保持不動(dòng)的情況下,可任意測(cè)量不同的方向的數(shù)值。

實(shí)際測(cè)量中,操作過(guò)程如下:

a)手動(dòng)調(diào)整試樣在支撐平臺(tái)上的大致位置,使壓痕的整個(gè)輪廓處在測(cè)微目鏡觀察范圍的正中心位置,避免由于角度問(wèn)題導(dǎo)致的圖像變形;

b)調(diào)整焦距至成像清晰,如圖4所示

c)至少在互相垂直的兩個(gè)方向上進(jìn)行重復(fù)測(cè)量,利用統(tǒng)計(jì)方法得出壓痕直徑的平均值。

d)測(cè)微目鏡系統(tǒng)的顯微鏡鼓輪最小分度值為0.00125mm,日常測(cè)量時(shí)讀取2位小數(shù)即可,對(duì)于較重要的試驗(yàn),如參加能力驗(yàn)證時(shí),建議讀取3位小數(shù)測(cè)試值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

筆者曾多次參加球壓試驗(yàn)的能力驗(yàn)證,使用布什硬度計(jì)測(cè)微目鏡系統(tǒng)測(cè)試壓痕直徑,Z值均小于1,結(jié)果滿意。

4 需要關(guān)注的細(xì)節(jié)

a)測(cè)微目鏡中觀察壓痕為非圓形,可先假定一個(gè)測(cè)試方向(目視認(rèn)為最短或最長(zhǎng)),然后在垂直90°的方向上再次測(cè)量,如果差值大于0.2mm,建議舍棄試樣,重新進(jìn)行試驗(yàn);或者,特殊情況下,可以明顯發(fā)現(xiàn)鋼球球頭移動(dòng)軌跡或方向,在確認(rèn)的位置上進(jìn)行測(cè)量,但仍需采取適當(dāng)?shù)姆绞綇?fù)測(cè),以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性;

b)有關(guān)校準(zhǔn):測(cè)微目鏡系統(tǒng)按GB/T231.2-2012第4.4條款要求進(jìn)行校準(zhǔn)。

結(jié)束語(yǔ)

本文給出的壓痕測(cè)試實(shí)例,與最新版的電工電子產(chǎn)品的非金屬材料的球壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中給出的圖例完美契合,提出的方法在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中,間接通過(guò)了能力驗(yàn)證試驗(yàn)的考核。本文也給出了在實(shí)際操作過(guò)程中需要關(guān)注的細(xì)節(jié),為準(zhǔn)確測(cè)量球壓試驗(yàn)的壓痕提供了一種切實(shí)可行的方法。