余有根 吳建青

摘 要：本文介紹了現(xiàn)有的傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品耐磨性能測試方法與標準，分析了這些測試方法用于測試傳統(tǒng)陶瓷耐磨性能的可行性和不足之處，提出可以統(tǒng)一有釉磚與無釉磚耐磨性能測試方法與標準。

關鍵詞：耐磨性能;測試方法;標準

1 前 言

隨著人民對美好生活的向往升級，傳統(tǒng)陶瓷的裝飾正在向數(shù)值化、多樣化和精致化方向發(fā)展。對地面磚而言，其表面磨損問題較為嚴重，影響了產(chǎn)品的裝飾效果和使用壽命。因此，提高傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品耐磨性能是行業(yè)待解決的核心問題之一，而準確的耐磨性能測試方法是解決該問題的基礎和重要手段。本文將介紹幾種常用的陶瓷耐磨性能評價方法和部分國內(nèi)外對評價方法的探索，最后提出有可能統(tǒng)一測試有釉、無釉產(chǎn)品耐磨性能的評價方法。

2 有釉磚表面耐磨法

ISO 10545 - 7： 1996（Ceramic tiles - Part 7： Determination of resistance to surface）是國際上通用的釉面耐磨性能的測試方法[1]。中國標準及許多其他國家的標準都沿用了這一方法。其測試原理是將研磨介質(zhì)放置于釉面上并旋轉(zhuǎn)研磨，在一定光強和距離下肉眼觀察試樣的形貌，以形貌發(fā)生改變時的研磨圈數(shù)表征樣品耐磨性能。測試原理如圖1所示。

耐磨試驗儀由鋼殼和一個內(nèi)置電機驅(qū)動的水平支撐盤組成。試樣尺寸為100 mm×100 mm（±10 mm），由帶橡膠密封的金屬夾具固定。支撐盤以300轉(zhuǎn)/分鐘的速率做偏心距為22.5 mm的圓周運動，帶動研磨介質(zhì)對釉面磚進行摩擦。試驗用的研磨介質(zhì)為：固定顆粒級配的鋼球以及3 g、80目剛玉研磨料。每次試驗中，支承盤上面裝置好8塊樣品，分別設置研磨轉(zhuǎn)數(shù)為100 轉(zhuǎn)至12000 轉(zhuǎn)共8段轉(zhuǎn)數(shù)。試驗機達到預調(diào)轉(zhuǎn)數(shù)后自動停機，取下一塊后再繼續(xù)工作，直到8個工作轉(zhuǎn)數(shù)完成后停止，取出樣品待測。

該標準對耐磨性能的測定采用目視評價方法，其工作示意圖如圖2所示。

待觀察的樣品放置于觀察箱中，箱內(nèi)刷有自然灰色，并在待觀察樣品上放置熒光燈。選擇3人或3人以上在距離箱體2 m、高度1.65 m處觀察，至少3人看到同樣結(jié)果，其結(jié)果才能生效。

測試要求用11塊試樣，其中8塊試樣經(jīng)研磨試驗后供目視評價用，另外3塊試樣與已研磨的樣品對比，觀察可見磨削痕跡。選取開始出現(xiàn)可見磨痕的轉(zhuǎn)數(shù)級別為釉面磚耐磨級別。根據(jù)可見磨痕的研磨轉(zhuǎn)數(shù)，把釉面磚的耐磨性級別分為0 ～ 5級：100轉(zhuǎn)（0級）、150轉(zhuǎn)（1級）、600轉(zhuǎn)（2級）、750轉(zhuǎn)與1500轉(zhuǎn)（3級）、2100轉(zhuǎn)、6000 轉(zhuǎn)與12000轉(zhuǎn)（4級）以及12000轉(zhuǎn)以上（5級）。同一級有不同轉(zhuǎn)數(shù)的要在級別后注明轉(zhuǎn)數(shù)。當可見磨痕在較高一級和較低一級轉(zhuǎn)數(shù)比較靠近時，重復試驗檢查結(jié)果。

此標準以肉眼在較遠處能否觀察到釉面磚磨痕為測試標準，定性地表征了釉面磚的耐磨性能，是一種較貼近日常生活中人主觀感受的評價方法，通俗言之：“眼不見為凈”。此法雖然因工作原理簡單得到了較大范圍普及，但實質(zhì)上嚴重缺乏客觀性和科學性，其主要的不足如下：

1）通過人肉眼判斷是否有磨痕作為測試結(jié)果，會在較大程度上受到顏色的影響。較深顏色的釉面磚對比度大，在磨削程度較低的情況下就能看到磨痕，較淺顏色的磚較難觀察到磨痕;表面光澤度高的樣品較容易觀察到磨痕，表面粗糙度大的樣品磨痕沒有這么明顯。同時考慮到不同人對顏色、圖像的感受能力及眼睛視力影響，所以用該方法測定釉面的耐磨性能，即使是同樣的釉，由于坯體表面的顏色和表面光澤度不同，會得到差異很大的結(jié)果。

2）耐磨性能定性地分成了5級，在5級中又細分了等級，分級方法并不合理。由于其劃分的等級較少，釉面磚耐磨性能難以準確區(qū)分。

因此，盡管此標準作為國內(nèi)外陶瓷釉面磚耐磨性能評價使用最為廣泛的檢測標準，但因缺乏客觀性與科學性而在科研工作和生產(chǎn)應用中經(jīng)常受到質(zhì)疑。

3 無釉磚耐磨深度法

此標準（ISO 10545 - 6：2010 Ceramic tiles - Part 6： Determination of resistance to deep abrasion for unglazed tiles）[2]的測試原理是通過摩擦輪帶動落砂在樣品表面轉(zhuǎn)動產(chǎn)生磨坑，由所測磨坑的長度計算出磨損體積來評價無釉磚的耐磨性能，圖3是其工作示意圖。測試使用的磨料為80目剛玉砂，摩擦輪是硬度在HB 500以上的銅質(zhì)輪（Fe360A），直徑（200±0.2） mm，邊緣厚度（10±0.1） mm。待測樣品在樣品夾壓力作用下固定在垂直樣品臺，樣品夾產(chǎn)生的壓力由一系列平衡錘通過定滑輪傳遞提供。其壓力值大小通過以下方法校正：首先把剛玉砂落料給入速度調(diào)節(jié)至（100±10） g / 100 r，磨輪轉(zhuǎn)速調(diào)至75 r/min，然后采用石英玻璃或者浮法玻璃作為待測校準物，在特定壓力下磨損150轉(zhuǎn)后，產(chǎn)生弦長為（24±0.5） mm的磨坑。此時的壓力為標準壓力。校正壓力完畢，把待測樣品夾入夾具，放開固定架使樣品在平衡錘提供的壓力下以正切形式緊壓在摩擦磨輪上，打開貯料斗開關，確保磨料均勻進入研磨區(qū)后開動磨輪，150轉(zhuǎn)后取出樣品測量磨坑弦長L。圖4為磨損量計算原理圖，摩擦輪的尺寸是確定的，根據(jù)磨坑的弦長L，即可計算出磨坑的體積。

從標準的制定與實操過程中可看出，此標準的設定的初衷是建立一種便于生產(chǎn)單位操作的相對穩(wěn)定客觀的建筑陶瓷無釉磚耐磨性能定量評價方法。此法有以下優(yōu)點：

（1）操作簡單，測量周期短，利于工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)快速測量;

（2）采用一次性80目剛玉砂作磨料，較大程度上避免研磨介質(zhì)的差異導致的磨損量誤差;

（3）磨損體積足夠大，同一臺機器測量誤差較少，結(jié)果較穩(wěn)定。

但是該方法造成的磨坑深度一般都較大，往往會超過釉面的厚度，因此該方法的標準測試條件不適合釉面耐磨性能的測試。

4 Taber試驗機法

此方法為美國標準，使用Taber耐磨試驗機，在特定條件下通過磨頭在無釉磚表面產(chǎn)生環(huán)狀磨坑，通過測量磨損質(zhì)量的大小表征無釉磚耐磨性能。

Taber耐磨試驗機[3]是一類用于做摩擦磨損測試的試驗機，美國材料試驗協(xié)會（ASTM）對使用Taber耐磨試驗機進行布、紙、涂料、皮革、地磚、玻璃、石材、天然塑膠等材料的耐磨性測試提出了一系列的標準，分別對應使用H22、H38、CS17、S32、S33等磨頭。圖5是Taber耐磨試驗機示意圖。試驗機由摩輪壓力臂、旋轉(zhuǎn)平臺、吸塵器及控制平臺四部分組成。雙壓力臂外側(cè)安裝砝碼，內(nèi)側(cè)安裝磨輪，磨輪一側(cè)軸承可被動自由轉(zhuǎn)動，砝碼質(zhì)量為250 g、500 g及1000 g;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，配合螺母，供鉆孔樣品固定至旋轉(zhuǎn)平臺用;吸塵器將樣品磨耗粉末吸入粉塵收集罐中;控制平臺主要控制設備轉(zhuǎn)數(shù)及轉(zhuǎn)速。

Taber耐磨試驗機基本工作過程如下：樣品裁切成邊長為99 mm ～ 102 mm的正方形，在中心鉆孔用以固定，鉆孔孔徑為（9.5 ±0.5） mm。裁切加工完畢后樣品以無水乙醇清洗干凈，90℃恒溫干燥3 h。冷卻后待測樣品安裝固定在旋轉(zhuǎn)平臺，在壓力臂內(nèi)側(cè)安裝磨輪，外側(cè)安裝所要求的砝碼，讓磨輪與樣品垂直接觸。設置好特定旋轉(zhuǎn)次數(shù)及旋轉(zhuǎn)速度后，啟動儀器。通過旋轉(zhuǎn)平臺帶動其上方的兩個磨輪滾動，磨輪在一定載荷作用下與試樣產(chǎn)生相對旋轉(zhuǎn)運動。一個磨輪朝外，另一個磨輪朝內(nèi)磨削試樣。磨削痕跡為一個規(guī)則的環(huán)形（Taber環(huán)）。

針對石材（ASTM C1353-2009）、陶瓷磚（ASTM C501-84）等無機材料，通過一定條件的耐磨試驗后測量磨耗，代入公式計算，以得出的耐磨性指數(shù)直接表征樣品耐磨性能的強弱。公式（3）與公式（4）分別為石材與無釉磚耐磨指數(shù)[3， 4]。

其中I W為樣品耐磨性指數(shù)，公式（3）中單位為（r/mm3），公式（4）中為（g-1）;W0為樣品初始重量（g）;W1為磨損試驗后樣品重量（g）;n為測試中運行的轉(zhuǎn)數(shù);ρ為樣品密度（g / mm3）。

顯然磨削體積是表征材料耐磨性能最直觀的參數(shù)。不同石材之間的密度差異較大，而且石材作為一種均質(zhì)材料其密度較容易測量，因此對于石材，ASTM標準中通過測量其磨削質(zhì)量與密度，計算了其磨削體積用于表征材料耐磨性能。陶瓷無釉磚產(chǎn)品不同于石材，燒結(jié)致密的無釉磚產(chǎn)品具有較為接近的密度（2.4 g/mm3? ～ 2.6 g/mm3），結(jié)構(gòu)疏松的產(chǎn)品因其強度的下降，實際磨耗比致密產(chǎn)品更高。因此，通過測量磨耗也能較為客觀地表征陶瓷無釉磚耐磨性能的大小。

Taber耐磨試驗機作為一種表面耐磨性測試的儀器，具有許多優(yōu)點：

（1）載荷加載方式合理，可以在加載較小載荷情況下實現(xiàn)較高的作用力穩(wěn)定性，便于對較薄樣品進行低磨削深度耐磨測試。

（2）采用砂輪作為磨輪，可保證磨削過程中磨輪粗糙度以及磨輪與待測樣品的接觸面積相對穩(wěn)定，因此測量結(jié)果較穩(wěn)定。

（3）操作過程簡單，測量方便，易于實現(xiàn)快速精確測量。

該方法的問題是在樣品中間打孔時可能會嚴重改變樣品表面的應力狀態(tài)，并且磨削的面積有限。

5 維氏硬度法

通常，硬度與耐磨性能正相關，測量硬度可以大致判斷材料的耐磨性能。維氏硬度測試是文獻報導中最常用的釉面耐磨性能表征方法，其測試過程是采用金剛石正棱錐壓頭，在規(guī)定載荷作用下壓入釉面一定時間，測量壓痕對角線長度再計算出釉面的硬度值。使用維氏硬度表征釉面耐磨性能要有以下三個局限性：

（1）釉層由多相共同組成，測試壓頭面積過小，只能表征局部區(qū)域的硬度值，難以體現(xiàn)整體的硬度大小。

（2）該方法需要在釉面上壓出規(guī)則清晰的壓痕，對表面粗糙度較大的釉面需要先拋光再測試，難以表征拋光前樣品的硬度大小;在氣泡等缺陷區(qū)域上無法壓出規(guī)則壓痕，因此無法體現(xiàn)這些缺陷對釉面耐磨性能的影響。

（3）硬度體現(xiàn)了釉面抵抗磨粒擠壓剝落破壞的能力，但不能較好反映釉面抵抗磨粒微觀切削破壞的能力，因此樣品表面硬度不能完全等同耐磨性能。

6 其它無機材料耐磨性測試標準

國內(nèi)外對無機材料耐磨性能的測試標準，大多類似以上無釉磚及釉面磚的耐磨測試原理，如對金屬表面搪瓷耐磨性能[5]測試的標準，便是借鑒釉面磚表面耐磨性的測試方法，按照相同的條件磨削待測樣品和對照的標準玻璃，通過比較二者相對磨耗的大小評價搪瓷的耐磨性能;而對水泥地面[6]耐磨性能的評價標準，則是借鑒了無釉磚耐磨深度測試方法的原理，不過改變了磨輪和磨料等工作參數(shù)。

7 釉面耐磨性能評價技術的國內(nèi)外進展

雖然目前國內(nèi)外缺乏統(tǒng)一的耐磨性能定量評價方法，但根據(jù)相應研究材料的特性，國內(nèi)外科研工作者提出了各自定量評價耐磨性能的方法。J. Lawrence等 [7] 使用鋼球?qū)τ悦孢M行往復式摩擦，通過制定磨耗-時間曲線定量表征陶瓷釉表面抗磨損性能。Rossi等[8-10]借鑒了ASTM D4060 - 10（有機涂層耐磨耗測試）的測試方法[11， 12]，使用Taber磨損試驗機對覆蓋金屬表面的搪瓷涂層進行耐磨測試，通過測量磨耗評價其耐磨性能。

但相比于磨耗，磨削體積能更精確地反映樣品的耐磨狀況。Rafat Amer等[13]研究了烤瓷牙外瓷的氧化鋯在不同加工狀態(tài)及上釉后的耐磨性能，以加工的牙質(zhì)瓷尖頂作為磨頭材料，待測樣品表面覆蓋模擬口腔環(huán)境的潤滑液，對磨頭施加70 N的垂直載荷作用于待測樣品，磨頭在20 N水平推動力下在樣品表面做行程為8 mm的往復運動，以1 Hz的頻率往復50000次后，采用了光學拍照并通過軟件積分計算磨坑面積的方法表征了樣品的磨削量。Lawson等[14， 15]采用了與Amer等[13]相似的摩擦磨削試驗方法測量了不同加工狀態(tài)及施釉后氧化鋯陶瓷耐磨性能，并采用三維表面輪廓儀積分出待測樣品磨坑體積。以上二者采用了異形磨頭，導致其磨削產(chǎn)生的磨坑形狀極不規(guī)則，難以精確定量表征。Herman等[16]借鑒了Li等[17]測試納米晶剛玉材料耐磨性能的方法，采用直徑10 mm的100 Cr6鋼球?qū)Σ煌苽浞椒ǖ匿\尖晶石微晶玻璃進行往復線性摩擦，通過表面輪廓儀計算磨坑截面積，計算出磨削體積。與此方法測試原理接近的是，Pina-Zapardie等[18]使用了盤球法對鋯釉表面進行了耐磨性能測試。以氧化鋁球為磨頭，在6 N垂直載荷下對樣品表面進行單向圓環(huán)型摩擦試驗10 h，通過三維表面輪廓儀計算出磨削的體積。盤球法磨出的磨坑形狀較為規(guī)則，表面輪廓儀測試精度較高。但考慮到陶瓷樣品的尺寸效應及大部分釉中物相分布的不均勻性，耐磨試驗機測試采用的球狀磨頭與樣品表面的接觸面積過小，可能會帶來較大誤差。從表征的磨坑三維輪廓圖中亦可看出磨坑底部高低起伏較大，磨坑不同位置截面積差異較大。同時，測試隨著磨削深度的變化，磨頭與待測樣品的接觸面積發(fā)生變化，對于不同的樣品可能帶來較大測試誤差，且長達10 h的測試時間不適用于大批量樣品的高效率化測試。

8 展 望

前文對Taber耐磨試驗機法的介紹中討論了通過磨耗表征無釉磚耐磨性能的合理性，實際上該原理同樣適用于測試釉面的耐磨性能。因此，對“有釉磚表面耐磨性的測定”方法進行改進，譬如，在規(guī)定研磨介質(zhì)和工作條件的基礎上，再定研磨轉(zhuǎn)數(shù)，然后再測量磨耗，這樣有可能建立起有釉、無釉產(chǎn)品統(tǒng)一的耐磨測試評價體系，有利于對建筑陶瓷產(chǎn)品性能進行更科學的評估，針對坯體與釉層密度的差異，還可在有釉磚和無釉磚計算耐磨性系數(shù)IW的過程中中引入系數(shù)修正。

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