傳統(tǒng)陶瓷耐磨性能評(píng)價(jià)方法

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(cè)試方法與標(biāo)準(zhǔn)，分析了這些測(cè)試方法用于測(cè)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(wú)釉磚耐磨性能測(cè)試方法與標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：耐磨性能;測(cè)試方法;標(biāo)準(zhǔn)

1 前 言

隨著人民對(duì)美好生活的向往升級(jí)，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(duì)地面磚而言，其表面磨損問(wèn)題較為嚴(yán)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(wèn)題之一，而準(zhǔn)確的耐磨性能測(cè)試方法是解決該問(wèn)題的基礎(chǔ)和重要手段。本文將介紹幾種常用的陶瓷耐磨性能評(píng)價(jià)方法和部分國(guó)內(nèi)外對(duì)評(píng)價(jià)方法的探索，最后提出有可能統(tǒng)一測(cè)試有釉、無(wú)釉產(chǎn)品耐磨性能的評(píng)價(jià)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(guó)際上通用的釉面耐磨性能的測(cè)試方法[1]。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)及許多其他國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)都沿用了這一方法。其測(cè)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(qiáng)和距離下肉眼觀察試樣的形貌，以形貌發(fā)生改變時(shí)的研磨圈數(shù)表征樣品耐磨性能。測(cè)試原理如圖1所示。

耐磨試驗(yàn)儀由鋼殼和一個(gè)內(nèi)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)研磨介質(zhì)對(duì)釉面磚進(jìn)行摩擦。試驗(yàn)用的研磨介質(zhì)為：固定顆粒級(jí)配的鋼球以及3 g、80目剛玉研磨料。每次試驗(yàn)中，支承盤上面裝置好8塊樣品，分別設(shè)置研磨轉(zhuǎn)數(shù)為100 轉(zhuǎn)至12000 轉(zhuǎn)共8段轉(zhuǎn)數(shù)。試驗(yàn)機(jī)達(dá)到預(yù)調(diào)轉(zhuǎn)數(shù)后自動(dòng)停機(jī)，取下一塊后再繼續(xù)工作，直到8個(gè)工作轉(zhuǎn)數(shù)完成后停止，取出樣品待測(cè)。

該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)耐磨性能的測(cè)定采用目視評(píng)價(jià)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(cè)試要求用11塊試樣，其中8塊試樣經(jīng)研磨試驗(yàn)后供目視評(píng)價(jià)用，另外3塊試樣與已研磨的樣品對(duì)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(jí)別為釉面磚耐磨級(jí)別。根據(jù)可見磨痕的研磨轉(zhuǎn)數(shù)，把釉面磚的耐磨性級(jí)別分為0 ～ 5級(jí)：100轉(zhuǎn)（0級(jí)）、150轉(zhuǎn)（1級(jí)）、600轉(zhuǎn)（2級(jí)）、750轉(zhuǎn)與1500轉(zhuǎn)（3級(jí)）、2100轉(zhuǎn)、6000 轉(zhuǎn)與12000轉(zhuǎn)（4級(jí)）以及12000轉(zhuǎn)以上（5級(jí)）。同一級(jí)有不同轉(zhuǎn)數(shù)的要在級(jí)別后注明轉(zhuǎn)數(shù)。當(dāng)可見磨痕在較高一級(jí)和較低一級(jí)轉(zhuǎn)數(shù)比較靠近時(shí)，重復(fù)試驗(yàn)檢查結(jié)果。

此標(biāo)準(zhǔn)以肉眼在較遠(yuǎn)處能否觀察到釉面磚磨痕為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，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(píng)價(jià)方法，通俗言之：“眼不見為凈”。此法雖然因工作原理簡(jiǎn)單得到了較大范圍普及，但實(shí)質(zhì)上嚴(yán)重缺乏客觀性和科學(xué)性，其主要的不足如下：

1）通過(guò)人肉眼判斷是否有磨痕作為測(cè)試結(jié)果，會(huì)在較大程度上受到顏色的影響。較深顏色的釉面磚對(duì)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(shí)考慮到不同人對(duì)顏色、圖像的感受能力及眼睛視力影響，所以用該方法測(cè)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(huì)得到差異很大的結(jié)果。

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

因此，盡管此標(biāo)準(zhǔn)作為國(guó)內(nèi)外陶瓷釉面磚耐磨性能評(píng)價(jià)使用最為廣泛的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，但因缺乏客觀性與科學(xué)性而在科研工作和生產(chǎn)應(yīng)用中經(jīng)常受到質(zhì)疑。

3 無(wú)釉磚耐磨深度法

此標(biāo)準(zhǔn)（ISO 10545 - 6：2010 Ceramic tiles - Part 6： Determination of resistance to deep abrasion for unglazed tiles）[2]的測(cè)試原理是通過(guò)摩擦輪帶動(dòng)落砂在樣品表面轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生磨坑，由所測(cè)磨坑的長(zhǎng)度計(jì)算出磨損體積來(lái)評(píng)價(jià)無(wú)釉磚的耐磨性能，圖3是其工作示意圖。測(cè)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(cè)樣品在樣品夾壓力作用下固定在垂直樣品臺(tái)，樣品夾產(chǎn)生的壓力由一系列平衡錘通過(guò)定滑輪傳遞提供。其壓力值大小通過(guò)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(cè)校準(zhǔn)物，在特定壓力下磨損150轉(zhuǎn)后，產(chǎn)生弦長(zhǎng)為（24±0.5） mm的磨坑。此時(shí)的壓力為標(biāo)準(zhǔn)壓力。校正壓力完畢，把待測(cè)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(guān)，確保磨料均勻進(jìn)入研磨區(qū)后開動(dòng)磨輪，150轉(zhuǎn)后取出樣品測(cè)量磨坑弦長(zhǎng)L。圖4為磨損量計(jì)算原理圖，摩擦輪的尺寸是確定的，根據(jù)磨坑的弦長(zhǎng)L，即可計(jì)算出磨坑的體積。

從標(biāo)準(zhǔn)的制定與實(shí)操過(guò)程中可看出，此標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定的初衷是建立一種便于生產(chǎn)單位操作的相對(duì)穩(wěn)定客觀的建筑陶瓷無(wú)釉磚耐磨性能定量評(píng)價(jià)方法。此法有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）操作簡(jiǎn)單，測(cè)量周期短，利于工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)快速測(cè)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(dǎo)致的磨損量誤差;

（3）磨損體積足夠大，同一臺(tái)機(jī)器測(cè)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(huì)超過(guò)釉面的厚度，因此該方法的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件不適合釉面耐磨性能的測(cè)試。

4 Taber試驗(yàn)機(jī)法

此方法為美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，使用Taber耐磨試驗(yàn)機(jī)，在特定條件下通過(guò)磨頭在無(wú)釉磚表面產(chǎn)生環(huán)狀磨坑，通過(guò)測(cè)量磨損質(zhì)量的大小表征無(wú)釉磚耐磨性能。

Taber耐磨試驗(yàn)機(jī)[3]是一類用于做摩擦磨損測(cè)試的試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）對(duì)使用Taber耐磨試驗(yàn)機(jī)進(jìn)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(cè)試提出了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)應(yīng)使用H22、H38、CS17、S32、S33等磨頭。圖5是Taber耐磨試驗(yàn)機(jī)示意圖。試驗(yàn)機(jī)由摩輪壓力臂、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、吸塵器及控制平臺(tái)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(dòng)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，砝碼質(zhì)量為250 g、500 g及1000 g;旋轉(zhuǎn)平臺(tái)是用于放置及固定樣品的平臺(tái)，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(tái)用;吸塵器將樣品磨耗粉末吸入粉塵收集罐中;控制平臺(tái)主要控制設(shè)備轉(zhuǎn)數(shù)及轉(zhuǎn)速。

Taber耐磨試驗(yàn)機(jī)基本工作過(guò)程如下：樣品裁切成邊長(zhǎng)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(wú)水乙醇清洗干凈，90℃恒溫干燥3 h。冷卻后待測(cè)樣品安裝固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，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(shè)置好特定旋轉(zhuǎn)次數(shù)及旋轉(zhuǎn)速度后，啟動(dòng)儀器。通過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)帶動(dòng)其上方的兩個(gè)磨輪滾動(dòng)，磨輪在一定載荷作用下與試樣產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一個(gè)磨輪朝外，另一個(gè)磨輪朝內(nèi)磨削試樣。磨削痕跡為一個(gè)規(guī)則的環(huán)形（Taber環(huán)）。

針對(duì)石材（ASTM C1353-2009）、陶瓷磚（ASTM C501-84）等無(wú)機(jī)材料，通過(guò)一定條件的耐磨試驗(yàn)后測(cè)量磨耗，代入公式計(jì)算，以得出的耐磨性指數(shù)直接表征樣品耐磨性能的強(qiáng)弱。公式（3）與公式（4）分別為石材與無(wú)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(yàn)后樣品重量（g）;n為測(cè)試中運(yùn)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(cè)量，因此對(duì)于石材，ASTM標(biāo)準(zhǔn)中通過(guò)測(cè)量其磨削質(zhì)量與密度，計(jì)算了其磨削體積用于表征材料耐磨性能。陶瓷無(wú)釉磚產(chǎn)品不同于石材，燒結(jié)致密的無(wú)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(qiáng)度的下降，實(shí)際磨耗比致密產(chǎn)品更高。因此，通過(guò)測(cè)量磨耗也能較為客觀地表征陶瓷無(wú)釉磚耐磨性能的大小。

Taber耐磨試驗(yàn)機(jī)作為一種表面耐磨性測(cè)試的儀器，具有許多優(yōu)點(diǎn)：

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

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

（3）操作過(guò)程簡(jiǎn)單，測(cè)量方便，易于實(shí)現(xiàn)快速精確測(cè)量。

該方法的問(wèn)題是在樣品中間打孔時(shí)可能會(huì)嚴(yán)重改變樣品表面的應(yīng)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(guān)，測(cè)量硬度可以大致判斷材料的耐磨性能。維氏硬度測(cè)試是文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)中最常用的釉面耐磨性能表征方法，其測(cè)試過(guò)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(shí)間，測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度再計(jì)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(gè)局限性：

（1）釉層由多相共同組成，測(cè)試壓頭面積過(guò)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(duì)表面粗糙度較大的釉面需要先拋光再測(cè)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(wú)法壓出規(guī)則壓痕，因此無(wú)法體現(xiàn)這些缺陷對(duì)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(wú)機(jī)材料耐磨性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)機(jī)材料耐磨性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，大多類似以上無(wú)釉磚及釉面磚的耐磨測(cè)試原理，如對(duì)金屬表面搪瓷耐磨性能[5]測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，便是借鑒釉面磚表面耐磨性的測(cè)試方法，按照相同的條件磨削待測(cè)樣品和對(duì)照的標(biāo)準(zhǔn)玻璃，通過(guò)比較二者相對(duì)磨耗的大小評(píng)價(jià)搪瓷的耐磨性能;而對(duì)水泥地面[6]耐磨性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，則是借鑒了無(wú)釉磚耐磨深度測(cè)試方法的原理，不過(guò)改變了磨輪和磨料等工作參數(shù)。

7 釉面耐磨性能評(píng)價(jià)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展

雖然目前國(guó)內(nèi)外缺乏統(tǒng)一的耐磨性能定量評(píng)價(jià)方法，但根據(jù)相應(yīng)研究材料的特性，國(guó)內(nèi)外科研工作者提出了各自定量評(píng)價(jià)耐磨性能的方法。J. Lawrence等 [7] 使用鋼球?qū)τ悦孢M(jìn)行往復(fù)式摩擦，通過(guò)制定磨耗-時(shí)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(jī)涂層耐磨耗測(cè)試）的測(cè)試方法[11， 12]，使用Taber磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)覆蓋金屬表面的搪瓷涂層進(jìn)行耐磨測(cè)試，通過(guò)測(cè)量磨耗評(píng)價(jià)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(cè)樣品表面覆蓋模擬口腔環(huán)境的潤(rùn)滑液，對(duì)磨頭施加70 N的垂直載荷作用于待測(cè)樣品，磨頭在20 N水平推動(dòng)力下在樣品表面做行程為8 mm的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以1 Hz的頻率往復(fù)50000次后，采用了光學(xué)拍照并通過(guò)軟件積分計(jì)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(yàn)方法測(cè)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(cè)樣品磨坑體積。以上二者采用了異形磨頭，導(dǎo)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(cè)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(jìn)行往復(fù)線性摩擦，通過(guò)表面輪廓儀計(jì)算磨坑截面積，計(jì)算出磨削體積。與此方法測(cè)試原理接近的是，Pina-Zapardie等[18]使用了盤球法對(duì)鋯釉表面進(jìn)行了耐磨性能測(cè)試。以氧化鋁球?yàn)槟ヮ^，在6 N垂直載荷下對(duì)樣品表面進(jìn)行單向圓環(huán)型摩擦試驗(yàn)10 h，通過(guò)三維表面輪廓儀計(jì)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(cè)試精度較高。但考慮到陶瓷樣品的尺寸效應(yīng)及大部分釉中物相分布的不均勻性，耐磨試驗(yàn)機(jī)測(cè)試采用的球狀磨頭與樣品表面的接觸面積過(guò)小，可能會(huì)帶來(lái)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(shí)，測(cè)試隨著磨削深度的變化，磨頭與待測(cè)樣品的接觸面積發(fā)生變化，對(duì)于不同的樣品可能帶來(lái)較大測(cè)試誤差，且長(zhǎng)達(dá)10 h的測(cè)試時(shí)間不適用于大批量樣品的高效率化測(cè)試。

8 展 望

前文對(duì)Taber耐磨試驗(yàn)機(jī)法的介紹中討論了通過(guò)磨耗表征無(wú)釉磚耐磨性能的合理性，實(shí)際上該原理同樣適用于測(cè)試釉面的耐磨性能。因此，對(duì)“有釉磚表面耐磨性的測(cè)定”方法進(jìn)行改進(jìn)，譬如，在規(guī)定研磨介質(zhì)和工作條件的基礎(chǔ)上，再定研磨轉(zhuǎn)數(shù)，然后再測(cè)量磨耗，這樣有可能建立起有釉、無(wú)釉產(chǎn)品統(tǒng)一的耐磨測(cè)試評(píng)價(jià)體系，有利于對(duì)建筑陶瓷產(chǎn)品性能進(jìn)行更科學(xué)的評(píng)估，針對(duì)坯體與釉層密度的差異，還可在有釉磚和無(wú)釉磚計(jì)算耐磨性系數(shù)IW的過(guò)程中中引入系數(shù)修正。

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