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熱噴涂涂層硬度的測定方法

嘉峪檢測網        2019-09-18 14:18

硬度是材料在外力作用下抵抗塑性變形、劃痕、磨痕或切割等的能力。實際上是彈性模量、屈服強度、變形強化率等一系列物理性能在不同程度上組合成的一種復合力學性能。由于試驗方法和原理不同,分為宏觀硬度顯微硬度。表示方法有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)、肖氏硬度(HS)和維氏硬度(HV)等,此外,表面劃痕硬度法也用于涂層硬度的評價。

涂層的硬度是涂層非常重要的力學性能指標,關系到工件在使用過程中的耐磨、強度以及使用壽命等方面的問題。涂層的硬度除與噴涂原材料(粉末和絲材)密切相關,還與噴涂方法、噴涂設備、噴涂工藝和噴涂條件等因素有關。這是因為涂層硬度除材料本身硬度外,還與涂層組織結構、孔隙分布和氧化物的含量等相關,而噴涂方法或噴涂條件的不同往往會造成以上各因素的差異,導致同一種材料的涂層硬度也會有所差異。一般熱噴涂涂層的材料大多是多合金或高合金材料和復合材料,涂層組織中存在著化合物相和硬質點彌散相,所以涂層硬度的檢測有宏觀硬度和顯微硬度之分。涂層的宏觀硬度與顯微硬度在本質上是不同的。涂層的宏觀硬度反應的是涂層表面的平均硬度,而涂層的顯微硬度反映的是涂層中顆粒的硬度。

通過大量試驗表明,對同一涂層而言,當采用不同測試方法或即使是同一種方法而測試條件(如載荷)不同時,可能顯示出不同的硬度值。在選擇測試載荷時,在允許的條件下應盡可能地選擇較大的載荷,以減少測量誤差。另外,對各種不同的硬度測試方法來講,特別是有壓痕深度的測試方法,對相應涂層的厚度都有具體要求,唯有綜合考慮這些因素,才能測出符合實際的硬度值。

1. 宏觀硬度的測定

涂層的宏觀硬度是指用一般的布氏硬度或洛氏硬度計,以涂層表面整體大范圍內(宏觀)壓痕為測定對象,所測得的平均硬度值。

(1)布氏硬度(HB)

布氏硬度測定時的鋼球直徑、負荷大小、作用時間均應根據試樣預期硬度按表1進行選擇。試驗后的壓痕直徑應在0.25D<d<0.6D范圍內,否則測試結果無效。此外,試樣最小厚度不得小于壓痕深度的10倍。該試驗法適合于金屬噴涂層的硬度測試。

表1布氏硬度測試規范

熱噴涂涂層硬度的測定方法

 

(2)洛氏硬度(HR)

洛氏硬度適合于表面硬度大于450 HBW的試件硬度測試,該方法適用于測定金屬噴涂層、陶瓷涂層。噴涂層一般應使用表面洛氏硬度計,其原理與普通洛氏硬度計相同,只是所加載荷較小而已。

檢測時,最硬的耐磨涂層宜采用15N、30N、45N刻度測量;稍軟的涂層可用15T、30T、45T刻度測量;對更軟的涂層,用帶有主負荷為15 kg的表面洛氏硬度機測定,分別采用直徑為1.588 mm (1/16〞)的鋼球,R15T刻度表;直徑為3.175 mm (1/8〞)的鋼球,R15W刻度表;直徑為12.700 mm (1/2〞)的鋼球,R15Y刻度表。

裝上鋼球或更換鋼球時,第一次打硬度的讀數不計入,以防因鋼球未安裝合適而造成的讀數不準確。測試點應在涂層表面中心線上均勻分布,并避開缺陷。測量點數不應少于5個,最后取其平均值作為涂層的硬度值。

在測量洛氏硬度時,涂層厚度也極為重要,表2中列出了涂層所需的最小厚度,該厚度值均為加工后的數值。

表2 測定洛氏硬度時要求涂層的最小厚度

洛氏標尺 15N 30N 45N HRA HRB HRC HRD 15T 15W
涂層厚度/mm 0.4 0.64 0.9 1 1.6 1.8 1.3 1.8 1.8

 

2. 顯微硬度的測定

顯微硬度法(HV)是采用顯微硬度計上特制的金剛石壓頭,在一定靜載荷的作用下,壓入試樣涂層表面,得到相應的正方角錐體壓痕。然后用硬度計上測微目鏡將壓痕放大一定的倍率,再測量其壓痕對角線長度。

該方法適用的硬度范圍及試樣種類很寬,一般的噴涂、噴熔層均可使用,但應保證試樣最小厚度不小于1.95 (F/HV×9.8)1/2。由于顯微硬度法把試驗對象縮小到顯微尺度以內,因此常用來測定某一組織組成物或某一組成相的硬度。例如,在研究噴涂涂層相結構時,顯微硬度得到了廣泛應用。此外,測定單個噴涂粒子的硬度,使用顯微硬度計效果也很好。

顯微硬度計在原理上類同維氏硬度計,但載荷較小,通常使用的載荷為2、5、10、20、50、100、200g,適用于除塑料材料以外的所有涂層。

(1)顯微硬度試驗條件

1)載荷的選擇

顯微硬度一般常用載荷為25、50、100、200、300、500和1000克力。對于特殊細微的試件需要選用更小載荷,如10和5克力。一些專用的超微小硬度計,其載荷可達到0.1克力。

試驗所選用的載荷要視試件的厚度與硬度范圍而定。在試件厚度允許的范圍內盡量采用較大載荷,以便獲得較大尺寸的壓痕,從而減小測量的相對誤差。但對于過硬的物質不宜采用過大的載荷,以免損壞壓頭。然而也不宜采用所獲得壓痕之對角線小于10微米的載荷。選取實驗載荷是要針對材料硬度范圍而定。通常,載荷大小可用下式估算:

熱噴涂涂層硬度的測定方法

式中:m—載荷重量(g);

HV—估計涂層硬度值(N/mm2);

δ—涂層厚度(µm)。

在載荷減小時,所獲得壓痕對角線長度與載荷之比不是常數。

在測定材料硬度值時,要在試件厚度允許的范圍內盡量使所得壓痕對角線大于10 μm。

2)試樣的制備

試樣的表面應光滑清潔、平整、無油污,試樣表面應進行研磨拋光,其表面光潔度不宜低于▽12。涂層應有相應的厚度。試驗后,試件不應有變形的痕跡,其厚度一般不小于壓痕深度的10倍。對于特小試件,應將其鑲嵌在塑料或其他較軟材料上,但鑲嵌材料應有一定的強度,使其在試驗時不產生位移。

試件要有足夠大的測試平面,其面積直徑應不小于5倍的壓痕對角線長度。

3)壓頭

用兩楞面夾角為136°的金剛石正四面棱角錐體為壓頭。

(2)負荷的施加、保持與卸除

1)負荷應平穩、緩慢的施加,無任何振動和沖擊現象,加載速度也不宜過慢,特別是在保持時間較短的情況下。加載速度大多在15~50微米/秒的范圍。

2)負荷保持時間對試驗結果也有影響,保持時間越長,材料變形越充分,硬度值就越低;同時保持時間過長,容易受外界條件干擾,也影響試驗結果。通常選用30秒左右完成加載。

3)負荷卸除時,禁忌沖撞和振動,應平穩、均勻地卸除。一般卸荷速度較加荷速度快。

(3)壓痕測量裝置

顯微鏡放大倍數一般不低于400倍。其分度值不得大于0.5微米,讀數精度不得低于±0.2微米。

(4)試驗環境及其他

1)試驗應在室溫為20±1℃的、干燥的、無腐蝕氣體的清潔環境中進行,附近無振源,硬度計應安裝在穩固的基礎上,并調至水平。

2)硬度計應經檢驗合格后,方可使用。

3)同一試件上至少要測定三點,取三點之平均值作為被測試件的硬度值。

4)壓痕中心距試件邊緣以及相鄰兩壓痕中心間的距離不得小于2.5倍的壓痕對角線的長度。對于有色金屬不得小于壓痕對角線長度的5倍距離。

(5)檢驗步驟

為了保證涂層硬度測試的準確性,應按以下步驟進行檢驗:

1)試樣準備 被測試試樣的測試部位應適當預處理,使其表面平整、光滑,并經清洗使其表面清潔無油污等臟物,當測量剖面硬度時,則需按金相測厚法制備試樣。

2)儀器檢驗與校正 應按儀器產品說明書對顯微硬度計進行嚴格全面檢查和校正,以保證儀器工作時正常,壓痕清晰,測值準確,并符合標準硬度值范圍。

3)選擇載荷重量及加載速度 在實際操作前,應根據被測涂層性能和厚度按前述公式估算出載荷重量,并選擇適宜的加載速度,在可能范圍內盡量選擇較大的載荷和較小的加載速度。

4)加荷 將被測試樣的測試部位置于硬度計的物鏡下,選擇好壓痕的合適位置后,將其緩慢移至硬度計金剛石壓頭下方,然后均勻緩慢進行加載,直至儀器指示燈指示加載已到所選定載荷時停止加載,保持一定時間后立即卸去載荷。

5)觀察壓痕 將試樣再移至硬度計物鏡下,通過硬度計的目鏡可以清晰看到試樣上正方形角錐體壓痕及壓痕的對角線。

6)測量壓痕長度 準確測出壓痕對角線長度,并根據此長度查表求出硬度值。

7)重復操作 對于同一試樣,應按以上步驟,在相同條件下重復操作5次以上,取其平均值作為涂層硬度的最后測量結果。

3. 霍夫曼(Hoffman)劃痕硬度

該方法可以間接測定涂層的硬度。采用6 mm有斜面的負荷尖頭在2×9.807 N負荷作用下于噴涂層表面刻劃,要求最小涂層厚度為0.89 mm,以劃痕寬度表示硬度。劃痕越寬,硬度就越低,涂層結合狀況也越弱。Hoffman劃傷硬度值HN可按下式計算。

HN=b/5×10-3

 

劃傷硬度試驗方法目前還不甚完善,除了霍夫曼劃痕硬度法外,美國曾提出過利用立方體金剛石的棱線傾斜于工件進行擦傷,隨后用顯微鏡測量劃痕的寬度,寬度越大,則硬度越低。

劃傷硬度法適用于軟的金屬涂層和塑料涂層。但對于塑料涂層,由于其性質所致,劃痕形狀如圖1所示,呈現出二重寬度。操作者常常為取aa’或bb’而產生困惑,因此不同的涂層材料,不同的操作者都會帶來測試誤差。其劃痕硬度值可以近似用劃痕寬度來衡量,也可用下式計算:

劃痕硬度 = 給針頭施加的力(N)/劃痕寬度平方值(mm2)×9.807

塑料涂層的試片形狀及尺寸與測試無直接關系,通常以方便為原則進行截取。

熱噴涂涂層硬度的測定方法

圖1 劃痕痕跡示意圖

4. 錘擊硬度

試驗時用手錘沖擊儀器的撞銷,此時沖擊力傳到鋼球上,鋼球同時壓入所試的涂層和標準桿,且對二者的壓入力相等。硬度值是用比較金屬涂層和標準桿上壓痕直徑的方法來確定的。試樣的硬度可由下式近似給出:

HBO=HBB(dB2/d02)

 

HBO—金屬涂層錘擊硬度,HBB—標準桿硬度,dB—標準桿上壓痕直徑,d0—金屬涂層上壓痕直徑。

該試驗法的特點是適合于現場及大型工件硬度的測試,可以比較不同涂層材料的硬度差別,但其硬度值不宜作為性能指標使用。

此外,肖氏硬度試驗法也可用于涂層硬度測試,許多現代化測試技術如單片機數字測硬儀等也正在應用,尤其是在現場測試時可顯示出其快速、便于攜帶等優越性。

5.硬度示值分析

由于涂層的形成方法工藝規范不同,或者是涂層材料特性不同,以及圍觀結構、微粒大小、氣孔的多少與尺寸、氧化物含量等不同,所測出的硬度也會有明顯差別。

涂層硬度隨噴涂距離變化而變化。盡管噴涂槍功率大小有別,但總會出出現一個硬度高峰。過大過小的噴涂距離,都使涂層硬度下降。

粉末粒度大小也對硬度有一定影響。試驗表明,粉未粒度越理,得到的涂層硬度就越低。

噴涂時空氣壓力對涂層硬度的影響為:空氣壓力增大使粒子飛行速度增大,同時冷卻作用也越大,因此使硬度有所增加。

不同的涂層厚度,其硬度值顯示也有差異。實驗表明,當熱噴涂層厚度小于不同的熱噴涂工藝方法得到的涂層,其硬度值也有變化。一步噴熔法的涂層硬度高于二步噴熔法的涂層硬度。當厚度小于 0.6 mm時,硬度隨厚度的增大而增大,當厚度達到 0.6 mm 以上時,硬度值迫于穩定。此外,噴熔時重熔次數也對硬度有一定影響。重熔次數越多、則硬度值就越低。

來源:《熱噴涂材料》作者:張平

 

 

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來源:Internet

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