2011年6月15日 星期三

浅析测定热喷涂涂层抗拉结合强度结果的主要影响因素www.tool-tool.com

1前言

涂层抗拉结合强度是指涂层与基体之间单位面积涂层从基体材料结合面上剥落下来所需要的力。它是检测涂层性能非常重要的一个指标。

涂层结合强度不好,多数情况是由于喷涂前预处理不良的原因。此外,喷涂时工艺规范;基体金属与喷涂金属的热膨胀系数不同,均对结合结合强度有明显影响。但定量测定涂层结合强度时各相关因素处理不好也将直接影响测定结果。

影响涂层抗拉结合强度测定结果的因素很多,这些因素控制得是否合理,将直接影响试验的成功和测定结果的可靠性和准确性。下面我们将从基体样块与加载块的粘 接、加载块的表面预处理、粘接剂的调配、涂层的厚度以及试验机的拉伸速度等几个方面对抗拉结合强度测定结果的影响加以探讨。

2试验方法

2.1 仪器与设备

2.1.1 WDWH—50型微机控制电子万能试验机;

2.1.2 TR110型袖珍式粗糙度仪;

2.1.3 FA-2004N电子天平,精确度0.1mg;

2.1.4 YHG-40×45型远红外快速恒温干燥箱;

2.1.5 Elcometer-456涂层测厚仪(进口)。

2.2 材料、规格与试验流程

2.2.1 试验样块:直径Φ25mm,长度50mm,圆柱形Q235钢;

2.2.2 工装夹具:材料Q235钢,具体尺寸规格:外径38 mm,内径25 mm,长为110 mm;

2.2.3 胶粘剂:E-7高温结构胶;

2.2.4 试验流程:制样—预处理—粘接—固化—测试;

2.3.5 结合强度计算公式[2]

Rн= Fm/S

式中:

Rн——抗拉结合强度,单位为牛每平方(N/mm²);

Fm——最大载荷,单位为(N);

S——断裂面横截面积,单位为平方毫米(mm²)。

3结果与讨论

3.1 样块与加载块的粘接对测定结果的影响

涂层抗拉结合强度的定量测试,样块的粘接非常关键,基体样块与加载块粘接时容易产生角位移或位置位移(错位),安装时容易断裂,即使不断裂试验时也会产 生切应力而使得垂直方向的拉力分散导致测试结果偏小。因此基体样块与加载块必须要保持同一轴心。自行设计制作的工装夹具解决了这一难题,图样详见图1。它 是由两个内径为25mm、外径为38 mm、长为110 mm的半圆柱形夹套和两头两个相对应的端盖组成,两个半圆柱体由两头两个端盖上的四个M4 mm螺丝联成一体,由于样块和加载块是两个长为50 mm直径为25 mm的圆柱体,粘接后放入一个半圆柱体内,再盖上另一半圆柱体,旋紧两端盖上的螺丝,轴向再由端盖中央的M8 mm的螺丝加以固定,同时也给予粘接时的静荷载,这样就把粘接块水平和垂直方向都夹紧固定了,避免粘接时样块与加载块产生角位移(弯曲)和/或位置位移 (错位),保持了样块与加载块粘接后同心,抗拉试验时基体样块与加载块受力在同一轴心(图2),保证了涂层抗拉结合强度测试结果的可靠性和准确性。

图1 工装夹具三维图

图2 试样安装示意图

3.2加载块表面预处理对测定结果的影响

从热喷涂层结合机理的论述中可知,合适的粗糙度表面,能增大涂层与基体之间的结合力[3]。加载块预处理后表面粗糙度对结合力测试结果的影响见表1

表1 加载块表面粗糙度对涂层抗结合强度测试结果的影响

加载块未喷砂处理 加载块作喷砂处理

试样编号 1 2 3 1 2 3

粗糙度(Raμm) 3.1 3.8 3.5 20.2 21.1 22.5

结合强度(MPa) 7.9 8.14 8.05 30.21 32.6 33.72

平均值(MPa) 8.03 32.18

将加载块分成两组,第一组加载块只作除油去污,除去附着不牢的氧化皮铁锈等杂物,达化工规范要求的清洁度,然后测其表面粗糙度。当此加载块作抗拉结合强度 试验时,平均抗拉强度达8.03Mpa时,胶层从加载块介面脱落,而涂层与基体介面没有脱落。显示涂层与基体表面结合强度好于胶与加载块表面的结合强度。 第二组加载块作喷砂处理,测其表面粗糙度分别为:20.2、21.3、22.5μm。当此加载块作抗拉结合强度试验时平均强度达32.18Mpa时样块涂 层与基体表面脱落,但胶层与加载块表面结合完好,表明胶层与加载块表面的结合强度大于涂层与样块表面的结合强度;两组加载块对比试验结果还显示,加载块经 喷砂处理表面对胶层的结合强度高于末喷砂表面的结合强度。由于热喷涂涂层表面都有一定的粗糙度,因此涂层表面只要用酒精清洗干净就可以了。

3.3固化剂的用量对测定结果的影响

在电弧喷涂涂层抗拉结合强度测试技术中,粘接剂粘接工艺规范对涂层结合强度测试结果起着重要作用,它关系到抗拉试验的成败。具体试验结果见表2:

表2 固化剂用量对胶层结合强度测试结果的影响

配比(质量比) 0.5:10 1:10 1.5:10

试样编号 1 2 3 1 2 3 1 2 3

粗糙度(Raμm) 23.5 21.6 22.5 22.5 22.0 22.8 22.5 23.3 22.8

结合强度(MPa) 22.6 21.8 22.3 77.12 76.23 77.31 50.22 51.06 50.79

平均值(MPa) 22.23 76.89 50.69

由表2结果表明固化剂用量与“E-7结构胶”最佳配比是1:10(质量比),在这个范围内,胶层结合强度都在70Mpa以上,而且重现性很好。如果固化剂 用量偏多,如固化剂与E—7结构胶之比1.5:10时,固化后胶层脆性增大,胶层粘接力减小;如果固化剂用量偏少,如固化剂与E-7结构胶之比 0.5:10时,胶层固化效果变差,胶层粘接力降低,在E—7结构胶与固化剂进行化学反应时,由于固化剂用量不足,固化反应不完全,影响了胶层的粘接强 度。抗拉试验时会出现胶层面断开而涂层与基体拉不脱现象,导致试验失败。

3.4涂层厚度对测定结果的影响

我们使用的粘接剂为E—7结构胶,它是一种环氧胶,为碳氢氧化合物,它有一定的渗透性。而不同的热喷涂涂层又有一定的孔隙率,如果涂层太溥,粘接剂完全或 部分渗透的话,抗拉试验时实际上有一部份是粘接剂的结合强度,测出的结合强度结果会偏大。另外涂层本身有一定的残余应力,涂层的残余应力与涂层的厚度有 关。涂层愈厚,其残余应力愈大[6],这样就会降低涂层的结合强度。因此我们进行了同一种丝材在0.2~1.5 mm左右不同厚度同一喷涂工艺下的抗拉结合强度的试验,涂层厚度用Elcometer-456测厚仪测厚。试验结果见表3,表中数据为三个试样的平均值, 涂层厚度与结合强度的关系曲线见图3:

表3 同一种丝材不同厚度抗拉结合强度测定结果

厚度(mm) 0.22 0.41 0.58 0.78 1.02 1.26 1.52

粗糙度(Raμm) 58.2 57.6 57.4 58.0 58.4 57.9 59.1

结合强度(Mpa) 45.62 38.42 33.24 31.24 29.61 25.20 18.60

图3 涂层厚度与结合强度的关系曲线

从 试验结果及曲线可以看出,该涂层厚度在0.22~0.58mm和1.02~1.52mm左右测定的结果随厚度增加而减小,数 据不够稳定,厚度在0.58~1.02mm左右测定的结合强度数据相对比较平稳,数据比较接近,说明该涂层厚度在此范围内测定的抗拉结合强度相对准确。

3.5粘接剂的用量对测定结果的影响

粘接剂按规定调好后,用刮刀将粘接剂涂布在已处理好的加载块和喷有涂层的基体块的表面,待表面湿润后把多余粘接剂刮掉,只留下薄薄的一层,这样当基体块和 加载块放入专用夹具中对接时不至于多余的粘接剂溢出而污染样块的侧面。从而导致抗拉试验时试验机的夹钳夹不住样块,样块有滑动现象而影响测定。样块放入夹 具夹好后放入105℃远红外快速恒温干燥箱烘考固化。夹具放入干燥箱中一定要竖立着放置不能横着放置,因粘接剂固化前有一定的流动性,导致粘接剂向下流动 导致不均匀而影响粘接效果,而流出的粘接剂还会污染样块侧面。

3.6试验机的加载速度对测定结果的影响

本试验使用的拉力试验机为WDWH-50微机控制电子万能试验机,它是采用电子测试和试验数据的自动处理技术,因此正确地设置加载拉伸速度对获得准确的试 验数据非常重要。为此我们以粘接剂为例以不同的拉伸速度对结合强度测定的影响进行了试验。设计了拉伸速度为1、3、5、7、10、12mm/min共六组 数据,试验结果见表4:由试验结果可以看出,不同的拉伸速度对测试结果的稳定性有一定的影响。拉伸速度为1、3、5mm/min时测试结果的平均值相对比 较接近,极差和标准偏差也相对较小,说明所测得的数据相对稳定。但随着拉伸速度的增大,尤其是拉伸速度超过7mm/min时其测试结果的平均值相差较大, 极差和标准偏差也比较大,说明所测得的数据不稳定。因此本试验机的拉伸速度应控制在5mm/min以下为宜。

表4 同一批粘接剂以不同的拉伸速度所测得的结合强度

拉伸速度(mm/min) 结合强度(MPa) 平均值(MPa) 极差 标准偏差

1 70.24 71.62 70.96 70.94 1.38 0.69

3 71.34 70.84 72.25 71.48 1.41 0.71

5 71.84 73.21 72.98 72.68 1.37 0.73

7 72.45 71.64 74.32 72.80 2.68 1.37

10 74.62 71.60 77.34 74.52 5.74 2.87

12 75.20 71.64 78.60 75.15 6.96 3.48

4结论

(1) 样块与加载块粘接时要有合适的装置,保证样块与加载块粘接时不会产生角位移(弯曲)或位置位移(错位),保持粘接样块在同一轴心。

(2) 采用胶粘剂粘接时,粘接面一定要作表面处理,使之达到一定的粗糙度。

(3) “E-7高温结构胶”固化剂与胶的的最佳配比是1:10(质量比)。一定要按其说明准确配制。

(4) 测定涂层抗拉结合强度时涂层要有适当的厚度。

(5) 粘接剂用量要适当,涂布要均匀,既要保证试验样块充分粘接,又要防止过多的粘接剂在固化过程中污染试样侧面而影响测定。

(6) 抗拉试验时应按标准规定控制一定的加载拉伸速度,以其达到测定结果的真实程度和稳定性。

引用出處:

http://www.heng-da.com/shownews.asp?id=419

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