硬度测试方法

1引言涂膜硬度是涂膜抵抗诸如碰撞、压陷、擦划等机械力作用的能力；是表示涂膜机械强度的重要性能之一；也是表示涂膜性能优劣的重要指标之一。涂膜硬度与涂料品种及涂膜的固化程度有关。油性漆及醇酸树脂漆的涂膜硬度较低，其它合成树脂漆的硬度较高。涂膜的固化程度直接影响涂膜的硬度，只有完全固化的涂膜，才具有其特定的最高硬度，在涂膜干燥过程中，涂膜硬度是干燥时间的函数，随着时间的延长，硬度由小到大，直至达到最高值。在采用固化剂固化的涂料中，固化剂的用量影响涂膜硬度，一般情况下提高固化剂的配比，使涂膜硬度增加，但固化剂过量则使涂膜柔韧性、耐冲击性等性能下降。一些自干型涂料，以适当的温度烘干，在一定程度上能提高涂膜硬度。涂膜硬度是涂料、涂装的重要指标，大多数情况下属于必须检测的项目。2铅笔硬度测定法铅笔硬度法是采用已知硬度标号的铅笔刮划涂膜，以能够穿透涂膜到达底材的铅笔硬度来表示涂膜硬度的测定方法。国家标准GB/T6739—1996《涂膜硬度铅笔测定法》规定了手动法和试验机法2种方法，该标准等效采用日本工业标准JISK5400-90-8.4《涂料一般试验方法———铅笔刮划值》。标准规定采用中华牌高级绘图铅笔，其硬度为9H、8H、7H、6H、5H、4H、3H、2H、H、F、HB、B、2B、3B、4B、5B、6B共16个等级，9H最硬，6B最软。测试用铅笔用削笔刀削去木质部分至露出笔芯约3mm，不能削伤笔芯，然后将铅笔芯垂直于400#水砂纸上画圆圈，将铅笔芯磨成平面、边缘锐利为止。试板为马口铁板或薄钢板，尺寸为50mm×120mm×（0.2～0.3）mm或70mm×150mm×（0.45～0.80）mm，按规定方法制备涂膜。2.1手动法采用手动法测试时，握住已削好的铅笔，使其与涂层成45°，以铅笔芯不折断为度，按约1cm/s的速度在涂层上向前推压刮划约1cm。每刮划一道要对笔芯尖端重新研磨，同一硬度铅笔重复刮划5道。涂膜刮破情况：在5道划痕中，如有2道或2道以上未刮划到样板的底板或底层涂膜时，则换用前一硬度标号的铅笔试验，直至找出涂膜被刮破2道或2道以上的铅笔，这个铅笔硬度标号的后一位标号即为刮破涂膜的铅笔硬度。涂膜擦伤情况：在5道划痕中，如有2道或2道以上涂膜未擦伤时，换用前一硬度标号的铅笔进行试验，直至找出涂膜被擦伤2道或2道以上的铅笔，这个铅笔硬度标号的后一位标号即为擦伤涂膜的铅笔硬度。擦伤是指涂膜表面有微小刮痕，但由于压力使涂膜凹下去的现象则不作考虑。如果试验处涂膜无伤痕，可用橡皮擦除去碳粉，以对着垂直于刮划方向与试板面成45°目视检查，能辨认的伤则为擦伤。结果评定时按刮破与擦伤2种情况，评定漆膜刮破或擦伤时的铅笔硬度。2.2试验机法在铅笔硬度试验机上固定好试板，铅笔固定在铅笔夹具上。调节平衡锤使铅笔荷重处于平衡状态，固定连杆，加载（1.00±0.05）kg重物后使铅笔芯尖端接触涂膜，重物荷重加到铅笔尖端上。摇动手轮，以0.5mm/s的速度使试板向铅笔芯反方向水平移动3mm，使笔芯刮划涂膜表面。挪动试板至与移动垂直的方向刮划5道，每道刮划后重新磨平铅笔芯。漆膜刮破和擦伤情况评定同手动法。GB/T6739—1996版标准对GB/T6739—1986版标准进行修订时，无论试验机法和手动法的结果评定，均由前版的一种评定方法：未犁伤涂膜时的铅笔代表所测涂膜的铅笔硬度，改为新版的2种评定方法：涂膜刮破或涂膜擦伤时的铅笔硬度代表所测涂膜的铅笔硬度。这项标准已实施十多年了，但遗憾的是行业仍普遍采用前版的一种评定方法，即未刮破涂膜时的铅笔代表所测涂膜的铅笔硬度。采用手工方法对不同的操作者可能会得到不同的结果，故作为仲裁试验应采用试验机法。3摆杆硬度测定法摆杆硬度测定法的工作原理是接触涂膜表面的摆杆以一定周期摆动时，如表面软则摆杆摆幅的衰减快，表面硬则摆幅的衰减慢。GB/T1730—1993《涂膜硬度测定法摆杆阻尼试验》规定了在色漆和清漆涂层上进行摆杆阻尼试验，测定其阻尼时间的标准方法。标准规定了A和B2种方法，A法采用科尼格（Konig）和珀萨兹（Persoz）2种摆杆式阻尼试验仪，B法采用双摆杆式阻尼试验仪。A法系等效采用国际标准ISO1522：1973《色漆和清漆摆杆阻尼试验》。由于各种摆的结构、质量、尺寸、摆动周期及摆幅不同，外加摆杆与涂层间的相互作用还取决于涂层具有的复杂的弹性和黏弹性，由此各种摆的测定结果之间不可能建立起相互间的换算关系，因而在测定摆杆硬度时，只规定使用一种摆杆仪。由于各种摆的测定结果均反映了涂层阻尼时间对环境的敏感性，因此，试验应在控制温湿度条件、处于无气流影响的情况下进行。而且涂层厚度及底材材质也能对阻尼时间带来影响。3．1A法———科尼格和珀萨兹摆杆阻尼试验通常科尼格摆的阻尼时间接近珀萨兹摆的一半。在摩擦系数低的表面上，珀萨兹摆可能打滑。试板为100mm×100mm×5mm的浮法玻璃或抛光平板玻璃，按规定制备涂层，并将干燥试板放置在（23±2）℃，相对湿度（50±5）%的条件下至少16h。它们的主要结构均由一横杆与一开口框架相连，横杆下面均嵌入2个用作支点的钢球，框架下端成一个指针式的尖端。科尼格摆总质量为（200.0±0.2）g，摆杆横杆下面2个钢球的直径为（5.000±0.005）mm，硬度HRC63±3，珠距（30.0±0.2）mm，可通过移动与横杆垂直的连接杆上的滑动重锤来调节摆的固有摆动周期。在抛光平板玻璃上，摆杆从6°摆幅衰减至3°的阻尼时间应为（250±10）s，摆动周期为（1.40±0.02）s。珀萨兹摆总质量为（500.0±0.1）g，摆杆横杆下的2个不锈钢珠直径为（8.000±0.005）mm，硬度HRC59±1，珠距（50±1）mm。摆静止时，重心应在支轴下（60.0±0.1）mm处，指针尖端在支轴下（400.0±0.2）mm处，在抛光平板玻璃上，摆杆从12°摆幅衰减至4°的阻尼时间应为420s，摆动周期为（1.000±0.001）s。用于支撑试板和摆杆的仪器座上，设有一个垂直支承杆，并与一个具有工作平面的水平台相连接，尺寸通常为95mm×110mm，厚度不小于10mm。当摆杆离开水平工作台时，有一框架支承摆杆，并在座内安有机械装置可使摆杆无振动地落在试板上。测试前，将抛光玻璃板置于仪器水平工作台上，用水平仪调至水平。用乙醚润湿的软绸布（或棉纸）擦净支承钢珠，将摆杆处于与试板相同的环境条件下10min。测试时，被测试板涂层向上，放置于水平工作台上，使摆杆慢慢降落到试板上。在支轴没有横向位移的情况下，将摆杆偏转一定角度（科尼格摆6°，珀萨兹摆12°）停在预定的停点处。松开摆杆，启动秒表，记录摆幅由6°到3°（科尼格摆）或由12°到4°（珀萨兹摆）的时间（s）。在同一试板的不同位置测量3次。涂层阻尼时间以3次测量值的平均值表示。3.2B法———双摆杆阻尼试验涂层硬度以一定质量的双摆置于被试涂层上，在规定摆动角范围内摆幅衰减的阻尼时间与在玻璃板上同样摆动角范围内摆动衰减的阻尼时间之比来表示。双摆杆总质量为（120±1）g，摆杆上端至下端长度为（500±1）mm。在未涂漆玻璃上摆杆摆动角从5°至2°的阻尼时间应为（440±6）s。支撑摆杆和试板的仪器座上设有一个很重的垂直支承杆，并与一具有工作平面的水平台相连，当摆杆离开水平工作台时，有一框架支承摆杆，座内安有机械装置可使摆杆无振动地落在试板上。底座前装有一块能表示摆杆偏离静止中心角度的标尺，标有5°到2°。标尺零位与摆静止时摆尖处于同一垂直位置。试板为玻璃板，90mm×120mm×（1.2～2.0）mm，按规定制备涂层，将干燥试板在（23±2）℃，相对湿度（50±5）%条件下放置16h。测试前，将玻璃板置于仪器水平工作台上，用水平仪调至水平。用乙醚润湿的软绸布（或绵纸）擦净支承钢珠，将摆杆处于与试板相同的环境条件下10min。测试时，被测试板涂层向上，放置于水平工作台上，使摆杆慢慢降落到试板上，摆杆支点距涂层边缘不少于20mm。在支轴没有横向位移的情况下，将摆杆偏转，停在5.5°处。松开摆杆，摆至5°时启动秒表，记录摆幅由5°到2°的时间（s）。在同一试板的不同位置测量3次，计算3次结果的平均值。涂层硬度按下式计算：式中：t———摆杆在涂层上的摆动阻尼时间，s；t0——摆杆在玻璃板上的摆动阻尼时间，s。4压痕试验法涂层的压痕试验是指抵抗压头压入涂层的能力。在一定的荷载下，涂层硬度越高，其抵抗压头压入涂层的能力就越强，涂层的压痕就越小。国家标准GB/T9275—1988《色漆和清漆巴克霍尔兹压痕试验》规定了用巴克霍尔兹压痕仪对涂层进行压痕试验的方法。该标准等效采用国际标准ISO2815:1973《色漆和清漆巴克霍尔兹压痕试验》。当压痕仪在规定条件下施压时，即形成压痕长度，以压痕长度倒数的函数表示抗压痕试验的结果。当要求涂层的抗压痕性提高时，抗压痕值就增大。压痕装置由矩形金属块、压痕器和2个尖脚组成。整个装置重（1000±5）g。压痕器和2个尖脚在装置上的位置要使仪器放在平面上时稳定。压痕器的有效负荷为（500±5）g。压痕器具有尖锐刀刃的工具钢金属轮、压痕器转动轴使金属轮可以转动。试板为玻璃板，90mm×120mm×（2～3）mm。按规定制备涂层。将干燥试板在（23±2）℃，相对湿度（50±5）%条件下放置16h。测试时，试板涂层向上，放在试验台平面上，将压痕器轻放在试板的适当位置。轻放时首先使尖脚与试板接触，然后小心放下压痕器。放置（30±1）s，抬起压痕装置时先使压痕器后尖脚离开涂层。移去压痕器后在（35±5）s内用显微镜观测压痕产生的影响长度，精确到0.1mm。在同一试板的不同位置进行5次试验，取其平均值。抗压痕性:100/L，式中：L为试验平均值修约后的压痕长度，mm。由于压痕深度取决于涂层厚度，只有在涂层厚度符合规定值时，测得的抗压痕性才有效。除巴克霍尔兹压痕器以外，还可采用努普（Knoop）压头和芬德（Phund）压头在压痕硬度计上进行压痕试验。努普压头是金钢石锥体，芬德压头是半球形石英压头或蓝宝石压头，前者提供的硬度值以努普硬度数（KHN）表示，后者提供的硬度值以芬德硬度数（PHN）表示。努普硬度数的精确度较芬德硬度数高。5划痕试验法划痕试验是在划针上加一定的负荷进行试验，按特定的要求评价涂层性能（通过或不通过），或者逐渐增加划针上的负荷，测定划透涂层所需要的最小负荷。GB/T9279—1988《色漆和清漆划痕试验》规定了在标准条件下测定色漆和清漆的单一涂层或复合涂层体系抗划针划透性能的试验方法。该标准等效采用ISO1518:1973《色漆和清漆划痕试验》。试板为125mm×50mm的马口铁板、薄钢板或硬铝板，按规定进行表面处理和涂漆。干燥后试板应在（23±2）℃，相对湿度（50±5）%的条件下放置16h。划痕试验仪有自动型和手动型2种，自动试验仪应包含滑板、划针及其夹杆、支架、底座和马达等部分。划针有一直径1mm的淬火钢质半球形针头，可用滚珠轴承的钢珠焊接到划针杆上制成。试验是在规定的环境条件下进行的，温度为（23±2）℃，相对湿度为（50±5）%。测定单一固定负荷和复层系统固定负荷时，先用30倍放大镜检查划针头应无明显的磨伤和污物。将划针固定在夹头上，试板涂层向上，将其夹紧于仪器的滑动板上，试板长边应平行于划痕方向，用砝码在划针上方支架上加一定负荷，开动仪器（或用手推动仪器滑动板），在试板涂层上划出划痕。取下试板，用放大镜检查涂层是否被划穿露底，或用电工仪器检查导电性来判断。测定划透涂层最小负荷时，在划痕仪上先加较小负荷，然后逐渐增加负荷，直到涂层被划透为止。每次划痕均应在试板未划部分进行。最后在未划部分用最后负荷进行重复试验。记下划透涂层的最小负荷。划痕试验结果与下列因素有关：①底材的性质和表面处理；②受试涂料的施涂方法；③单层或复层系统干膜厚度及其测量方法；④试板的干燥条件和干燥时间；⑤划针上施加的负荷大小。除仲裁试验外，可以使用手动试验仪。采用手动时，可先将划针落在一片安全刀片上，然后从刀片上平稳滑离，使划针与试板涂层接触