涂层结合强度检测方法与技术

2023-06-18 理论教育版权反馈

【摘要】：通常情况下只检测涂层与基体之间的结合强度，简称为结合强度。涂层结合强度定性检测试验的特点是简单易行，可迅速得知涂层结合力的基本状况，但准确度不高；而定量检测试验虽然较复杂，但试验数据准确，可反映涂层真实的结合强度。杯突试验也称为深引试验，常被用来检验薄板金属较硬涂层的结合强度。同样选取5个试样进行试验，测定计算5个试样的算术平均值作为涂层的结合强度。

涂层结合强度包括涂层颗粒之间的内聚强度（涂层自身结合强度）和涂层与基体材料之间的结合强度（附着力），一般来说涂层自身结合强度大于涂层与基体的结合强度。通常情况下只检测涂层与基体之间的结合强度，简称为结合强度。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一个的指标。若结合强度过小，轻则会引起涂层寿命降低，产生早期失效，重则造成涂层局部起皮、剥落无法使用。

涂层结合强度的检测方法可分两类：一类是定性检测，多为生产现场检查用，如栅格试验、弯曲试验、冲击试验、杯突试验等；另一类是定量检测，有抗拉强度试验、剪切强度试验等破坏性检测方法和超声波无损检测方法。

涂层结合强度定性检测试验的特点是简单易行，可迅速得知涂层结合力的基本状况，但准确度不高；而定量检测试验虽然较复杂，但试验数据准确，可反映涂层真实的结合强度。

图5-3 硬质刃口切割工具

1.栅格试验

通常用于大面积长效防护喷锌、喷铝和塑料涂层。使用硬质钢针或刀片将被测试样表面交错地将涂层划成一定间距的平行线或方格。由于划痕时使涂层在受力情况下与基体产生作用力，若作用力大于与基体的结合力，涂层将从基体上剥落。以划格后涂层是否起皮或剥落来定性判断涂层与基体的结合力大小。具体操作步骤：使用如图5-3所示的硬质刃口切割工具，将被测试样切割成表5-2规定的方格尺寸，切痕深度要求将涂层完全切断至金属基体；切成方格后用一种合适的胶带，借助一个辊子并施加一定的力，将胶带压紧在这部分涂层上，然后沿垂直涂层方向快速将胶带拉开。

表5-2 方格尺寸

若无涂层从基体金属上剥离，或在每个方格内，涂层的一部分仍然黏附在基体上，而其余部分黏结在胶带上，且损坏发生在涂层的层间而不是发生在涂层与基体的结面上，则认为合格。

2.涂层弯曲试验

如图5-4所示，在弯曲试验机上，将具有一定长度和一定涂层厚度的圆柱形试样，在试样正中间施加一定的力F，使试样产生相应的挠度（一般定为试样长度的0.1%），并以一定的频率交变施压，直至涂层产生裂纹的次数来评价涂层结合强度的性能。通常用于评价陶瓷涂层的结合强度。

3.涂层杯突试验

图5-4 涂层弯曲试验测定简图

类似于弯曲试验，是检测涂层随基体变形的能力，以涂层变形后发生开裂或剥离的情况来评价涂层结合力的方法。

（1）试验条件试验在杯突试验机上（如杯突BT-6型、BT-10型）进行。钢球直径为20mm，杯口直径为27.5mm，以10mm/min的速度由试样背后（无涂层面）将钢球向有涂层面方向压入，压入深度因基体和涂层不同而异，一般为7mm。观察突出变形部分涂层的开裂状况。如果涂层随基体一样变形而无裂纹、起皮、剥落现象，则涂层视为合格。杯突试验也称为深引试验，常被用来检验薄板金属较硬涂层的结合强度。最常用的是“埃里克森杯突试验”和“罗曼诺夫凸缘帽试验”。

（2）埃里克森杯突试验采用一种适当的液压装置，将直径为20mm的球形冲头以0.2～6mm/s的速度压入试样要求的深度。结合强度差的涂层只要经过几毫米的变形就会产生起皮或剥落。当涂层结合强度大时，即使冲头穿透基体金属，涂层也不会起皮。

（3）罗曼诺夫凸缘帽试验由普通压力机组成的试验装置，配有一套用来冲压凸缘帽的可调式模具。凸缘直径为63.5mm，帽的直径为38mm，深度可在0～12.7mm之间调整。一般将试样试验到凸缘帽破裂时为止。深引后的未破损部分将表明如何影响涂层的结构。

4.涂层抗拉强度试验

涂层抗拉强度是指涂层单位面积承受法向方向拉伸应力的极限能力，反映涂层颗粒之间内聚力或涂层与基体之间的结合强度，表达式为

式中 p——涂层结合强度（N/mm²或MPa）；

F——涂层承受法向拉伸力的极限载荷（N）；

S——涂层与基体结合面积（mm²）。

（1）涂层抗拉强度试验它反映涂层自身强度，如图5-5所示，将试样安装在拉伸试验机上，在规定的拉伸条件下，均匀、连续地施加载荷，直至试样产生断裂，记录断裂时的最大载荷，并计算涂层抗拉强度。其具体要求如下：

1）试验机。能够满足静态加载条件，用于拉伸试验的任何类型试验机。试验机的能力为50～100kN，精度为±1%。

2）试样的制备。试样的形状、尺寸满足图5-6的要求，并组装起来，在相应的部位制备涂层，如图5-7所示。加工后的涂层残留量保持1.0mm。涂层长度≥60mm，A和B试样各≥30mm。

图5-5 试样的连接

3）试验步骤。测量喷涂前试样直径d₁和涂层加工后的直径d₂，精确到0.02mm；按图5-5所示安装在拉伸试验机上进行拉伸试验，拉伸速度一般不超过1mm/min或加载速度不大于9807N/min；记录涂层断裂时的最大载荷。按式（5-4）计算涂层抗拉强度。

式中 R_m——涂层抗拉强度（N/mm²或MPa）。

F——涂层断裂时最大载荷（N）；

d₁——试样A和B喷涂前直径（mm）；

d₂——涂层试样加工后直径（mm）。

4）同一涂层试样选取5个，按试验步骤重复进行，测定计算5个试样的算术平均值为涂层的抗拉强度。

图5-6 涂层拉伸试样A、B零件图

a）试样A b）试样B

图5-7 涂层拉伸试样组合

（2）涂层结合强度试验涂层结合强度是反映涂层与基体材料结合状态的物理量，分为抗拉结合强度和剪切结合强度。

1）抗拉结合强度。它是指涂层与基体结合面承受法线方向拉伸应力的极限能力。试验方法如图5-8所示。按图5-9制备试样，试样端面制备涂层，保证涂层厚度≥0.4mm。在两试样的涂层面涂上一层很薄的黏结剂，使两试样轴线重合，加力使之对接充分黏结。黏结剂中不得有气泡，溢出的黏结剂必须除去，以免产生“搭桥效应”影响检测精度，然后使黏结剂固化，如图5-10所示。装备在拉伸试验机上，按涂层抗拉强度试验步骤进行试验，得到涂层剥离是最大载荷F，按式（5-5）计算涂层结合强度。同样选取5个试样进行试验，测定计算5个试样的算术平均值作为涂层的结合强度。

图5-8 涂层抗拉结合强度试验示意图

图5-9 涂层结合强度试样零件图

图5-10 试样的连接

式中 R_m——涂层结合强度（N/mm²或MPa）；

F——涂层剥离的最大载荷（N）；

d——试样直径（mm）。

2）涂层剪切强度。剪切强度是指涂层与基体结合面承受切线方向剪切应力的极限能力，它同样反映涂层结合强度，是涂层强度的重要性能指标。剪切强度试验在材料试验机上进行。试样的制备如图5-11所示。在圆柱形外表面中心部位制备涂层，按要求磨削加工到所需要的尺寸精度。将试样置于与其配合的凹模中，在材料试验机中缓慢加载，如图5-12所示，直至涂层剪切剥离，记录涂层剥离时的最大载荷。由被测试样的直径和涂层长度可计算出受剪切涂层的面积，按式（5-6）计算出涂层的剪切强度。