余有根 吴建青

摘 要：本文介绍了现有的传统陶瓷产品耐磨性能测试方法与标准，分析了这些测试方法用于测试传统陶瓷耐磨性能的可行性和不足之处，提出可以统一有釉砖与无釉砖耐磨性能测试方法与标准。

关键词：耐磨性能;测试方法;标准

1 前 言

随着人民对美好生活的向往升级，传统陶瓷的装饰正在向数值化、多样化和精致化方向发展。对地面砖而言，其表面磨损问题较为严重，影响了产品的装饰效果和使用寿命。因此，提高传统陶瓷产品耐磨性能是行业待解决的核心问题之一，而准确的耐磨性能测试方法是解决该问题的基础和重要手段。本文将介绍几种常用的陶瓷耐磨性能评价方法和部分国内外对评价方法的探索，最后提出有可能统一测试有釉、无釉产品耐磨性能的评价方法。

2 有釉砖表面耐磨法

ISO 10545 - 7： 1996（Ceramic tiles - Part 7： Determination of resistance to surface）是国际上通用的釉面耐磨性能的测试方法[1]。中国标准及许多其他国家的标准都沿用了这一方法。其测试原理是将研磨介质放置于釉面上并旋转研磨，在一定光强和距离下肉眼观察试样的形貌，以形貌发生改变时的研磨圈数表征样品耐磨性能。测试原理如图1所示。

耐磨试验仪由钢壳和一个内置电机驱动的水平支撑盘组成。试样尺寸为100 mm×100 mm（±10 mm），由带橡胶密封的金属夹具固定。支撑盘以300转/分钟的速率做偏心距为22.5 mm的圆周运动，带动研磨介质对釉面砖进行摩擦。试验用的研磨介质为：固定颗粒级配的钢球以及3 g、80目刚玉研磨料。每次试验中，支承盘上面装置好8块样品，分别设置研磨转数为100 转至12000 转共8段转数。试验机达到预调转数后自动停机，取下一块后再继续工作，直到8个工作转数完成后停止，取出样品待测。

该标准对耐磨性能的测定采用目视评价方法，其工作示意图如图2所示。

待观察的样品放置于观察箱中，箱内刷有自然灰色，并在待观察样品上放置荧光灯。选择3人或3人以上在距离箱体2 m、高度1.65 m处观察，至少3人看到同样结果，其结果才能生效。

测试要求用11块试样，其中8块试样经研磨试验后供目视评价用，另外3块试样与已研磨的样品对比，观察可见磨削痕迹。选取开始出现可见磨痕的转数级别为釉面砖耐磨级别。根据可见磨痕的研磨转数，把釉面砖的耐磨性级别分为0 ～ 5级：100转（0级）、150转（1级）、600转（2级）、750转与1500转（3级）、2100转、6000 转与12000转（4级）以及12000转以上（5级）。同一级有不同转数的要在级别后注明转数。当可见磨痕在较高一级和较低一级转数比較靠近时，重复试验检查结果。

此标准以肉眼在较远处能否观察到釉面砖磨痕为测试标准，定性地表征了釉面砖的耐磨性能，是一种较贴近日常生活中人主观感受的评价方法，通俗言之：“眼不见为净”。此法虽然因工作原理简单得到了较大范围普及，但实质上严重缺乏客观性和科学性，其主要的不足如下：

1）通过人肉眼判断是否有磨痕作为测试结果，会在较大程度上受到颜色的影响。较深颜色的釉面砖对比度大，在磨削程度较低的情况下就能看到磨痕，较浅颜色的砖较难观察到磨痕;表面光泽度高的样品较容易观察到磨痕，表面粗糙度大的样品磨痕没有这么明显。同时考虑到不同人对颜色、图像的感受能力及眼睛视力影响，所以用该方法测定釉面的耐磨性能，即使是同样的釉，由于坯体表面的颜色和表面光泽度不同，会得到差异很大的结果。

2）耐磨性能定性地分成了5级，在5级中又细分了等级，分级方法并不合理。由于其划分的等级较少，釉面砖耐磨性能难以准确区分。

因此，尽管此标准作为国内外陶瓷釉面砖耐磨性能评价使用最为广泛的检测标准，但因缺乏客观性与科学性而在科研工作和生产应用中经常受到质疑。

3 无釉砖耐磨深度法

此标准（ISO 10545 - 6：2010 Ceramic tiles - Part 6： Determination of resistance to deep abrasion for unglazed tiles）[2]的测试原理是通过摩擦轮带动落砂在样品表面转动产生磨坑，由所测磨坑的长度计算出磨损体积来评价无釉砖的耐磨性能，图3是其工作示意图。测试使用的磨料为80目刚玉砂，摩擦轮是硬度在HB 500以上的铜质轮（Fe360A），直径（200±0.2） mm，边缘厚度（10±0.1） mm。待测样品在样品夹压力作用下固定在垂直样品台，样品夹产生的压力由一系列平衡锤通过定滑轮传递提供。其压力值大小通过以下方法校正：首先把刚玉砂落料给入速度调节至（100±10） g / 100 r，磨轮转速调至75 r/min，然后采用石英玻璃或者浮法玻璃作为待测校准物，在特定压力下磨损150转后，产生弦长为（24±0.5） mm的磨坑。此时的压力为标准压力。校正压力完毕，把待测样品夹入夹具，放开固定架使样品在平衡锤提供的压力下以正切形式紧压在摩擦磨轮上，打开贮料斗开关，确保磨料均匀进入研磨区后开动磨轮，150转后取出样品测量磨坑弦长L。图4为磨损量计算原理图，摩擦轮的尺寸是确定的，根据磨坑的弦长L，即可计算出磨坑的体积。

从标准的制定与实操过程中可看出，此标准的设定的初衷是建立一种便于生产单位操作的相对稳定客观的建筑陶瓷无釉砖耐磨性能定量评价方法。此法有以下优点：

（1）操作简单，测量周期短，利于工业生产中实现快速测量;

（2）采用一次性80目刚玉砂作磨料，较大程度上避免研磨介质的差异导致的磨损量误差;

（3）磨损体积足够大，同一台机器测量误差较少，结果较稳定。

但是该方法造成的磨坑深度一般都较大，往往会超过釉面的厚度，因此该方法的标准测试条件不适合釉面耐磨性能的测试。

4 Taber试验机法

此方法为美国标准，使用Taber耐磨试验机，在特定条件下通过磨头在无釉砖表面产生环状磨坑，通过测量磨损质量的大小表征无釉砖耐磨性能。

Taber耐磨试验机[3]是一类用于做摩擦磨损测试的试验机，美国材料试验协会（ASTM）对使用Taber耐磨试验机进行布、纸、涂料、皮革、地砖、玻璃、石材、天然塑胶等材料的耐磨性测试提出了一系列的标准，分别对应使用H22、H38、CS17、S32、S33等磨头。图5是Taber耐磨试验机示意图。试验机由摩轮压力臂、旋转平台、吸尘器及控制平台四部分组成。双压力臂外侧安装砝码，内侧安装磨轮，磨轮一侧轴承可被动自由转动，砝码质量为250 g、500 g及1000 g;旋转平台是用于放置及固定样品的平台，中间有一直径为9 mm的丝杆，配合螺母，供钻孔样品固定至旋转平台用;吸尘器将样品磨耗粉末吸入粉尘收集罐中;控制平台主要控制设备转数及转速。

Taber耐磨试验机基本工作过程如下：样品裁切成边长为99 mm ～ 102 mm的正方形，在中心钻孔用以固定，钻孔孔径为（9.5 ±0.5） mm。裁切加工完毕后样品以无水乙醇清洗干净，90℃恒温干燥3 h。冷却后待测样品安装固定在旋转平台，在压力臂内侧安装磨轮，外侧安装所要求的砝码，让磨轮与样品垂直接触。设置好特定旋转次数及旋转速度后，启动仪器。通过旋转平台带动其上方的两个磨轮滚动，磨轮在一定载荷作用下与试样产生相对旋转运动。一个磨轮朝外，另一个磨轮朝内磨削试样。磨削痕迹为一个规则的环形（Taber环）。

针对石材（ASTM C1353-2009）、陶瓷砖（ASTM C501-84）等无机材料，通过一定条件的耐磨试验后测量磨耗，代入公式计算，以得出的耐磨性指数直接表征样品耐磨性能的强弱。公式（3）与公式（4）分别为石材与无釉砖耐磨指数[3， 4]。

其中I W为样品耐磨性指数，公式（3）中单位为（r/mm3），公式（4）中为（g-1）;W0为样品初始重量（g）;W1为磨损试验后样品重量（g）;n为测试中运行的转数;ρ为样品密度（g / mm3）。

显然磨削体积是表征材料耐磨性能最直观的参数。不同石材之间的密度差异较大，而且石材作为一种均质材料其密度较容易测量，因此对于石材，ASTM标准中通过测量其磨削质量与密度，计算了其磨削体积用于表征材料耐磨性能。陶瓷无釉砖产品不同于石材，烧结致密的无釉砖产品具有较为接近的密度（2.4 g/mm3  ～ 2.6 g/mm3），结构疏松的产品因其强度的下降，实际磨耗比致密产品更高。因此，通过测量磨耗也能较为客观地表征陶瓷无釉砖耐磨性能的大小。

Taber耐磨试验机作为一种表面耐磨性测试的仪器，具有许多优点：

（1）载荷加载方式合理，可以在加载较小载荷情况下实现较高的作用力稳定性，便于对较薄样品进行低磨削深度耐磨测试。

（2）采用砂轮作为磨轮，可保证磨削过程中磨轮粗糙度以及磨轮与待测样品的接触面积相对稳定，因此测量结果较稳定。

（3）操作过程简单，测量方便，易于实现快速精确测量。

该方法的问题是在样品中间打孔时可能会严重改变样品表面的应力状态，并且磨削的面积有限。

5 維氏硬度法

通常，硬度与耐磨性能正相关，测量硬度可以大致判断材料的耐磨性能。维氏硬度测试是文献报导中最常用的釉面耐磨性能表征方法，其测试过程是采用金刚石正棱锥压头，在规定载荷作用下压入釉面一定时间，测量压痕对角线长度再计算出釉面的硬度值。使用维氏硬度表征釉面耐磨性能要有以下三个局限性：

（1）釉层由多相共同组成，测试压头面积过小，只能表征局部区域的硬度值，难以体现整体的硬度大小。

（2）该方法需要在釉面上压出规则清晰的压痕，对表面粗糙度较大的釉面需要先抛光再测试，难以表征抛光前样品的硬度大小;在气泡等缺陷区域上无法压出规则压痕，因此无法体现这些缺陷对釉面耐磨性能的影响。

（3）硬度体现了釉面抵抗磨粒挤压剥落破坏的能力，但不能较好反映釉面抵抗磨粒微观切削破坏的能力，因此样品表面硬度不能完全等同耐磨性能。

6 其它无机材料耐磨性测试标准

国内外对无机材料耐磨性能的测试标准，大多类似以上无釉砖及釉面砖的耐磨测试原理，如对金属表面搪瓷耐磨性能[5]测试的标准，便是借鉴釉面砖表面耐磨性的测试方法，按照相同的条件磨削待测样品和对照的标准玻璃，通过比较二者相对磨耗的大小评价搪瓷的耐磨性能;而对水泥地面[6]耐磨性能的评价标准，则是借鉴了无釉砖耐磨深度测试方法的原理，不过改变了磨轮和磨料等工作参数。

7 釉面耐磨性能评价技术的国内外进展

虽然目前国内外缺乏统一的耐磨性能定量评价方法，但根据相应研究材料的特性，国内外科研工作者提出了各自定量评价耐磨性能的方法。J. Lawrence等 [7] 使用钢球对釉面进行往复式摩擦，通过制定磨耗-时间曲线定量表征陶瓷釉表面抗磨损性能。Rossi等[8-10]借鉴了ASTM D4060 - 10（有机涂层耐磨耗测试）的测试方法[11， 12]，使用Taber磨损试验机对覆盖金属表面的搪瓷涂层进行耐磨测试，通过测量磨耗评价其耐磨性能。

但相比于磨耗，磨削体积能更精确地反映样品的耐磨状况。Rafat Amer等[13]研究了烤瓷牙外瓷的氧化锆在不同加工状态及上釉后的耐磨性能，以加工的牙质瓷尖顶作为磨头材料，待测样品表面覆盖模拟口腔环境的润滑液，对磨头施加70 N的垂直载荷作用于待测样品，磨头在20 N水平推动力下在样品表面做行程为8 mm的往复运动，以1 Hz的频率往复50000次后，采用了光学拍照并通过软件积分计算磨坑面积的方法表征了样品的磨削量。Lawson等[14， 15]采用了与Amer等[13]相似的摩擦磨削试验方法测量了不同加工状态及施釉后氧化锆陶瓷耐磨性能，并采用三维表面轮廓仪积分出待测样品磨坑体积。以上二者采用了异形磨头，导致其磨削产生的磨坑形状极不规则，难以精确定量表征。Herman等[16]借鉴了Li等[17]测试纳米晶刚玉材料耐磨性能的方法，采用直径10 mm的100 Cr6钢球对不同制备方法的锌尖晶石微晶玻璃进行往复线性摩擦，通过表面轮廓仪计算磨坑截面积，计算出磨削体积。与此方法测试原理接近的是，Pina-Zapardie等[18]使用了盘球法对锆釉表面进行了耐磨性能测试。以氧化铝球为磨头，在6 N垂直载荷下对样品表面进行单向圆环型摩擦试验10 h，通过三维表面轮廓仪计算出磨削的体积。盘球法磨出的磨坑形状较为规则，表面轮廓仪测试精度较高。但考虑到陶瓷样品的尺寸效应及大部分釉中物相分布的不均匀性，耐磨试验机测试采用的球状磨头与样品表面的接触面积过小，可能会带来较大误差。从表征的磨坑三维轮廓图中亦可看出磨坑底部高低起伏较大，磨坑不同位置截面积差异较大。同时，测试随着磨削深度的变化，磨头与待测样品的接触面积发生变化，对于不同的样品可能带来较大测试误差，且长达10 h的测试时间不适用于大批量样品的高效率化测试。

8 展 望

前文对Taber耐磨试验机法的介绍中讨论了通过磨耗表征无釉砖耐磨性能的合理性，实际上该原理同样适用于测试釉面的耐磨性能。因此，对“有釉砖表面耐磨性的测定”方法进行改进，譬如，在规定研磨介质和工作条件的基础上，再定研磨转数，然后再测量磨耗，这样有可能建立起有釉、无釉产品统一的耐磨测试评价体系，有利于对建筑陶瓷产品性能进行更科学的评估，针对坯体与釉层密度的差异，还可在有釉砖和无釉砖计算耐磨性系数IW的过程中中引入系数修正。

参考文献

[1] 陶瓷砖试验方法 第7部分：有釉砖表面耐磨性的测定[J]. 陶瓷， 2014（1）：52-56.

[2] 陶瓷砖试验方法第6部分：无釉砖耐磨深度的测定[J]. 陶瓷， 2013（12）：38-40.

[3] 陸倩映，顾轩，何问慎，等. Taber耐磨试验机对不同样品的耐磨性研究[J]. 佛山陶瓷. 2016， 26（08）： 31-33.

[4] Astm. C501-84 （Reapproved 2009） Standard Test Method for Relative Resistance to Wear of Unglazed Ceramic Tile by the Taber Abraser[S]. 2009.

[5] HG/T 3221-2009，搪玻璃层耐磨损性试验方法[S]. 2009.

[6] 侯烨，周志宏，姜琦.国家标准《无机地面材料耐磨性能试验方法》（GB/T12988-200X）技术水平浅析[J]. 辽宁建材， 2009（3）.

[7] Lawrence J. A comparative analysis of the wear characteristics of glazes generated on the ordinary Portland cement surface of concrete by means of CO2 and high power diode laser radiation[J]. Wear. 2004， 257（5）： 590-598.

[8] Rossi S， Scrinzi E. Evaluation of the abrasion resistance of enamel coatings[J]. Chemical Engineering and Processing： Process Intensification. 2013， 68： 74-80.

[9] Rossi S， Fedel M， Deflorian F， et al. Abrasion and chemical resistance of composite vitreous enamel coatings with hard particles[J]. Surface & Interface Analysis. 2016， 48（8）： 827-837.

[10] Rossi， Deflorian， Fontanari， et al. Electrochemical measurements to evaluate the damage due to abrasion on organic protective system[J]. Progress in Organic Coatings. 2005， 52（4）： 288-297.

[11] Suzuki S， Ando E. Abrasion of thin films deposited onto glass by the Taber test[J]. Thin Solid Films. 1999， 340（1-2）： 194-200.

[12] Vitry V， Sens A， Kanta A F， et al. Wear and corrosion resistance of heat treated and as-plated Duplex NiP/NiB coatings on 2024 aluminum alloys[J]. Surface & Coatings Technology. 2012， 206（16）： 3421-3427.

[13] Amer R， Kürklü D， Kateeb E， et al. Three-body wear potential of dental yttrium-stabilized zirconia ceramic after grinding， polishing， and glazing treatments[J]. The Journal of Prosthetic Dentistry. 2014， 112（5）： 1151-1155.

[14] Lawson N C， Janyavula S， Cakir D， et al. An analysis of the physiologic parameters of intraoral wear： a review[J]. Journal of Physics D Applied Physics. 2013， 46（40）： 404007.

[15] Lawson N C， Janyavula S， Syklawer S， et al. Wear of enamel opposing zirconia and lithium disilicate after adjustment， polishing and glazing[J]. Journal of Dentistry. 2014， 42（12）： 1586-1591.

[16] Herman D， Okupski T， Walkowiak W. Wear resistance glass-ceramics with a gahnite phase obtained in CaO-MgO-ZnO-Al2O3-B2O3-SiO2 system[J]. Journal of the European Ceramic Society， 2011， 31（4）：485-492.

[17] Li Z， Li Z， Zhang A， et al. Synthesis and two-step sintering behavior of sol-gel derived nanocrystalline corundum abrasives[J]. Journal of the European Ceramic Society. 2009， 29（8）： 1337-1345.

[18] Pina-Zapardiel R， Esteban-Cubillo A， Bartolomé J F， et al. High wear resistance white ceramic glaze containing needle like zircon single crystals by the addition of sepiolite n-ZrO2[J]. Journal of the European Ceramic Society. 2013， 33（15）： 3379-3385.