球压试验能力验证计划技术探讨

肖斌涛

（珠海格力电器股份有限公司香洲分公司 珠海 519070）

引言

现在电器产品使用的大量非金属绝缘材料大多为各种经过改性的塑料材料，这些材料的机械物理性能受温度影响很大，尤其是带电件由于回路电流而发热产生高温，作为支撑带电件的热塑性塑料在高温环境下会逐渐变软、熔融、机械强度下降，这些变化会使电器部件的爬电距离和电气间隙也产生变化，导致电气强度降低，绝缘电阻下降，严重时会造成电器短路甚至火灾事故的发生。出于安全方面的考虑，电工电子产品相关安全标准规定了不符合标准要求的非金属材料制成的外部零件、用来支撑带电部件（包括连接）的绝缘材料零件以及提供附加绝缘或加强绝缘的热塑材料零件应充分耐热。非正常热球压试验作为许多产品安全标准中考核非金属材料耐热性的重要试验方法被一再引用。因此，正确地进行球压试验，根据材料的耐热性正确筛选合适的非金属材料，确保设计的产品和选用的材料满足安全要求也就变得非常重要。

能力验证[1]是利用实验室间的比对，按照预先制定的准则评价参加者能力的一项活动。ISO/IEC 17025:2017第7.7.2条规定：实验室应尽可能参加能力验证以监控实验室水平。CNAS-RL02:2018《能力验证规则》规定了申请认可和获准认可的合格评定机构应满足的要求，包括领域的频次要求和出现不满意结果时的要求，且规则内容为强制性要求。

本文围绕已实施完成的球压试验能力验证计划展开技术探讨，旨在进一步分析球压试验的影响因素及该测试项目的注意事项，希望通过本次技术探讨，对提高该行业实验室的整体水平有所帮助。

1 球压试验能力验证计划试验方法及要求

1）球压试验能力验证计划依据标准为GB/T 5169.21-2017[2]，要求直径为5±0.05 mm的压力球，在样品上施加一个相当于20N±0.2N负载的向下作用力，在规定的温度下保持600+2min，取出样品后在20±5 ℃的水中保持6±2 min，然后从水中取出擦去表面水份，3 min内完成压痕直径测量。

2）样品为塑料圆形试样，直径50 mm，厚度4 mm，要求在样品中心区域进行125 ℃球压试验后，测量样品的最大压痕直径。

2 球压试验的主要影响因素

2.1 球压试验装置

GB/T 5169.21-2017规定“负载装置由一个直径为5±0.05 mm的压力球（符合ISO 3290-1的滚动轴承成品钢球）连接到砝码系统中构成，其被设计成可施加一个垂直向下的力，包含压力球的质量相当于20±0.2 N的负载”，球压试验装置如下图1所示。

图1 负载装置

关于负载装置，还需注意以下要点：①试验前应核查压力球表面是否保持圆滑，如有磨损，压力球和样品表面的接触面积发生变化，从而影响在样品表面的作用力，最终试验结果发生偏离；②样品支座应为光滑的刚性水平支撑面，有足够的支撑强度，质量应足够大，从而确保短时间打开烘箱门温度下降不明显。

2.2 烘箱

试验温度是影响球压试验结果的关键参数，会直接影响样品压痕直径的大小。GB/T 5169.21-2017规定“烘箱应是单室烘箱，温度偏差不超过±2℃；恒温后放入样品，烘箱能在5 min内恢复至设定温度的±2 ℃内，且温度过冲不超过5 ℃。”

实验室进行球压试验能力验证计划前应要进行烘箱温度恢复能力测试，建议方法：①将试样支座放入烘箱，设定烘箱温度至125 ℃，启动烘箱运行过夜，使试样支座与烘箱空气温度平衡后，测量试样支座温度和支座后面距离支座50 mm处的烘箱空气温度，记录温度值；②打开烘箱门30 s，然后关上烘箱门。记录第5 min时试样支座的温度及支座后面的烘箱空气温度；记录试样支座温度及支座后面的烘箱空气温度恢复为烘箱门打开前温度期间的最高温度。

实验室进行球压试验前应对选择的烘箱进行核查确认，如果烘箱的温度偏差和/或温度恢复能力不符合上述标准的要求，就会对试验结果造成影响。如在低于设定温度下进行球压试验，所得到的球压压痕直径会比实际尺寸小，反之则偏大。同样，温度过冲太大，会导致样品短时间经受高温考验，特别是对试验温度处于材料临界温度的测试，结果可能出现较大的偏离。

测试中，样品应放置在支座的大致中间的位置，压力球应轻轻的放置在样品的中心区域。打开烘箱门放入样品应尽可能在短的时间内完成（注：放置样品过程应该先求稳，再求快；平稳和快速的放置可以通过重复练习该过程实现），从而避免试验温度下降过多，确保试验箱在5 min内恢复到指定的试验温度，使样品在规定的试验温度中进行试验。

2.3 测量

2.3.1 测量装置

GB/T 5169.21-2017规定“光学测量装置应有至少10倍的光学放大倍率，并与经过校准的分辨率不超过0.1 mm的网格或十字线测量台一起使用。照明装置可用于照亮施加过压力球的表面。” 常用的压痕直径测量装置有显微镜、二次元影像测量仪、刻度放大镜等，不同的测量装置分辨率及精度不尽相同，但都应满足标准规定的要求。本次球压试验能力验证计划共有6家实验室使用了不满足标准要求的测量装置测量压痕直径，其中4家实验室测量结果发生偏离，获得了不满意结果，占比66.7 %。对此6家实验室试验后样品进行复核，复核结果都在满意范围内，具体情况见表1。因此，试验人员在进行试验前应仔细研读标准条款，确认设备各项参数满足要求，试验期间应使用满足标准要求的测量装置。

表1 不满意实验室测量结果复核情况表

2.3.2 压痕直径测量

GB/T 5169.21-2017规定“尺寸d是能测量出从压痕的一边清晰边界到另一边清晰边界之间的最大距离”（如图2）。

图2 压痕直径d的测量

压痕边界的判定是影响测量结果的一个重要因素，为得到清晰的压痕边界，可通过在样品表面涂上比对色以清晰压痕边界，以便精确测量出压痕直径“d”。球压试验能力验证计划不满意实验室中就有2家（代码05、40）因为压痕边界的判定错误导致了测量结果严重偏离。它们在测量过程中采取了如图3、图5所示的测量方式，错误的将反光光圈边缘判断为了压痕边界，从而导致测量结果严重偏离。

05试验样品复核情况（见图3、4）。

图3 d=1.23 mm（错误）

图4 d=1.72 mm（正确）

图5 d=1.14 mm（错误）

40试验样品复核情况（见图5、6）。

图6 d=1.75 mm（正确）

3 球压试验应关注的技术要点

1）试验前对烘箱进行核查确认，确保烘箱的温度偏差/温度恢复能力符合标准的要求；

2）样品应放置在支座的大致中间的位置，压力球应轻轻的放置在样品的中心区域。打开烘箱门放入样品应尽可能在短的时间内完成，不超过30 s；

3）压力球施加在样品的时间、样品从烘箱取出后浸入水中的保持时间应满足标准的要求；

4）为得到清晰的压痕边界，可在试样表面涂上比对色；

5）测量装置应符合标准规定的要求，测量压痕直径过程中在压痕的区域内会有一些高亮显示的小圆环，但这些并不是压痕的边界，而是反光光圈。

4 结论

本文根据组织实施的球压试验能力验证计划，通过分析参加实验室的测量结果数据及试验过程调查结果，结合GB/T 5169.21-2017/IEC 60695-10-2:2014标准的要求，详细分析了球压试验装置、试验烘箱、压痕直径的测量等影响球压试验结果的因素，为实验室在进行球压试验提供参考，确保实验室检测结果的准确性，促进实验室技术能力的提升。