監測表面改性零件在液體環境介質中磨損失效過程的方法

2023-11-03 06:14:27 2

監測表面改性零件在液體環境介質中磨損失效過程的方法
【專利摘要】一種監測表面改性零件在液體環境介質中磨損失效過程的方法，其步驟主要是：A、將零件置於服役的液體環境介質中，並將其與電化學工作站的工作電極埠相連；B、電化學工作站的輔助電極埠與石墨電極或者鉑電極電連；C、將標準甘汞電極插入液體環境介質中，並將其和電化學工作站的標準電極埠相連；D、零件在實際服役的同時，電化學工作站工作，實時採集並繪製出零件的開路電位變化曲線；當曲線到中電位階段後，電位降低速度明顯加快並降至設定閾值時，判定零件開始發生失效，此時即為其失效節點。該方法能實時監測零件在實際服役過程中的磨損失效過程，提前或者及時發現、判斷其失效節點，以避免零件突然失效的災難性後果。
【專利說明】監測表面改性零件在液體環境介質中磨損失效過程的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種監測表面改性處理後的零件在液體介質中磨損失效過程的方法。【背景技術】
[0002]隨著高新技術的發展，對材料性能的要求越來越高，特別是對於廣泛使用的金屬材料，在耐磨損、耐腐蝕以及耐高溫方面都提出了更高的要求，而單純的金屬材料已經難以滿足越來越嚴格的性能要求。在金屬材料表面製備高性能的改性層或者薄膜材料，是解決工程應用中金屬零件存在的不耐磨損、易腐蝕等問題的最現實的技術方案。目前通過等離子體氮化、離子注入、滲碳、滲氮等在金屬零件表面形成耐磨、防腐改性層或者各種改性薄膜(氮化物、氧化物、碳化物等陶瓷薄膜)的表面改性零件，已經在機械、石油化工、航空航天等領域得到了廣泛的應用，大幅度提高了金屬零件的耐磨損及耐腐蝕性能。
[0003]對經過表面處理(在表面形成改性層或者改性薄膜)的零件的磨損失效過程進行監測、分析是預測結構零件壽命的主要依據。目前，對表面改性零件的磨損失效過程進行研究及評價的方法主要有球盤式摩擦磨損性能測試(王長生,齊毓霖,真空高低溫球盤式摩擦磨損試驗機的研製，機械工程師，2010年第3期，P50-52)和環塊式摩擦磨損測試(黃金亮，田保紅，常連智，CeO2對NiCrBS1-WC合金雷射熔敷層組織和摩擦磨損行為的影響，熱加工工藝，1999年第4期，P3-6)兩種方法。這兩種方法均通過監測零件摩擦磨損過程中摩擦係數的變化以及觀測零件表面磨痕形貌來評價薄膜的失效過程，但是這兩種方法存在著兩個問題:一、有時摩擦係數對表面改性層或者薄膜的失效過程並不敏感，即表面改性層或者薄膜失效並不一定導致摩擦係數發生明顯的變化，例如，經氮化鈦薄膜表面改性的GCrl5對磨時摩擦係數為0.5左右，當氮化鈦薄膜失效時，GCr15對磨的摩擦係數也在0.5左右，薄膜失效並沒有導致摩擦係數的變化。因此，通過檢測摩擦係數的變化並不能準確、可靠的實時監測薄膜的磨損失效過程。二、通過監測摩擦係數及磨痕形貌來評價表面改性層或者薄膜的失效過程的方法主要用於實驗室研究，不適用於評價實際服役中的零件表面改性層及薄膜的失效過程。零件實際服役過程中，無法測量摩擦係數，而要觀測磨損形貌，也必須停止設備運轉，取下零件，這在實際工業應用中很難實現。
[0004]此外，對於泵、軸承以及齒輪等在溶液介質環境中使用的零件，由於溶液介質的潤滑作用，減弱了摩擦過程中摩擦界面材料的變化對摩擦係數的影響，其服役過程中的摩擦係數及磨損形貌更加難以監測，無法通過實時監測摩擦係數的變化來監測表面改性層或者改性薄膜的失效過程。
[0005]在實際生產中，為了避免零件突然失效造成災難性後果，迫切需要實時監測經過表面處理的零件的工作過程及零件表面狀態，提前或者及時發現、判斷其失效節點。因此，為了更為有效的了解零件表面改性層或者零件表面薄膜在液體環境中的磨損失效過程，需要建立一種新的、實時的、對表面改性零件的表面改性層或者薄膜失效敏感的失效過程監測方法。
【發明內容】

[0006]本發明的目的是提供一種監測表面改性零件在液體環境介質中磨損失效過程的方法，該方法能實時監測零件在實際服役過程中的磨損失效過程，提前或者及時發現、判斷其失效節點，以避免零件突然失效造成的災難性後果。
[0007]本發明實現其發明目的所採用的技術方案是，一種監測表面改性零件在液體環境介質中磨損失效過程的方法，其步驟是:
[0008]A、將表面改性零件置於實際服役的導電的液體環境介質中，在零件運轉時相對發生位移小或不發生位移的部位連接一根導線，導線的另一端接到電化學工作站的工作電極埠 ；
[0009]B、電化學工作站的輔助電極埠通過導線與石墨電極或者鉬電極相連，石墨電極或者鉬電極插入液體環境介質中，石墨電極或者鉬電極與零件之間相隔的距離，應保證其不影響零件的運轉；
[0010]C、將標準甘汞電極插入零件服役的液體環境介質中，標準甘汞電極與零件之間相隔的距離，應保證其不影響零件的運轉，通過導線把標準甘汞電極和電化學工作站的參比電極埠相連；
[0011]D、當零件在液體環境介質中實際服役的同時，電化學工作站工作，實時採集與工作電極埠相連的零件表面的開路電位，並繪製出反映表面改性零件在液體環境中磨損失效過程的開路電位實時變化曲線；當開路電位實時變化曲線從高電位的初始穩定階段到電位逐漸降低的中電位階段後，開路電位降低速度明顯加快，降至設定閾值時，判定零件開始發生失效，此時即為其失效節點。
[0012]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0013]通過將零件運轉時相對發生位移小或不發生位移的部位與電化學工作站的工作電極埠相連，零件作為工作電極聯入電化學工作站，可在不影響零件服役(運轉)的情況下，實時監測零件的開路電位(OCP )。而零件開路電位(OCP )又對零件表面狀態的變化非常敏感，當零件表面改性層或者零件表面薄膜在實際服役的摩擦磨損過程中剛開始發生失效時，零件的開路電位就會表現出明顯的變化，從而能夠實時的，有效的監測零件表面改性層或者零件表面薄膜在實際服役過程的失效過程，及時發現零件的失效節點，得以及時更換維修零件，避免發生事故。
[0014]下面結合附圖和具體的實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
圖1是實施例的試驗一得到的TiN表面改性的滾輪引導盤在服役過程中的開路電位變化曲線。
圖2是實施例的試驗一得到的TiN表面改性的滾輪引導盤的顯微形貌圖。
圖3是實施例的試驗二得到的類金剛石薄膜表面改性的滾輪引導盤在服役過程中的開路電位變化曲線。
圖4是實施例試驗二得到的類金剛石薄膜表面改性的滾輪引導盤的顯微形貌圖。【具體實施方式】[0015]實施例
[0016]本發明的一種【具體實施方式】是，一種監測表面改性零件在液體環境介質中磨損失效過程的方法，其步驟是:
[0017]A、將表面改性零件置於實際服役的導電的液體環境介質中，在零件運轉時相對發生位移小或不發生位移的部位連接一根導線，導線的另一端接到電化學工作站的工作電極埠 ；
[0018]B、電化學工作站的輔助電極埠通過導線與石墨電極或者鉬電極相連，石墨電極或者鉬電極插入液體環境介質中，石墨電極或者鉬電極與零件之間相隔的距離，應保證其不影響零件的運轉；
[0019]C、將標準甘汞電極插入零件服役的液體環境介質中，標準甘汞電極與零件之間相隔的距離，應保證其不影響零件的運轉，通過導線把標準甘汞電極和電化學工作站的參比電極埠相連；
[0020]D、當零件在液體環境介質中實際服役的同時，電化學工作站工作，實時採集與工作電極埠相連的零件表面的開路電位，並繪製出反映表面改性零件在液體環境中磨損失效過程的開路電位實時變化曲線；當開路電位實時變化曲線從高電位的初始穩定階段到電位逐漸降低的中電位階段後，開路電位降低速度明顯加快，降至設定閾值時，判定零件開始發生失效，此時即為其失效節點。
[0021]以下是採用本發明方法對幾個表面改性零件進行監測的試驗結果:
[0022]試驗一
[0023]表面改性零件為TiN表面改性的滾輪引導盤，滾輪引導盤與電化學工作站的工作電極埠相連，服役時的液體環境介質為0.9%NaCl溶液。服役時，滾輪在滾輪引導盤表面往復運動，與此同時，電化學工作站工作，實時採集記錄得到圖1的滾輪引導盤在服役過程中的開路電位(OCP )變化曲線。
[0024]圖1表明，經過高電位的初始穩定階段(約700s)後，開路電位(OCP)變化曲線進入電位逐漸降低的中電位階段，隨後開路電位降低速度明顯加快，在約3500s處降至設定閾值(閾值設定為接近滾輪引導盤金屬基體的開路電位值_400mV的90%，即360mV)，判定此時滾輪引導盤表面TiN薄膜突然發生失效，此時點即為滾輪引導盤的失效節點。需要更換滾輪引導盤，以避免滾輪引導盤突然徹底失效。
[0025]為了證實以上結果，用光學顯微鏡觀察滾輪引導盤表面TiN薄膜的形貌，得到的形貌見圖2。圖2可以看出滾輪引導盤部分部位裸露出了金屬基體，TiN薄膜剝落失效。說明本發明方法可靠、有效的判斷出了滾輪引導盤的失效節點。試驗二
[0026]將試驗一的表面改性零件替換為類金剛石薄膜(DLC)表面改性的滾輪引導盤，其餘操作與試驗一完全相同。
[0027]圖3為試驗二測試出的DLC薄膜表面改性的滾輪引導盤在服役過程中的開路電位曲線。圖3經過高電位的初始穩定階段(約450s)後，開路電位(OCP)變化曲線進入電位逐漸降低的中電位階段，隨後開路電位降低速度明顯加快，在約1200s處降至設定閾值時到設定閾值(閾值設定為接近滾輪引導盤金屬基體的開路電位值_400mV的80%，即-320mV)，判定此時滾輪引導盤表面DLC薄膜突然發生失效，此時點即為滾輪引導盤的失效節點。需要更換滾輪弓I導盤，以避免滾輪弓I導盤突然徹底失效，而發生事故。[0028]為了證實以上結果，用光學顯微鏡觀察滾輪引導盤表面DLC薄膜的形貌，得到的形貌見圖4。圖4可以看出滾輪引導盤部分部位裸露出了金屬基體，DLC薄膜開始剝落失效。說明本發明方法可靠、有效的判斷出了滾輪引導盤的失效節點。
[0029]試驗三
[0030]表面改性零件為等離子體氮化表面處理過的齒輪，在齒輪的傳導軸上連接一根導線，導線另一端和電化學工作站的工作電極埠連接，從而實現齒輪與電化學工作站的工作電極埠的可靠連接。
[0031]試驗三的測試也說明，初始穩定階段齒輪開路電位會維持在高電位值。隨後進入電位逐漸降低的中電位階段(這是因為隨著摩擦磨損的進行，表面等離子體氮化改性層對齒輪金屬基體的保護作用不斷減弱，即氮化層阻礙齒輪金屬基體與溶液之間的離子交換能力減弱)。然後，開路電位出現急劇的下降，降至設定閾值(金屬基體的開路電位值的70%)，(這是因為等離子體氮化改性層開始發生失效，即齒輪表面的等離子體氮化改性層出現脫落，新鮮的金屬材料暴露在溶液中)；判定此時齒輪表面等離子體氮化改性層突然發生失效，此時點即為齒輪的失效節點。需要更換齒輪，以避免齒輪突然徹底失效，而發生事故。
[0032]試驗四
[0033]將試驗一的表面改性零件替換為類金剛石薄膜(DLC)表面改性的齒輪，齒輪服役時的液體環境介質為含Cl—，Ca+，P+等離子的潤滑介質，其餘操作與試驗一完全相同。
[0034]經過高電位的初始穩定階段後，開路電位(OCP)變化曲線進入電位逐漸降低的中電位階段，工作一定時間後開路電位降低速度明顯加快，其開路電位降到設定閾值(閾值設定為接近齒輪金屬基體的開路電位值_400mV的80%)，判定此時齒輪表面DLC薄膜突然發生失效，此時點即為齒輪的失效節點。需要更換齒輪，以避免齒輪突然徹底失效，而發生事故。
[0035]本發明的方法監測的表面改性零件，包括各種以金屬材料為基體，通過表面改性技術在表面形成滲氮層、滲碳層或氮化鈦、類金剛石、氮化鉻、碳化鈦及氮化鋁等薄膜的表面改性金屬零件。對不同表面改性零件、在不同液體環境介質中判定失效節點的開路電位閾值，可通過理論計算或預先的實驗室試驗確定，通常為裸露的金屬零件(未經表面改性的同種金屬零件)，在同種液體介質中的開路電位值的50% — 95%。
【權利要求】
1.一種監測表面改性零件在液體環境介質中磨損失效過程的方法，其步驟是: A、將表面改性零件置於實際服役的導電的液體環境介質中，在零件運轉時相對發生位移小或不發生位移的部位連接一根導線，導線的另一端接到電化學工作站的工作電極端n ； B、電化學工作站的輔助電極埠通過導線與石墨電極或者鉬電極相連，石墨電極或者鉬電極插入液體環境介質中，石墨電極或者鉬電極與零件之間相隔的距離，應保證其不影響零件的運轉； C、將標準甘汞電極插入零件服役的液體環境介質中，標準甘汞電極與零件之間相隔的距離，應保證其不影響零件的運轉，通過導線把標準甘汞電極和電化學工作站的參比電極埠相連； D、當零件在液體環境介質中實際服役的同時，電化學工作站工作，實時採集與工作電極埠相連的零件表面的開路電位，並繪製出反映表面改性零件在液體環境中磨損失效過程的開路電位實時變化曲線；當開路電位實時變化曲線從高電位的初始穩定階段到電位逐漸降低的中電位階段後，開路電位降低速度明顯加快，降至設定閾值時，判定零件開始發生失效，此時即為其失效節點。
【文檔編號】G01N27/416GK103604855SQ201310432513
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年9月22日 優先權日:2013年9月22日
【發明者】冷永祥, 劉佳, 黃楠 申請人:西南交通大學