CN103604855A - 监测表面改性零件在液体环境介质中磨损失效过程的方法 - Google Patents

Abstract

一种监测表面改性零件在液体环境介质中磨损失效过程的方法，其步骤主要是：A、将零件置于服役的液体环境介质中，并将其与电化学工作站的工作电极端口相连；B、电化学工作站的辅助电极端口与石墨电极或者铂电极电连；C、将标准甘汞电极插入液体环境介质中，并将其和电化学工作站的标准电极端口相连；D、零件在实际服役的同时，电化学工作站工作，实时采集并绘制出零件的开路电位变化曲线；当曲线到中电位阶段后，电位降低速度明显加快并降至设定阈值时，判定零件开始发生失效，此时即为其失效节点。该方法能实时监测零件在实际服役过程中的磨损失效过程，提前或者及时发现、判断其失效节点，以避免零件突然失效的灾难性后果。

Description

监测表面改性零件在液体环境介质中磨损失效过程的方法

技术领域

本发明涉及一种监测表面改性处理后的零件在液体介质中磨损失效过程的方法。 

背景技术

随着高新技术的发展，对材料性能的要求越来越高，特别是对于广泛使用的金属材料，在耐磨损、耐腐蚀以及耐高温方面都提出了更高的要求，而单纯的金属材料已经难以满足越来越严格的性能要求。在金属材料表面制备高性能的改性层或者薄膜材料，是解决工程应用中金属零件存在的不耐磨损、易腐蚀等问题的最现实的技术方案。目前通过等离子体氮化、离子注入、渗碳、渗氮等在金属零件表面形成耐磨、防腐改性层或者各种改性薄膜（氮化物、氧化物、碳化物等陶瓷薄膜）的表面改性零件，已经在机械、石油化工、航空航天等领域得到了广泛的应用，大幅度提高了金属零件的耐磨损及耐腐蚀性能。 

对经过表面处理（在表面形成改性层或者改性薄膜）的零件的磨损失效过程进行监测、分析是预测结构零件寿命的主要依据。目前，对表面改性零件的磨损失效过程进行研究及评价的方法主要有球盘式摩擦磨损性能测试（王长生，齐毓霖，真空高低温球盘式摩擦磨损试验机的研制，机械工程师，2010年第3期，P50-52）和环块式摩擦磨损测试（黄金亮,田保红,常连智，CeO₂对NiCrBSi-WC合金激光熔敷层组织和摩擦磨损行为的影响,热加工工艺,1999年第4期，P3-6）两种方法。这两种方法均通过监测零件摩擦磨损过程中摩擦系数的变化以及观测零件表面磨痕形貌来评价薄膜的失效过程，但是这两种方法存在着两个问题：一、有时摩擦系数对表面改性层或者薄膜的失效过程并不敏感，即表面改性层或者薄膜失效并不一定导致摩擦系数发生明显的变化，例如，经氮化钛薄膜表面改性的GCr15对磨时摩擦系数为0.5左右，当氮化钛薄膜失效时，GCr15对磨的摩擦系数也在0.5左右，薄膜失效并没有导致摩擦系数的变化。因此，通过检测摩擦系数的变化并不能准确、可靠的实时监测薄膜的磨损失效过程。二、通过监测摩擦系数及磨痕形貌来评价表面改性层或者薄膜的失效过程的方法主要用于实验室研究，不适用于评价实际服役中的零件表面改性层及薄膜的失效过程。零件实际服役过程中，无法测量摩擦系数，而要观测 磨损形貌，也必须停止设备运转，取下零件，这在实际工业应用中很难实现。 

此外，对于泵、轴承以及齿轮等在溶液介质环境中使用的零件，由于溶液介质的润滑作用，减弱了摩擦过程中摩擦界面材料的变化对摩擦系数的影响，其服役过程中的摩擦系数及磨损形貌更加难以监测，无法通过实时监测摩擦系数的变化来监测表面改性层或者改性薄膜的失效过程。 

在实际生产中，为了避免零件突然失效造成灾难性后果，迫切需要实时监测经过表面处理的零件的工作过程及零件表面状态，提前或者及时发现、判断其失效节点。因此，为了更为有效的了解零件表面改性层或者零件表面薄膜在液体环境中的磨损失效过程，需要建立一种新的、实时的、对表面改性零件的表面改性层或者薄膜失效敏感的失效过程监测方法。 

发明内容

本发明的目的是提供一种监测表面改性零件在液体环境介质中磨损失效过程的方法，该方法能实时监测零件在实际服役过程中的磨损失效过程，提前或者及时发现、判断其失效节点，以避免零件突然失效造成的灾难性后果。 

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种监测表面改性零件在液体环境介质中磨损失效过程的方法，其步骤是： 

A、将表面改性零件置于实际服役的导电的液体环境介质中，在零件运转时相对发生位移小或不发生位移的部位连接一根导线，导线的另一端接到电化学工作站的工作电极端口； 

B、电化学工作站的辅助电极端口通过导线与石墨电极或者铂电极相连，石墨电极或者铂电极插入液体环境介质中，石墨电极或者铂电极与零件之间相隔的距离，应保证其不影响零件的运转； 

C、将标准甘汞电极插入零件服役的液体环境介质中，标准甘汞电极与零件之间相隔的距离，应保证其不影响零件的运转，通过导线把标准甘汞电极和电化学工作站的参比电极端口相连； 

D、当零件在液体环境介质中实际服役的同时，电化学工作站工作，实时采集与工作电极端口相连的零件表面的开路电位，并绘制出反映表面改性零件在液体环境中磨损失效过程的开路电位实时变化曲线；当开路电位实时变化曲线从高电位的初始稳定阶段到电位逐渐降低的中电位阶段后，开路电位降低速度 明显加快，降至设定阈值时，判定零件开始发生失效，此时即为其失效节点。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

通过将零件运转时相对发生位移小或不发生位移的部位与电化学工作站的工作电极端口相连，零件作为工作电极联入电化学工作站，可在不影响零件服役（运转）的情况下，实时监测零件的开路电位（OCP）。而零件开路电位（OCP）又对零件表面状态的变化非常敏感，当零件表面改性层或者零件表面薄膜在实际服役的摩擦磨损过程中刚开始发生失效时，零件的开路电位就会表现出明显的变化，从而能够实时的，有效的监测零件表面改性层或者零件表面薄膜在实际服役过程的失效过程，及时发现零件的失效节点，得以及时更换维修零件，避免发生事故。 

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是实施例的试验一得到的TiN表面改性的滚轮引导盘在服役过程中的开路电位变化曲线。 

图2是实施例的试验一得到的TiN表面改性的滚轮引导盘的显微形貌图。 

图3是实施例的试验二得到的类金刚石薄膜表面改性的滚轮引导盘在服役过程中的开路电位变化曲线。 

图4是实施例试验二得到的类金刚石薄膜表面改性的滚轮引导盘的显微形貌图。 

具体实施方式

实施例 

本发明的一种具体实施方式是，一种监测表面改性零件在液体环境介质中磨损失效过程的方法，其步骤是： 

A、将表面改性零件置于实际服役的导电的液体环境介质中，在零件运转时相对发生位移小或不发生位移的部位连接一根导线，导线的另一端接到电化学工作站的工作电极端口； 

B、电化学工作站的辅助电极端口通过导线与石墨电极或者铂电极相连，石墨电极或者铂电极插入液体环境介质中，石墨电极或者铂电极与零件之间相隔的距离，应保证其不影响零件的运转； 

C、将标准甘汞电极插入零件服役的液体环境介质中，标准甘汞电极与零件之间相隔的距离，应保证其不影响零件的运转，通过导线把标准甘汞电极和电化学工作站的参比电极端口相连； 

D、当零件在液体环境介质中实际服役的同时，电化学工作站工作，实时采集与工作电极端口相连的零件表面的开路电位，并绘制出反映表面改性零件在液体环境中磨损失效过程的开路电位实时变化曲线；当开路电位实时变化曲线从高电位的初始稳定阶段到电位逐渐降低的中电位阶段后，开路电位降低速度明显加快，降至设定阈值时，判定零件开始发生失效，此时即为其失效节点。 

以下是采用本发明方法对几个表面改性零件进行监测的试验结果： 

试验一 

表面改性零件为TiN表面改性的滚轮引导盘，滚轮引导盘与电化学工作站的工作电极端口相连，服役时的液体环境介质为0.9%NaCl溶液。服役时，滚轮在滚轮引导盘表面往复运动，与此同时，电化学工作站工作，实时采集记录得到图1的滚轮引导盘在服役过程中的开路电位（OCP）变化曲线。 

图1表明，经过高电位的初始稳定阶段（约700s）后，开路电位（OCP）变化曲线进入电位逐渐降低的中电位阶段，随后开路电位降低速度明显加快，在约3500s处降至设定阈值(阈值设定为接近滚轮引导盘金属基体的开路电位值-400mV的90%，即360mV)，判定此时滚轮引导盘表面TiN薄膜突然发生失效，此时点即为滚轮引导盘的失效节点。需要更换滚轮引导盘，以避免滚轮引导盘突然彻底失效。 

为了证实以上结果，用光学显微镜观察滚轮引导盘表面TiN薄膜的形貌，得到的形貌见图2。图2可以看出滚轮引导盘部分部位裸露出了金属基体，TiN薄膜剥落失效。说明本发明方法可靠、有效的判断出了滚轮引导盘的失效节点。试验二 

将试验一的表面改性零件替换为类金刚石薄膜（DLC）表面改性的滚轮引导盘，其余操作与试验一完全相同。 

图3为试验二测试出的DLC薄膜表面改性的滚轮引导盘在服役过程中的开路电位曲线。图3经过高电位的初始稳定阶段（约450s）后，开路电位（OCP）变化曲线进入电位逐渐降低的中电位阶段，随后开路电位降低速度明显加快，在约1200s处降至设定阈值时到设定阈值(阈值设定为接近滚轮引导盘金属基体的开路电位值-400mV的80%，即-320mV)，判定此时滚轮引导盘表面DLC薄膜突然发生失效，此时点即为滚轮引导盘的失效节点。需要更换滚轮引导盘，以避免滚轮引导盘突然彻底失效，而发生事故。 

为了证实以上结果，用光学显微镜观察滚轮引导盘表面DLC薄膜的形貌，得到的形貌见图4。图4可以看出滚轮引导盘部分部位裸露出了金属基体，DLC薄膜开始剥落失效。说明本发明方法可靠、有效的判断出了滚轮引导盘的失效节点。 

试验三 

表面改性零件为等离子体氮化表面处理过的齿轮，在齿轮的传导轴上连接一根导线，导线另一端和电化学工作站的工作电极端口连接，从而实现齿轮与电化学工作站的工作电极端口的可靠连接。 

试验三的测试也说明，初始稳定阶段齿轮开路电位会维持在高电位值。随后进入电位逐渐降低的中电位阶段（这是因为随着摩擦磨损的进行，表面等离子体氮化改性层对齿轮金属基体的保护作用不断减弱，即氮化层阻碍齿轮金属基体与溶液之间的离子交换能力减弱）。然后，开路电位出现急剧的下降，降至设定阈值（金属基体的开路电位值的70%），（这是因为等离子体氮化改性层开始发生失效，即齿轮表面的等离子体氮化改性层出现脱落，新鲜的金属材料暴露在溶液中）；判定此时齿轮表面等离子体氮化改性层突然发生失效，此时点即为齿轮的失效节点。需要更换齿轮，以避免齿轮突然彻底失效，而发生事故。 

试验四 

将试验一的表面改性零件替换为类金刚石薄膜（DLC）表面改性的齿轮，齿轮服役时的液体环境介质为含Cl^-,Ca⁺,P⁺等离子的润滑介质，其余操作与试验一完全相同。 

经过高电位的初始稳定阶段后，开路电位（OCP）变化曲线进入电位逐渐降低的中电位阶段，工作一定时间后开路电位降低速度明显加快，其开路电位降到设定阈值(阈值设定为接近齿轮金属基体的开路电位值-400mV的80%)，判定此时齿轮表面DLC薄膜突然发生失效，此时点即为齿轮的失效节点。需要更换齿轮，以避免齿轮突然彻底失效，而发生事故。 

本发明的方法监测的表面改性零件，包括各种以金属材料为基体，通过表面改性技术在表面形成渗氮层、渗碳层或氮化钛、类金刚石、氮化铬、碳化钛及氮化铝等薄膜的表面改性金属零件。对不同表面改性零件、在不同液体环境介质中判定失效节点的开路电位阈值，可通过理论计算或预先的实验室试验确定，通常为裸露的金属零件（未经表面改性的同种金属零件），在同种液体介质中的开路电位值的50%—95%。 

Claims (1)

1.一种监测表面改性零件在液体环境介质中磨损失效过程的方法，其步骤是：

A、将表面改性零件置于实际服役的导电的液体环境介质中，在零件运转时相对发生位移小或不发生位移的部位连接一根导线，导线的另一端接到电化学工作站的工作电极端口；

B、电化学工作站的辅助电极端口通过导线与石墨电极或者铂电极相连，石墨电极或者铂电极插入液体环境介质中，石墨电极或者铂电极与零件之间相隔的距离，应保证其不影响零件的运转；

C、将标准甘汞电极插入零件服役的液体环境介质中，标准甘汞电极与零件之间相隔的距离，应保证其不影响零件的运转，通过导线把标准甘汞电极和电化学工作站的参比电极端口相连；

D、当零件在液体环境介质中实际服役的同时，电化学工作站工作，实时采集与工作电极端口相连的零件表面的开路电位，并绘制出反映表面改性零件在液体环境中磨损失效过程的开路电位实时变化曲线；当开路电位实时变化曲线从高电位的初始稳定阶段到电位逐渐降低的中电位阶段后，开路电位降低速度明显加快，降至设定阈值时，判定零件开始发生失效，此时即为其失效节点。

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