CN108061536A - 一种获得金属表面氧化层厚度的方法 - Google Patents

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张广兴
霍娜
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Abstract

本发明公开了一种获得金属表面氧化层厚度的方法，将压头以预设速度匀速的压入待测金属中，并同时连续记录压头的压力。当压头的压力在预设时间内的变化值大于预设压力值时，说明此时压头达到了氧化层与金属基体的交界位置，此时停止压头的移动。从压头与待测金属接触开始至压头停止移动的时间为t1，预设时间为t2，根据t1、t2和v计算得出待测金属表面氧化层厚度h。应用本发明提供的方法，简单且便于操作，不用再进行制样、腐蚀、用显微镜观察等步骤，省时省力，且测量成本较低。

Description

一种获得金属表面氧化层厚度的方法
技术领域
本发明涉及金属质量检测技术领域，更具体地说，涉及一种获得金属表面氧化层厚度的方法。
背景技术
低碳钢在空气中加热至575～1370℃时，因高温氧化在刚才表面会产生氧化层。氧化层厚度和成分取决于加热的持续时间和温度。一般氧化层的里层为黑褐色的FeO，FeO是结构疏松过孔的洁净组织，各晶粒之间互相联系薄弱，并且易被破坏。氧化层的中间层为Fe3O4，Fe3O4较为致密，无孔无裂纹，会形成剥离状断口。最外层是Fe2O3，Fe2O3结构致密，是尖晶石结构。一般氧化层以FeO为主，Fe2O3含量最少。氧化层中每一层的含量并不固定，一般的比例如下：
FeO 40％～95％
Fe3O4 5％～60％
Fe2O3 0～10％
低碳钢在较低的温度(400～575℃)形成的氧化层仅由Fe3O4和Fe2O3组成，而没有FeO层，因为FeO低于575℃时的状态不稳定，低碳钢在较低的温度(400～575℃)形成的氧化层是开裂多孔的。
一些钢制品的验收规范要求测量表面氧化层的厚度，火力发电厂高温钢部件运行后会产生氧化层，也需要测量表面氧化层的厚度。目前传统的方法是通过金相检测进行测量。金相检测比较复杂，要经过制样、腐蚀、用显微镜观察等步骤，时间也比较长，显微镜价格也比较高。
综上所述，如何快速便捷的测出金属表面的氧化层，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种获得金属表面氧化层厚度的方法，该获得金属表面氧化层厚度的方法可以快速便捷的测出金属表面的氧化层。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种获得金属表面氧化层厚度的方法，包括步骤：
A、将压头以预设速度v匀速压入待测金属；
B、连续记录所述压头的压力；
C、所述压头的压力在预设时间内的变化值大于预设压力值时停止压头的移动；
D、从所述压头与待测金属接触开始至所述压头停止移动的时间为t1，所述预设时间为t2，根据所述t1、t2和v计算得出待测金属表面氧化层厚度h。
优选地，上述获得金属表面氧化层厚度的方法中，所述步骤D中，待测金属表面氧化层厚度h＝(t1-t2)*v。
优选地，上述获得金属表面氧化层厚度的方法中，所述步骤D中，待测金属表面氧化层厚度h＝X*(t1-t2)*v，其中X为标定系数。
优选地，上述获得金属表面氧化层厚度的方法中，所述标定系数X的获取方法，包括步骤：
1)选取金属标样；
2)将压头以预设速度v匀速压入金属标样，连续记录所述压头的压力，所述压头的压力在预设时间内的变化值大于预设压力值时停止压头的移动，从所述压头与金属标样接触开始至所述压头停止移动的时间为t1，所述预设时间为t2，根据所述t1、t2和v计算得出金属标样表面氧化层厚度h1；
3)通过金相检测的方法得出所述金属标样表面氧化层厚度h2；
4)通过公式h2＝X*h1得出所述标定系数X。
优选地，上述获得金属表面氧化层厚度的方法中，所述步骤1)和2)之间还包括步骤11)对所述金属标样的表面进行处理以去除杂质。
优选地，上述获得金属表面氧化层厚度的方法中，所述步骤A)之前还包括步骤A0)对待测金属的表面进行处理以去除杂质。
优选地，上述获得金属表面氧化层厚度的方法中，所述预设速度v为8um/s-20um/s。
优选地，上述获得金属表面氧化层厚度的方法中，所述压头的端部为圆滑曲面。
本发明提供的获得金属表面氧化层厚度的方法中，将压头以预设速度匀速的压入待测金属中，并同时连续记录压头的压力。由于氧化层与基体的硬度差别较大，故匀速移动的压头在氧化层中所受压力与在金属基体中所受压力差别较大。如此，当压头的压力在预设时间内的变化值大于预设压力值时，说明此时压头达到了氧化层与金属基体的交界位置，此时停止压头的移动。从压头与待测金属接触开始至压头停止移动的时间为t1，预设时间为t2，根据t1、t2和v计算得出待测金属表面氧化层厚度h。
应用本发明提供的获得金属表面氧化层厚度的方法，只需要将压头匀速压入待测金属即可，简单且便于操作，不用再进行制样、腐蚀、用显微镜观察等步骤，省时省力，且测量成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的获得金属表面氧化层厚度的方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的压头所受的压强随着时间的变化图。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种获得金属表面氧化层厚度的方法，该获得金属表面氧化层厚度的方法可以快速便捷的测出金属表面的氧化层。
发明人经过研究发现，金属表面的氧化层与金属基体的硬度差别很大。以钢为例，由于钢表面的氧化层的成分为Fe3O4、Fe2O3和FeO，钢的基体成分为Fe3C和其他碳化物，氧化层与基体的密度不同且硬度差别也很大，本发明研究出来利用金属基体与氧化层之间的硬度差距进行测量氧化层厚度的方法。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供的获得金属表面氧化层厚度的方法，包括步骤：
S1、将压头以预设速度v匀速压入待测金属；
将压头以预设速度v恒速压入待测金属，保持压头一直做恒速移动。
S2、连续记录压头的压力；
采用力传感器等部件连续记录压头所受的压力，该步骤中压力也可以换算成压头所受的压强，连续记录压头所受的压强。
S3、压头的压力在预设时间内的变化值大于预设压力值时停止压头的移动；
即当压头所受的压力在预设时间内的变化值大于预设压力值时，说明此时压头已经移到至氧化层与金属基体的交界位置，然后压头停止移动。例如，预设时间为1s时，压头在匀速移动过程中连续1s时间内所受的压力的变化值大于预设压力值，此时说明压头所受的压力有了明显变化，即可判定压头达到了氧化层与金属基体的交界位置。
需要说明的是，该步骤中压头所受的压力在预设时间内的变化值大于预设压力值的情况并不包括压头与待测金属表面接触并开始进入阶段压力值的变化，即压头压入待测金属后检测到压头所受的压力在预设时间内的变化值大于预设压力值时才停止压头的移动，或者可以限定为在压头与待测金属表面接触的设定时间段后，检测到压头所受的压力在预设时间内的变化值大于预设压力值时则停止压头的移动。设定时间段可以为1s或2s，在此不作限定。
S4、从压头与待测金属接触开始至压头停止移动的时间为t1，预设时间为t2，根据t1、t2和v计算得出待测金属表面氧化层厚度h。
即根据压头与待测金属接触开始至压头停止移动的时间t1、预设时间t2以及压头的预设速度v，计算得出待测金属表面氧化层厚度h。
本发明提供的获得金属表面氧化层厚度的方法中，将压头以预设速度匀速的压入待测金属中，并同时连续记录压头的压力。由于氧化层与基体的硬度差别较大，故匀速移动的压头在氧化层中所受压力与在金属基体中所受压力差别较大。如此，当压头的压力在预设时间内的变化值大于预设压力值时，说明此时压头达到了氧化层与金属基体的交界位置，此时停止压头的移动。从压头与待测金属接触开始至压头停止移动的时间为t1，预设时间为t2，根据t1、t2和v计算得出待测金属表面氧化层厚度h。
应用本发明提供的获得金属表面氧化层厚度的方法，只需要将压头匀速压入待测金属即可，简单且便于操作，不用再进行制样、腐蚀、用显微镜观察等步骤，省时省力，且测量成本较低。
如图2所示，图2为本发明实施例提供的压头所受的压强随着时间的变化图，从图2中可以看出，压头在氧化层所受的压强比较稳定，一直处于500MP，在第4秒开始压头所受的压强开始变化，至第5秒时压头所受的压强达到了800MP，即压头所受的压强有了明显的变化，压头在第4秒时达到了氧化层和金属基体的交界位置。
在一具体实施例中，步骤S4中，待测金属表面氧化层厚度h＝(t1-t2)*v。即待测金属表面氧化层厚度h为压头移动的预设速度v与其移动到氧化层与金属基体的交界位置的时间的乘积。其中，压头移动到氧化层与金属基体的交界位置的时间即为其与待测金属表面接触开始至所受压力开始明显变化。
在另一具体实施例中，步骤S4中，待测金属表面氧化层厚度h＝X*(t1-t2)*v，其中X为标定系数。由于上述利用上述方法测量金属表面氧化层的厚度可能会存在误差，此时可以利用标定系数进行标定。标定系数可以根据实际情况自行设定，在此不作限定。
进一步地，标定系数X的获取方法，包括步骤：
1)选取金属标样；
选取金属试样作为标样。
2)将压头以预设速度v匀速压入金属标样，连续记录所述压头的压力，所述压头的压力在预设时间内的变化值大于预设压力值时停止压头的移动，从所述压头与金属标样接触开始至所述压头停止移动的时间为t1，所述预设时间为t2，根据所述t1、t2和v计算得出金属标样表面氧化层厚度h1；
即将压头以预设速度v恒速压入金属标样，保持压头一直做恒速移动。采用力传感器等部件连续记录压头所受的压力，该步骤中压力也可以换算成压头所受的压强，连续记录压头所受的压强。当压头所受的压力在预设时间内的变化值大于预设压力值时，说明此时压头已经移到至氧化层与金属标样基体的交界位置，然后压头停止移动。例如，预设时间为1s时，压头在匀速移动过程中连续1s时间内所受的压力的变化值大于预设压力值，此时说明压头所受的压力有了明显变化，即可判定压头达到了氧化层与金属标样基体的交界位置。最后根据压头与金属标样接触开始至压头停止移动的时间t1、预设时间t2以及压头的预设速度v，计算得出金属标样表面氧化层厚度h1。
需要说明的是，该步骤中压头所受的压力在预设时间内的变化值大于预设压力值的情况并不包括压头与金属标样表面接触并开始进入阶段压力值的变化，即压头压入金属标样后检测到压头所受的压力在预设时间内的变化值大于预设压力值时才停止压头的移动，或者可以限定为在压头与金属标样表面接触的设定时间段后，检测到压头所受的压力在预设时间内的变化值大于预设压力值时则停止压头的移动。设定时间段可以为1s或2s，在此不作限定。
3)通过金相检测的方法得出金属标样表面氧化层厚度h2；
利用现有技术中的金相检测的方法得出金属标样表面氧化层厚度h2。
4)通过公式h2＝X*h1得出标定系数X。
即利用金相检测的方法进行标定本申请提供的获得金属表面氧化层厚度的方法。
上述获得标定系数X的方法中，在步骤1)和2)之间还包括步骤11)对金属标样的表面进行处理以去除杂质。即去除金属标样表面的油污、锈等杂质，以防杂质影响测量结果。
同样地，在步骤S1之前还包括步骤S0对待测金属的表面进行处理以去除杂质，即去除待测金属表面的油污、锈等杂质，以防杂质影响测量结果。
在实施例中，压头的预设速度v为8um/s-20um/s。具体地，可以为10um/s，在此不作限定。
另外，压头的端部为圆滑曲面，具体压头可以球形或棱锥形，在此不作限定。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种获得金属表面氧化层厚度的方法，其特征在于，包括步骤：
A、将压头以预设速度v匀速压入待测金属；
B、连续记录所述压头的压力；
C、所述压头的压力在预设时间内的变化值大于预设压力值时停止压头的移动；
D、从所述压头与待测金属接触开始至所述压头停止移动的时间为t1，所述预设时间为t2，根据所述t1、t2和v计算得出待测金属表面氧化层厚度h。
2.根据权利要求1所述的获得金属表面氧化层厚度的方法，其特征在于，所述步骤D中，待测金属表面氧化层厚度h＝(t1-t2)*v。
3.根据权利要求1所述的获得金属表面氧化层厚度的方法，其特征在于，所述步骤D中，待测金属表面氧化层厚度h＝X*(t1-t2)*v，其中X为标定系数。
4.根据权利要求3所述的获得金属表面氧化层厚度的方法，其特征在于，所述标定系数X的获取方法，包括步骤：
1)选取金属标样；
2)将压头以预设速度v匀速压入金属标样，连续记录所述压头的压力，所述压头的压力在预设时间内的变化值大于预设压力值时停止压头的移动，从所述压头与金属标样接触开始至所述压头停止移动的时间为t1，所述预设时间为t2，根据所述t1、t2和v计算得出金属标样表面氧化层厚度h1；
3)通过金相检测的方法得出所述金属标样表面氧化层厚度h2；
4)通过公式h2＝X*h1得出所述标定系数X。
5.根据权利要求4所述的获得金属表面氧化层厚度的方法，其特征在于，所述步骤1)和2)之间还包括步骤11)对所述金属标样的表面进行处理以去除杂质。
6.根据权利要求1所述的获得金属表面氧化层厚度的方法，其特征在于，所述步骤A)之前还包括步骤A0)对待测金属的表面进行处理以去除杂质。
7.根据权利要求1所述的获得金属表面氧化层厚度的方法，其特征在于，所述预设速度v为8um/s-20um/s。
8.根据权利要求1所述的获得金属表面氧化层厚度的方法，其特征在于，所述压头的端部为圆滑曲面。
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