CN109342246B - 一种涂层样品阵列耐磨性快速评价方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涂层样品阵列耐磨性快速评价方法及其装置，它首先基体上制备阵列式涂层，样品涂层初磨后，按照相同的磨损参数对初磨后的样品涂层进行快速磨损试验，磨损完毕，将磨损后的涂层样品阵列通过光学三维形貌仪获取涂层表面形貌信息，并通过CCD探测器转换成数字化的强度信息，传输给计算机并通过专用3D图像分析软件计算磨损体积，根据各样品阵点在相同条件下和相同时间内的磨损体积损失量来评价样品各阵点位置涂层的耐磨性，并筛选出性能最优的涂层材料。本发明克服了传统的单样品磨损试验机因样品制备、更换、安装等过程带来的人为因素的影响，并提高了磨损性能检测的效率。

Description

一种涂层样品阵列耐磨性快速评价方法及其装置

技术领域

本发明涉及材料领域的涂层耐磨性性能检测，尤其是一种涂层样品阵列耐磨性的快速检测装置和价方法，用于高效率、同参数检测、评价涂层样品阵列的耐磨性能。

背景技术：

在新型耐磨材料及涂层的开发中，影响耐磨性的因素众多，涂层中陶瓷相种类、含量、尺度、分布、形态等对涂层耐磨蚀性能有重要的影响。合理设计涂层组元、结构、陶瓷相含量、尺度、在涂层中的分布特征等因素，并通过大量摩擦磨损实验验证，比较，才能实现涂层性能的优化。采用相同的实验条件进行不同样品的摩擦磨损实验，然后比较磨损结果，是评价材料耐磨性的有效和常用方法。目前，检测涂层耐磨性的方法和检测设备有很多种，如各种球-盘结构或是销-盘结构的摩擦磨损试验机，但多为单件检测，在设定实验条件下进行长时间的磨损实验，然后通过计算磨损失重或磨损体积的变化衡量耐磨性的好坏。这些实验方法工作量大，并且一次只能表征一个样品，用于涂层耐磨性的优化效率较低，并且由于磨损实验及测量时人为因素的影响，也难以保证测量条件的完全一致性。

中国专利申请号201310185920.0公开了一种转盘式多样品同步摩擦磨损试验装置，可以同时检测多个样品，在原理上仍然是采用销-盘式结构，需要将样品加工加工成标准的扇形结构，然后将多个扇形结构的样品再拼接成一个整体圆放置在转盘上进行检测，虽然检测效率相对较高，但是还是存在以下缺陷：一是由于需要将样品拼接成转盘式，这在一定程度上限制了样品的数量，无法实现大批量涂层的快速检测，需要一批批检测，效率低；二是需要事先将制备好的涂层切割成扇形，这样无疑对操作工提出了更高的要求，工序复杂，并且在对样品进行切割时是一个个进行的，切割过程中对样品造成了破坏，更重要的是破坏程度不同，导致检测结果误差大，没有可取性。

目前位移调节机构被广泛用于自动控制中，一般都包括滑块、驱动电机和导轨，滑块经驱动电机与导轨滑动连接，比如中国专利申请号201810067506.2公开的一种全自动植发机，中国专利申请号201120476610.0公开了的一种二维智能运动平台等等，其中的位移调节机构便是利用这个原理实现的。

发明内容

为了对多涂层进行快速准确检测和评价，本发明提供一种涂层样品阵列耐磨性快速检测评价方法，该方法在相同的实验条件下进行样品阵列的磨损实验，然后采用光学探头提取样品磨损后的表面形貌特征，计算体积损失量，用体积损失量评价、对比各阵点位置涂层样品的耐磨性，实现涂层耐磨性能的快速优化。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种涂层样品阵列耐磨性快速评价方法，其特征在于：步骤如下：

第一步：制备涂层样品阵列

在基体上制备阵列式涂层，所谓的阵列式，就是将基体的长度设为X方向，基体的宽度设为Y方向，然后在基体上分别沿X方向和Y方向间距设置多个涂层，其中，Y方向为列，X方向为行，沿着X和Y方向，每个阵点位置涂层样品在成分、或陶瓷相尺度、或陶瓷相含量因素上按照设计要求成梯度变化。如考察成分和陶瓷相尺度对涂层耐磨性的影响，可分别令成分沿X方向变化，陶瓷相尺度沿着Y方向变化，设计出含有N个阵点的样品阵列；

第二步：磨损前的准备

样品制备好之后，为保证各阵点位置样品磨损实验初始条件的一致性，在小型平面磨床上磨削样品阵列表面，使得各阵点样品表面的粗糙度和平整度均保持一致。

第三步：磨损涂层样品阵列

3.1:将涂层样品阵列置于样品台上，在样品验台上方设有带有磨损头的磨杆，磨杆可以上下左右前后移动；

3.2:设定好磨损样品阵点起始位置，将样品阵点按坐标进行编号，设置好磨损参数，磨损参数至少包括：磨损压力，磨损行程(往复磨损距离)、磨损速度和磨损时间；

3.3：将磨杆磨损头与阵点起始位置的涂层接触，然后按照事先设置好的磨损参数，操作控制磨杆使磨杆在阵点起始位置的涂层上实现Y向和X向的往复磨损，等达到磨损时间后，上提磨杆使磨损头远离涂层，控制磨杆移向下一位置，按照相同的磨损参数重新加载、磨损，这样，依次进行下一阶段的磨损，直到完成所有样品阵点的磨损试验；整个磨损过程可由计算机系统控制自动完成，减少不同样品切换时人为因素的影响，保证磨损试验时各个阵点的样品磨损条件和磨损环境的一致性。

第四步：涂层样品阵列磨损性能的评价

涂层样品阵列磨损完毕，将磨损后的涂层样品阵列固定在光学三维形貌仪的X Y移动工作台上，用计算机系统控制XY位移平台移动样品阵点位置，用光学探头分别扫描磨损后的各阵点样品表面，应用白光干涉原理精确测量磨损后的表面形貌信息，并通过CCD探测器转换成数字化的强度信息，传输给计算机并通过专用3D图像分析软件计算磨损体积，根据各样品阵点在相同条件下和相同时间内的磨损体积损失量来评价样品各阵点位置涂层的耐磨性，并筛选出性能最优的涂层材料。

为了实现上述方法，本发明提供一种快速磨损装置，其技术方案是：

它包括X向位移调节机构和Y向位移调节机构，其特征在于，它还包括一个带有样品平台的支架和测力及传动模块，其中：

所述的X向位移调节机构和Y向位移调节机构设置在支架顶部：

所述的测力及传动模块穿过Y向位移调节机构且可以相对Y向位移调节机构上下移动；

进一步，还包括计算机控制系统，所述的计算机控制系统与X向位移调节机构、Y向位移调节机构和测力及传动模块电连接，通过电压信号控制X向位移调节机构和Y向位移调节机构以及测力及传动模块的位置变化；

进一步：所述X向位移调节机构包括X向导轨、X向位移滑块和X向驱动电机，X向位移滑块经X向驱动电机与X向导轨滑动连接；所述Y向位移调节机构包括Y向导轨、Y向位移滑块和Y向驱动电机，Y向导轨设在X向位移滑块上，Y向位移滑块经Y向驱动电机与Y向导轨滑动连接.

进一步：所述的X向驱动电机通过法兰螺栓连接的方式固定在X向位移滑块上，经安装在X向驱动电机主轴上的齿轮和安装在X向导轨上的齿条构成齿轮齿条传动副，驱动X向位移滑块在X向导轨往复移动；所述的Y向驱动电机通过法兰螺栓连接的方式固定在Y向位移滑块上，经安装在Y向驱动电机主轴上的齿轮和安装在X向位移滑块侧边上的齿条构成齿轮齿条传动副，驱动Y向位移滑块沿着X向位移滑块往复移动。

进一步：所述的测力及传动模块根据螺杆传动原理设计，它理包括一个壳体、Z向驱动电机、传动螺杆、螺纹滑块、加压弹簧、压力传感器、支撑弹簧和磨杆，其中：

所述的传动螺杆、螺纹滑块、加压弹簧、压力传感器、支撑弹簧依次装在圆筒形壳体内，Z向驱动电机的主轴通过联轴器和传动螺杆连接，传动螺杆的前端旋上螺纹滑块，螺纹滑块与壳体之间是滑槽连接，螺纹滑块另一端顶在加压弹簧上，加压弹簧另一端顶在压力传感器上，压力传感器另一端与支撑弹簧接触，磨杆的尾端穿过支撑弹簧后固定连接在压力传感器的测力压头上；上述各部件的传动关系是：Z向驱动电机带动传动螺杆转动，驱动螺纹滑块上移或下滑，由于壳体的约束，加压弹簧和支撑弹簧恢复原位或被压缩，从而推动带动压力传感器带着磨杆上行或下移。

进一步：所述的计算机控制系统控制方法是：当磨杆下移磨损球接触样品时，接触压力由磨杆传递给压力传感器的测力压头，由压力传感器转换成电压信号，传递给计算机系统，当接触压力达到设定值时，计算机系统通过控制电压信号控制Z向驱动电机停止转动，同时控制X或Y向电机开始往复摆动进行滑动磨损实验；当到达设计好的磨损时间后，停止该位置的磨损，计算机系统控制Z向驱动电机反转，螺纹滑块上移，之前被压缩的支撑弹簧推动压力传感器和磨杆上移，脱离样品表面。

进一步：所述的测力及传动模块与Y向位移调节机构的连接关系是：在Y向位移滑块上开设有一竖向中心孔，测力及传动模块的圆筒壳体穿过中心孔即可。

进一步：所述的驱动电机优选可编程的步进电机。

本发明的积极效果是：

(1)该发明将待测涂层样品以阵列方式布置，在平面磨床上将样品表面预磨至相同的光洁度，然后设置实验参数，采用坐标定位的方式由计算机控制依次完成所有阵点的磨损，确保了所有样品阵点磨损条件的一致性，克服了传统的单样品磨损试验机因样品制备、更换、安装等过程带来的人为因素的影响，并提高了磨损性能检测的效率。

(2)采用白光干涉技术精确采集样品磨损后的表面形貌信息，Z向测量精度可以达到0.013μm，并由3D图像分析软件自动计算磨损后的体积损失率，测量速度快，计算精度高。该发明采用体积损失率评价涂层的耐磨性，克服了采用失重法难以准确评价密度不同材料的耐磨性问题。

(3)本发明可以用于检测批量涂层耐磨性，借助于该方法，可以高效率的评价多因素对涂层耐磨性影响规律，可以利用较小的实验工作量，实现涂层组分、结构、强化相含量、强化相尺度等对涂层耐磨性有重要影响的因素的优化。

附图说明

图1是本发明的涂层样品阵列示意图；

图2是样品磨损装置示意图；

图3是图1中Y向位移调节结构的左视图，图中示出了Y向位移调节结构与X向位移调节结构之间的关系；

图4是图2中的测力及传动模块结构示意图。

图5是样品形貌测量原理示意图。

图中：1-Y向驱动电机，2-Z向驱动电机，3-测力及传动模块，4-X向驱动电机，5-Y向位移滑块，6-X向位移滑块，7-磨杆，8-支架，9-支撑弹簧，10-压力传感器，11-加压弹簧，12-螺纹滑块，13-传动螺杆，14-X向导轨，15-圆筒状壳体，16-齿条，17-齿轮。

具体实施方式

下面以Ni60+WC涂层的耐磨性快速评价和优化为例对本发明进行详细说明，用于考查WC陶瓷相含量和尺度对涂层耐磨性的影响。实施例中用的磨损装置结构如图2-4所示。

从图2可以看出，它包括带有样品平台的支架、X向位移调节机构、Y向位移调节机构、测力及传动模块3和计算机控制系统(图中未画出)，其中：

所述的X向位移调节机构和Y向位移调节机构设置在支架8顶部：X向位移调节机构包括X向导轨14、X向位移滑块6和X向驱动电机4，X向驱动电机4与X向位移滑块6通过螺栓固定连接，经安装在X向驱动电机4主轴上的齿轮和安装在X向导轨14内侧边上的齿条啮合传动，从而驱动X向位移滑块6沿着X向导轨14左右移动；所述Y向位移调节机构(见图3)包括Y向位移滑块5和Y向驱动电机1，Y向位移滑块5扣在X向位移滑块6上，Y向驱动电机1与Y向位移滑块5通过螺栓固定连接，经安装在Y向驱动电机1主轴上的齿轮17和安装在位移滑块6内侧边上的齿条17啮合传动，从而驱动Y向位移滑块5沿着X向位移滑块6前后移动。在Y向位移滑块5上开设有一竖向中心孔，测力及传动模块3穿过中心孔。

所述的测力及传动模块3结构如图4所示，它包括一个圆筒形壳体15、Z向驱动电机2、传动螺杆13、螺纹滑块12、加压弹簧11、压力传感器10、支撑弹簧9和磨杆7，从图3中可以看出，所述的传动螺杆13、螺纹滑块12、加压弹簧11、压力传感器10、支撑弹簧9依次装在圆筒形壳体15内，Z向驱动电机2的主轴通过联轴器和传动螺杆13连接，传动螺杆13的另一端旋上螺纹滑块12，螺纹滑块12与圆筒形壳体15通过滑槽连接，螺纹滑块12另一端顶在加压弹簧11上，加压弹簧11另一端顶在压力传感器10上，压力传感器10另一端与支撑弹簧9接触，磨杆7的尾端穿过支撑弹簧9后固定连接在压力传感器10的测力压头上；

下面详述利用上述磨损装置在普通碳钢表面熔覆Ni60+WC复合涂层，目的是通过调整陶瓷相WC的含量改变硬度的，通过磨损试验和后期的筛分，从中获取硬度达到最佳时WC的质量含量和尺度。

第一步：样品制备

采用等离子熔覆或激光熔敷的方法制备如图1所示涂层样品阵列，图中：WC含量沿着X轴变化，各阵点取值范围分别为：X1(15％)，X2(20％)，X3(25％)，X4(30％)，X5(35％)，X6(40％)，X7(45％)，X8(50％)；

WC尺度沿着Y方向变化，各阵点取值范围分别为：Y1(50-100nm)，Y2(100-200nm)，Y3(200-500nm),Y4(500-1000nm)，Y5(1-5μm)，这样，X和Y向两个因素的不同取值组合共需熔覆如图1所示的40样品阵点，将40个样品阵点进行编号为(X1，Y1)(X1，Y2)......(X8，Y5)

第二步；磨损前的准备

采用小型平面磨床将样品表面磨削至相同的高度、平整度和表面光洁度，保证磨损前样品各阵点位置涂层初始表面状态的一致性。

2.1:将涂层样品阵列置于图2所示的支架8的样品台上；

2.2:设定(X1,Y1)为磨损样品阵点起始位置，设置好磨损压力，磨损行程(往复磨损距离)、磨损速度和磨损时间，本实施例中，采用用硬质合金磨头进行磨损实验，磨头压力：100N，电机摆动频率120次/min，摆动距离10mm，磨损时间10分钟；

2.3：启动Z向驱动电机2正转，Z向驱动电机2带动传动螺杆13转动，驱动螺纹滑块12下滑挤压加压弹簧11，加压弹簧11推动压力传感器10带动磨杆7下移(此时由于壳体的约束，支撑弹簧9也被压缩)，使磨杆7的磨损头与(X1,Y1)阵点涂层接触，接触压力由磨杆7传递给压力传感器10的测力压头，由压力传感器10转换成电压信号，传递给计算机系统，当接触压力达到设定值时，计算机系统通过控制电压信号控制Z向驱动电机2停止转动，之后控制X向驱动电机4或Y向驱动电机1，按照事先设置好的磨损参数，控制磨杆在(X1,Y1)阵点的涂层上实现Y向和X向的往复磨损，当到达设计好的磨损时间后，停止该位置的磨损，计算机系统控制Z向驱动电机2反转，螺纹滑块12上移，之前被压缩的支撑弹簧9推动压力传感器10带动磨杆上移，脱离样品表面，完成对(X1,Y1)阵点涂层的磨损实验；

2.4：磨损其余涂层样品阵点

启动Y向驱动电机1，驱动Y向位移滑块5携带测力及传动模块3向下一个涂层样品阵点(X1、Y2)移动，之后按照2.3步记载的方法对涂层样品阵点(X1、Y2)进行磨损，以此类推，直到X1列涂层样品磨损完毕；

当X1列阵点磨损完毕后，启动X向驱动电机4，驱动X向位移滑块6向X2列涂层样品阵点移动，对X2列涂层样品阵点进行磨损，以此类推，直到完成所有样品阵点的磨损试验；整个磨损过程可由计算机系统控制自动完成，减少不同样品切换时人为因素的影响，保证磨损试验时各个阵点的样品磨损条件和磨损环境的一致性。

本实施例，在磨损的时候，按照一列一列磨损，在实际中也可以根据现场情况按照一行一行磨损方式或者别的方式进行。

第三步：涂层样品阵列磨损性能的评价

3.1：磨损形貌测量

涂层样品阵列磨损完毕，将磨损后的涂层样品阵列固定在光学三维形貌仪的X Y移动工作台上，原理示意图见图5，用计算机系统控制XY位移平台移动样品阵点位置，用光学探头分别扫描磨损后的各阵点样品表面，应用白光干涉原理精确测量磨损后的表面形貌信息，并通过CCD探测器转换成数字化的强度信息，传输给计算机并通过专用3D图像分析软件计算磨损体积；

3.2：对比各样品阵点的体积损失量，找出在相同磨损条件下体积损失量最小的阵点(Xi，Yi)，即在本次实验条件下耐磨性最好的涂层。

Claims (9)

1.一种涂层样品阵列耐磨性快速评价方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：制备涂层样品阵列

在基体上制备阵列式涂层，所谓的阵列式，就是将基体的长度设为X方向，基体的宽度设为Y方向，然后在基体上分别沿X方向和Y方向间距设置多个涂层，其中，Y方向为列，X方向为行，沿着X和Y方向，每个阵点位置涂层样品在成分、陶瓷相尺度或陶瓷相含量因素上按照设计要求成梯度变化；

第二步：磨损前的准备

样品制备好之后，为保证各阵点位置样品磨损实验初始条件的一致性，在小型平面磨床上磨削样品阵列表面，使得各阵点样品表面的粗糙度和平整度均保持一致；

第三步：磨损涂层样品阵列

3.1:将涂层样品阵列置于样品台上，在样品验台上方设有带有磨损头的磨杆，磨杆可以上下左右前后移动；

3.2:设定好磨损样品阵点起始位置，将样品阵点按坐标进行编号，设置好磨损参数，磨损参数至少包括：磨损压力，磨损行程、磨损速度和磨损时间；

3.3:将磨杆磨损头与阵点起始位置的涂层接触，然后按照事先设置好的磨损参数，操作控制磨杆使磨杆在阵点起始位置的涂层上实现Y向和X向的往复磨损，等达到磨损时间后，上提磨杆使磨损头远离涂层，控制磨杆移向下一位置，按照相同的磨损参数重新加载、磨损，这样，依次进行下一阶段的磨损，直到完成所有样品阵点的磨损试验；

第四步：涂层样品阵列磨损性能的评价

涂层样品阵列磨损完毕，将磨损后的涂层样品阵列固定在光学三维形貌仪的X Y移动工作台上，通过控制XY位移平台移动样品阵点位置，用光学探头分别扫描磨损后的各阵点样品表面，应用白光干涉原理精确测量磨损后的表面形貌信息，并通过CCD探测器转换成数字化的强度信息，传输给计算机并通过专用3D图像分析软件计算磨损体积，根据各样品阵点在相同条件下和相同时间内的磨损体积损失量来评价样品各阵点位置涂层的耐磨性，并筛选出性能最优的涂层材料。

2.一种实施权利要求1所述的涂层样品阵列耐磨性快速评价方法的快速磨损装置，它包括X向位移调节机构和Y向位移调节机构，其特征在于，它还包括一个带有样品平台的支架和测力及传动模块，其中：

所述的X向位移调节机构和Y向位移调节机构设置在支架顶部：

所述的测力及传动模块穿过Y向位移调节机构且可以相对Y向位移调节机构上下移动；

3.如权利要求2所述的快速磨损装置，其特征在于，还包括计算机控制系统，所述的计算机控制系统与X向位移调节机构、Y向位移调节机构和测力及传动模块电连接，通过电压信号控制X向位移调节机构和Y向位移调节机构以及测力及传动模块的位置变化。

4.如权利要求2所述的快速磨损装置，其特征在于，所述X向位移调节机构包括X向导轨、X向位移滑块和X向驱动电机， X向位移滑块经X向驱动电机与X向导轨滑动连接；所述Y向位移调节机构包括Y向导轨、Y向位移滑块和Y向驱动电机，Y向导轨设在X向位移滑块 上，Y向位移滑块经Y向驱动电机与Y向导轨滑动连接。

5.如权利要求4所述的快速磨损装置，其特征在于，所述的X向驱动电机通过法兰螺栓连接的方式固定在X向位移滑块上，经安装在X向驱动电机主轴上的齿轮和安装在X向导轨上的齿条构成齿轮齿条传动副，驱动X向位移滑块在X向导轨往复移动；所述的Y向驱动电机通过法兰螺栓连接的方式固定在Y向位移滑块上，经安装在Y向驱动电机主轴上的齿轮和安装在X向位移滑块侧边上的齿条构成齿轮齿条传动副，驱动Y向位移滑块沿着X向位移滑块往复移动。

6.如权利要求2所述的快速磨损装置，其特征在于，所述的测力及传动模块包括一个壳体、 Z向驱动电机、传动螺杆、螺纹滑块、加压弹簧、压力传感器、支撑弹簧和磨杆，其中：

所述的传动螺杆、螺纹滑块、加压弹簧、压力传感器、支撑弹簧依次装在圆筒形壳体内，Z向驱动电机的主轴通过联轴器和传动螺杆连接，传动螺杆的前端旋上螺纹滑块，螺纹滑块与壳体之间是滑槽连接，螺纹滑块另一端顶在加压弹簧上，加压弹簧另一端顶在压力传感器上，压力传感器另一端与支撑弹簧接触，磨杆的尾端穿过支撑弹簧后固定连接在压力传感器的测力压头上；上述各部件的传动关系是：Z向驱动电机带动传动螺杆转动，驱动螺纹滑块上移或下滑，由于壳体的约束，加压弹簧和支撑弹簧恢复原位或被压缩，从而推动带动压力传感器带着磨杆上行或下移。

7.如权利要求3所述的快速磨损装置，其特征在于，所述的计算机控制系统控制方法是：当磨杆下移磨损球接触样品时，接触压力由磨杆传递给压力传感器的测力压头，由压力传感器转换成电压信号，传递给计算机系统，当接触压力达到设定值时，计算机系统通过控制电压信号控制Z向驱动电机停止转动，同时控制X或Y向电机开始往复摆动进行滑动磨损实验；当到达设计好的磨损时间后，停止该位置的磨损，计算机系统控制Z向驱动电机反转，螺纹滑块上移，之前被压缩的支撑弹簧推动压力传感器和磨杆上移，脱离样品表面。

8.如权利要求2所述的快速磨损装置，其特征在于，所述的测力及传动模块与Y向位移调节机构的连接关系是：在Y向位移滑块上开设有一竖向中心孔，测力及传动模块的圆筒壳体穿过中心孔即可。

9.如权利要求4或6所述的快速磨损装置，其特征在于，所述的驱动电机为可编程的步进电机。

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