CN110940628A - 一种电化学原位微振磨损试验系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电化学原位微振磨损试验系统，试验系统包括设置有第一样品和第二样品的环境箱、驱动第一样品和第二样品运动接触或分离的驱动机构，试验系统还包括电化学监测系统，电化学监测系统包括主线路，第一样品和第二样品均为与主线路电连接的工作电极，电化学监测系统还包括与主线路电连接的参比电极，参比电极位于环境箱内，参比电极与第一样品之间设置有第一电压表和第一开关、参比电极与第二样品之间设置有第二电压表和第二开关;电化学监测系统可以深入理解磨损过程中电化学性能演变规律，为磨损机制研究提供试验支撑，同时也可为销盘磨损、球盘磨损、往复滑移磨损、旋转磨损等其他形式磨损行为研究提供实验设计参考。

Description

一种电化学原位微振磨损试验系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及属于金属材料摩擦磨损领域，具体涉及一种电化学原位微振磨损试验系统及其使用方法。

背景技术

传统的磨损电化学监测装置主要依托于现有三电极电化学工作站，并将摩擦副中的关注对象作为工作电极，如销盘式动态电化学腐蚀磨损试验装置（CN 201810363835.1）、往复式电化学摩擦磨损实验仪及其使用方法（CN201910474698.3）、一种高温高压原位微动磨损试验装置（CN201410572777.5）、一种高温高压原位复合微动磨损试验装置（CN201410708739.8）。在这些专利中，当两个摩擦副均为金属材料时，获得的电化学特征参数为二者综合结果，无法区分二者之间独立的电化学特性，无法表征真实磨损的电化学特征。由于实际金属零部件服役时往往为金属与金属之间的摩擦，当一个摩擦材料为金属，另一个是陶瓷或其他不导电材质时，获得的磨损情况与实际服役环境不符，不能评价材料的真实服役行为。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种电化学原位微振磨损试验系统。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种电化学原位微振磨损试验系统，试验系统包括设置有第一样品和第二样品的环境箱、驱动第一样品和第二样品运动接触或分离的驱动机构，试验系统还包括电化学监测系统，电化学监测系统包括主线路，第一样品和第二样品均为与主线路电连接的工作电极，电化学监测系统还包括与主线路电连接的参比电极，参比电极位于环境箱内，参比电极与第一样品之间设置有第一电压表和第一开关、参比电极与第二样品之间设置有第二电压表和第二开关。

优选地，电化学监测系统还包括能够与主线路电连接的第一支线路、设于第一支线路上的恒压源和第一电流表。

优选地，第一支线路上还设置有位于恒压源两侧的第三开关。

优选地，电化学监测系统还包括能够与主线路电连接的第二支线路、设于第二支线路上的恒流源。

优选地，第二支线路上还设置有位于恒流源两侧的第四开关。

优选地，电化学监测系统还包括能够与主线路电连接的第三支线路、设于第三支线路上的第二电流表。

优选地，第三支线路上还设置有位于第二电流表两侧的第五开关。

本发明还涉及一种电化学原位微振磨损试验系统的使用方法，该使用方法包括：

样品磨损前分离阶段：a1、检测第一样品与参比电极之间的电位差，获得第一样品初始开路电位，并记录环境中第一样品的初始开路电位随时间变化曲线；a2、检测第二样品与参比电极之间的电位差，获得第二样品初始开路电位，并记录环境中第二样品的初始开路电位随时间变化曲线；a3、检测第一样品与第二样品之间的电偶电流，并记录电偶电流随时间变化曲线；

样品磨损阶段：b1、检测第一样品与参比电极之间的电位差，获得第一样品在磨损状态下的开路电位，并记录环境中第一样品在磨损状态下的开路电位随时间变化曲线；b2、检测第二样品与参比电极之间的电位差，获得第二样品在磨损状态下的开路电位，并记录环境中第二样品在磨损状态下的开路电位随时间变化曲线；b3、通过第一样品在磨损状态下的开路电位与第二样品在磨损状态下的开路电位的差值获得两样品磨损接触电位差，并记录磨损接触电位差随时间变化曲线；b4、在恒定电压状态下，检测第一样品与第二样品之间的磨损电流，通过计算电压与磨损电流比值，获得第一样品和第二样品的接触电阻，若磨损接触面积已知，则通过磨损电流与接触面积比值，获得磨损表面接触电流密度，并记录磨损电流、接触电阻和接触电流密度随时间变化曲线；b5、在恒定电流状态下，检测第一样品与第二样品之间的磨损电压，并记录磨损电压随时间变化曲线；

样品磨损后分离阶段：c1、检测第一样品与参比电极之间的电位差，获得第一样品的磨损开路电位，并记录第一样品磨损过程中的磨损开路电位随时间变化曲线；c2、检测第二样品与参比电极之间的电位差，获得第二样品的磨损开路电位，并记录第二样品磨损过程中的磨损开路电位随时间变化曲线；c3、检测第一样品与第二样品之间的磨损电偶电流，并记录磨损电偶电流随时间变化曲线。

优选地，样品磨损前分离阶段、样品磨损阶段、样品磨损后分离阶段的各步骤中开关操作如下：

步骤a1中：接通第一开关，断开第二开关、第三开关、第四开关、第五开关；

步骤a2中：接通第二开关，断开第一开关、第三开关、第四开关、第五开关；

步骤a3中：接通第五开关，断开第一开关、第二开关、第三开关、第四开关；

步骤b1中：接通第一开关，断开第二开关、第三开关、第四开关、第五开关；

步骤b2中：接通第二开关，断开第一开关、第三开关、第四开关、第五开关；

步骤b4中：接通第三开关，断开第一开关、第二开关、第四开关、第五开关；

步骤b5中：接通第一开关、第二开关、第四开关，断开第三开关、第五开关；

步骤c1中：接通第一开关，断开第二开关、第三开关、第四开关、第五开关；

步骤c2中：接通第二开关，断开第一开关、第三开关、第四开关、第五开关；

步骤c3中：接通第五开关，断开第一开关、第二开关、第三开关、第四开关。

优选地，样品磨损阶段中，第一样品与第二样品之间的磨损形式包括纯滑移、冲击滑移、纯冲击。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的化学原位微振磨损试验系统采用的电化学监测系统，可以深入理解磨损过程中电化学性能演变规律，为磨损机制研究提供试验支撑，同时也可为销盘磨损、球盘磨损、往复滑移磨损、旋转磨损等其他形式磨损行为研究提供实验设计参考。

附图说明

图1为本发明的试验系统整体结构原理示意图；

其中：1、第一样品；2、第二样品；3、参比电极；4、环境箱；51、恒压源；52、第一电流表；6、恒流源；7、第二电流表；k1、第一开关；k2、第二开关；k3、第三开关；k4、第四开关；k5、第五开关；x1、主线路；x2、第一支线路；x3、第二支线路；x4、第三支线路；y1、第一电压表；y2、第二电压表。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，一种电化学原位微振磨损试验系统，试验系统包括设置有第一样品1和第二样品2的环境箱4、驱动第一样品1和第二样品2运动接触或分离的驱动机构，试验系统还包括电化学监测系统，电化学监测系统包括主线路x1，第一样品1和第二样品2均为与主线路x1电连接的工作电极，电化学监测系统还包括与主线路x1电连接的参比电极3，参比电极3位于环境箱4内，参比电极3与第一样品1之间设置有第一电压表y1和第一开关k1、参比电极3与第二样品2之间设置有第二电压表y2和第二开关k2。

具体地，电化学监测系统还包括能够与主线路x1电连接的第一支线路x2、设于第一支线路x2上的恒压源51和第一电流表52，第一支线路x2上还设置有位于恒压源51两侧的第三开关k3。

电化学监测系统还包括能够与主线路x1电连接的第二支线路x3、设于第二支线路x3上的恒流源6，第二支线路x3上还设置有位于恒流源6两侧的第四开关k4。

电化学监测系统还包括能够与主线路x1电连接的第三支线路x4、设于第三支线路x4上的第二电流表7，第三支线路x4上还设置有位于第二电流表7两侧的第五开关k5。

另外，为获得较好的电化学测量效果，可以将摩擦副样品（第一样品和第二样品）除磨损面外其他部位采用环氧树脂或制备氧化锆涂层等方法做绝缘处理。

本发明的电化学原位微振磨损试验系统的电化学监测系统，使用时情况如下：

样品磨损前分离阶段：

a1、接通第一开关k1，断开第二开关k2、第三开关k3、第四开关k4、第五开关k5；检测第一样品1与参比电极3之间的电位差，获得第一样品1初始开路电位，并记录环境中第一样品1的初始开路电位随时间变化曲线；

a2、接通第二开关k2，断开第一开关k1、第三开关k3、第四开关k4、第五开关k5；检测第二样品2与参比电极3之间的电位差，获得第二样品2初始开路电位，并记录环境中第二样品2的初始开路电位随时间变化曲线；

a3、接通第五开关k5，断开第一开关k1、第二开关k2、第三开关k3、第四开关k4；根据腐蚀原电池原理，第二电流表7可以获得第一样品1与第二样品2之间由于电极电势差产生的电偶电流，并记录电偶电流随时间变化曲线。

样品磨损阶段（样品磨损阶段中，第一样品1与第二样品2之间的磨损形式包括纯滑移、冲击滑移、纯冲击，第一样品1与第二样品2的接触形式则包括点、线、面接触）：

b1、接通第一开关k1，断开第二开关k2、第三开关k3、第四开关k4、第五开关k5；检测第一样品1与参比电极3之间的电位差，获得第一样品1在磨损状态下的开路电位，并记录环境中第一样品1在磨损状态下的开路电位随时间变化曲线；

b2、接通第二开关k2，断开第一开关k1、第三开关k3、第四开关k4、第五开关k5；检测第二样品2与参比电极3之间的电位差，获得第二样品2在磨损状态下的开路电位，并记录环境中第二样品2在磨损状态下的开路电位随时间变化曲线；

b3、通过第一样品1在磨损状态下的开路电位与第二样品2在磨损状态下的开路电位的差值获得两样品磨损接触电位差，并记录磨损接触电位差随时间变化曲线；

b4、接通第三开关k3，断开第一开关k1、第二开关k2、第四开关k4、第五开关k5，并由恒压源51输出恒定的电压，在恒定电压状态下，第一电流表52测量第一样品1与第二样品2之间的磨损电流，通过计算恒定的电压与磨损电流比值，获得第一样品1和第二样品2的接触电阻，若磨损接触面积已知，则通过磨损电流与接触面积比值，获得磨损表面接触电流密度，并记录磨损电流、接触电阻和接触电流密度随时间变化曲线；另外，恒压源51也可输出随时间变化的固定电压，由第一电流表52测量获得每一个恒定电压下的电流，绘制磨损极化曲线，获得自腐蚀电流密度、塔菲尔斜率、钝化区、维钝电流密度、点蚀电位等特征参数，并记录磨损极化曲线随时间的变化。

、接通第一开关k1、第二开关k2、第四开关k4，断开第三开关k3、第五开关k5；由恒流源6输出恒定的电流，在恒定电流状态下，通过第一电压表y1或第二电压表y2测量检测第一样品1与第二样品2之间的磨损电压，并记录磨损电压随时间变化曲线。

样品磨损后分离阶段：

c1、接通第一开关k1，断开第二开关k2、第三开关k3、第四开关k4、第五开关k5；检测第一样品1与参比电极3之间的电位差，获得第一样品1的磨损开路电位，并记录第一样品1磨损过程中的磨损开路电位随时间变化曲线；

c2、接通第二开关k2，断开第一开关k1、第三开关k3、第四开关k4、第五开关k5；检测第二样品2与参比电极3之间的电位差，获得第二样品2的磨损开路电位，并记录第二样品2磨损过程中的磨损开路电位随时间变化曲线；

c3、接通第五开关k5，断开第一开关k1、第二开关k2、第三开关k3、第四开关k4；根据腐蚀原电池原理，第二电流表7可以获得第一样品1与第二样品2之间由于电极电势差产生的磨损电偶电流，并记录磨损电偶电流随时间变化曲线。

此外，本发明的电化学监测系统，也可以在摩擦副（第一样品1和第二样品2）处于接触磨损和分离连续交替变化时，通过快速切换开关通断，实时获得第一样品1和第二样品2的磨损开路电位，并记录第一样品1和第二样品2的磨损开路电位在整个磨损、分离连续进行的过程中的变化曲线。

还可以在摩擦副处于接触磨损和分离连续交替变化时，施加恒定电流或恒定电压，参照上述样品磨损阶段中各步骤的内容，获得整个磨损和分离连续进行的过程中的磨损电压、磨损电流、接触电阻、接触电流密度、磨损极化曲线、自腐蚀电流密度、塔菲尔斜率、钝化区、维钝电流密度、点蚀电位等特征参数，并记录它们随时间的变化。

在冲击滑移磨损试验中，两摩擦副样品之间不断重复着进行接触磨损和分离。在冲击滑移过程中，两个摩擦副材料表面均受到磨损破坏，且时间越长，磨损程度越严重。

需要说明的是，本发明中电化学监测数据记录需采用较高的采样率保证获得有效的数据量，且各开关之间需要快速切换，以实现数据的多通道实时记录。

试验结束后通过磨损表面微观结构分析、成分分析、物相分析、残余应力分析、磨损轮廓测量、磨损体积计算等手段，获得摩擦副样品的磨损特征，与监测的电化学特征参数对比，分析磨损机理。也可采用间隔取样方法测量磨损情况或其他原位分析磨损特征的手段获得摩擦副样品的磨损特征。

综上所述，本发明的化学原位微振磨损试验系统采用的电化学监测系统，可以深入理解磨损过程中电化学性能演变规律，为磨损机制研究提供试验支撑，同时也可为销盘磨损、球盘磨损、往复滑移磨损、旋转磨损等其他形式磨损行为研究提供实验设计参考。

本发明采用一种双工作电极、单参比电极的电化学监测系统，摩擦副的两个样品均为工作电极，另外设置一个参比电极，能够通过监测冲击、滑移磨损过程中摩擦副的开路电位、接触电阻等电化学特征参数，表征摩擦副的磨损情况，揭示磨损机理。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电化学原位微振磨损试验系统，所述试验系统包括设置有第一样品和第二样品的环境箱、驱动第一样品和第二样品运动接触或分离的驱动机构，其特征在于：所述试验系统还包括电化学监测系统，

所述电化学监测系统包括主线路，所述第一样品和第二样品均为与主线路电连接的工作电极，所述电化学监测系统还包括与所述主线路电连接的参比电极，所述参比电极位于所述环境箱内，所述参比电极与所述第一样品之间设置有第一电压表和第一开关、所述参比电极与所述第二样品之间设置有第二电压表和第二开关。

2.根据权利要求1所述的电化学原位微振磨损试验系统，其特征在于：所述电化学监测系统还包括能够与所述主线路电连接的第一支线路、设于所述第一支线路上的恒压源和第一电流表。

3.根据权利要求2所述的电化学原位微振磨损试验系统，其特征在于：所述第一支线路上还设置有位于所述恒压源两侧的第三开关。

4.根据权利要求1所述的电化学原位微振磨损试验系统，其特征在于：所述电化学监测系统还包括能够与所述主线路电连接的第二支线路、设于所述第二支线路上的恒流源。

5.根据权利要求4所述的电化学原位微振磨损试验系统，其特征在于：所述第二支线路上还设置有位于所述恒流源两侧的第四开关。

6.根据权利要求1所述的电化学原位微振磨损试验系统，其特征在于：所述电化学监测系统还包括能够与所述主线路电连接的第三支线路、设于所述第三支线路上的第二电流表。

7.根据权利要求6所述的电化学原位微振磨损试验系统，其特征在于：所述第三支线路上还设置有位于所述第二电流表两侧的第五开关。

8.一种根据权利要求1至7中任一项所叙述的电化学原位微振磨损试验系统的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括：

样品磨损前分离阶段：a1、检测所述第一样品与参比电极之间的电位差，获得第一样品初始开路电位，并记录环境中第一样品的初始开路电位随时间变化曲线；a2、检测所述第二样品与参比电极之间的电位差，获得第二样品初始开路电位，并记录环境中第二样品的初始开路电位随时间变化曲线；a3、检测所述第一样品与第二样品之间的电偶电流，并记录电偶电流随时间变化曲线；

样品磨损阶段：b1、检测所述第一样品与参比电极之间的电位差，获得第一样品在磨损状态下的开路电位，并记录环境中第一样品在磨损状态下的开路电位随时间变化曲线；b2、检测所述第二样品与参比电极之间的电位差，获得第二样品在磨损状态下的开路电位，并记录环境中第二样品在磨损状态下的开路电位随时间变化曲线；b3、通过第一样品在磨损状态下的开路电位与第二样品在磨损状态下的开路电位的差值获得两样品磨损接触电位差，并记录磨损接触电位差随时间变化曲线；b4、在恒定电压状态下，检测所述第一样品与第二样品之间的磨损电流，通过计算电压与磨损电流比值，获得第一样品和第二样品的接触电阻，若磨损接触面积已知，则通过磨损电流与接触面积比值，获得磨损表面接触电流密度，并记录磨损电流、接触电阻和接触电流密度随时间变化曲线；b5、在恒定电流状态下，检测所述第一样品与第二样品之间的磨损电压，并记录磨损电压随时间变化曲线；

样品磨损后分离阶段：c1、检测所述第一样品与参比电极之间的电位差，获得第一样品的磨损开路电位，并记录第一样品磨损过程中的磨损开路电位随时间变化曲线；c2、检测所述第二样品与参比电极之间的电位差，获得第二样品的磨损开路电位，并记录第二样品磨损过程中的磨损开路电位随时间变化曲线；c3、检测所述第一样品与第二样品之间的磨损电偶电流，并记录磨损电偶电流随时间变化曲线。

9.根据权利要求8所述的电化学原位微振磨损试验系统的使用方法，其特征在于：所述样品磨损前分离阶段、样品磨损阶段、样品磨损后分离阶段的各步骤中开关操作如下：

步骤a1中：接通第一开关，断开第二开关、第三开关、第四开关、第五开关；

步骤a2中：接通第二开关，断开第一开关、第三开关、第四开关、第五开关；

步骤a3中：接通第五开关，断开第一开关、第二开关、第三开关、第四开关；

步骤b1中：接通第一开关，断开第二开关、第三开关、第四开关、第五开关；

步骤b2中：接通第二开关，断开第一开关、第三开关、第四开关、第五开关；

步骤b4中：接通第三开关，断开第一开关、第二开关、第四开关、第五开关；

步骤b5中：接通第一开关、第二开关、第四开关，断开第三开关、第五开关；

步骤c1中：接通第一开关，断开第二开关、第三开关、第四开关、第五开关；

步骤c2中：接通第二开关，断开第一开关、第三开关、第四开关、第五开关；

步骤c3中：接通第五开关，断开第一开关、第二开关、第三开关、第四开关。

10.根据权利要求8所述的电化学原位微振磨损试验系统的使用方法，其特征在于：所述样品磨损阶段中，所述第一样品与第二样品之间的磨损形式包括纯滑移、冲击滑移、纯冲击。

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