CN116223274A - 一种评价较低硬度金属材料耐磨性的装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属材料表面性能领域，一种评价较低硬度金属材料耐磨性的装置及方法，与现有的思路不同，本方法采用较软介质长期摩擦较硬材料以获得不同材料的耐磨性的区别，能更客观地评价硬度较低的金属材料在相同条件下的耐磨性能，试验结果与实际运行结果也更吻合。具体为将待检测样品固定在试样槽中，不需要其他任何液体及磨粒等磨损介质，橡胶轮和试样组成摩擦副，进行试验时，旋转的橡胶轮对试样进行相对滑动摩擦运动，同时利用杠杆装置和砣码对橡胶轮施加一定的正压力70N‑100N以增加摩擦力。待橡胶轮旋转圈数总计达10000r以后，用精度为1/10000g的分析天平称绝对失重量以获得该种金属材料的耐磨性能参数。该方法操作简单易实现，结果与实际情况一致性良好。

Description

一种评价较低硬度金属材料耐磨性的装置及使用方法

技术领域

本发明涉及金属材料表面性能领域，尤其涉及一种评价较低硬度金属材料耐磨性的装置及使用方法。

背景技术

现有的耐磨试验及其评价方法虽然多种多样，但无一例外是针对硬度高和耐磨性强的耐磨钢、工具钢及经表面改性处理的金属材料设计的，如硬质材料干磨法，硬质磨粒湿磨法等传统的方法，这类方法一般采用硬度较大的材料如轴承钢珠、石英砂粒等介质对试验材料进行往复式摩擦，这类方法并不适用于结构或容器用钢等材料的耐磨性评价。近年来，随着技术的进步及生产效率的提高，在许多应用领域对结构用钢的性能提出了更高的要求,结构件的耐磨性也成为评价其性能的重要指标之一，采用现有的耐磨试验标准及方法对结构用钢进行试验时，由于这一类钢的硬度一般≦HV300，耐磨试验用磨损介质硬度远大于这一值，这就造成了不同硬度的材料的试验结果无差别的结果，也就无法对比其耐磨性能。在一些对工件的耐磨性有一定要求的工程应用中，无法对选材提供有参考价值的建议。在上述的前提条件下，经过对现有的磨损试验装置及评价方法进行广泛的调研之后，提出了本发明专利中的适用于低硬度金属材料的耐磨试验方法。

本发明的目的是为了更加准确、客观地评价硬度较低的金属材料及其焊缝金属的耐磨性能以根据不同的使用要求正确选材。

发明内容

本发明的目的就是针对上述问题，提供一种评价较低硬度金属材料耐磨性的装置及使用方法。

本发明的目的是这样实现的：一种评价较低硬度金属材料耐磨性的装置，包括试验腔体(1)、橡胶轮(2)、试样槽(3)、L形杠杆(6)、凸轮(7)、砣码(8)、电动机(9)、第一联轴器(10)、试验平台(11)、减速器(12)、LED显示器控制面板(13)、光电计数器(14)、第二联轴器(15)和腔体的端盖(16)，L形杠杆(6)的短臂端(4A)、长臂端(4B)、杠杆轴(5)和砣码(8)组成压紧装置，将砣码的重量传递到试样和橡胶轮之间产生摩擦力。电机(9)通过减速器(12)减速后带动橡胶轮(2)进行转动，其转速可通过控制面板(13)进行调节(低速和高速两档)，光电计数器(14)的传感器置于减速器输出轴一侧监测轴的转动，轴每转动一次，计数器加1，控制面板上的LED可显示总旋转次数，以上部件组成了装置的动力和控制系统。

一种评价较低硬度金属材料耐磨性的装置的使用方法：包括以下步骤：步骤一：首先将材料加工为试样，表面打磨光滑后，清理表面的油污、水分和杂质后，进行干燥处理后在分析天平上称重，精确至0.0001g；步骤二：将试样装入位于试验腔体中的杠杆短臂侧的试样槽中，并用试样槽的侧挡板和螺栓固定夹紧，进行摩擦的橡胶轮中间部分为带定位凹槽的铸钢材料，与减速器旋转轴上的凸出键配合固定在旋转轴上并用螺母固定防止沿轴向移动；安装完毕后，用端盖将试验腔体的侧面封闭，旋转的橡胶轮和试样在腔体内进行磨损试验，形成一个半封闭的腔体；步骤三：在实验过程中通过试样向橡胶轮施加正压力获得摩擦力，实现方式通过杠杆装置，即在杠杆的长端悬挂标称重量为70或100N即换算到试样侧为70N的砣码，试样槽则位于杠杆的短端，受到施加的等效压力为70或100N。为了方便安装及取出试样，同时设置有凸轮装置可以将杠杆抬起即试样与橡胶轮分离或放下即试样与橡胶轮接触；步骤四：开启后计数器开始自动计数，转速为180转/分钟，经过500转以后由于橡胶轮过热软化，并伴有烟尘散发，无法继续正常转动而发生抖动，同时摩擦系数也由于温度升高而降低，此时按下停止按钮，自然冷却橡胶轮15min，然后继续摩擦500转再次停止后冷却15min，反复进行上述过程；步骤五：总转数达到10000转后取出试样，清理干净并充分干燥后称重，计算绝对失重量精确至0.0001g；步骤六：对于材料厚度小于6mm的试样，可加工同样尺寸大小的试样叠加在一起，使厚度补齐至6mm固定在试样槽中进行试验；步骤七：当橡胶轮经过长期使用后，其绍尔硬度小于50时，该橡胶轮则不再适用于进行磨损试验。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种结构用钢等硬度较低的金属材料的耐磨性的量化评价方法，可以对备选的材料进行表面耐磨性能对比以确定最优先的材料以获得寿命周期成本的最小化。该方法在最大程度上模拟了工件在实际运行中的工况条件，具有操作简单，容易实现的特点，其试验结果也具有较强的说服力和可信度，是一种值得推广使用的方法。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1为耐磨实验机装置总体结构的俯视图。

图2为磨损试验原理示意图的正视图。

其中，1-旋转腔体.2.-橡胶轮.3-试样槽(嵌入试样).4A-杠杆短臂.4B-杠杆长臂，5-杠杆轴,6-L形杠杆.7-凸轮.8-砣码.9-电动机10-联轴器1.11-试验台.12-减速器.13-显示器及控制面板.14-光电计数器.15-联轴器.16-腔体端盖。

具体实施方式

金属材料工件在服役过程中，由于与工作介质接触发生摩擦而产生磨损，会导致其有效截面厚度减小而失效，因此金属材料的表面耐磨性也是评价其使用性能的一项重要指标。目前有多种实验装置和方法来评价金属材料的耐磨性能，有硬质材料干磨法，硬质磨粒湿磨法等传统的方法。这类方法一般采用硬度较大的材料如轴承钢珠、石英砂粒等介质对试验材料进行摩擦，同时施加一定的正压力以增加摩擦力。这种方法的局限性在于由于磨损介质的硬度过高，因此具有很强的磨削力，对于表面硬度较低(≦HV300)的金属材料具有很强的磨削量，因此在相同的试验条件下对不同硬度的金属材料试验获得的磨削失重量几乎无差别，这样就导致了不同硬度和耐磨性的金属材料的试验结果接近，从而无法评价金属材料之间的耐磨性能高低。

一般来说，材料的表面硬度和强度越高，耐磨性能也越好，对于工作在磨损工况条件中的金属工件而言，耐磨性是一项重要的性能指标，良好的耐磨性可以使工件具有更长的服役寿命，从而降低了工件的寿命周期成本以及维护成本等。在相同使用条件下，材料的耐磨性能越高工件的质量指标也越好，因此，材料的耐磨性一直是工程技术人员关注的重要性能指标之一。耐磨性的影响因素除了硬度和强度外，材料的晶体结构、工作温度湿度、塑性和韧性、夹杂物和冶金缺陷及表面粗糙度等因素都对耐磨性具有一定的影响作用。耐磨性的实验装置和评价方法也有多种，包括失重法、尺寸变化法、表面形貌测定法、刻痕法等方法，其中采用最多也最容易实现的方法为失重法，即用分析天平测量试样在试验前后的重量变化以评价材料的耐磨性能。这种方法具有操作简单，灵敏度高，结果直观等优点，但是对试样的清洁度和干燥度有较高要求，以避免由于油污和水或其它杂质对测量结果的影响。

本发明中的磨损试验方法采用的是绝对失重法，是经过大量的磨粒磨损试验方法的基础上产生的一种新评价方法。在工程应用实践中，随着机械性能和效率的提升，对能耗的降低也提出了更高的要求，工件在运行过程中，与物料接触的过程中会产生磨损，不但降低了机械的使用寿命，而且由于磨损过程同时也是一个能量损耗的过程，因此也增加了设备的能耗，降低了工作效率，因此材料的耐磨性能成为用户选材过程中考虑的重要指标之一。

在输送机械行业，如矿石或煤炭皮带传输机，物料通过皮带进行长距离的输送。而皮带则通过与其接触的托辊的筒身的转动向前运动，在这过程中筒体材料与皮带不断地产生摩擦而磨损，导致其有筒壁的有效厚度不断减小，当减小至一定程度时就无法继续使用发生失效，整个输送系统的寿命周期结束。因此，筒体材料的耐磨性在很在程度上决定了机械设备的使用寿命和成本。因此耐磨性成为选材的重要性能指标之一，如何客观地评价材料的耐磨性能也需要进一步的研究改进。

前期采用了传统的磨粒磨损湿磨试验，即采用石英砂粒在水中对试样进行磨削的方法，结果表明，对于硬度不同的金属材料，其硬度分别为HV154、HV198和HV245，采用这一方法测得的失重量几乎相同，分析认为这是由于石英具有极高的硬度(HV1000以上)，远远大于试验金属材料的硬度，因此对于硬度远低于自身硬度的金属材料，由于磨削力过强而导致试验结果无明显差别。而采用石英砂粒对材料的干磨损试验也表明，无论是湿磨粒磨损还是干磨粒磨损，获得的结果都无法区别不同硬度金属材料之间的耐磨性能差别。采用与钢铁材料硬度相近的轴承滚珠对金属材料表面进行往复摩擦的磨损试验时，由于这一方法检测结果受材料表面材料粗糙度的影响较大，有时会出现表面硬度高的试样测得的失重量大的结果，不能正确地反映材料真实的耐磨性能。因此，需要改变实验设计思路以适用于金属材料的耐磨性评价。

为了解决现有耐磨试验设备及评价方法不适用于硬度较低的结构钢或不锈钢等金属材料的问题，从而客观地评价金属材料的真实耐磨性能，在大量试验的基础上，设计了一种新的耐磨性实验装置及评价方法。其特点在于，不采用高硬度的磨损介质，而是采用低于金属材料硬度的摩损介质-硬质橡胶轮来对试样进行长时间的滑动干摩擦进行磨损实验，尽管试验周期较长，橡胶轮损耗较大，但实验结果具有真实客观的参考价值，能正确反应不同硬度金属材料的耐磨性能之间的差别。

本发明内容为一种评价较低硬度金属材料及在大气腐蚀条件下耐磨性的实验装置及方法，解决了现有的耐磨试验方法只适用于评价硬度较高的耐磨钢和工具钢等材料而不适用于硬度较低低的结构用钢铁材料及焊缝金属的耐磨性的问题。其创新点及特征在于，与现有的采用高硬度的磨削介质进行磨损试验的思路不同，本实验设计的思路为“采用较软介质长期摩擦较硬材料以获得不同材料的耐磨性的区别”，因此能更客观地评价硬度较低的金属材料(包括焊缝金属)在相同条件下的耐磨性能。采用该试验方法评价了不锈钢与碳素结构钢的耐磨性，在此基础上向用户推荐使用了耐磨性更好使用寿命更长的不锈钢并成功应用于生产实践中，经过一段时间的实际运行后进行实测，结果表明实际运行结果与试验评价结论高度吻合。本方法将待检测样品固定在试样槽中，不需要其他任何液体及磨粒等磨损介质，只用旋转的橡胶轮对试样进行相对滑动摩擦，在进行测试时，对橡胶轮施加一定的正压力(70N-100N)。橡胶轮旋转圈数总计达10000r以后，用精度为1/10000g的分析天平称绝对失重量以获得该种金属材料的耐磨性能参数。

本实验方法的适用材料包括不锈钢、普通碳钢、铝合金、钛合金等硬度较低的金属材料(HV≤300)，也可以评价焊缝金属(熔宽大于1cm)的耐磨性。获得的实验结果具有比较准确的参考价值。不适用于硬度较高的工具钢、磨具钢和硬质合金以及表面经过喷涂硬质粉末或熔敷硬质材料处理的金属表面的耐磨性实验。进行焊缝的耐磨性试验时，需将焊缝通过机加工方式与母材齐平后进行试验。

本发明的实现装置包括试验平台(11)、电动机(9)、减速器(12)、联轴器(10,15)、光电计数器(14)、LED显示器及控制面板(13)、试样槽(3)、橡胶轮(2)、旋转腔体(1)、杠杆装置(4,5，6)和砣码(8)等。实验方法的设计思路为“采用硬度较小的硬质橡胶轮长时间摩擦硬度大的金属材料，在同等试验条件下评价不同金属材料的耐磨性能”。以避免采用硬度高于金属材料的磨损介质对不同硬度的金属材料的磨削力差别很小，导致试验结果相近无法评价不同耐磨性能的金属材料的实验设计缺陷。

磨损试验装置中的L形杠杆(6)的短臂端(4A)、长臂端(4B)、杠杆轴(5)和砣码(8)组成压紧装置，将砣码的重量传递到试样(固定于试样槽中)和橡胶轮(2)之间产生摩擦力。电机(9)通过减速器(12)减速后带动橡胶轮(2)进行转动，其转速可通过控制面板(13)进行调节(低速和高速两档)，光电计数器(14)的传感器置于减速器输出轴一侧监测轴的转动，轴每转动一次，计数器加1，控制面板上的LED可显示总旋转次数。以上部件组成了装置的动力和控制系统。

该方法适用于评价服役条件为在大气腐蚀工况，环境温度为-20-40℃，相对温度为0—60％，硬度较低的金属材料的耐磨性能，与材料接触产生摩擦的介质可以是金属或非金属如橡胶、煤碳、矿石等。评价指标是绝对失重量，适用于不同材料在相同试验条件下内进行同组对比。

采用的摩擦工具是由钢铁材料制造的圆盘及模压硫化在其外圆面上的氯化丁基橡胶环组成，橡胶的绍尔硬度值范围为60-80之间。当硬度低于50时则不能继续使用。

本发明中的试验方法具体步骤如下。

1.首先将材料加工为尺寸为6×25.5×57.5mm³的试样，表面打磨光滑后，清理表面的油污水分和其它杂质后，进行充分干燥处理后在分析天平上称重，精确至0.0001g。

2.将试样装入橡胶轮磨损试验机中的试样槽中，并用固定装置夹紧。摩擦用橡胶轮直径为176mm，中间部分为带定位槽的铸钢材料，与旋转轴的上键配合固定在旋转轴上并用螺母固定防止移动。橡胶轮的硬度为绍尔硬度70左右(约HV18),硬度远小于试验用金属材料，同时，由于表面硬度相差较大，橡胶也具有一定的弹性，避免了摩擦系数受金属材料表面粗糙度的影响这一问题，使实验结果更客观真实，贴近实际情况。安装完毕后，用端盖将旋转试验腔体的侧面封闭，形成一个半封闭的旋转腔体。

3.在实验过程中需要通过试样向橡胶轮施加一定的正压力以获得摩擦力，实现方式通过L形杠杆装置，即在杠杆的长端悬挂一定重量的砣码，试样槽则位于杠杆的短端，以通过较小重量的砣码对试样施加较大的压力。根据砣码的重量，在试样端施加的等效压力为70-100N。为了方便安装及取出试样，同时设置有凸轮装置可以将杠杆抬起(试样与橡胶轮分离)或放下(试样与橡胶轮接触)。

4.开启后计数器开始自动计数，转速为180转/分钟，经过500转以后由于橡胶轮过热软化，并伴有烟尘散发，无法继续正常转动而发生抖动，同时摩擦系数也由于温度升高而降低，此时按下停止按钮，自然冷却橡胶轮15min，然后继续摩擦500转再次停止后冷却15min，反复进行上述过程。

5.总转数达到10000转后取出试样，清理干净并充分干燥后称重，计算绝对失重量(精确至0.0001g)。

6.对于材料厚度小于6mm的试样，可加工同样尺寸大小的试样叠加在一起，使厚度补齐至6mm固定在试样槽中进行试验。

7.当橡胶轮经过长期使用后，其绍尔硬度小于50时，该橡胶轮则不再适用于进行磨损试验。

下面结合实例对具体的实验方法及结果进行清楚、完整的描述，所描述的实例仅是一组金属材料的耐磨性对比实例，不是全部的实施例，目的在于说明该实验方法在评价金属材料的耐磨性结果在工程实践应用中的指导作用，及其与实际运行结果的吻合程度。本领域中的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下采用相同或相近的实验方法所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

皮带输送机是煤矿行业中常用的一种输送机械，煤炭通过皮带进行长距离输送，而皮带则通过支撑后托辊的转动向前运动，在这一过程中，皮带与辊筒的筒体产生较大的摩擦力，因此在服役过程中不断地磨损，磨损至一定的壁厚时由于强度减小而失效，必须更换。因此筒身材料的耐磨性能决定了输送机的寿命。传统的皮带机托辊筒身采用的Q345B碳钢，由于耐蚀耐磨性差的缘故，使用寿命较短。为了延长皮带机的使用寿命至5000小时，因此选取了耐蚀性和耐磨性较好的410不锈钢作为筒体材料。

为了进一步证实选材的正确性，采用本发明中的实验装置及评价方法进行了耐磨性对比实验，同时为了进一步与其它材料进行对比，将301、304和2101不锈钢也在同一组实验中进行对比。实验步骤严格按照发明内容中所述进行，最终获得的结果如表1所示。

表1橡胶轮摩擦磨损试验结果(试验条件700000r·N)

材料	原始重量g	最终质量g	失重量g
				410不锈钢	62.3538	62.3245	0.0293
304不锈钢	71.7716	71.7434sqj	0.0282
				345B碳钢	62.0316	61.9702	0.0614
2101不锈钢	67.6409	67.6234	0.0175
				301不锈钢	68.1681	68.1356	0.0325

结果表明，410不锈钢的绝对失重量只有345B碳钢失重量的1/2左右，可以认为410不锈钢的耐磨性能与345B相比提高了一倍，即服役寿命相应提高一倍，是一种理想的替代材料。采用410不锈钢筒身的托辊装备到某煤矿的皮带输送机运行10000h后，取样测试管壁厚度，与同期使用的345B材料的测试结果进行对比，筒体光滑，且厚度减薄量只有345B材料的1/2左右，工程实际应用结果与耐磨性试验结果基本一致，进一步验证了这一试验装置及方法的实用性、客观性和准确性。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明所保护范围的结构特征并不限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (2)

1.一种评价较低硬度金属材料耐磨性的装置，其特征在于：包括试验腔体（1）、橡胶轮（2）、试样槽（3）、 L形杠杆（6）、凸轮（7）、砣码(8)、电动机(9)、第一联轴器(10）、试验平台(11)、减速器(12)、LED显示器控制面板（13）、光电计数器(14)、第二联轴器（15）和腔体的端盖（16），L形杠杆（6）的短臂端（4A）、长臂端（4B）、杠杆轴（5）和砣码(8)组成压紧装置，将砣码的重量传递到试样和橡胶轮之间产生摩擦力，电机（9）通过减速器（12）减速后带动橡胶轮（2）进行转动，其转速可通过控制面板（13）进行调节（低速和高速两档），光电计数器（14）的传感器置于减速器输出轴一侧监测轴的转动，轴每转动一次，计数器加1，控制面板上的LED可显示总旋转次数，以上部件组成了装置的动力和控制系统。

2.一种评价较低硬度金属材料耐磨性的装置的使用方法：其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：首先将材料加工为试样，表面打磨光滑后，清理表面的油污、水分和杂质后，进行干燥处理后在分析天平上称重，精确至0.0001g；

步骤二：将试样装入位于试验腔体中的杠杆短臂侧的试样槽中，并用试样槽的侧挡板和螺栓固定夹紧，进行摩擦的橡胶轮中间部分为带定位凹槽的铸钢材料，与减速器旋转轴上的凸出键配合固定在旋转轴上并用螺母固定防止沿轴向移动；安装完毕后，用端盖将试验腔体的侧面封闭，旋转的橡胶轮和试样在腔体内进行磨损试验，形成一个半封闭的腔体；

步骤三：在实验过程中通过试样向橡胶轮施加正压力获得摩擦力，实现方式通过杠杆装置，即在杠杆的长端悬挂标称重量为70或100N即换算到试样侧为70N的砣码，试样槽则位于杠杆的短端，受到施加的等效压力为70或100N，为了方便安装及取出试样，同时设置有凸轮装置可以将杠杆抬起即试样与橡胶轮分离或放下即试样与橡胶轮接触；

步骤四：开启后计数器开始自动计数，转速为180转/分钟，经过500转以后由于橡胶轮过热软化，并伴有烟尘散发，无法继续正常转动而发生抖动，同时摩擦系数也由于温度升高而降低，此时按下停止按钮，自然冷却橡胶轮15min，然后继续摩擦500转再次停止后冷却15min，反复进行上述过程；

步骤五：总转数达到10000转后取出试样，清理干净并充分干燥后称重，计算绝对失重量精确至0.0001g；

步骤六：对于材料厚度小于6mm的试样，可加工同样尺寸大小的试样叠加在一起，使厚度补齐至6mm固定在试样槽中进行试验；

步骤七：当橡胶轮经过长期使用后，其绍尔硬度小于50时，该橡胶轮则不再适用于进行磨损试验。

Images