摘要:介绍了一种自行研制的销-环式腐蚀磨损试验装置。该装置可以测定金属材料在不同介质、温度、载荷、摩擦速率、外加电位和试验时间下的多项参数以及纯腐蚀、纯磨损和腐蚀磨损速率、摩擦系数、自腐蚀电位及极化曲线等。循环检测装置可以检测腐蚀介质酸度、温度变化并作调整。还对所研制的腐蚀磨损实验装置的性能进行了较全面的考察。结果表明,该装置具有较高的灵敏度和准确度,系统测量误差一般小于10%。腐蚀磨损是指在摩擦过程中,金属同时与周围的介质发生化学、电化学腐蚀并导致材料损失的现象[1],它给国民经济许多领域带来巨大损失[2～5]。
目前,国内外现有的腐蚀磨损实验装置都是研究者们根据各自的研究目的自行设计和制造的[6～9],尚无定型的腐蚀磨损试验机。本文介绍了一种自行设计制造的销—环式腐蚀磨损试验装置及其测量系统,并对该装置及其测量系统的可靠性进行了考察。该装置及其测量系统可用于研究材料的纯腐蚀、纯磨损以及腐蚀磨损等条件下的行为与机理,还可用于研究电化学保护对腐蚀磨损的影响。
1 总体设计思想
根据腐蚀磨损的特点,腐蚀磨损试验装置及其测量系统至少应具有三个功能: (1)腐蚀磨损环境的模拟和控制;研究者应根据实际工况,确定摩擦副材料和摩擦方式,配制与实际工况相似的腐蚀介质,并能在试验中保持基本不变。(2)测定腐蚀学参数如:自腐蚀电位、腐蚀速率、极化曲线,并可施加电化学保护等。(3)测定摩擦磨损学参数如:摩擦力、摩擦系数、磨损或腐蚀磨损速率等。另外,还应具备一些辅助功能,如:加热与控温功能、溶液酸度的测定及调整功能、充气与分压调节功能、循环过滤功能等。摩擦装置的动密封、电绝缘与电屏蔽、各部件耐蚀及耐腐蚀磨损的性能、易损件的维修与更换等也需周密考虑。要保证实验装置工作稳定,测量系统尽可能灵敏、准确和稳定。
2 试验装置及测量系统的构成及工作原理
该装置采用销—环式摩擦方式,环材料为研究材料,销材料为
金属或非金属圆球。单颗粒磨损方式可适当简化复杂因素的影响。
2.1 试验装置结构及工作原理
摩擦磨损试验装置是由腐蚀磨损试验机、充气与分压调节装置、转速控制装置、储液槽、加热控制装置pH/离子计、调整液槽及耐蚀循环泵构成,其核心部分为腐蚀磨损试验机,其结构如图1所示。
调速电机带动安装在主轴上的环试样以一定转速旋转(10～85r/min连续可调),试样全浸在特定腐蚀介质中,加载杆下端装有可更换的陶瓷或金属球,上端的加载平台上可连续施加法向载荷,加载杆上部装有电阻应变片,应变片将应变信号输入动态电阻应变仪。加载杆用环氧树脂包覆,线性加载范围0～30.0N。
主轴与腐蚀磨损槽之间为双重动密封,主轴中心有一细孔,内装与主轴绝缘的屏蔽导线,导线引出的电信号由外部电刷输入恒电位/恒电流仪;螺帽夹具为尼龙材料,可将主轴前端密封,主轴在腐蚀介质中暴露部分用环氧树脂涂封;平衡砣及平衡杆可以平衡加载杆的自重,保证未加载时为零载荷;充气管将一定分压的腐蚀性气体(如CO2)通入腐蚀介质,维持一定的浓度,腐蚀性气体的分压可由惰性气体调配,由各自的转子流量计控制;液槽中装有加热控温装置,温度恒定的腐蚀介质由液槽流入进液口,又经出液口泵入液槽中,所要求的温度值由温度计校正,电接点温度计及其相关装置控制,储液槽的容积亦可保证介质浓度不变。
另外,当液态腐蚀介质排空后,还可进行在空气中的无润滑磨损和有N2保护下的无润滑磨损。
2.2 测量系统构成及工作原理
测量系统构成示意图如图2所示。
2.2.1 腐蚀学参数测量装置及原理
腐蚀学参数测量装置由腐蚀磨损试验机、恒电位/恒电流仪、电位扫描仪和x-y函数记录仪构成。其主要功能为:测定材料的自腐蚀电位、腐蚀电流、测量极化曲线,并可施加电化学保护。
腐蚀磨损试验机中的鲁金毛细管通过盐桥接饱和甘汞电极,与Pt网辅助电极、环电极(研究电极)共同构成电化学测量的三电极体系,可进行静态与动态测量。
2.2.2 摩擦磨损学参数测量装置
摩擦磨损学因素测量装置由腐蚀磨损试验机、动态电阻应变仪、光线示波器、铁谱分析仪等构成。主要功能为:测定摩擦力、摩擦系数、腐蚀磨损失重及磨粒分析。
在摩擦过程中,加载杆由于摩擦力的作用发生微变形,电阻应变片经电桥将应变信号转化为电信号后输入动态电阻应变仪,经标定后转换为摩擦力,进而可计算摩擦系数。光线示波器可快速准确记录摩擦力随磨损过程变化曲线。由分析天平可称量磨损或腐蚀磨损失重,分析天平精度为十万分之一克。经过滤分离的磨屑可经铁谱仪进行铁谱分析,也可作其他表面或结构分析。
3 试验系统的可靠性分析
试验系统的可靠性直接影响实验结果的准确性,从而影响分析结论和机理研究的准确性。有研究结果表明,磨损速率是一个与载荷和摩擦副特性等有关的函数[10],它是一个随机值,受试样表面微凸体分布,载荷振动等因素的影响,因此,测量误差是不可避免的。研究结果表明[11],在没有润滑剂的摩擦状态下,摩擦系数的测量偏差若在10%～15%之内,通常就认为是满意的。
对腐蚀磨损体系来说,由于除摩擦磨损学的随机因素以外,又引入了腐蚀学的随机因素,随机变量会更多,其过程也会更加复杂。这些随机变量的综合结果表现在试验测量系统的系统误差之中,而系统误差应是研究者关注的问题。遗憾的是,目前发表的有关文献中所涉及的自行研制的腐蚀磨损试验机及其测量系统,大都缺少对其性能的认真考察。本文对自行研制的腐蚀磨损试验系统的可靠性进行了评估。
由于目前尚无公认的腐蚀磨损试验装置可靠性的评估方法,本文参照一般分析测定仪器的可靠性衡量标准,将腐蚀磨损试验装置的可靠性定量特征确定为灵敏度和准确度。
3.1 试验系统的灵敏度
灵敏度是指测量系统中对信号的捕捉能力和显示能力。对本系统来说,灵敏度表现在腐蚀学参数测量灵敏度和摩擦磨损学参数测量灵敏度两方面。
腐蚀学参数测量灵敏度是由所采用的各种电化学测量仪器所决定的,这些仪器通常具有足够的灵敏度。为了防止各种干扰信号的破坏作用,本系统采用了适当的电绝缘处理和电屏蔽处理。如,各重要导线均选用屏蔽线,电桥与导线的位置予以固定,环试验与主轴高度绝缘以防止电机的感应电信号进入测量系统,铜制电刷采用双接触等,这些措施可基本保证各测量仪器的原有灵敏度。摩擦磨损学参数测量的灵敏度除了与后续的测量仪器的灵敏度有关外,还与加载杆的弹性恢复能力、应变片的安装质量等很有关系。
实验结果表明,本装置中的加载杆产生的可测应变的最小摩擦力仅为0.1N,最大摩擦力下(约32N)应变恢复到0的时间约0.5s。此结果表明,摩擦学参数测量部分也具有较高的灵敏度。
3.2 试验系统的准确度
准确度是指系统所测数据与真值的相近程度。由于真值往往是不可知的,通常用所测数据的精密度和相对偏差来衡量试验系统的准确度。
图3为本系统摩擦力F与微应变M的标定曲线。此曲线表明,在实验范围内,摩擦力与微应变保持严格的线形关系。但是,加载杆的应变保持在弹性范围内,从而可以保证摩擦力及摩擦系数的准确测定。
图4为G105钢在空气中无润滑磨损时摩擦系数的三次测定结果。三次平行实验结果表明,精密度的最大相对误差为10.1%,通常情况下小于8%。
表1为G105钢在含有38.4mol/L CO2水溶液中不同转速下腐蚀磨损速率的三次平行测量结果。结果表明,系统的最大相对误差为15.4%,一般情况下最大相对误差小于10%。产生15.4%的最大相对误差中,有一部分是称量误差引起的。因为在低转速下,腐蚀磨损失重较小,易于引起相对较大的称量误差。
表2为G105在不同浓度NaCl水溶液中的自腐蚀电位测量值。实验结果用两种仪器测定:一种在本装置中进行,另一种用M-351腐蚀测量系统进行。结果显示,两种仪器测量结果趋势相同,相对误差小于7.0%。
综合考查上述结果,本试验系统的测量系统误差,无论是电化学参数测量还是摩擦磨损学参数测量一般均小于10%。
4 结论
(1)自行设计研制了一种销—环式腐蚀磨损试验装置,以此为中心建立了腐蚀磨损测量系统。
(2)该腐蚀磨损研究系统可以测量各种金属材料在不同腐蚀介质、不同温度、不同载荷及摩擦速率下的摩擦系数、腐蚀磨损失重、腐蚀电位、腐蚀电流及其变化,也可进行无润滑磨损研究。
(3)在此装置上可进行电化学保护或惰性气体保护,进行纯磨损研究。
(4)该装置具有较高的灵敏度和准确度,实验误差一般小于10%。
参考文献
[1] 顾正秋.摩擦磨损学[M].北京:北京科技大学, 1991, 21
[2] 周平安等.拖拉机铸造履带板磨损特性的研究.中国农机院,1982, 1
[3] R.Perez. Wear of Materials, 1993: 67～72
[4] M.A.Moore. Fundamentals of Friction and Wear of Materials,A.S.M., 1980: 73～77
[5] 胜利油田钻具腐蚀调查小组.胜利油田钻具腐蚀情况调查报告,1992, 1
[6] Y.Yahagi et al. Wear, 1986, 110: 401～405
[7] 李诗卓等.中国腐蚀与防护学报, 1990, 10 (3): 246～249
[8] K. Miyoshi et al. Corrosion, 1989, 45 (4): 266～270
[9] M. L. Bess. Corrosion /78, Paper Number 181, 1978
[10] 李建明.磨损金属学[M].北京:冶金工业出版社, 1990, 104
[11] [苏] E.T克格林,樊连波译.摩擦装置的参数可靠性[M].北京:中国铁道出版社, 1987, 56
作者简介:赵国鹏(1958-),男,博士,副教授。联系地址:鞍山钢铁学院化学工程研究中心(114002)
