(高清版)GBT 43853-2024 激光修復(fù)層高溫摩擦磨損性能試驗 球-盤法

激光修復(fù)層高溫摩擦磨損性能試驗球-盤法2024-04-25發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會I 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 14原理 25試驗條件 26材料和試劑 27儀器設(shè)備 2 27.2體視顯微鏡 47.3放大鏡 47.4測微顯微鏡 47.5接觸式輪廓儀 58樣品 58.1通用要求 58.2球試樣 58.3盤試樣 59試驗程序 69.1試驗前試樣準(zhǔn)備 69.2磨損試驗準(zhǔn)備 69.3摩擦力測量 69.4試驗后的磨痕形貌觀察 69.5球試樣磨痕測量 69.6盤試樣磨痕測量 79.7試驗重復(fù)次數(shù) 810試驗結(jié)果計算 810.1球試樣的比磨損率 810.2盤試樣的比磨損率 910.3摩擦系數(shù) 10.4數(shù)值修約 11試驗報告 參考文獻(xiàn) Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由中國機械工業(yè)聯(lián)合會提出。本文件由全國激光修復(fù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC482)歸口。本文件起草單位：沈陽大學(xué)、沈陽大陸激光技術(shù)有限公司、湖北工業(yè)大學(xué)、沈陽航空航天大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院金屬研究所、中國機械總院集團(tuán)沈陽鑄造研究所有限公司、上海電機學(xué)院、上海交通大學(xué)、南昌航空大學(xué)、上海大陸天瑞激光表面工程有限公司、中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司、寶武裝備智能科技有限公司、寶山鋼鐵股份有限公司、岳陽大陸激光技術(shù)有限公司、南京航空航天大學(xué)、西安陜鼓動力股份有限公司、泰安市質(zhì)量技術(shù)檢驗檢測研究院、吉林大學(xué)、國營川西機器廠、上海船舶工激光修復(fù)技術(shù)是一種先進(jìn)的表面工程技術(shù)，在冶金、石化、電力和艦船等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。由于大量激光修復(fù)零部件服役工況為高溫摩擦環(huán)境，如冶金領(lǐng)域的連鑄設(shè)備、熱連軋設(shè)備和動力設(shè)備等，因此激光修復(fù)層的高溫摩擦磨損性能評價顯得尤為重要。球-盤配置是一種最常規(guī)的高溫摩擦磨損試驗機型，廣泛用于科學(xué)研究和產(chǎn)品性能評價。但是，由于沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可依，目前采用的高溫摩擦磨損試驗設(shè)備、試驗程序、測試參數(shù)、試驗結(jié)果處理等均不盡相同，往往導(dǎo)致不同人員獲得的試驗數(shù)據(jù)相差較大，難于比較。顯然，這會給有關(guān)科學(xué)研究和工程開發(fā)人員帶來極大混亂，甚至造成嚴(yán)重的工程誤判。基于對大量高溫摩擦工況應(yīng)用的激光修復(fù)層(如鐵、鎳、鈷基及其復(fù)合材料)的高溫耐磨性及工程化應(yīng)用研究，通過產(chǎn)學(xué)研合作，制定了本文件。主要目的是規(guī)范球-盤法測定激光修復(fù)層高溫耐磨性的試驗方法，指導(dǎo)企業(yè)研發(fā)人員正確地評價激光修復(fù)金屬零部件的服役性能。由于激光修復(fù)層常為非均質(zhì)結(jié)構(gòu)(密度變化),且試驗期間修復(fù)層不可避免地出現(xiàn)高溫氧化、磨屑黏連等現(xiàn)象，本文件規(guī)定基于磨損體積而不是磨損質(zhì)量的測量結(jié)果來表征耐磨性，以避免出現(xiàn)耐磨性試驗數(shù)據(jù)相關(guān)性差的問題。依據(jù)本文件獲得的試驗結(jié)果可為評定激光修復(fù)金屬零部件在高溫摩擦條件下的服役安全提供數(shù)據(jù)支撐。本文件的制定，對推動激光修復(fù)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品質(zhì)量體系建立、促進(jìn)我國激光修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和工程化應(yīng)用具有積極作用。IN1激光修復(fù)層高溫摩擦磨損性能試驗球-盤法1范圍本文件描述了激光修復(fù)層高溫摩擦磨損性能試驗球-盤法的試驗方法。本文件適用于35℃~1000℃的條件下，采用球-盤法測定激光修復(fù)層間或一種激光修復(fù)層與另一種其他材料間同軸滑動接觸時產(chǎn)生的耐磨性和摩擦力的試驗。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T678化學(xué)試劑乙醇(無水乙醇)GB/T686化學(xué)試劑丙酮GB/T6062產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)表面結(jié)構(gòu)輪廓法接觸(觸針)式儀器的標(biāo)稱特性GB/T8170數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和判定GB/T17754摩擦學(xué)術(shù)語GB/T19864.2體視顯微鏡第2部分：高性能體視顯微鏡GB/T20968無損檢測目視檢測輔助工具低倍放大鏡的選用GB/T29037熱噴涂抗高溫腐蝕和氧化的保護(hù)涂層GB/T29795激光修復(fù)技術(shù)術(shù)語和定義3術(shù)語和定義GB/T17754和GB/T29795界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。激光修復(fù)層laserrepairingcoating采用激光修復(fù)技術(shù)，在損傷零部件表面形成的與基材呈冶金結(jié)合的表面覆層。磨損試驗weartest評定滑動接觸材料摩擦磨損性能的方法。比磨損率specificwearrate磨損對材料的去除率。注：用單位法向力F(N)和單位滑動距離L(m)的磨損體積V(mm3)表示，其關(guān)系式為：W、=V/(F×L),單位為立方毫米每牛頓米[mm3/(N·m)]。2在一定的高溫氣氛下，通過恒定載荷將一個球試樣推到一個旋轉(zhuǎn)圓盤試樣上而產(chǎn)生滑動接觸，經(jīng)規(guī)定滑動距離或時間后，獲得球和盤試樣間的耐磨性和摩擦力。5試驗條件5.1試驗條件宜滿足以下條件。a)施加載荷：典型載荷范圍為5N～100N,載荷宜為50N。b)滑動速度：典型滑動速度范圍為0.05m/s～0.5m/s,推薦速度是0.1m/s?；瑒訄A的直徑宜為20mm或30mm,盤固定架的旋轉(zhuǎn)速度由公式(1)確定：式中：n——旋轉(zhuǎn)速度，單位為轉(zhuǎn)每秒(r/s);v——滑動速度，單位為米每秒(m/s);R——滑動圓半徑，單位為米(m)。c)滑動距離：典型滑動距離范圍為180m～1800m,滑動距離宜為360m。d)試驗溫度：試驗溫度范圍為35℃~1000℃,試驗溫度應(yīng)與服役環(huán)境溫度一致，在無法獲得服役環(huán)境溫度時，應(yīng)與用戶協(xié)商確定。e)試驗氣氛：大氣，也可根據(jù)用戶要求選擇循環(huán)氣體(如：惰性氣體)。f)摩擦磨損試驗機放置房間溫度范圍為10℃~35℃,相對濕度范圍為20%～70%。5.2試驗條件可根據(jù)試驗過程的特殊需要進(jìn)行更改。6材料和試劑6.1盤試樣材料為激光修復(fù)層材料，球試樣材料為金屬材料或陶瓷材料?；蚱渌麩o氯、不成膜的清洗劑和溶劑7儀器設(shè)備7.1球-盤法試驗裝置7.1.1.1將球-盤法摩擦磨損測試系統(tǒng)(見圖1)置入可控的高溫氣氛中，即為球-盤型高溫摩擦磨損測試系統(tǒng)。3標(biāo)引說明：F——作用在球上的載荷；D——盤直徑；N——盤轉(zhuǎn)速。d——球直徑；R——磨痕半徑；圖1球-盤型摩擦磨損測試系統(tǒng)示意圖7.1.1.2球-盤型高溫摩擦磨損試驗系統(tǒng)(見圖2)包括一個盤驅(qū)動軸和一個盤固定架，一個用來固定球試樣的裝置以及將球試樣推到圓盤試樣上的加載裝置。另一種類型的試驗系統(tǒng)是球圍繞固定的盤中心旋轉(zhuǎn)。在任何情況下，盤上的磨損軌跡都是一個圓，涉及同一軌跡上的多次磨損。該系統(tǒng)還包括驅(qū)動系統(tǒng)、摩擦力測量裝置、加熱裝置、控制和顯示系統(tǒng)，以及上述部件的輔助裝置等。標(biāo)引序號說明：1——施力杠桿；2——測溫傳感器；3——球試樣；4——盤試樣；5——盤固定架；9——球固定架；6——冷卻水套；10——砝碼托盤；8——施力桿；圖2球-盤型高溫摩擦磨損試驗系統(tǒng)示意圖47.1.2.1驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動軸和電機，用于旋轉(zhuǎn)盤試樣的驅(qū)動系統(tǒng)能在產(chǎn)生的摩擦力影響下提供穩(wěn)定的可控滑動速度。7.1.2.2驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速范圍為60r/min～600r/min。驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)配備轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)器或類似的裝置，轉(zhuǎn)速精度應(yīng)不超過±1%。7.1.2.3應(yīng)配備水冷卻循環(huán)裝置對驅(qū)動軸進(jìn)行持續(xù)降溫，保證驅(qū)動軸正常運轉(zhuǎn)。用于固定盤試樣。盤固定架應(yīng)在水平或垂直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)軸的同軸度應(yīng)小于0.02mm,其軸向跳動應(yīng)小于0.05mm。盤固定架宜為高溫合金材料。用于固定球試樣。在測試溫度下，球固定架不應(yīng)有變形，與球試樣間不應(yīng)有相對運動。球固定架宜為高溫合金材料。用于將球試樣推到盤試樣上。加載裝置應(yīng)直接或通過杠桿、液壓或氣動系統(tǒng)對球固定架施加受控載荷。7.1.6摩擦力測量裝置摩擦力通過測力傳感器、板彈簧變形或轉(zhuǎn)動扭矩等測量。測量不應(yīng)影響摩擦條件。摩擦力測量的精度應(yīng)不超過所加載荷的士1%。摩擦力測量數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)記錄器或其他記錄設(shè)備記錄。7.1.7.1用于快速加熱并穩(wěn)定試驗氣氛溫度，加熱爐內(nèi)溫度通過測溫傳感器測量，應(yīng)符合：a)在試驗溫度不大于600℃時，溫度允許偏差為±3℃;b)在試驗溫度大于600℃但不大于800℃時，溫度允許偏差為±4℃;c)在試驗溫度大于800℃但不大于1000℃時，溫度允許偏差為±5℃。7.1.7.2爐內(nèi)空間應(yīng)能容納球、盤試樣及其固定架、測溫傳感器。7.1.8控制和顯示系統(tǒng)電氣控制和顯示系統(tǒng)應(yīng)滿足試驗精度要求，界面應(yīng)具有試驗參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、存儲和顯示功能。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)滑動距離或試驗時間后，系統(tǒng)應(yīng)自動停止試驗。7.2體視顯微鏡體視顯微鏡應(yīng)符合GB/T19864.2的精度要求。7.3放大鏡放大鏡應(yīng)符合GB/T20968規(guī)定的不小于4倍的放大倍數(shù)。7.4測微顯微鏡測微顯微鏡測量精度為0.01mm。57.5接觸式輪廓儀接觸式輪廓儀應(yīng)符合GB/T涉輪廓儀。6062的精度要求?？刹捎镁雀叩姆墙佑|式輪廓儀，如三維白光干8樣品8.1通用要求8.1.1球和盤試樣應(yīng)能承受測試過程中施加的應(yīng)力和溫度，不應(yīng)出現(xiàn)失效(如：過度彎曲、表面過度氧化)。8.2球試樣8.2.1球試樣可為球體或端部加工成球帽的銷，球體或銷的直徑應(yīng)不小于5mm,宜為6mm或8.2.2球試樣的表面粗糙度Ra應(yīng)不大于0.8μm。8.2.3當(dāng)球試樣為激光熔覆修復(fù)層材料時，修復(fù)層厚度應(yīng)不小于2mm。8.3盤試樣8.3.1典型的盤試樣直徑范圍為30mm～100mm,厚度范圍為3mm～10mm,其中激光熔覆修復(fù)層厚度不小于0.2mm。盤試樣剖面圖見圖3。單位為毫米標(biāo)引序號說明：1——激光修復(fù)層；2—-基材。圖3激光修復(fù)盤試樣剖面圖8.3.2盤的表面應(yīng)為平面，且上下兩面的平行度公差應(yīng)不大于0.02mm。8.3.3測試表面及下面基材的表面粗糙度Ra應(yīng)不大于0.8μm。8.3.4基材表面氧化膜在試驗條件下不應(yīng)脫落。針對可能出現(xiàn)的基材表面氧化嚴(yán)重或氧化膜脫落的情況，試驗前應(yīng)按照GB/T29037的規(guī)定，在基材表面涂覆一層高溫防護(hù)涂層。69試驗程序9.1試驗前試樣準(zhǔn)備用丙酮、無水乙醇或其他無氯、不成膜的清洗劑和溶劑(6.2)超聲清洗試樣至少10min,直至試樣表面清潔。對試樣進(jìn)行徹底干燥，消除所有可能殘留在試樣上的清洗液。9.2磨損試驗準(zhǔn)備9.2.1將盤試樣牢固地固定在盤固定架(7.1.3)上。9.2.2將球試樣牢固地固定在球固定架(7.1.4)上。9.2.3設(shè)定試驗條件(5.1)。9.2.4輕輕地使球和盤接觸，然后施加設(shè)定的載荷。9.2.5啟動加熱裝置(7.1.7),待試驗氣氛溫度升至設(shè)定的溫度，并在7.1.7要求的允許偏差范圍內(nèi)穩(wěn)定9.2.6啟動驅(qū)動系統(tǒng)(7.1.2),以設(shè)定的試驗條件(9.2.3)旋轉(zhuǎn)盤試樣，開始試驗。9.3摩擦力測量在試驗過程中，使用摩擦力測量裝置(7.1.6)連續(xù)測量摩擦力并記錄測量數(shù)據(jù)。9.4試驗后的磨痕形貌觀察9.4.1經(jīng)規(guī)定的滑動距離或時間后，關(guān)閉驅(qū)動系統(tǒng)電機電源、加熱裝置電源。待試驗氣氛降至室溫9.4.2應(yīng)收集盤試樣上的磨屑，以便進(jìn)一步分析。9.4.3對試樣進(jìn)行與9.1相同的清洗處理。9.4.4使用體視顯微鏡(7.2)或不小于4倍的放大鏡(7.3)觀察磨痕形貌特征。在可能情況下，用體視顯微鏡對磨痕形貌進(jìn)行拍照。9.5球試樣磨痕測量試驗完成后，球試樣上會有一個大致圓形的磨痕，如圖4所示。用測微顯微鏡(7.4)測量最小直徑A和與其垂直方向的直徑B。7A——最小直徑；B——垂直直徑。圖4球試樣上的磨痕9.6盤試樣磨痕測量試驗完成后，盤試樣上會出現(xiàn)一圓形磨損痕跡，如圖5所示。使用接觸式輪廓儀(7.5)或類似的儀器，以90°為間隔，在四個位置測量磨痕的橫截面積，并計算磨痕在每個位置的橫截面面積(S?、S2、S?、S?)。圖6為一個典型盤試樣磨痕橫截面輪廓，其磨損橫截面積應(yīng)為S。標(biāo)引序號說明：R—-半徑；8高度/μmGB/T43853—2024高度/μm標(biāo)引序號說明：1——磨屑黏連；3——磨痕橫截面輪廓；4——修復(fù)層；S——修復(fù)層磨痕橫截面積。圖6盤試樣磨痕橫截面輪廓及橫截面選取9.7試驗重復(fù)次數(shù)在相同的試驗條件下，至少重復(fù)三次試驗。10試驗結(jié)果計算10.1球試樣的比磨損率10.1.1磨損體積10.1.1.1磨痕比較規(guī)則時的磨損體積根據(jù)9.5測量的磨痕最小直徑和與其垂直方向的磨痕直徑，利用公式(2)計算球試樣的磨損體積，式中：V,——球試樣的磨損體積，單位為立方毫米(mm3);A——磨痕的最小直徑，單位為毫米(mm);B——垂直于最小直徑方向的直徑，單位為毫米(mm);d——球試樣直徑，單位為毫米(mm)。10.1.1.2磨痕不規(guī)則或磨痕很小時的磨損體積當(dāng)出現(xiàn)下列情況，應(yīng)使用接觸式輪廓儀(7.5)或類似儀器精確測量磨痕輪廓，得到磨痕的磨損體積。a)球磨痕形狀因盤試樣上的磨痕較大而發(fā)生翹曲(B>1.5A);b)球磨損很少，或者磨痕被任何磨損期間形成的固體膜所覆蓋；c)球磨損量少且磨痕不平整。9GB/T43853—2024球試樣的比磨損率由公式(2)中的V,或用輪廓測量法測量的V,通過公式(3)求得：式中：W.b——球試樣的比磨損率，單位為立方毫米每牛頓米[mm3/(N·m)];V,——球試樣的磨損體積，單位為立方毫米(mm3);F——施加的載荷，單位為牛頓(N);L——滑動距離，單位為米(m)。10.2盤試樣的比磨損率10.2.1.1磨痕橫截面相近時的磨損體積當(dāng)9.6測量中的最大橫截面積與最小橫截面積之比不大于1.5時，采用公式(4),計算盤試樣的磨損體積：……………式中：Va——盤試樣的磨損體積，單位為立方毫米(mm3);R——磨痕半徑，單位為毫米(mm);S?、S?、S?、S,——磨痕圓上四個位置的橫截面積，單位為平方毫米(mm2)。10.2.1.2磨痕橫截面積相差較大時的磨損體積當(dāng)9.6測量中的最大橫截面積與最小橫截面積之比大于1.5時，可根據(jù)磨痕寬度和/或深度，將磨痕分為n個區(qū)，分別測量第i區(qū)(i=1,2,…,n)內(nèi)至少兩個有代表性位置的磨痕橫截面積S、S?(第i區(qū)中最大橫截面積與最小橫截面積之比不大于1.2)和第i區(qū)內(nèi)磨痕長度L;,取算術(shù)平均值，則： (5)式中：V?——盤試樣的磨損體積，單位為立方毫米(mm3);R——磨痕半徑，單位為毫米(mm);S、S?——磨痕圓上第i區(qū)中兩個位置的橫截面積，單位為平方毫米(mm2);L;——第i區(qū)內(nèi)磨痕長度，單位為毫米(mm)。盤試樣的比磨損率由公式(4)或公式(5)中的Va通過公式(6)求得：式中：W盤試樣的比磨損率，單位為立方毫米每牛頓米[mm3/(N·m)]