一种复合材料耐磨性的高通量表征方法

摘要

本发明涉及一种复合材料耐磨性的高通量表征方法，属于粉末冶金领域。首先采用可拆卸的分隔片把圆柱形模具均分成若干份，将同种基体不同含量或不同种类强化相的复合坯料分别放入模具各等份中，压实后抽出分隔片；然后根据实际产品需要采用等静压、热压等粉末冶金方法将复合坯料制备成一定厚度的圆环，并将圆环加工成渐开线标准直尺圆柱齿轮形状；随后采用单一对磨材料且具有相同形状尺寸的齿轮与待测圆环构成多对摩擦副，在电机驱动下旋转进行磨损试验；最后利用高精度三维表面轮廓仪对复合材料的耐磨性能进行定量分析。该方法与传统磨损试验相比，极大地提高了粉末冶金制备复合材料耐磨性能评价的效率以及准确性。

权利要求

1.一种复合材料耐磨性的高通量表征方法，其特征在于具体步骤为：S1、采用可拆卸的分隔片把圆柱形模具均分成若干份，将同种基体不同含量或不同种类强化相的复合坯料分别放入模具各等份中，压实后抽出分隔片；

S2、根据实际产品需要采用等静压、热压粉末冶金方法将复合坯料制备成一定厚度的圆环，并将圆环加工成渐开线标准直尺圆柱齿轮形状；

S3、采用单一对磨材料且具有相同形状尺寸的齿轮与待测圆环构成多对摩擦副，在电机驱动下旋转进行磨损试验；

S4、利用高精度三维表面轮廓仪对复合材料的磨损性能进行定量分析；

结合高精度三维表面轮廓仪对磨损前后轮齿齿廓面的三维坐标变化来定量计算轮齿磨损前后的体积变化ΔV；

式中n为测试齿轮状圆环中单组份复合材料与对磨齿轮啮合的齿廓面数，h为齿全高，b为齿宽，f(x,y)表示测试前对应空间直角坐标系中以渐开线为准线的齿廓面方程，f(xi,yi)表示磨损测试后通过最小二乘法拟合的第i个齿廓面方程。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料耐磨性的高通量表征方法，其特征在于采用粉末冶金方法与机加工制备的测试样品具有渐开线标准直尺圆柱齿轮形状。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料耐磨性的高通量表征方法，其特征在于通过调整分隔片的数量和齿轮状测试材料的尺寸来满足实际表征高效性与准确性的需要。

4.根据权利要求1所述的一种复合材料耐磨性的高通量表征方法，其特征在于通过调整对磨材料端的压力、齿轮间啮合的摩擦条件、测试环境温度以及电机转速来对不同磨损工况进行模拟。

5.根据权利要求2所述的一种复合材料耐磨性的高通量表征方法，其特征在于对渐开线标准直尺圆柱齿轮轮齿磨损前后的体积变化来对复合材料的耐磨性能进行定量分析。

说明书

一种复合材料耐磨性的高通量表征方法

技术领域

[0001] 本发明属于粉末冶金领域，具体涉及一种复合材料耐磨性的高通量表征方法。

背景技术

[0002] 粉末冶金技术由于具有能生产普通熔炼法无法生产的特殊性能材料(难熔金属、硬质合金、多孔材料等)，能够减少机加工量、节约金属材料、提高生产力且生产某些材料的
性能更优越(粉末高速钢、粉末高温合金)等技术和经济上的一系列优点，广泛应用于机械
零件和结构材料、多孔材料、电工材料、磁性材料、工具材料等新材料制备领域，尤其适用于
制造各种颗粒、片晶、晶须及短纤维增强的铝、铜、钛、高温合金等金属以及各种金属间化合
物基复合材料。

[0003] 在复合材料耐磨性能的表征过程中，传统销盘法、杆筒式、直线往复运动式等磨损试验是在试样与对磨材料之间加上中间物质，使其在一定负荷下按一定的速度做长时间相
对运动，其缺点在于一次仅能对一种材料进行测试，严重耗费设备机时。

[0004] 相较于传统“一次一个”的表征方法，材料的高通量表征技术将顺序迭代改为并行处理，能够在单个装置单个时间内实现大量样品的表征数据并行采集并进行集成分析。作
为我国材料基因工程四大关键技术之一的重要组成部分，材料的高通量表征技术已经在较
大范围内被材料科研和工业领域所接受。因此，如何将高通量的表征技术应用于复合材料
耐磨性能的评价过程中，同时保证评价的准确性和效率是显著缩短材料研发周期的关键。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于将高通量表征方法用于粉末冶金法制备复合材料的耐磨性能评价中，以显著缩短其研发周期。

[0006] 本发明提供了一种复合材料耐磨性的高通量表征方法，其特征在于具体步骤为：

[0007] S1、采用可拆卸的分隔片把圆柱形模具均分成若干份，将同种基体不同含量或不同种类强化相的复合坯料分别放入模具各等份中，压实后抽出分隔片；

[0008] S2、根据实际产品需要采用等静压、热压等粉末冶金方法将复合坯料制备成一定厚度的圆环，并将圆环加工成渐开线标准直尺圆柱齿轮形状；

[0009] S3、采用单一对磨材料且具有相同形状尺寸的齿轮与待测圆环构成多对摩擦副，在电机驱动下旋转进行磨损试验；

[0010] S4、利用高精度三维表面轮廓仪对复合材料的磨损性能进行定量分析。

[0011] 进一步地，采用粉末冶金方法与机加工制备的测试样品具有渐开线标准直尺圆柱齿轮形状。

[0012] 进一步地，通过调整分隔片的数量和齿轮状测试材料的尺寸来满足实际表征高效性与准确性的需要。

[0013] 进一步地，通过调整对磨材料端的压力、齿轮间啮合的摩擦条件、测试环境温度以及电机转速来对不同磨损工况进行模拟。

[0014] 进一步地，对渐开线标准直尺圆柱齿轮轮齿磨损前后的体积变化来对复合材料的耐磨性能进行定量分析。

[0015] 进一步地，结合高精度三维表面轮廓仪对磨损前后轮齿齿廓面的三维坐标变化来计算齿轮轮齿磨损前后的体积变化ΔV；

[0016]

[0017] 式中n为测试齿轮状圆环中单组份复合材料与对磨齿轮啮合的齿廓面数，h为齿全高，b为齿宽，f(x,y)表示测试前对应空间直角坐标系中以渐开线为准线的齿廓面方程，f
(xi,yi)表示磨损测试后通过最小二乘法拟合的第i个齿廓面方程。

[0018] 本发明的主要优点在于：(1)摩擦副采用渐开线标准直尺圆柱齿轮形状，能够一次性对多组在不同工况下的同种基体不同强化相含量或者种类的复合材料的耐磨性进行表
征，大大缩减材料研发周期；(2)非接触式高精度三维表面轮廓仪的应用在不损伤试验表面
的同时又保证了耐磨性定量评价的准确性。

附图说明

[0019] 图1为本发明的一种复合材料耐磨性的高通量表征方法示意图。

[0020] 图2为本发明的一种复合材料耐磨性的高通量定量分析方法示意图。

具体实施方式

[0021] (1)一种复合材料耐磨性的高通量表征方法用于研究石墨的体积分数对于Cu/C复合材料耐磨性的影响

[0022] 首先将圆柱形模具用分隔片均分成14等份，其中每一份复合坯料中石墨含量分别为5vol％～70vol％，间隔为5vol％.待稍微压实后抽出分隔片，采用冷压‑烧结‑复压‑复烧
的方法制备致密的Cu/C复合材料圆盘。按照以下参数将圆盘加工成渐开线标准直尺圆柱齿
轮形状：选取标准模数为2.5，齿数为42，即每个分区占据3齿，分度圆直径为105mm；齿宽系
数为0.3，齿宽为31.5mm；齿顶高系数为1，顶隙系数为0.25。对磨材料与试样加工成尺寸一
致的齿轮，采用GCr15钢配副。试验载荷为0～100N，电机转速为1000r/min，试验时间为72h，
温度和相对湿度与大气环境保持一致，摩擦副之间保持干摩擦。待试验结束之后，采用高精
度三维表面轮廓仪获得各齿廓面三维坐标，将最小二乘法拟合的对应齿廓面方程带入前述
公式进行计算，得到不同石墨含量的Cu/C复合材料的体积磨损数据。

[0023] (2)一种复合材料耐磨性的高通量表征方法用于研究强化相种类对于Al基复合材料耐磨性的影响

[0024] 首先将圆柱形模具用分隔片均分成6等份，其中每一份复合坯料中强化相分别为SiC、Al2O3、ZrH2、TiB2、CNTs、WCp，体积分数都为15vol％。待稍微压实后抽出分隔片，在N2保
护气体中采用热压的方法制备致密的Al基复合材料圆盘。按照以下参数将圆盘加工成渐开
线标准直尺圆柱齿轮形状：选取标准模数为2.5，齿数为48，即每个分区占据8齿，分度圆直
径为120mm；齿宽系数为0.3，齿宽为36mm；齿顶高系数为1，顶隙系数为0.25。对磨材料与试
样加工成尺寸一致的齿轮，采用304不锈钢配副。试验载荷为0～100N，电机转速为1000r/
min，试验时间为72h，温度和相对湿度与大气环境保持一致，摩擦副之间保持干摩擦。待试
验结束之后，采用高精度三维表面轮廓仪获得各齿廓面三维坐标，将最小二乘法拟合的对
应齿廓面方程带入前述公式进行计算，得到不同强化相种类的Al基复合材料的体积磨损数
据。