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中国地质大学（北京）课程名称：耐磨材料及性能测试班级：*******学号：********姓名：*******指导老师：康佳杰2015—01--07实验一、表面纳米化实验一、实验设备：普通数控车床，USP-125表面加工装置，待加工钢锭。二、实验原理：应用球形超硬材料工具头对金属工件表面进行表面强化和光整加工，原理图如下所示：超声波发生器产生的超声信号经过换能器变幅杆的转换和放大使球形工具头产生超声波机械振动，工具头以一定静压力对工件挤压的同时，对工件表面进行超声波冲击强化。在工具头静压力和冲击力的作用下，工件表面的微观凹、凸峰谷产生挤压塑性变形而压平表面，使得表面粗糙度降低，表面层金属组织得到强化，表面层的力学性能得以改善。三、实验流程1、将待加工件装夹在机床卡盘上，由于此次加工的是厚度约5mm的圆钢锭，用螺钉在其周向均匀固定。2、通过机床卡块将超声波加工装置固定在车床刀架上，调节高度使得硬质加工球中心与待加工钢锭回转中心处于同一高度。3、确认主机机箱正面开关处于管断状态，用220V电源线接通主机电源，然后打开电源开关，主机接通电源，红色电源指示灯亮。4、拧动电源旋钮，使液晶屏幕上的预设为合适的值，按下执行机构开关，绿色工作指示灯亮，约为2—5秒钟后频率值较为稳定，电流值也稳定在预设值左右波动，表明设备进入正常工作状态，执行机构可以开始工作。5、开启冷却液冷却加工球，缓慢地向零件方向进给刀架，加工球与零件表面接触，继续进给，直至加工球对零件表面的静压力逐渐增大到预设的值。在施加静压力的过程中，电流值会变化较大，停止进给刀架后，待2—15分钟，使电流值稳定在预设值左右波动，可以开始往加工方向进给刀架，加工零件。6、处理过程中，可随时调整静压力和振幅。由于加工参数对负载影响较大，中国地质大学（北京）课程名称：耐磨材料及性能测试班级：*******学号：********姓名：*******指导老师：康佳杰2015—01--07在加工过程中参数改变不宜过快。参数的调整也可在关闭执行机构开关后（仍保持超声波电源工作）进行。7、结束加工，先关闭执行机构开关，再关断超声电源。四、注意事项1、设备工作时，操作人员如对执行机构振动声音感到不适，应佩戴防护耳塞与防护耳套。2、应该先用超声电源线连接超声电源与执行机构，再接通主机与220V电源。最后按下执行机构开关。结束工作时则要先按下关闭执行机构开关，再断开主机与220V电源，最后取下超声电源线。3、用220V电源线为主机接通电源之前，应保电源开关处于关断状态。执行机构开关按下之前，电路调节旋钮最好不要扭到电流最大处，根据所处理材料、静压力的不同应使用相应的电流加工。4、定期（实际加工时间超过10小时后开始）检查加工球，当加工球表面光洁度显著降低时，应更换新的加工球，否则影响加工效果。5、每次使用后务必将加工装置上的油污、冷却液清理干净，尤其将进入前盖内的冷却液清理干净，否则装置内的换能器长期接触冷却液会损坏。可以每次使用后使用吹风机热风吹干冷却液。五、实验感悟及分析超声波表面振动加工是一种机械冲击式的压力光整加工，它利用金属在常温下的冷塑性特点，利用表面施加预紧力，加以高频超声波振动，使得原有的微观波峰熨平，，使其填入波谷，从而使工件表面质量提高。具体可表现在：1、表面粗糙度明显降低。在强烈的高频振动下，工件表面上微观的波峰被冲击变形、碎裂，填入波谷，原有的波峰波谷高低差值降低，使得工件表面粗糙度显著降低，一般可降低2—4级。表面粗糙度的降低对于零件接触面的耐磨性、防止零件表面应力集中和提高其疲劳强度都有好处。2、工件表面金属硬化。工件表层金属在塑性变形过程中，随着冷作硬化，表面硬度提高，一般可提高3—4倍，并且从工件表面到内部呈阶梯式逐渐降低。与其他表面强化技术比起来，即在不改变原有材料基础上提高了工件综合性能。中国地质大学（北京）课程名称：耐磨材料及性能测试班级：*******学号：********姓名：*******指导老师：康佳杰2015—01--073、消除表面微观缺陷，提高疲劳强度。振动挤压下能消除前道加工工序所造成的微观表面缺陷，完全消除毛刺缺陷，使工件表面质量大大提高。工件表面产生残余应力。随着挤压预应力地增加和挤压次数的增多，工件表面残余应力绝对值加大。中国地质大学（北京）课程名称：耐磨材料及性能测试班级：*******学号：********姓名：*******指导老师：康佳杰2015—01--07实验二、等离子渗氮实验一、实验设备：LDM1-100多功能渗氮炉、约5mm钢锭（基体）、超声波清洗装置。二、实验原理：渗氮炉中，氮稀薄气体在阴极、阳极间的高压下形成高能等离子体N+、H+、NH3+等，轰击阴极工件表面，并跟工件表面被打出的C、O、Fe等反应，生成FeN沉积到工件表面，一部分分解出氮原子渗入工件表面内，一部分返回离子区。这些渗入的氮使得材料的硬度、耐腐蚀、抗摩擦、抗氧化、抗疲劳、热稳定等性能得到极大的改善。三、实验步骤阶段一：准备阶段1、开炉起罐。开炉前先开泵把炉体中的残余气体抽干净，然后松开放气阀放气，待炉体内部气压与大气压一致，打开控制柜上的液压开关，然后摁住炉壁旁边的绿色按钮用液压提升炉盖，把炉盖停放一旁以便取放试样，关闭控制柜上的液压开关。2、清洁炉内。长时间不使用和第一次使用需要用砂纸打磨炉内壁和阴极盘，阴极柱，再用吸尘器把灰尘吸干净，保证炉内洁净，没有灰尘和碎屑。3、放样。将经超声波清洗后的样品工件放置在阴极盘上，阴极盘的阴极柱上放置环形圆盘，以便使温度均匀，渗氮均匀。4、关炉。打开控制柜上的液压开关，左手护着炉盖，右手摁住炉壁旁边的红色按钮用液压下降炉盖，对正并关闭液压开关。5、抽气。打开泵一和泵二开关，进行抽气，直到抽到设备的极限真空。关闭蝶阀，然后再关控制柜上的真空泵开关。6、设定加热、保温及保温时间。打开控制柜上的低压开关，调节温控开关和时间设定旋钮，以确定升温和保温时间参数的设定。阶段二：升温阶段1、充气。调节氮气流量计按钮慢慢充气，使真空计的示数大概为70-90。中国地质大学（北京）课程名称：耐磨材料及性能测试班级：*******学号：********姓名：*******指导老师：康佳杰2015—01--072、运行温控表。开高压，常按温控表上的Run/RST，看到温控表上的运行指示灯变亮，说明温控表已经开始运行。3、调节电压。调节电压值为500V左右，调节导通比为0.3左右。加热到一定阶段要把硫罐循环水打开（水流不必太大），以防止硫罐升华影响渗氮结果。阶段三：保温阶段1、当温控表显示进入第二个阶段时，即已进入保温阶段。这时候把电压调到700V左右，气压调到650-700Pa，导通比0.55-0.6。氨气流量0.35-0.4。2、当发现炉壁发热时，打开炉壁冷却水。阶段四：关炉关炉时要先把电压和导通比降到初始位置，常摁温控表上的Run/RST键关温控表，关高压，将氨气流量计调零后关闭，然后泵二把炉内气体抽干净，关闭泵的开关，再把氨气流量计开到清洗。给炉内充500-600Pz的氨气后关闭流量计，关闭低压，等待冷却取样四、实验感悟和分析表面离子渗氮技术作为一项新技术，具有极大的优势。1、离子渗氮形成的氮化层可以大大提高零件的表面硬度和耐磨性能，从而延长零件寿命，防止其磨损失效。2、优质、低耗、洁净。3、离子轰击有净化表面作用，能去除工件表面钝化膜，可使不锈钢、耐热钢工件直接渗氮。4、可实现局部渗氮，工件变形小。5、离子氮化是在真空中进行，因而可获得无氧化的加工表面。中国地质大学（北京）课程名称：耐磨材料及性能测试班级：*******学号：********姓名：*******指导老师：康佳杰2015—01--07实验三、摩擦磨损测试实验一、摩擦磨损学测试原理在摩擦磨损学测试中，球形静止键或平面静止键在精确控制的载荷作用下垂直接触试样表面。试样转动或滑动时与静止键摩擦产生的切向力可以通过刚性杠杆的微小位移精确测量。试样和静止键的磨损系数可通过测试过程中磨损失掉的材料体积由CSM软件自动计算。这种简单但经典的测试方法可用于研究几乎所有固体材料间的摩擦磨损原理和现象。测试过程中可以控制的参数有：测试时间、接触压强、相对移动速率、温度、湿度、润滑环境等。以下是该CSM标准摩擦磨损测试仪的详细设备参数：1.正向载荷范围：最大60N2.正向载荷精度：30mN3.最大摩擦力：10N(20N选件)4.摩擦力分辨率：5mN5.最高温度：1000°C6.旋转运动模式7.速度：0.3-500rpm(1500rpm选件)8.最大测试半径：30mm9.最大扭矩：450mN.m10.线性运动模式11.长度：60mm12.速率：最大100mm/sec13.频率：最大线性长度下1.6Hz14.最高10Hz二、主要特点中国地质大学（北京）课程名称：耐磨材料及性能测试班级：*******学号：********姓名：*******指导老师：康佳杰2015—01--071、高精度测量，无仪器内部多余摩擦阻力2、适应不同试样尺寸和形状3、自动停机保护（当达到最长摩擦距离或临界摩擦力时自动关机）4、可控润滑剂、湿度和气体环境5、旋转与往复运动模式6、实时磨损深度测量（选件）7、高温摩擦磨损选件（最高1000°C）8、实时接触电阻测量（选件）9、简便自动的仪器校准过程10、计算机自动控制软件包，实现数据采集、仪器控制、实时图像数据显示、赫兹应力场模拟、摩擦磨损系数自动计算、摩擦寿命等11、高精准的瑞士产品质量12、符合DIN50324,ASTMG99和ASTMG133国际标准13、高精度马达自校准14、摩擦系数的实时精确测量与磨损率的自动计算中国地质大学（北京）课程名称：耐磨材料及性能测试班级：*******学号：********姓名：*******指导老师：康佳杰2015—01--07实验四、金属表面物理气相沉积一、实验设备：MS-PECVD300A气相沉积设备，Cr、Al靶材，试样。二、实验原理：在真空条件下，采用物理方法将材料源气化成气体原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体（等离子体）过程，在基体表面沉积具有特殊功能的薄膜。三、实验步骤1、检查所有水路、电路以及气体罐连接是否准确无误；2、开启水泵电源、气泵电源，观察水管内水的流动情况，确认水管连接处不漏水，所有需要水冷的设备已经处于水冷状态才可以进行下一步操作；3、闭合总控电源柜内的空气开关，按下总控电源前面板上的启动按钮，总控电源供电指示灯已经点亮，此时系统已经处于供电状态；4、开放气阀，打开真空室（按红色OFF按钮真空室打开），装靶材（靶材与外壳有一定间隙2-3mm，防止短路），放试样，关真空室，关放气阀；5、确认放气阀处于关闭状态，确认GV150手动闸板阀处于关闭状态；6、确认前级阀、旁抽阀处于关闭状态；7、启动旋片真空泵（开机械泵）；8、开启旁抽阀，若声音长时间很大，可能是漏气，漏气点主要考虑真空室门是否压紧，及最近拆卸过的地方。9、当真空室内的压强达到10Pa以下时，关闭旁抽阀；10、开启前级阀；11、启动分子泵。LED显示屏显示转速追踪过程中，当加速频率超过95Hz之后开始显示当前频率，测试电源频率在不断增加，当LED显示到450Hz时数字不在上升，此时已经完成分子泵加速，分子泵达到满转速运行；12、开启GV150手动闸板阀；13、通过复合真空机观察真空室内压力变化，直到中室内的压强达到镀膜工艺要求的指标即可开始实验；中国地质大学（北京）课程名称：耐磨材料及性能测试班级：*******学号：********姓名：*******指导老师：康佳杰2015—01--0714、通入各种气体之前把复合真空机的电离单元关了，调为手动，然后再通入各种反应气体，通过DO8-3E型流量显示仪，对气体流量进行调节，然后调动GV150手动闸板阀调节真空室内的压强；15、设定磁控溅射靶SI-500直流电源的所需电流，对靶材进行清洗，开左右挡板，开始镀膜；16、设定SI-RF500射频功率；镀膜结束，将流量显示仪、直流电源归零关闭