CN104044016B - 一种经过边缘修形的表面凹坑织构及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种经过边缘修形的表面凹坑织构及其加工方法。在表面织构有效接触区内凹坑的数量不少于3个，凹坑直径不小于30微米，凹坑深度不低于10微米，凹坑面积占比为5%～30%；通过边缘修形使凹坑边缘呈连续曲面变化，即凹坑内外以较为平缓的曲面相连接，不存在尖锐的边缘。本方法步骤为：选取基材，制作凹坑，边缘修形并清洗。经过边缘修形的表面织构可降低织构表面对对偶的攻击性，适用于点接触、线接触、面接触及干摩擦、边界润滑等多种工况条件，润滑状态下在实现储存润滑液、收集杂质和磨粒功能的同时，由于修形后接触区域内凹坑边缘为楔形接触，可促进润滑膜的形成，降低摩擦磨损。

Description

一种经过边缘修形的表面凹坑织构及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种经过边缘修形的表面凹坑织构及其加工方法。

背景技术

表面织构是在材料表面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽的点阵，该类织构被认为具有储存润滑液、收集杂质和磨粒的作用，实践也已证明表面织构是改善材料摩擦学特性的一种有效手段。

但现有表面织构多采用激光刻蚀加工和简单的毛刺打磨，从材料表面到织构内侧面的交接边缘为直角、较尖锐，在载荷作用下边缘效应突出，即存在应力集中的问题，这会使磨粒磨损作用增强，导致边界润滑或干摩擦条件下对偶的磨损大幅增加，引起摩擦系数高且不稳。因而这类表面织构主要用于面接触及流体润滑条件，不适用于点接触、线接触形式和干摩擦、边界润滑条件。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种经过边缘修形的表面凹坑织构及其加工方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种经过边缘修形的表面凹坑织构，在表面织构有效接触区内凹坑的数量不少于3个，凹坑直径不小于30微米，凹坑深度不低于10微米，凹坑面积占比为5%～30%；通过边缘修形使凹坑边缘呈连续曲面变化，即凹坑内外以较为平缓的曲面相连接，不存在尖锐的边缘。

一种经过边缘修形的表面凹坑织构的加工方法，包括如下步骤：

a.选取基材，进行表面抛光，其粗糙度控制在Ra不大于3μm；

b.用激光或电化学抛光法在抛光好的基材表面均匀打出圆形凹坑；

c.采用电化学抛光法或弹性衬垫上的机械抛光法，对打好凹坑的基材表面进行抛光，抛光过程中换几次方向，抛光后凹坑的直角边缘被研磨掉，塌边成圆弧形；

d.抛光完成后，分别用正己烷、无水乙醇进行超声波清洗，自然干燥。

所述步骤a中的基材为铁、钛、铬、钼、钨、铝、铜、镍的单一金属材料以及含有其中至少一种金属元素的合金材料；或聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、环氧树脂、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯的单一高分子聚合物以及含有其中至少一种聚合物的高分子复合材料；或碳化硅、氮化硅、氧化锆、氧化铝的单一陶瓷材料以及含有其中至少一种陶瓷材料的复合陶瓷材料。对高分子材料或陶瓷材料也可通过加工相应的模具采用铸压成型技术获得所需的修形织构表面图形。另外，3D打印技术也可用于该类表面图形的制造。

在修形后的表面进一步采用物理气相沉积法或化学气相沉积法进行硬质薄膜的沉积，得到具有硬质薄膜表面的经过边缘修形的表面凹坑织构。

所述的硬质薄膜为非晶碳基薄膜或以硅、钛、铬、铝、钨、钼其中至少一种元素的碳化物、氮化物、碳氮化物或氧化物为主要成分的硬质化合物涂层。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

本发明利用弹性衬垫上机械抛光的塌边现象和电化学抛光对突起部分刻蚀速度快的作用，对表面织构边缘进行圆滑处理，将表面织构相交面间的直角变成圆滑曲线，形成圆滑过渡，从而减小边缘效应并引入楔形接触，提供一种通过边缘修形来实现储存润滑液、收集杂质和磨粒的同时，达到更好的降摩减磨效果。

附图说明

图1为没有修形与修形后的织构对比，修形后织构边缘呈圆弧状。

图2是织构的表面分布图。其中Rp是凹坑直径，Hp是凹坑深度，R是修形半径，L是凹坑间距，φ是凹坑分布倾斜角度。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。

如图1和图2所示，一种经过边缘修形的表面凹坑织构，在表面织构有效接触区内凹坑的数量不少于3个，凹坑直径不小于30微米，凹坑深度不低于10微米，凹坑面积占比为5%～30%；通过边缘修形使凹坑边缘呈连续曲面变化，即凹坑内外以较为平缓的曲面相连接，不存在尖锐的边缘。

实施例1

一种经过边缘修形的表面凹坑织构的加工方法，包括如下步骤：

a.选取一块4Cr13钢（直径40mm，厚度10mm），进行表面抛光，其粗糙度为Ra0.02～0.025μm。

b.用激光在打磨好的表面均匀打出直径Rp=50μm，深度Hp=20μm，圆心间距L=100μm，倾斜角度φ=60°的圆形凹坑。

c. 用砂纸打磨掉激光加工产生的毛刺，再选用旋转式研磨抛光机，抛光垫下放置一块橡胶垫，抛光垫上涂油性金刚石抛光膏，对打好凹坑的不锈钢表面进行抛光，中间换几次方向，抛光后凹坑的直角边缘会首先被研磨掉，塌边成圆弧形。

d.抛光完成后分别在正己烷、无水乙醇中进行超声波清洗10min，自然干燥。

实施例2

一种经过边缘修形的表面凹坑织构的加工方法，包括如下步骤：

a.选取一块4Cr13钢（直径40mm，厚度10mm），进行表面抛光，其粗糙度控制在Ra0.02～0.025μm。

b.用激光在打磨好的表面均匀打出直径Rp=100μm，深度Hp=20μm，圆心间距L=200μm，倾斜角度φ=90°的圆形凹坑。

c.用砂纸打磨掉激光加工产生的毛刺，再用电解抛光已加工表面，电解抛光后凹坑的直角边缘会首先被溶解掉，塌边成圆弧形。

d.抛光完成后分别在正己烷、无水乙醇中进行超声波清洗10min，自然干燥。

实施例3

一种经过边缘修形的表面凹坑织构的加工方法，包括如下步骤：

a.选取一块聚苯乙烯（直径40mm，厚度10mm），进行表面抛光，其粗糙度为Ra1μm。

b.用激光在打磨好的表面均匀打出直径Rp=100μm，深度Hp=20μm，圆心间距L=200μm，倾斜角度φ=90°的圆形凹坑。

c. 用砂纸打磨掉激光加工产生的毛刺，再选用旋转式研磨抛光机，抛光垫下放置一块橡胶垫，抛光垫上涂油性金刚石抛光膏，对打好凹坑的聚苯乙烯表面进行抛光，中间换几次方向，抛光后凹坑的直角边缘会首先被研磨掉，塌边成圆弧形。

d.抛光完成后分别在正己烷、无水乙醇中进行超声波清洗10min，自然干燥。

实施例4

一种经过边缘修形的表面凹坑织构的加工方法，包括如下步骤：

a.选取一块4Cr13钢（直径40mm，厚度10mm），进行表面抛光，其粗糙度为Ra0.02～0.025μm。

b.用激光在打磨好的表面均匀打出直径Rp=50μm，深度Hp=20μm，圆心间距L=100μm，倾斜角度φ=60°的圆形凹坑。

c. 用砂纸打磨掉激光加工产生的毛刺，再选用旋转式研磨抛光机，抛光垫下放置一块橡胶垫，抛光垫上涂油性金刚石抛光膏，对打好凹坑的不锈钢表面进行抛光，中间换几次方向，抛光后凹坑的直角边缘会首先被研磨掉，塌边成圆弧形。

d.抛光完成后分别在正己烷、无水乙醇中进行超声波清洗10min，自然干燥。

e.在修形后的表面进一步采用物理气相沉积法或化学气相沉积法进行非晶碳基薄膜的沉积，得到具有非晶碳基薄膜表面的经过边缘修形的表面凹坑织构。

实施例5

一种经过边缘修形的表面凹坑织构的加工方法，包括如下步骤：

a.选取一块铝合金（直径40mm，厚度10mm），进行表面抛光，其粗糙度为Ra0.02～0.025μm。

b.用激光在打磨好的表面均匀打出直径Rp=50μm，深度Hp=20μm，圆心间距L=100μm，倾斜角度φ=60°的圆形凹坑。

c. 用砂纸打磨掉激光加工产生的毛刺，再选用旋转式研磨抛光机，抛光垫下放置一块橡胶垫，抛光垫上涂油性金刚石抛光膏，对打好凹坑的不锈钢表面进行抛光，中间换几次方向，抛光后凹坑的直角边缘会首先被研磨掉，塌边成圆弧形。

d.抛光完成后分别在正己烷、无水乙醇中进行超声波清洗10min，自然干燥。

Claims (1)

1.一种经过边缘修形的表面凹坑织构，其特征在于，在表面织构有效接触区内凹坑的数量不少于3个，凹坑直径不小于30微米，凹坑深度不低于10微米，凹坑面积占比为5%～30%；通过边缘修形使凹坑边缘呈连续曲面变化，即凹坑内外以较为平缓的曲面相连接，不存在尖锐的边缘；该表面凹坑织构按下述方法制备得到：

a.选取基材，进行表面抛光，其粗糙度控制在Ra不大于3μm；

b.用激光或电化学抛光法在抛光好的基材表面均匀打出圆形凹坑；

c.采用电化学抛光法或弹性衬垫上的机械抛光法，对打好凹坑的基材表面进行抛光，抛光过程中换几次方向，抛光后凹坑的直角边缘被研磨掉，塌边成圆弧形；

d.抛光完成后，分别用正己烷、无水乙醇进行超声波清洗，自然干燥；

所述步骤a中的基材为含有铁、钛、铬、钼、钨、铝、铜、镍中至少一种金属元素的合金材料；或聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、环氧树脂、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯的单一高分子聚合物以及含有其中至少一种聚合物的高分子复合材料；或碳化硅、氮化硅、氧化锆、氧化铝的单一陶瓷材料以及含有其中至少一种陶瓷材料的复合陶瓷材料；

在修形后的表面进一步采用物理气相沉积法或化学气相沉积法进行硬质薄膜的沉积，得到具有硬质薄膜表面的经过边缘修形的表面凹坑织构；

所述的硬质薄膜为非晶碳基薄膜或以硅、钛、铬、铝、钨、钼其中至少一种元素的碳化物、氮化物、碳氮化物或氧化物为主要成分的硬质化合物涂层。