CN104259780A - 一种耦合仿生六边形织构耐磨减阻表面的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种耦合仿生六边形织构耐磨减阻表面的制备方法，包括步骤一、选择钢作为待加工原材料，利用磨床对待加工的钢进行表面预处理；步骤二、对进行机械加工的数控铣床的刀具行走路线进行编程，进而对预处理后的钢进行机械加工；步骤三、在经过机械加工后的钢表面涂上吸收层，设置激光器加工参数，对钢的表面进行激光热处理加工；步骤四、把经过激光热处理后得到的钢进行抛光，得到耦合仿生非光滑六边形织构表面。本发明利用机械加工和激光加工结合的优势，在实现耐磨减阻等提高金属表面机械性能的同时，还具有储屑减磨、储油、储气、润滑等多功能特性，在保证加工精度的条件下，还可以降低加工成本、提高加工效率，实现批量生产。

Description

一种耦合仿生六边形织构耐磨减阻表面的制备方法

技术领域

本发明属于仿生金属表面工程技术领域，特别是涉及到一种有关耦合仿生耐磨减阻表面制备的技术方案。

背景技术

世界上大约有30％～50％的能源以各种形式消耗在摩擦上，由于摩擦产生的磨损是机械设备失效的主要原因，大约有80％的零件失效是由于各种形式的磨损而引起的。因此，耐磨减阻已经成为节约能源和原材料、缩短维修时间的重要措施。种类繁多的生物经过长期的生存进化过程，使它们能够根据环境的改变而适应环境的变化，从而得到生存和发展。随着生产的需要和科学技术的发展，人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一，自觉的把生物界作为各种技术思想，设计原理和创造发明的源泉。近年来，利用生物的减阻脱附特性形成的仿生非光滑表面技术是仿生工程领域研究的热点之一。相关研究人员通过观察发现生物体表具有耐磨、减阻、韧性高等与生俱来的特性，并且这些特性与其体表的非光滑表面形貌有密切的联系，后来Marie-Christin G等人发表的Material properties of the skin of the Kenyan sand boa Gongylophiscolubrinus(Squamata,Boidae)一文当中对蛇体表机理的深入研究发现，该功能不但与其表面形貌有关，还与其体表材质性能及结构有关。

江苏大学鲁金忠等人设计出一种激光复合制备表层仿生结构的方法和装置(授权公告号：CN101590569B)。该发明是一种基于激光雕刻和激光冲击的力学效应复合制备表层仿生结构的方法和装置，首先采用激光雕刻技术在工件表面制备所需的微观几何形貌，然后利用激光冲击强化处理微观几何形貌区域，最终在工件表面加工出所需要形状。

江苏大学姜银方等人设计出一种仿生表面的制备方法(申请公布号：CN102513697A)。该方法提供一种激光冲击的方法来制备仿生表面。使用调节好的装置对金属表面进行激光冲击就可以形成各种特殊形态的表面形貌。

江苏大学江苏大学鲁金忠等人设计出一种生物非光滑表面的制备方法和装置(专利公布号：CN102581109A)。该发明将制备的特定形状的模具放置在金属工件表面和激光冲击所需的吸收层之间，在真空加热箱中并将金属工件加热到动态应变时效温度；激光束辐照在吸收层上，产生强大冲击力，在冲击力和基体加热的共同作用下，导致部分金属工件表面产生塑性变形，形成与模具相反的图案。

但是这些现有技术中还存在很多问题，包括激光加工受到机器自身功率、脉冲等参数限制，导致非光滑表面形貌单元体的间距、深度等尺寸不能根据设计者的要求进行加工；而且根据设计图案的尺寸参数要求，需要调试输出功率、波长、光斑直径等相关激光加工参数，即不同形状或尺寸的图案将会产生不同的激光加工参数，从而增加操作者的工作量；同时，激光加工整体成本高，而且有的方法利用特定模具或进行熔覆改性处理，增加加工工序，所以不适合低成本批量生产。因此，现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种耦合仿生六边形织构耐磨减阻表面的制备方法，利用机械加工和激光加工结合的优势，在实现耐磨减阻等提高金属表面机械性能的同时，还具有储屑减磨、储油、储气、润滑等多功能特性，在保证加工精度的条件下，还可以降低加工成本、提高加工效率，实现批量生产。

一种耦合仿生六边形织构耐磨减阻表面的制备方法，包括以下四个步骤：

步骤一、取材，进行预处理

选择钢作为待加工原材料，利用磨床对待加工的钢进行表面预处理，待钢表面粗糙度达到Ra＝3.2μm，预处理结束；

步骤二、机械加工

对进行机械加工的数控铣床的刀具行走路线进行编程，进而对预处理后的钢进行机械加工，得到钢的表面形貌为正六边形织构；

步骤三、激光热处理

在经过机械加工后的钢表面涂上吸收层，吸收层由50％二硫化钼和50％碳粉用酒精混合制成，设置激光器加工参数，进而对钢的表面进行激光热处理加工；

步骤四、表面抛光处理

把经过激光热处理后得到的钢利用水磨砂纸，从400目到2000目对金属钢材表面依次打磨抛光至Ra＝0.2μm，得到耦合仿生非光滑六边形织构表面。

所述步骤一、取材，进行预处理

选择45号钢，利用磨床对45号钢进行表面预处理，待45号钢表面粗糙度达到Ra＝3.2μm，预处理结束；

所述步骤二、机械加工

设定加工的六边形织构尺寸，六边形边长为3μm，六边形平行边距离为6.2μm，对数控铣床的刀具行走路线进行编程，进而对预处理后的45号钢进行机械加工，得到45号钢的表面形貌为正六边形织构；

所述步骤三、激光热处理

在经过机械加工后的45号钢表面涂上吸收层，吸收层由50％二硫化钼和50％碳粉用酒精混合制成，设置激光器加工参数为激光束功率1000W、移动速度为300mm/min，最终得到光斑尺寸为3.2mm*3.2mm，对涂好吸收层后的45号钢表面进行激光热处理加工；

所述步骤四、表面抛光处理

把经过激光热处理后得到的45号钢利用水磨砂纸，从400目到2000目对金属钢材表面依次打磨抛光至Ra＝0.2μm，得到耦合仿生非光滑六边形织构表面。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种耦合仿生六边形织构耐磨减阻表面的制备方法，利用机械加工和激光加工结合的优势，在实现耐磨减阻等提高金属表面机械性能的同时，还具有储屑减磨、储油、储气、润滑等多功能特性，在保证加工精度的条件下，还可以降低加工成本、提高加工效率，实现批量生产。根据铣刀的尺寸及进给量可以加工出不同形貌、不同大小、不同间距、不同深度等尺寸要求表面形貌，提高了机械加工的灵活性；调节激光器参数可以得到不同硬度、不同深度的金属组织改变区，在可以按照设计者的尺寸要求进行仿生表面的形貌加工的同时，还可以利用激光热处理技术提高金属表面的硬度，同时对金属内部材质进行一定的改性处理；因此利用对钢的机械加工和激光热处理，可以在形貌和材质上改进并且优化金属钢材的表面性能，达到耦合仿生的目的。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明对45号钢机械加工的尺寸要求。

图2为本发明对45号钢表面加工后的三维结构示意图。

图3为本发明对45号钢激光热处理后表面横断面处的显微组织结构示意图。

图4为本发明对45号钢激光热处理后表面横断面处材质的SEM扫描电子显微镜示意图。

图5为本发明对45号钢激光热处理前后表面横断面处理后的维氏硬度对比示意图。

图6为本发明耦合仿生六边形织构表面摩擦实验下μ-T图像。

图7为光滑表面摩擦实验下μ-T图像。

其中1-熔凝区、2-相变区、3-热影响区、4-基体、5-激光热处理后区域、6-金属基体。

具体实施方式

一种耦合仿生六边形织构耐磨减阻表面的制备方法，包括以下四个步骤：

步骤一、取材，进行预处理

选择钢作为待加工原材料，利用磨床对待加工的钢进行表面预处理，待钢表面粗糙度达到Ra＝3.2μm，预处理结束；

步骤二、机械加工

对进行机械加工的数控铣床的刀具行走路线进行编程，进而对预处理后的钢进行机械加工，得到钢的表面形貌为正六边形织构；

步骤三、激光热处理

在经过机械加工后的钢表面涂上吸收层，吸收层由50％二硫化钼和50％碳粉用酒精混合制成，设置激光器加工参数，进而对钢的表面进行激光热处理加工；

步骤四、表面抛光处理

把经过激光热处理后得到的钢利用水磨砂纸，从400目到2000目对金属钢材表面依次打磨抛光至Ra＝0.2μm，得到耦合仿生非光滑六边形织构表面。

下面以在45号钢表面加工耦合仿生六边形织构表面为例对本发明进行进一步说明。

本实施例的实际加工尺寸如图1所示，首先利用磨床对45号钢金属表面进行简单预处理，使其表面具有一定的光整度，即表面粗糙度达到Ra＝3.2μm；接着根据加工尺寸的要求，对数控铣床进行编程，利用数控铣床对45号钢进行机械加工，加工后如图2所示，形成六边形织构表面结构；然后在机械加工后的45号钢表面涂上吸收层，此吸收层由50％碳粉与50％二硫化钼通过酒精混合制成，可用于增强待加工工件的激光吸收率，对激光器加工参数进行设定，对加工工件进行激光热处理加工，在本实施例中，实际的激光器参数设定为激光束功率为1000W、移动速度为300mm/min，最终得到光斑尺寸为3.2mm*3.2mm；最后可以根据对工件粗糙度的不同要求，对激光热处理加工后的45号钢表面进行适当的抛光，使其达到一定的粗糙度要求，即Ra＝0.2μm，从而得到耦合仿生六边形织构表面。

为了验证此实施例中的45号钢材质是否发生变化并满足要求，对加工后的耦合仿生六边形织构表面进行一定处理后，沿金属表面Z轴方向剖开，获得金属的横断面。采用4％的硝酸酒精溶液对剖开后得到的横断面进行腐蚀处理，在电镜下进行观测，得到如图3所示的本发明加工后金属表面横断面处的显微组织示意图。从图中观察金相显微组织可知，激光扫描后的组织改变区可分为熔凝区1、相变区2、热影响区3、基体4四个部分，并且这四个部分呈现一定的组织梯度。如图4所示，利用SEM扫描电子显微镜分别对各区域进行显微组织观测，发现熔凝区1的区域内有大量马氏体存在，并且随深度增加，马氏体的数量越来越少，奥氏体的数量越来越多，即在基体上存在大量的奥氏体。如图5所示，对加工后45号钢的材质梯度变化进行维氏硬度测量，其中载荷大小为1kg、载荷维持时间为6s、数据点间隔为0.1mm，发现其硬度由金属表面到心部呈由大到小的梯度排列，从而验证了通过本发明方法加工后的金属表面材质发生变化，并且形成外硬内软的仿生结构材质。

为了验证耦合仿生六边形织构表面的机械性能，分别选取光滑表面和耦合仿生六边形织构表面的两个样件，利用摩擦磨损试验机，在300N，100rad的条件下，所得到摩擦系数与时间的图像如图5所示。由图6和图7可知，光滑表面的摩擦系数随时间波动较明显，且无规律，同时平均摩擦系数要高于耦合仿生六边形织构表面，而耦合仿生六边形织构表面的摩擦系数经过100s的前期磨合后，趋于平缓且较低，故耦合仿生六边形织构表面达到了耐磨减阻的特性。

本发明可以根据铣刀的尺寸及进给量加工出不同形貌、不同大小、不同间距、不同深度等尺寸要求表面形貌的同时，还可调节激光器的参数获得不同硬度、不同深度的金属组织改变区，不但可以按照设计者的尺寸要求进行仿生表面的形貌加工，而且可以利用激光热处理技术提高金属表面的硬度，同时对金属内部材质进行一定的改性处理，即金属由外至内硬度呈现由高到低的仿生结构，最终可获得耦合仿生非光滑表面，实现耐磨减阻的目的。

本发明可以通过对数控铣床和激光器参数的设定达到批量生产，降低了加工成本，提高工作效率。

Claims (2)

1.一种耦合仿生六边形织构耐磨减阻表面的制备方法，其特征是：包括以下四个步骤：

步骤一、取材，进行预处理

选择钢作为待加工原材料，利用磨床对待加工的钢进行表面预处理，待钢表面粗糙度达到Ra＝3.2μm，预处理结束；

步骤二、机械加工

对进行机械加工的数控铣床的刀具行走路线进行编程，进而对预处理后的钢进行机械加工，得到钢的表面形貌为正六边形织构；

步骤三、激光热处理

在经过机械加工后的钢表面涂上吸收层，吸收层由50％二硫化钼和50％碳粉用酒精混合制成，设置激光器加工参数，进而对钢的表面进行激光热处理加工；

步骤四、表面抛光处理

把经过激光热处理后得到的钢利用水磨砂纸，从400目到2000目对金属钢材表面依次打磨抛光至Ra＝0.2μm，得到耦合仿生非光滑六边形织构表面。

2.根据权利要求1所述的一种耦合仿生六边形织构耐磨减阻表面的制备方法，其特征是：

所述步骤一、取材，进行预处理

选择45号钢，利用磨床对45号钢进行表面预处理，待45号钢表面粗糙度达到Ra＝3.2μm，预处理结束；

所述步骤二、机械加工

设定加工的六边形织构尺寸，六边形边长为3μm，六边形平行边距离为6.2μm，对数控铣床的刀具行走路线进行编程，进而对预处理后的45号钢进行机械加工，得到45号钢的表面形貌为正六边形织构；

所述步骤三、激光热处理

在经过机械加工后的45号钢表面涂上吸收层，吸收层由50％二硫化钼和50％碳粉用酒精混合制成，设置激光器加工参数为激光束功率1000W、移动速度为300mm/min，最终得到光斑尺寸为3.2mm*3.2mm，对涂好吸收层后的45号钢表面进行激光热处理加工；

所述步骤四、表面抛光处理

把经过激光热处理后得到的45号钢利用水磨砂纸，从400目到2000目对金属钢材表面依次打磨抛光至Ra＝0.2μm，得到耦合仿生非光滑六边形织构表面。