CN105858594A - 钢结构的表面加工方法 - Google Patents

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汪家道
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    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00206—Processes for functionalising a surface, e.g. provide the surface with specific mechanical, chemical or biological properties

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Abstract

本发明涉及钢结构的表面加工方法，其包括以下步骤：提供一轴承钢，在轴承钢表面通过胶体自组装的方法形成一SiO2单层膜，该SiO2单层膜由单层SiO2胶体微球排列形成；采用激光对所述轴承钢表面的SiO2单层膜进行激光照射处理，使能量分布集中于SiO2单层膜下的轴承钢表面，对轴承钢进行刻蚀；以及去除所述轴承钢表面残留的SiO2单层膜，在轴承钢的表面形成纳米微结构。

Description

钢结构的表面加工方法
技术领域
本发明涉及一种钢结构的表面加工方法，特别是涉及一种基于自组装薄膜的钢结构的表面加工方法。
背景技术
表面织构就是人为的在摩擦副表面加工出来按一定规则分布的几何特征，如凹坑、沟槽等。其减小摩擦磨损的机理普遍认为是，微凹坑结构可以充当局部的流体动压轴承，从而产生附加的流体压力。同时微凹坑结构作为储油池向摩擦副表面提供润滑油，此外，表面微凹坑结构能够容纳下微小的磨削，减少由于这些磨粒带来的磨粒磨损。最终达到降低摩擦副表面摩擦阻力，减小摩擦副在运转过程中噪声的效果。研究发现，凹坑型织构可以显著减小摩擦力，改善摩擦扭矩，并延长摩擦副在实际工况中的使用寿命。表面微织构在活塞等低副表面可实现减小摩擦磨损的效果，然而对于轴承钢等高摩擦副来说，由于摩擦副接触面积小，因此要减小摩擦磨损需降低表面微织构的尺寸。故此需要选择合适的加工方法来实现纳米级精度的表面微织构制备。
对于表面微织构的制备，在众多加工方法中激光表面织构加工技术以其加工精度高、加工速度快、可控性好、非接触式、对材料的依赖性小等优势脱颖而出，从而被广泛应用于表面织构的加工过程当中。飞秒激光由于其脉宽短，峰值功率密度高，与物质相互作用时发生强烈的多光子吸收过程。在极短时间内产生数量确定的大量自由电子，克服了物质本身在小空间范围内固有自由电子分布的随机性。从而能够保证后续物理过程的确定性，大大提高了飞秒激光加工的精密程度。虽然飞秒激光器在加工质量上有了质的突破，但也存在一些问题，利用普通的聚焦镜直接聚焦进行激光加工的方法，在进行微尺度加工时具有一定的局限性。为了获得小聚焦光斑，通常需要使用具有足够小焦距的聚焦镜，由于镜头距离待加工表面非常近，在加工过程中，由于激光作用导致的材料蒸发和喷射非常容易造成镜头污染，从而使得整体加工成本较高。
近场光学技术具有超衍射极限的空间分辨率，将其引入到激光诱导直接刻蚀领域，使两种技术相结合，可实现纳米尺度的激光诱导直接刻蚀。基于近场光学效应的表面微结构加工具有精度高、效率高等优点，可实现纳米级精度的加工，然而需要一定的聚焦媒介来对激光加工的形貌进行控制。因此目前针对各种表面微结构的需求，近场光学效应的加工方法虽然能满足加工精度的要求，然而随着表面微结构要求的复杂及尺寸的缩小，作为模板的聚焦介质很难在待加工表面制备，不能大面积生产。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种制备简单，可大面积生产的钢结构的表面加工方法。
一种钢结构的表面加工方法，其包括以下步骤：提供一轴承钢，在轴承钢表面通过胶体自组装的方法形成一SiO2单层膜，该SiO2单层膜由单层SiO2胶体微球排列形成；采用激光对所述轴承钢表面的SiO2单层膜进行激光照射处理，使能量分布集中于SiO2单层膜下的轴承钢表面，对轴承钢进行刻蚀；以及去除所述轴承钢表面残留的SiO2单层膜，在轴承钢的表面形成纳米微结构。
相对于现有技术，本发明提供的钢结构的表面加工方法具有以下优点：一、利用SiO2等透明微球优良的聚焦作用，提高了激光加工分辨率，制备出纳米尺寸的表面微织构；二、通过采用简单快速的自组装技术结合激光加工技术，效率高、操作简单、易于控制的特点，有利于大面积工业化制备。
附图说明
图1是SiO2微球沉积过程的示意图。
图2是SiO2微球在基底表面形成单层膜的示意图。
图3是钢结构加工后表面的纳米微结构的示意图。
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明提供的一种钢结构的表面加工方法作进一步说明。
请参阅图1及图2，本发明提供一种钢结构的表面加工方法，其包括以下步骤：
S1，提供一钢基底，在钢基底表面通过胶体自组装的方法形成一SiO2单层膜；
S2，采用激光对所述钢基底表面的SiO2单层膜进行激光照射处理，使能量分布集中于SiO2单层膜下的钢基底表面，对钢基底进行刻蚀；
S3，去除钢基底表面残留的SiO2单层膜，在钢基底表面形成纳米微结构。
在步骤S1中，所述钢基底用于摩擦系统中，具体地，该钢基底为摩擦副元件，如活塞、轴承等。所述钢基底即采用为钢结构，优选为轴承钢，所述轴承钢表面可为任意曲率半径的曲面。在钢基底表面可采用胶体自组装的方法形成SiO2单层膜，所述SiO2单层膜是由单层SiO2胶体微球排列形成。所述胶体自组装的方法即是采用静电引力的自组装方法。如图1，所述静电引力自组装方法的原理为：将钢基底表面和SiO2胶体微球处理为带电性相反的电荷，在长程吸引力的作用下，该胶体微球会被吸附到所述钢基底表面，又由于胶体微球间是排斥力，但同时已吸附胶体微球侧面的双电层变薄，斥力降低，所以胶体微球便会优先移动到已吸附胶体微球的侧面，使得胶体微球在钢基底表面组装成为单层膜。
具体地，在所述钢基底表面制备SiO2单层膜的方法包括以下步骤：
S11，对所述钢基底表面进行表面改性处理，使得该钢基底表面带有电荷；
S12，配制SiO2溶液，并使得溶液中SiO2胶体微球所带电荷与钢基底表面电荷相反；
S13，将钢基底置于所述SiO2溶液中静置，再取出晾干。
在步骤S11中，对钢基底表面进行表面改性可采用电解质溶液浸润的方法。具体地，首先配制聚阳离子电解质PDDA(邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯)浓度为4g/L、NaCl浓度为0.05mol/L的混合电解质溶液；室温下，再将钢基底表面置于上述混合电解质溶液中15分钟，取出后用去离子水冲洗钢基底表面，去除残留电解质溶液并采用氮气吹干。经过上述改性处理后，所述钢基底表面带有正电荷。
进一步，在对所述钢基底表面改性处理之前，还可包括对该钢基底表面清洗的步骤，用以去除钢基底表面残留的污渍。具体地，在该钢基底表面依次采用丙酮、乙醇、去离子水各清洗5分钟，清洗完毕再采用氩气吹干。
在步骤S12中，所述SiO2溶液是SiO2胶体微球、水和乙醇的混合溶液。本实施例中，为了保证SiO2溶液具有很好的均匀性和流动性，将浓度为2.5%(W/V)的SiO2溶液与无水乙醇按体积比为1：30进行稀释得到分散均匀的SiO2溶液，并且所述SiO2溶液中SiO2胶体微球为单分散的纳米微球。可以理解，配制SiO2溶液不限于上述比例关系，只要确保所配制的SiO2溶液中SiO2胶体微球能够均匀单分散即可。本实施例中，所述SiO2胶体微球的直径为900纳米，该SiO2胶体微球带有负电荷。
在步骤S13中，由于所述钢基底表面所带电荷与所述SiO2胶体微球所带电荷电性相反，在静电引力的作用下，该SiO2胶体微球易被吸附到该钢基底表面。又由于胶体微球间为排斥力，同时已吸附于钢基底表面的胶体微球侧面的双电层变薄，斥力降低，胶体微球会优先移动到已吸附微球的侧面，所以，吸附于钢基底表面的胶体微球易形成为单层膜，并且SiO2单层膜的形成对钢基底表面的弧度没有限制，可在任意曲率半径的钢基底表面成膜。所述钢基底表面在SiO2溶液中静置，待在钢基底表面形成SiO2单层膜后取出，并将钢基底表面上残留的溶剂晾干。所述静置的时间为25-35分钟。可以理解，所述钢基底在SiO2溶液中静置时间过短，钢基底表面吸附的SiO2胶体微球数量较少，且排列稀疏，使得形成的SiO2单层膜不够致密；所述钢基底在SiO2溶液中静置时间过长，可能会导致SiO2胶体微球在钢基底表面沉积的数量过多，产生堆积现象，从而不能得到SiO2单层膜。本实施例中，所述钢基底表面在SiO2溶液中静置时间为30分钟。
在步骤S2中，当激光对SiO2单层膜照射时，该SiO2单层膜中的胶体微球起到聚焦的作用，使得钢基底表面的能量分布主要集中于微球下区域。由于激光对固体材料表面的作用方式以热效应为主，当激光照射区域温度升高达到表面熔化、气化甚至等离子化的温度阈值时，就会引发表面材料的相变，将固体材料从表面剥离。当激光作用结束时表面冷却，冷却的熔化或气化的材料与剥离的区域共同形成了表面织构，如表面凹坑结构。然而当激光强度不足以使激光照射区温度提高到表面材料熔化或气化时，材料由于受热等作用内部结构会发生变化，导致产生表面微凸体。进一步，由于采用的胶体微球为单层排列，微球间没有堆积现象并且排列较为紧密，从而避免了因微球堆积导致的激光能量不能很好汇聚的现象。
本实施例中，为了在钢基底表面得到凹坑形貌，激光器的参数调整为波长为800 nm、脉宽为12 fs、重复频率为100 Hz、激光单脉冲能量密度为10-60 mJ/cm2。由于胶体微球对激光的聚焦作用，将激光单脉冲能量密度定为10-60 mJ/cm2，可使胶体微球所产生的能量增强效果能够达到钢基底的破坏阈值，从而使钢基底表面材料产生熔化或气化，从而形成钢基底表面的凹坑结构。可以理解，若激光单脉冲能量密度太小不足以达到钢基底的破坏阈值，从而不会在钢基底表面形成痕迹；若激光单脉冲能量密度太大，钢基底表面的SiO2单层膜会发生熔融，从而使得SiO2单层膜失去聚焦作用。本实施例中，所采用的激光照射SiO2单层膜后，得到的钢基底表面纳米级凹坑排列紧密，且相邻凹坑中心在1微米左右。
进一步，所述钢基底可设置在旋转台上，调整激光聚焦位置，旋转钢基底可实现激光在SiO2单层膜表面的整体扫描照射，从而可实现大面积制备具有一定深度的凹坑形貌。
在步骤S3中，可依次采用丙酮、乙醇、去离子水各清洗钢基底表面5分钟，以去除表面残留的SiO2薄膜及产生的钢基底残渣。
如图3所示，所述钢基底表面经过清洗后，呈现凹坑形貌规整的结构。本实施例中，将该表面带有凹坑织构的轴承钢与无织构的材料表面用摩擦磨损试验机进行表面摩擦系数的对比，实验结果显示，有凹坑织构的轴承钢摩擦系数较未经处理轴承钢摩擦系数有一定程度的降低，在4.2%～9.3%之间。同时，利用扫描电子显微镜对划痕进行对比，未经处理的轴承钢划痕较明显，在表面加工出凹坑后划痕变浅，变窄，并且有凹坑处划痕更浅，这说明凹坑有利于润滑油的存储，利于成膜，承载能力高。
本发明提供的钢结构的表面加工方法，利用SiO2等透明微球优良的聚焦作用，提高了激光加工分辨率，制备出纳米尺寸的表面微织构；通过采用简单快速的自组装技术，可克服摩擦副弯曲壁面对沉积均匀性的影响，并可控制SiO2等透明微球在待加工表面沉积数量，进而获得需要的凹坑密度；该方法得到的均匀的凹坑密度，可使得钢表面的摩擦磨损性能及承载能力提高；采用激光加工具有效率高、操作简单、易于控制的特点，有利于大面积工业化制备。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种钢结构的表面加工方法，其包括以下步骤：
提供一轴承钢，在轴承钢表面通过胶体自组装的方法形成一SiO2单层膜，该SiO2单层膜由单层SiO2胶体微球排列形成；
采用激光对所述轴承钢表面的SiO2单层膜进行激光照射处理，使能量分布集中于SiO2单层膜下的轴承钢表面，对轴承钢进行刻蚀；以及
去除所述轴承钢表面残留的SiO2单层膜，在轴承钢的表面形成纳米微结构。
2.如权利要求1所述的钢结构的表面加工方法，其特征在于，在所述轴承钢表面制备SiO2单层膜的方法包括以下步骤：
对所述轴承钢表面进行表面改性处理，使得该轴承钢表面带有电荷；
配制SiO2溶液，并使得溶液中SiO2胶体微球所带电荷与所述轴承钢表面电荷相反；
将该轴承钢置于所述SiO2溶液中静置，再取出晾干。
3.如权利要求2所述的钢结构的表面加工方法，其特征在于，对所述轴承钢表面进行表面改性处理的电解质溶液为PDDA和NaCl的混合电解质溶液。
4.如权利要求2所述的钢结构的表面加工方法，其特征在于，所述SiO2溶液中SiO2胶体微球为单分散的纳米微球，该SiO2胶体微球通过静电引力吸附于轴承钢的表面形成SiO2单层膜。
5.如权利要求2所述的钢结构的表面加工方法，其特征在于，在对所述轴承钢表面进行改性处理之前，进一步包括对该轴承钢表面清洗的步骤。
6.如权利要求1所述的钢结构的表面加工方法，其特征在于，所述轴承钢表面为任意曲率半径的曲面。
7.如权利要求1所述的钢结构的表面加工方法，其特征在于，所述激光的单脉冲能量密度为10-60 mJ/cm2。
8.如权利要求1所述的钢结构的表面加工方法，其特征在于，进一步，所述轴承钢设置在一旋转台上，旋转轴承钢使激光在所述SiO2单层膜表面进行整体扫描照射。
9.如权利要求1所述的钢结构的表面加工方法，其特征在于，依次采用丙酮、乙醇、去离子水清洗轴承钢表面，以去除所述轴承钢表面残留的SiO2薄膜及轴承钢产生的残渣。
10.一种钢结构的表面加工方法，其包括以下步骤：
提供一钢结构，在钢结构表面通过胶体自组装的方法形成一SiO2单层膜；
采用激光对所述钢结构表面的SiO2单层膜进行激光照射处理，使能量分布集中于SiO2单层膜下的钢结构表面，对钢结构进行刻蚀；以及
去除所述钢结构表面残留的SiO2单层膜，在钢结构的表面形成纳米微结构。
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