CN111139507B - 一种基于电控摩擦的金属表面刻录着色装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电控摩擦的金属表面刻录着色装置,属于金属表面处理技术领域。本装置包括刻录端头、筒形电极、把手和电源。筒形电极与把手相对固定,刻录端头固定在筒形电极的端部,待加工试样置于刻录端头下部,待加工试样与刻录端头头及筒形电极之间置有液体介质,电源的两极分别与刻录端头和待加工试样相连。在待加工试样与筒形电极之间施加电压,上述装置能够在金属表面进行摩擦刻录和着色。通过施加反向电压,可以实现着色的去除。本发明在微纳米加工、手工标记、信息记录、装饰、织构、耐磨耐蚀等领域中有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电控摩擦的金属表面刻录着色装置,属于金属表面处理技术领域。
背景技术
在金属及合金的储存或使用过程中,往往需要对其表面进行标记或改性处理。针对金属表面的刻录技术主要有机械刻写、激光刻写和等离子刻蚀等。机械刻写又包括手工刻写和电动刻写两种,分别在专利99229431.2和专利201621465603.X中有所描述。激光刻写,又称激光雕刻加工,是另一种发展成熟的加工手段。其与机械刻写的不同在于,激光刻写一般是利用数控技术为基础,激光为加工媒介。加工材料在激光雕刻照射下瞬间的熔化和气化的物理变性,能实现激光雕刻并达到表面加工的目的。等离子刻蚀是一种常见的干法刻蚀形式,常用于集成电路制造中,其原理主要是利用反应气体在射频功率的激发下电离从而形成的等离子体而进行表面加工及改性。
上述三种加工方式均具有精度高、速度快、适用材料多且应用领域广泛的优势,但其缺点在于无法实现对金属表面颜色的调试。此外,对于激光刻写和等离子刻蚀来说,激光或等离子体的获得需要结构复杂的激光光纤雕刻机或等离子刻蚀机等设备,对工作环境要求高且设备维护困难。
电控摩擦是本申请人在1998年提出的一种摩擦主动控制技术。在专利98111715.5中,发明人首次描述了一种通过施加外加电场对金属/陶瓷摩擦副的摩擦系数进行主动控制的方法;在专利200510011224.3中,发明了一种摩擦系数可主动控制的摩擦离合器;在专利200910241957.4中,公开了一种表面活性剂水溶液中金属摩擦副摩擦系数的主动控制方法;在专利201310002692.9中,公开了一种润滑剂、摩擦副及控制摩擦副之间摩擦系数的方法。此类电控摩擦的主要原理在于利用电场作用下润滑液中颗粒、分子或离子的定向吸附而实现的摩擦系数的主动控制。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于电控摩擦的金属表面刻录着色装置,利用摩擦过程中的能量,降低阳极氧化的反应势垒或活化能的阈值,并改变反应后生成膜的结构,从而实现了金属表面的刻录着色。
本发明提出的基于电控摩擦的金属表面刻录着色装置,包括刻录端头、筒形电极、把手和电源,所述的筒形电极与把手相对固定,所述的刻录端头固定在筒形电极的端部,待加工试样置于刻录端头下部,待加工试样与刻录端头之间置有液体介质,所述的电源的两极分别与刻录端头和待加工试样相连。
上述金属表面刻录着色装置中,所述的液体介质为酯类、醇类或水中的任何一种或多种的混合物。
上述金属表面刻录着色装置中,所述的液体介质中加有二硫化钼、石墨烯或氮化硼固体颗粒,固体颗粒的颗粒度为50纳米~5微米。
本发明提出的基于电控摩擦的金属表面刻录着色装置,其优点是:
本发明的基于电控摩擦的金属表面刻录着色装置,利用摩擦过程中的能量,降低了电化学过程尤其是阳极氧化的反应势垒或活化能的阈值,并改变了反应后生成膜的结构,从而实现了金属表面的刻录着色。而且可以通过施加反向电压,实现着色的去除。本发明的金属表面刻录着色装置,与已有技术中的机械刻写、激光刻写及等离子刻蚀等传统技术相比,本发明的设备简单,操作便捷,且颜色可以通过改变溶液成分进行主动调节;与已有的微弧氧化或阳极氧化等表面着色方法相比,具有着色位置可控的优势。本发明在微纳米加工、手工标记、信息记录、装饰、织构、耐磨耐蚀等领域中有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于电控摩擦的金属表面刻录着色装置的结构示意图。
图1中,1是刻录端头,2是待加工试样,3是液体介质,4是筒形电极,5是把手,6是电源。
具体实施方式
本发明提出的基于电控摩擦的金属表面刻录着色装置,其结构如图1所示,该装置包括刻录端头1、筒形电极4、把手5和电源6,所述的筒形电极4与把手5相对固定,所述的刻录端头1固定在筒形电极4的端部,待加工试样2置于刻录端头1下部,待加工试样2与刻录端头1及筒形电极4之间置有液体介质3,所述的电源6的两极分别与刻录端头1和待加工试样2相连。
上述金属表面刻录着色装置中的液体介质,可以是酯类、醇类或水中的任何一种或多种的混合物。
上述金属表面刻录着色装置中,所述的液体介质中加有二硫化钼、石墨烯或氮化硼固体颗粒,固体颗粒的颗粒度为50纳米~5微米。
本发明提出的基于电控摩擦的金属表面刻录着色装置中,刻录端头1的材料可以为金刚石、陶瓷或其复合材料,其形状可以为球形或锥形。筒形电极4的材料可以为金属、合金或者石墨,把手5使用绝缘材料制作,以便于人工或机械的握取及载荷施加。
待加工试样2为金属或合金材料,在刻录着色中作为电极之一。待加工试样2的表面与筒形电极4之间,需要加入酯类、醇类或水作为液体介质,以形成闭合回路。在待加工试样2与筒形电极4之间施加电压,便能够在金属表面进行摩擦刻录和着色。通过施加反向电压,可以实现着色的去除。
刻录着色前对待加工试样2的表面进行研磨、抛光、清洗及干燥,并将其固定在刻录端头1的底部。之后,在待加工试样2的表面和筒形电极4构成的电极之间加入液体介质3。在电极之间施加电压,在一定载荷范围和一定时间内,实现在金属表面的刻录和着色等改性处理。
刻录端头1的陶瓷材料可以为氧化铝、氮化硅或氧化锆,液体介质3可以为水、碳酸丙烯酯或丁二酸二乙酯,液体介质3中可以分散有二硫化钼、石墨烯或氮化硼颗粒,浓度为0.1~10g/L。
待加工试样2的材料为纯钛、钛合金、铜。
下面结合实施例对本发明的技术方案进一步说明:
实施例1:
使用氧化锆陶瓷球为刻录端头,不锈钢为套筒电极,聚四氟乙烯柱为把手,纯钛作为待加工试样。刻录着色前对待加工试样表面进行研磨、抛光、清洗及干燥,并将其固定在刻录端头的底部。加工过程中,使用可控环境摩擦磨损仪施加的载荷是2N,频率1Hz,往复距离5mm。采用滴加的方式,将碳酸丙烯酯加入到刻录端头与下试样及套筒电极之间。选用普通直流电源为外加电源,控制其输出电压为1.5V,其中待加工试样为正电极,套筒电极为负电极,设定刻录时间为10min。刻录完成后,取出纯钛试样并清洗吹干。在肉眼及显微镜观察下,发现刻录区域呈现蓝色,与基体颜色(未刻录区域)有明显不同。
实施例2:
使用金刚石为刻录端头,不锈钢为套筒电极,聚四氟乙烯柱为把手,纯钛作为待加工试样。刻录着色前对待加工试样表面进行研磨、抛光、清洗及干燥,并将其固定在刻录端头的底部。加工过程中,使用可控环境摩擦磨损仪施加的载荷是2N,频率1Hz,往复距离5mm。采用滴加的方式,将碳酸丙烯酯加入到刻录端头与下试样及套筒电极之间。选用普通直流电源为外加电源,控制其输出电压为1.5V,其中待加工试样为正电极,套筒电极为负电极,设定刻录时间为5min。刻录完成后,取出纯钛试样并清洗吹干。在肉眼及显微镜观察下,发现刻录区域呈现蓝色,与基体颜色(未刻录区域)有明显不同。
实施例3:
使用氧化锆陶瓷球为刻录端头,不锈钢为套筒电极,聚四氟乙烯柱为把手,纯钛作为待加工试样。刻录着色前对待加工试样表面进行研磨、抛光、清洗及干燥,并将其固定在刻录端头的底部。加工过程中,使用可控环境摩擦磨损仪施加的载荷是2N,频率1Hz,往复距离5mm。采用滴加的方式,将水加入到刻录端头与下试样及套筒电极之间。选用普通直流电源为外加电源,控制其输出电压为0.5V,其中待加工试样为正电极,套筒电极为负电极,设定刻录时间为5min。刻录完成后,取出纯钛试样并清洗吹干。在肉眼及显微镜观察下,发现刻录区域呈现蓝色,与基体颜色(未刻录区域)有明显不同。
实施例4:
使用氧化锆陶瓷球为刻录端头,不锈钢为套筒电极,聚四氟乙烯柱为把手,铜作为待加工试样。刻录着色前对待加工试样表面进行研磨、抛光、清洗及干燥,并将其固定在刻录端头的底部。加工过程中,使用可控环境摩擦磨损仪施加的载荷是3N,频率1Hz,往复距离5mm。采用滴加的方式,将含有1g/L MoS2颗粒的丁二酸二乙酯加入到刻录端头与下试样及套筒电极之间。选用普通直流电源为外加电源,控制其输出电压为20V,其中待加工试样为正电极,套筒电极为负电极,设定刻录时间为10min。刻录完成后,取出铜试样并清洗吹干。在肉眼及显微镜观察下,发现刻录区域呈现黑色,与基体颜色(未刻录区域)有明显不同。
实施例5:
使用氧化铝陶瓷球为刻录端头,不锈钢为套筒电极,聚四氟乙烯柱为把手,铜作为待加工试样。刻录着色前对待加工试样表面进行研磨、抛光、清洗及干燥,并将其固定在刻录端头的底部。加工过程中,使用可控环境摩擦磨损仪施加的载荷是3N,频率1Hz,往复距离5mm。采用滴加的方式,将含有1g/L氮化硼颗粒的丁二酸二乙酯加入到刻录端头与下试样及套筒电极之间。选用普通直流电源为外加电源,控制其输出电压为10V,其中待加工试样为正电极,套筒电极为负电极,设定刻录时间为10min。刻录完成后,取出铜试样并清洗吹干。在肉眼及显微镜观察下,发现刻录区域呈现白色,与基体颜色(未刻录区域)有明显不同。
实施例6:
使用氧化锆陶瓷球为刻录端头,不锈钢为套筒电极,聚四氟乙烯柱为把手,钛合金作为待加工试样。刻录着色前对待加工试样表面进行研磨、抛光、清洗及干燥,并将其固定在刻录端头的底部。加工过程中,使用可控环境摩擦磨损仪施加的载荷是2N,频率1Hz,往复距离5mm。采用滴加的方式,将碳酸丙烯酯加入到刻录端头与下试样及套筒电极之间。选用普通直流电源为外加电源,控制其输出电压为1.5V,其中待加工试样为正电极,套筒电极为负电极,设定刻录时间为20min。刻录完成后,取出钛合金试样并清洗吹干。在肉眼及显微镜观察下,发现刻录区域呈现蓝色,与基体颜色(未刻录区域)有明显不同。
Claims (1)
1.一种基于电控摩擦的金属表面刻录着色装置,其特征在于,该装置包括刻录端头、筒形电极、把手和电源,所述的筒形电极与把手相对固定,所述的刻录端头固定在筒形电极的端部,待加工试样置于刻录端头下部,待加工试样与刻录端头及筒形电极之间置有液体介质,所述的电源的两极分别与筒形电极和待加工试样相连,其中的筒形电极为负极,待加工试样为正极;所述的液体介质为酯类、醇类或水中的任何一种或多种的混合物;所述的液体介质中加有二硫化钼、石墨烯或氮化硼固体颗粒,固体颗粒的颗粒度为50纳米~5微米,所述的刻录端头的材料为金刚石、陶瓷或金刚石和陶瓷的复合材料。
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CN111139507A (zh) | 2020-05-12 |
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