CN112139601B - 一种在金属带锯条表面制备点阵微结构的方法及带锯条 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在金属带锯条表面制备点阵微结构的方法及带锯条:将所述带锯条铺设于底板上,将定位板铺设于带锯条的上表面,再将圆形金刚石颗粒铺撒于定位板上,使得定位板的每个定位孔都被1个金刚石颗粒填充;然后将底板朝某一方向倾斜,使得定位板上未填充到定位孔内的金刚石颗粒从定位板上滚落,保留定位孔中的金刚石颗粒,待未填充到定位孔内的金刚石颗粒全部滚落至定位板外后,将底板恢复到水平状态;在定位板上由下至上依次覆盖一层吸收层和一层约束层,再进行激光冲击,形成点阵微结构。本发明的方法不仅能在锯条表面制备点阵微结构,而且可以避免锯条表面产生微损伤,同时还能在锯条表面产生残余压应力。
Description
技术领域
本发明涉及一种在金属带锯条表面制备点阵微结构的方法及带锯条,属于带锯条生产领域。
背景技术
金属带锯条在工作过程中,因摩擦产生的热量会使带锯条的温度急剧上升,如温度过高则会使锯条的机械性能下降,从而影响锯条的使用寿命。因此在锯条的实际生产过程中,会采用物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)在锯条表面制备一层涂层,以提高锯条的耐磨性及导热性,从而缓解摩擦对锯条的损害。由于涂层与基体的结合强度将直接影响涂层的性能,因此在进行涂层制备前需对锯条表面进行预处理,通常是采用某种表面处理工艺对锯条进行预处理,以获得清洁、均匀且具有一定粗糙度的微结构表面,从而有效增强涂层(如TiN涂层、TiAlN涂层、AlCrN涂层等PVD涂层及纳米蓝等涂层)的粘附力。
微结构指材料表而形成的具有不同几何参数和分布特征的微凹坑、微沟槽、微凸起等阵列结构。阵列结构可以有效增大锯条表面的粗糙度、比表面积及表面润湿性。此外,阵列结构还可以改善锯条与被锯材料间的摩擦状况,从而减缓涂层及锯条表面的磨损。
目前,常用的表面处理工艺包括打磨、喷砂等,该方法是通过去除局部材料来增加表面粗糙度,但是,在去除材料的同时会使材料表面产生残余拉应力或微损伤,从而影响锯条的性能。此外,上述方法的稳定性和可重复性较差,因此难以实现阵列微结构的加工。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的之一在于提供一种在金属带锯条表面制备规则的点阵微结构的方法;本发明的目的之二在于提供一种带锯条。
一种在金属带锯条表面制备点阵微结构的方法,所述点阵微结构由多个圆形凹坑呈方形阵列状排布而成,优选地,呈方形阵列状排布,包括如下步骤:
S1、提供待处理的金属带锯条、底板和定位板;
其中,所述定位板上开设有多个贯穿定位板顶面和底面的圆形定位孔,所述多个定位孔呈方形阵列排布(沿横向和纵向看,相邻定位孔的圆心距均相等);
S2、将所述带锯条铺设于底板上,将定位板铺设于带锯条的上表面,再将圆形金刚石颗粒铺撒于定位板上,使得定位板的每个定位孔都被1个金刚石颗粒填充;然后将底板朝某一方向倾斜,使得定位板上未填充到定位孔内的金刚石颗粒从定位板上滚落,保留定位孔中的金刚石颗粒,待未填充到定位孔内的金刚石颗粒全部滚落至定位板外后,将底板恢复到水平状态;
其中,所述底板的顶面与水平面平行;所述定位孔的直径与金刚石颗粒的直径相等,金刚石颗粒的直径为200-600μm,定位板的厚度为金刚石颗粒的直径的1/2-2/3倍;相邻定位孔之间的圆心距等于所述点阵微结构的相邻圆形凹坑之间的圆心距;
S3、在定位板上由下至上依次覆盖一层吸收层和一层约束层,再采用激光束从上往下对带锯条的上表面进行激光冲击,利用激光冲击压力,使得定位孔内的金刚石颗粒被压入带锯条表面,形成点阵微结构;
其中,所述激光束的光斑为正方形平顶光斑,光斑的边长为3-6mm,脉宽为8-16ns,脉冲能量≤10J。
进一步地,S1中,所述底板由金属制成,底板的声阻抗大于带锯条的声阻抗,且厚度大于5mm,进一步为1cm以上。
进一步地,S2中,底板的倾斜角度为15-25°,进一步为18-22°。
进一步地,S3中,所述吸收层的厚度为50-150μm,进一步为80-120μm。
进一步地,S3中,所述吸收层由黑色胶带制成。
进一步地,S3中,所述约束层的厚度为0.5-2mm,进一步为1-1.5mm。
进一步地,S3中,所述约束层由K9玻璃制成。
进一步地,S3中,进行激光冲击时,相邻光斑的边缘刚好重合,如此,使得激光冲击时,各光斑的重叠率为0%,带锯条各区域所受的冲击力大小相同,有助于获得更为均匀的点阵微结构。
进一步地,所述带锯条的厚度为0.8-2mm。
进一步地,相邻定位孔之间的圆心距为700-900μm,更进一步为750-850μm。基于同一发明构思,本发明还提供一种带锯条,带锯条的至少一个表面具有利用如上所述的方法制备的点阵微结构。
本发明的方法不仅能在锯条表面制备点阵微结构,而且可以避免锯条表面产生微损伤,同时还能在锯条表面产生残余压应力。此外,通过控制点阵微结构的排列可以有效改变锯条表面的润湿性,使锯条表面具有亲水性甚至超亲水性,从而有效提高锯条表面与涂层的结合强度。
本发明中,采用短脉冲(ns级)、高功率密度(GW/cm2级)的激光照射到吸收层时可导致材料表面发生等离子体爆炸,从而形成GPa量级的冲击波。由于金刚石颗粒的直径大于定位板的厚度,因此吸收层没有直接与定位板接触,而是与高出定位板的金刚石颗粒的部分区域接触,因此透过吸收层的冲击波会直接传递到金刚石颗粒而不会传递到定位板。由于金刚石颗粒与带锯条的接触面积较小(刚开始为点接触),当金刚石颗粒受到冲击波压力后,会迅速被压入金属带锯条表面,使金属带锯条表面产生塑性变形形成凹坑,从而使锯条表面产生残余压应力,并形成点阵微结构。
另外,本发明中,点阵微结构的凹坑尺寸、圆心距等尺寸参数容易控制,通过定位孔排布形式及相关尺寸以及金刚石颗粒尺寸的调控,即可实现控制,从而更好地控制带锯条的表面性能,有助于提升带锯条与其表面需要进一步涂覆的涂层的结合强度。具体理由如下:
如下为Wenzel方程:
cosθw=rwcosθe
当带锯条表面的圆形凹坑呈方形阵列排布时,有如下关系式:
其中,θw表示Wenzel状态下表面的接触角,θe表示只有低表面能修饰的光滑表面的固有接触角,rw表示粗糙度因子,即粗糙表面的实际接触面积与表观固/液接触面积之比,D为金刚石颗粒的直径,P为凹坑深度,H为圆心距。
对于带锯条而言,当带锯条表面为光滑表面时固有接触角θe一般小于90°,由Wenzel方程可知,当对带锯条进行表面粗糙化后,使得rw>1,则会导致θw<θe,使得带锯条表面的接触角更小,亲水性更好,从而使带锯条表面的润湿性更好,从而可以提高涂层与带锯条表面的结合强度。
附图说明
图1是本发明的在金属带锯条表面制备的点阵微结构的原理示意图。
图2是去掉多余金刚石颗粒后定位孔中金刚石颗粒分布示意图。
图3是激光冲击后带锯条表面情况示意图。
图4是单个凹坑部位的断面放大图。
图中,1-带锯条;2-底板;3-定位板;4-金刚石颗粒;5-吸收层;6-约束层;7-激光源;8-定位孔,9-凹坑,d-凹坑直径,H-圆心距,D-金刚石颗粒的直径,P-凹坑深度。
具体实施方式
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便,下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样,仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致,并不对结构起限定作用。
实施例1
以背材为D6A弹簧钢、齿材为M42高速钢焊接而成的厚1mm的金属带锯条为例,一种在金属带锯条表面制备规则的点阵微结构的方法,包括以下步骤:
(1)将表面待处理的带锯条1放置在水平放置的厚5mm的TC4钛合金底板2上,将厚度W为200μm,定位孔直径为400μm,圆心距H为800μm的定位板3放置在带锯条1上;
其中,所述定位板3上开设有多个贯穿定位板顶面和底面的圆形定位孔,所述多个定位孔呈方形阵列排布,即沿横向和纵向看,相邻定位孔之间的圆心距均为800μm;
(2)将直径D为400μm的多个金刚石颗粒4铺撒在定位板3上,使定位板的每个圆形定位孔都被金刚石颗粒填充,将金属底板2朝某一方向倾斜20°,使未被填充到定位孔的金刚石颗粒4从定位板3上滚落,只保留定位孔中的金刚石颗粒4,待未被填充到定位孔的金刚石颗粒4从定位板3上全部滚落后再将金属底板2恢复到水平(如图2);
(3)在定位板3上贴一层厚度为100μm的黑色胶带,作为吸收层5,在吸收层5上覆盖一厚度为1mm的层K9玻璃,作为约束层6;
(4)开启激光源7,对带锯条表面进行激光冲击,金刚石颗粒4在冲击波压力的作用下会被压入锯条表面,使锯条表面产生圆形点阵微坑(凹坑),微坑的直径d为400μm,圆心距为800μm(如图3),最终形成点阵微结构(横向、纵向的相邻凹坑之间的圆心距均为800μm),其中,进行激光冲击时,所用激光的光斑为边长为3mm的正方形平顶光斑,脉宽为10ns,脉冲能量5J;保持各光斑的边缘刚好重合;
(5)按照步骤(1)-(4)对金属带锯条的另一表面进行圆形点阵微结构的制备。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明,而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。
Claims (9)
1.一种在金属带锯条表面制备点阵微结构的方法,其特征在于,所述点阵微结构由多个圆形凹坑呈方形阵列状排布而成,包括如下步骤:
S1、提供待处理的金属带锯条(1)、底板(2)和定位板(3);
其中,所述定位板(3)上开设有多个贯穿定位板顶面和底面的圆形定位孔,所述多个定位孔呈方形阵列排布;
S2、将所述带锯条(1)铺设于底板(2)上,将定位板(3)铺设于带锯条(1)的上表面,再将圆形金刚石颗粒(4)铺撒于定位板(3)上,使得定位板(3)的每个定位孔都被1个金刚石颗粒(4)填充;然后将底板(2)朝某一方向倾斜,使得定位板(3)上未填充到定位孔内的金刚石颗粒(4)从定位板(3)上滚落,保留定位孔中的金刚石颗粒(4),待未填充到定位孔内的金刚石颗粒(4)全部滚落至定位板(3)外后,将底板(2)恢复到水平状态;
其中,所述底板(2)的顶面与水平面平行;所述定位孔的直径与金刚石颗粒(4)的直径相等,金刚石颗粒(4)的直径为200-600μm,定位板(3)的厚度为金刚石颗粒(4)的直径的1/2-2/3倍;相邻定位孔之间的圆心距等于所述点阵微结构的相邻圆形凹坑之间的圆心距;
S3、在定位板(3)上由下至上依次覆盖一层吸收层(5)和一层约束层(6),再采用激光束从上往下对带锯条的上表面进行激光冲击,使得定位孔内的金刚石颗粒(4)被压入带锯条表面,形成点阵微结构;
其中,所述激光束的光斑为正方形平顶光斑,光斑的边长为3-6mm,脉宽为8-16ns,脉冲能量≤10J。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,S1中,所述底板(2)由金属制成,底板(2)的声阻抗大于带锯条(1)的声阻抗,且厚度大于5mm。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,S2中,底板(2)的倾斜角度为15-25°。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,S3中,所述吸收层(5)的厚度为50-150μm。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,S3中,所述吸收层(5)由黑色胶带制成。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,S3中,所述约束层(6)的厚度为0.5-2mm。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,S3中,所述约束层(6)由K9玻璃制成。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,S3中,进行激光冲击时,相邻光斑的边缘刚好重合。
9.一种带锯条,其特征在于,带锯条的至少一个表面具有利用如权利要求1-8任一项所述的方法制备的点阵微结构。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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