本發(fā)明涉及用于對(duì)金屬、陶瓷或石頭表面進(jìn)行處理以獲得具有高摩擦系數(shù)的表面的方法，以及可以通過(guò)所述的方法獲得的金屬、陶瓷或石頭表面。
本發(fā)明的目的是用于對(duì)金屬、陶瓷或石頭表面進(jìn)行處理的方法，其包括將激光束以通過(guò)線形成的預(yù)定的幾何圖案施加于待處理的表面上的步驟。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)化的表面可以認(rèn)為是具有脊和谷的規(guī)則圖案的“圖案化的”表面(其相當(dāng)于確定性的描述)，但是存在這樣的“結(jié)構(gòu)化的”表面，其不具有規(guī)則的形態(tài)學(xué)，而是隨機(jī)的(任意的)。結(jié)構(gòu)化的表面的功能是變化的，但是它們的應(yīng)用主要用于摩擦學(xué)。
不同類(lèi)型的機(jī)器的許多組件都是在極度潤(rùn)滑的條件下操作的，其中潤(rùn)滑層太薄以至于不能完全分離接觸面，并且在表面粗糙物之間可以短暫地發(fā)生接觸。在極度潤(rùn)滑的方案中，表面粗糙度和地貌在接觸中對(duì)表面的摩擦學(xué)行為具有重要的影響。因此，粗糙度和地貌的小的變化可以導(dǎo)致接觸表面的摩擦學(xué)行為的顯著改變。
盡管存在基于減少表面之間的摩擦以改變它們的紋理的大量應(yīng)用，但是具有少量其他的應(yīng)用，其中追求的是接觸表面之間摩擦系數(shù)的增加，就此而言，我們必須控制表面的紋理，更具體而言，控制微紋理，由于所形成的幾何細(xì)節(jié)的數(shù)量級(jí)，所以它們是微米級(jí)的。
該應(yīng)用的實(shí)例為船等物體中的主要的推進(jìn)器軸耦合系統(tǒng)。所述的傳輸系統(tǒng)通過(guò)主要引擎與螺旋槳之間存在的所有元件構(gòu)造而成，其中其主要功能是轉(zhuǎn)化并傳輸機(jī)器能量。該系統(tǒng)主要傳輸主要引擎的活塞對(duì)螺旋槳的線性移動(dòng)而生成的扭矩，其次，將螺旋槳生成的推力傳輸至外殼。位于船內(nèi)的一組軸部分稱(chēng)為尾軸。
因?yàn)楦鱾€(gè)間隔必須在傳輸不同扭矩的同時(shí)承受不同的重量，所以這些部分的每一個(gè)都具有不同的直徑。對(duì)于不同的軸部分的連接而言，采用耦合器件，由于錐套的可靠性、組裝和拆卸的速度以及減少的維護(hù)使得它們廣泛地用于造船業(yè)。這些極為重要的耦合器件的性質(zhì)之一是連接的幾何學(xué)，其為在在其部件的維度比例(長(zhǎng)度(l)和直徑(d))之間建立的特征。錐套水力耦合器件是連接軸的極其簡(jiǎn)單的方法。
在無(wú)需保持用于扭矩傳輸?shù)挠偷耐獠繅毫Φ耐瑫r(shí)，避免使用水力產(chǎn)生耦合的建立或釋放的鍵溝或其他機(jī)械連接元件。施加到圓錐形元件上的壓制在其邊界上創(chuàng)建了恒定數(shù)量級(jí)的向心力，其為通過(guò)兩個(gè)軸體的外部表面與錐形套筒的內(nèi)部表面之間的摩擦產(chǎn)生連接的力。這種耦合過(guò)程建立了處于0.13至0.15之間的靜態(tài)摩擦系數(shù)值(μ)，其中待連接的2個(gè)軸部分與內(nèi)部錐形套筒之間的接觸設(shè)置于光滑的機(jī)器表面之間，同時(shí)在使用油潤(rùn)滑的鋼-鋼接觸的船舶定級(jí)機(jī)構(gòu)規(guī)則內(nèi)定義在此給出的摩擦值。
可控的螺距螺旋槳(其中主要推進(jìn)器的軸由實(shí)心變空心，從而在機(jī)械或水力部件的內(nèi)部提供空間，其中所述的機(jī)械或水力組件執(zhí)行槳葉上仰角的改變)的研發(fā)促進(jìn)了研發(fā)的耦合，其中需要在軸部分上較低的接觸壓力，這樣為了使連接有效，將發(fā)生壓制。不同的是，沿著尾軸的這些耦合元件的多個(gè)元件的執(zhí)行意味著以旋轉(zhuǎn)方式與系統(tǒng)耦合的大質(zhì)量的存在，這導(dǎo)致形成明顯的惰性，以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)平衡的問(wèn)題。
鑒于這些原因，如果減少組裝部件的壓力和重量，同時(shí)保持通過(guò)連接而傳輸?shù)牧?，首先必須減少其長(zhǎng)度，并減輕在系統(tǒng)的軸旋轉(zhuǎn)的最遠(yuǎn)端提供的質(zhì)量，這兩點(diǎn)都不利地影響由耦合施加的夾緊力。
首先，根據(jù)每單位面積上施加的力和壓強(qiáng)的定義(f＝p·s(其中f＝力[n]，p＝壓強(qiáng)[n/m2]和s＝表面[m2]))，較小面積的可利用性是指施加于耦合系統(tǒng)的夾緊力。
其次，外部錐形套筒的較低的壁厚是指通過(guò)系統(tǒng)的機(jī)械弱化所施加的接觸壓強(qiáng)較小。
這導(dǎo)致比力的正常組件更小的值，其中所述的力存在于與系統(tǒng)軸向的軸垂直的方向。根據(jù)coulomb摩擦理論，f＝μn(其中f＝力[n]，μ＝靜態(tài)摩擦系數(shù)，和n＝正常值[n])，所設(shè)置的較低的正常值還意味著施加于耦合系統(tǒng)的夾緊力較低。
因此，改進(jìn)軍艦軸形式的耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的最普通的方式是通過(guò)增加接觸面之間的靜態(tài)摩擦系數(shù)值(μ)而取得的，換言之，內(nèi)部錐形套筒的內(nèi)部表面與待耦合的軸末端的外部表面之間。
因此，關(guān)于在軍艦組件構(gòu)建領(lǐng)域中用于增加系統(tǒng)的摩擦系數(shù)的一般實(shí)踐，通過(guò)熱噴技術(shù)(hvof，高速氧燃料標(biāo)準(zhǔn))形成不同材料(wc(碳化鎢)-co-cr,ni-cr-cr3c2,wc-co,ni-基超合金,co-基超合金等)的無(wú)形圖案(0.02-0.03微米)的小顆粒的投射。該工藝涉及極有利的益處，但是也呈現(xiàn)影響耦合器件操作和處理的多個(gè)缺點(diǎn)。
在wc(碳化鎢)的應(yīng)用中，通過(guò)錐套耦合系統(tǒng)(相應(yīng)地稱(chēng)為高摩擦系統(tǒng))的hvof，通常達(dá)到的靜態(tài)摩擦系數(shù)的認(rèn)可的值為0.30。摩擦系數(shù)的這種升高在此類(lèi)耦合器件的性能中為極大的改善，并且基于此，該器件的大小被減小。因此，對(duì)于相同的軸直徑(使用通過(guò)hvof工藝由wc顆粒的投射生成的高摩擦耦合器件)，可以推斷取得了長(zhǎng)度顯著減小(-42％)，重量顯著減輕(-52％)，惰性顯著降低(-55％)，傳輸?shù)呐で@著增加(+23％)。
此外，對(duì)于用于軍艦的軸的錐套耦合系統(tǒng)的情況而言，使用hvof的這種wc涂層具有以下缺點(diǎn)：
-所述的方法是基于將硬顆粒投射在內(nèi)部錐形套筒的內(nèi)部表面上，其在基材與涂層之間具有極強(qiáng)的過(guò)渡區(qū)域，其中所述的涂層堿性組件的機(jī)械性質(zhì)。
-難以保證確切的維度，由于不規(guī)則的表面而具有存在問(wèn)題的安裝工藝。通過(guò)hvof施加的涂層的厚度是不均勻的，并且在尖處可以達(dá)到0.05mm。這表明耦合器件內(nèi)部的軸的滑動(dòng)操作由于已經(jīng)狹窄的間隙邊緣的扼制而變得更加困難。
-在安裝和卸載過(guò)程中對(duì)涂層具有高風(fēng)險(xiǎn)的損傷。在修復(fù)和/或保養(yǎng)操作中實(shí)施的系統(tǒng)的分解過(guò)程中，表面之間引起的摩擦導(dǎo)致所施加的材料大比率地?fù)p失，由此當(dāng)在軸上再次緊固耦合器件時(shí)，系統(tǒng)的初始條件不能保持，由此減少初始的摩擦系數(shù)。
-高壓強(qiáng)的使用使得一些顆粒通過(guò)放松加緊系統(tǒng)而保持嵌入在軸中，這增加了第二組裝和拆卸操作的難度。
-待處理的部件的有限的內(nèi)部直徑對(duì)涂敷工藝產(chǎn)生限制，使用這種施加技術(shù)是相對(duì)近期的，并且參數(shù)的調(diào)節(jié)需要特定的知識(shí)。
上述過(guò)程具有涂層缺乏幾何均勻性、缺乏涂層生產(chǎn)工藝的重復(fù)性以及涂層附著力低的缺點(diǎn)。
上述過(guò)程的備選方法是使用氧化鋁顆粒以高速?lài)娚鋱A錐表面。盡管所獲得的摩擦系數(shù)值的改善類(lèi)似于上述過(guò)程，但是具有嵌入的氧化鋁顆粒的表面污染以及氧化鋁顆粒的再循環(huán)而導(dǎo)致所述工藝缺乏重復(fù)性也建議不使用該過(guò)程。
發(fā)明概述
本發(fā)明涉及用于對(duì)金屬、陶瓷或石頭表面進(jìn)行處理以獲得具有高摩擦系數(shù)的表面的方法，以及可以通過(guò)所述的方法獲得的金屬、陶瓷或石頭表面。
用于對(duì)金屬表面進(jìn)行處理的方法包括將激光束以通過(guò)線形成的預(yù)定的幾何圖案施加于待處理的表面上的步驟，從而在待處理的表面上形成通道，其中激光束的波長(zhǎng)為532nm至10064nm。
平均功率為3w至100kw，并且脈沖寬度為3ns至500ns，這樣可獲得的表面包含寬度為0.01mm至0.5mm、深度為0.001mm至0.1mm、并且通道之間的距離為0.1mm至1mm的通道。優(yōu)選地，平均功率為3w至100w，并且脈沖寬度為3ns至500ns，這樣可獲得的表面包含寬度為0.01mm至0.1mm、深度為0.001mm至0.05mm、并且通道之間的距離為0.100mm至0.500mm的通道。
可任選地，將激光束以通過(guò)線形成的預(yù)定的幾何圖案施加于待處理的表面上的步驟是在待處理的表面上以一個(gè)或兩個(gè)方向?qū)嵤┑?，其中所述的線可以可任選地為直的或彎曲的。
可任選地，將激光束以通過(guò)線形成的預(yù)定的幾何圖案施加于待處理的表面上的步驟是通過(guò)以下過(guò)程施加的：移動(dòng)激光束，保持表面固定；或者移動(dòng)待處理的表面，保持激光束固定；或者移動(dòng)激光束和表面，其中所述的線可以可任選地為直的或彎曲的，其中所述的移動(dòng)元件如此操作，描述為線性和/或旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。
可任選地，將激光束以通過(guò)線形成的預(yù)定的幾何圖案施加于待處理的表面上的步驟包括在待處理的表面上改變激光束的方向的子步驟，其中所述的線可以可任選地為直的或彎曲的。
可任選地，將激光束以通過(guò)線形成的預(yù)定的幾何圖案施加于待處理的表面上的步驟包括在待處理的表面上匯聚激光束的子步驟，其中所述的線可以可任選地為直的或彎曲的。
可任選地，將激光束以通過(guò)線形成的預(yù)定的幾何圖案施加于待處理的表面上的步驟是在惰性氣體存在下實(shí)施的，其中所述的線可以可任選地為直的或彎曲的，其中所述的惰性氣體防止接近于激光束與待加工表面之間的相互作用區(qū)域的材料被氧化，從而避免待加工表面上氧化物的存在，以及由此避免其自身潤(rùn)滑，這不利地影響摩擦系數(shù)的增加。
可任選地，通過(guò)線形成的預(yù)定的幾何圖案是規(guī)則的或不規(guī)則的，其中所述的線可以可任選地為直的或彎曲的，并且其中在線形成預(yù)定的幾何圖案后，激光束被施加于待處理的表面上。
可任選地，通過(guò)線形成的、從而在待處理的表面上形成通道的預(yù)定的幾何圖案完全或部分覆蓋所述的待處理的表面。
使用本發(fā)明的方法，由此獲得的表面可以應(yīng)用于造船業(yè)、工業(yè)或類(lèi)似工業(yè)中所需的這種高摩擦耦合中，并且待獲得所述的表面的方法允許在不同類(lèi)型的金屬或其他材料上生成所述的表面，其中所述的金屬或其他材料具有不同的幾何學(xué)和高的重復(fù)性，從而使系數(shù)摩擦值超過(guò)0.30。
此外，本發(fā)明的方法允許在事先制造的部件上生成具有受控的微紋理的表面。
本發(fā)明的方法允許生成具有受控的微紋理的表面而不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染或有毒廢物，并且可以整合成生產(chǎn)線以用于部件的不同的幾何學(xué)，從而由具有不同直徑的扁平的圓柱形表面形成規(guī)則的或彎曲的表面。
本發(fā)明的方法無(wú)需進(jìn)一步的機(jī)械或化學(xué)處理。廢產(chǎn)物極少，并且可以容易地由工作區(qū)域抽吸。
本發(fā)明的方法提供了更高耐久性的處理表面，在表面區(qū)域上更高均勻性的摩擦學(xué)性質(zhì)，以及根據(jù)相同加工參數(shù)得到的不同待處理表面的這些性質(zhì)的更高的重復(fù)性。
因此，根據(jù)本發(fā)明的方法可獲得的表面包括在待處理的表面上規(guī)則或不規(guī)則排布的聯(lián)鎖通道的規(guī)則圖案。在所述的表面上生成的微紋理在使用另一個(gè)相對(duì)物表面測(cè)試時(shí)確保高的摩擦系數(shù)，其中所述的另一個(gè)相對(duì)物表面無(wú)需處理。
可任選地，成型的通道可以具有尖的或圓的幾何學(xué)。通道的路徑可以是直線或盤(pán)繞在一起的曲線。
本發(fā)明的方法目標(biāo)可以在有待紋理化的整個(gè)表面上應(yīng)用，或者散開(kāi)在整個(gè)表面上的區(qū)域或“島”上應(yīng)用。
與現(xiàn)有技術(shù)的其他方法不同，例如基于等離子噴涂或等離子爆破的方法，本發(fā)明的方法為非接觸的表面的方法，其產(chǎn)生具有可忽略的表面損傷的規(guī)則的或隨機(jī)的紋理，并且產(chǎn)生的結(jié)果與待加工的部件材料的機(jī)械性質(zhì)無(wú)關(guān)。
本發(fā)明提出的方法表征為可獲得的紋理的良好的可控性，其中所述的紋理通過(guò)通道的寬度和深度、及其表面密度來(lái)定義。
附圖簡(jiǎn)述
為了補(bǔ)充所進(jìn)行的描述并且為了有助于更好地理解根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)踐實(shí)施方案的本發(fā)明的特征，作為所述的說(shuō)明書(shū)的完整的部分，附上一組附圖，其中以舉例并且未限定本發(fā)明的范圍的方式提供以下附圖：
圖1示出表面，對(duì)該表面實(shí)施本發(fā)明的表面處理方法，其中下方部分顯示在通過(guò)實(shí)施本發(fā)明的表面處理方法獲得的表面上所形成的通道的細(xì)節(jié)。
本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方案
根據(jù)圖1，本發(fā)明涉及用于對(duì)金屬、陶瓷或石頭表面進(jìn)行處理以獲得具有高摩擦系數(shù)的表面的方法，以及可以通過(guò)所述的方法獲得的金屬、陶瓷或石頭表面。
對(duì)進(jìn)行表面進(jìn)行處理的方法包括將激光束(2)以預(yù)定的幾何圖案施加于待處理的表面上的步驟，以用于在待處理的表面上形成通道(1)，其中所述的幾何圖案由線組成，優(yōu)選為直的或彎曲的，其中所述的激光束(2)的波長(zhǎng)為532nm至10064nm，平均功率為3w至100kw，并且脈沖寬度為3ns至500ns，這樣可獲得的表面包含寬度為0.01mm至0.5mm，通道(1)之間的距離(b)為0.1mm至1mm，并且深度(c)為0.001mm至0.1mm的通道(1)。優(yōu)選地，激光束(2)的波長(zhǎng)為532nm至10064nm，平均功率為3w至100w，并且脈沖為3ns至500ns，這樣可獲得的表面包含寬度(a)為0.01mm至0.1mm，通道(1)之間的距離(b)為0.100mm至0.500mm，并且深度(c)為0.001mm至0.05mm的通道(1)。
將激光束(2)施加于待處理的表面上的步驟包括子步驟，其中調(diào)節(jié)至少一個(gè)以下的參數(shù)：激光束(2)的平均功率，焦點(diǎn)中激光束(2)的大小，脈沖寬度，波長(zhǎng)，相互作用的類(lèi)型(熔融/蒸發(fā))，預(yù)定的幾何圖案的通道(1)之間的距離，以及每個(gè)通道的掃描次數(shù)。這些參數(shù)可以根據(jù)待處理的材料的類(lèi)型和可視的效果(通過(guò)測(cè)定所獲得的摩擦學(xué)參數(shù)，其與摩擦系數(shù)有關(guān))容易地控制和調(diào)整。
所述的方法進(jìn)一步包括使用實(shí)時(shí)測(cè)量來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在將激光束(2)施加于待處理的表面上的步驟中可獲得的表面紋理的步驟，其中再次調(diào)節(jié)在調(diào)節(jié)子步驟中調(diào)節(jié)的至少一個(gè)參數(shù)。
下文示出不同類(lèi)型的激光器的應(yīng)用實(shí)例，所述的激光器具有不同的功率，操作頻率以及用于不同焦距的相同材料(aisi9840)的掃描速率，其中最初的2個(gè)實(shí)例示出了波長(zhǎng)為532nm至1064nm的激光器的用途，第三個(gè)實(shí)例證明纖維激光器的用途，其中波長(zhǎng)為1055nm至1070nm，激光器功率為大約100w。
實(shí)施例
實(shí)施例1
使用nd激光器：yvo4(532nm)的平均功率為7w，在20khz下操作，m2值<1.2，在表面(材料aisi9840)上的掃描速率為50mm/s，在有效焦距為160mm下操作，由此產(chǎn)生微紋理，將其針對(duì)均勻的未處理的表面進(jìn)行檢測(cè)，提供的摩擦系數(shù)為0.51。在進(jìn)行4次連續(xù)的試驗(yàn)后的值為0.51。
實(shí)施例2
使用nd激光器：yvo4(1064nm)的平均功率為13w，在20khz下操作，m2值<1.2，在表面(材料aisi9840)上的掃描速率為50mm/s，在有效焦距為160mm下操作，由此產(chǎn)生微紋理，將其針對(duì)均勻的未處理的表面進(jìn)行檢測(cè)，提供的摩擦系數(shù)為0.52。在進(jìn)行4次連續(xù)的試驗(yàn)后的值為0.54。實(shí)施例3
使用平均功率為100w的纖維激光器(1055-1070nm)，在100khz下操作，m2值<2.0，在表面(材料aisi9840)上的掃描速率為2200mm/s，在焦距為330mm下操作，由此產(chǎn)生微紋理，將其針對(duì)均勻的未處理的表面進(jìn)行檢測(cè)，提供的摩擦系數(shù)為0.72。在實(shí)施11次連續(xù)的試驗(yàn)后的值為0.42。
在所有3個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)通道(1)的掃描次數(shù)為4次。
在實(shí)施例3中，摩擦系數(shù)與試驗(yàn)次數(shù)的可變性是由于就加工參數(shù)的組合而言，在試驗(yàn)下對(duì)微紋理的修改，通道(1)的生成主要受到現(xiàn)象材料(phenomenonmaterial)熔融的控制，從而在通道(1)的邊緣累積再固化的材料，其最大高度為0.008mm。應(yīng)該注意的是，在最初的2個(gè)實(shí)施例中，主要的物理現(xiàn)象是材料的振幅，并且再固化的材料幾乎沒(méi)有任何存在，由此微結(jié)構(gòu)甚至在多次試驗(yàn)后仍保持未改變的。