本發(fā)明涉及金屬陶瓷基材表面改性
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種超快激光處理氧化鋁陶瓷刀片表面的方法。
背景技術(shù)：
：氧化鋁與其他刀具材料不同的特性是：氧化鋁化學(xué)性能穩(wěn)定，抗氧化性特別好，它的切削刃即使處于紅熱狀態(tài)下也能長(zhǎng)時(shí)間切削，故氧化鋁陶瓷刀具特別適于高速切削。由于氧化鋁刀片對(duì)大部份金屬的潤(rùn)濕性差，所以很難與金屬粘結(jié)，在切削時(shí)摩擦系數(shù)低、切削力小、不易產(chǎn)生積屑瘤和粘結(jié)磨損，因此加工件容易得到光潔度較高的表面。氧化鋁刀具適合加工大多數(shù)金屬材料，尤其適合切削冷硬鑄鐵或淬硬鋼，對(duì)這些材料采用精車代磨可取得明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。在高溫下氧化鋁保持高硬度，其切削速度可達(dá)1300米/分。目前氧化鋁刀具主要用于半精加工和精加工，精加工其精度和光潔度適合硬材料的以車代磨，而大幅提高加工效率，加工成本可降低一半以上，所以氧化鋁刀具很受歡迎。在德國(guó)汽車上很多部件都是氧化鋁陶瓷刀具以車代磨精加工完成的。采用切削液對(duì)切削刀具進(jìn)行潤(rùn)滑是最傳統(tǒng)的潤(rùn)滑方式，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。切削液可分為水基和油基兩大類，由基礎(chǔ)油(液)和各種添加劑(極性添加劑、油性添加劑和固體潤(rùn)滑劑等)組成。其作用機(jī)理主要是通過切削液滲入到刀-屑接觸區(qū)，在刀-屑接觸界面和刀-工接觸界面間形成潤(rùn)滑膜從而達(dá)到潤(rùn)滑效果，減小切削過程中的摩擦，降低摩擦力和切削力。運(yùn)用激光的方法直接改變Al2O3陶瓷刀片表面的浸潤(rùn)性，制備具有微納米尺度雙層結(jié)構(gòu)的超疏水表面將是一個(gè)有前途的技術(shù)研究。金屬陶瓷刀具材料的浸潤(rùn)性是金屬陶瓷表面很重要的一個(gè)特征，材料的微觀結(jié)構(gòu)以及組成成分共同影響著材料表面的浸潤(rùn)性。在陶瓷刀具上制備親切削液表面的制備方法很多，典型的方法和途徑主要有：溶膠一凝膠法，電化學(xué)方法，靜電紡絲法，等離子體技術(shù)，氧化還原法，水熱法，相分離法，氣相沉積法，層層自組裝法，模板法等。部分現(xiàn)有的技術(shù)常常從陶瓷材料本身性能入手制備親水陶瓷，或者需要重新設(shè)計(jì)、制備疏水涂層，導(dǎo)致了成本高，工藝復(fù)雜，難推廣等不足。同時(shí)這些技術(shù)普遍存在化學(xué)藥水的浸泡，會(huì)產(chǎn)生化學(xué)污染，步驟繁瑣，費(fèi)時(shí)以及制備效率低等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)都限制了其實(shí)際應(yīng)用。綜上所述，開發(fā)工藝簡(jiǎn)單，制備效率高，適用于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，且不產(chǎn)生任何環(huán)境污染，一次性實(shí)現(xiàn)Al2O3陶瓷刀片基材表面親切削液性而無需經(jīng)過任何化學(xué)工藝處理的方法，是目前科研工作者亟待解決的技術(shù)問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡(jiǎn)單，制備效率高、綠色環(huán)保的超快激光處理氧化鋁陶瓷刀片表面的方法。本發(fā)明的方法可在各種尺寸和不同形狀A(yù)l2O3陶瓷刀片表面獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定的、接觸角約為0°的超親切削液表面，同時(shí)制得的表面對(duì)增加刀具表面的潤(rùn)滑性和減小摩擦具有重要的作用。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種超快激光處理氧化鋁陶瓷刀片表面的方法,所述方法包括如下步驟：步驟一，將待處理的Al2O3陶瓷刀片樣品在去離子水中超聲清洗，然后用無水乙醇清洗干凈后即表面沒有沒有灰塵和油脂后，將Al2O3陶瓷刀片樣品表面用冷風(fēng)吹干或室溫自然晾干，得到潔凈的Al2O3陶瓷刀片樣品；步驟二，利用激光加工技術(shù)，采用超快激光器調(diào)節(jié)相關(guān)的工藝參數(shù)后對(duì)步驟一得到的潔凈Al2O3陶瓷刀片樣品表面進(jìn)行激光掃描處理，在樣品表面加工出微納結(jié)構(gòu)。作為優(yōu)選項(xiàng)：所述步驟一種超聲清洗的超聲頻率為40kHz，所述去離子水電阻率為18.25兆歐，所述去離子水應(yīng)將Al2O3陶瓷刀片樣品表面淹沒，在室溫下連續(xù)超聲清洗30分鐘。作為優(yōu)選項(xiàng)：所述步驟二中超快激光器波長(zhǎng)為720-880nm，脈寬90-110fs，單脈沖能量小于0.4mJ，重復(fù)頻率9-11kHz，聚焦后的理論光束直徑為12-17μm。作為優(yōu)選項(xiàng)：所述步驟二中超快激光器波長(zhǎng)為800nm，脈寬100fs，單脈沖能量小于0.4mJ，重復(fù)頻率10kHz，聚焦后的理論光束直徑為15μm。作為優(yōu)選項(xiàng)：所述步驟二中激光掃描處理的具體方法為：采用振鏡對(duì)Al2O3陶瓷刀片樣品表面進(jìn)行光束掃描，振鏡掃描的速度為0.1mm/s～30m/s。作為優(yōu)選項(xiàng)：所述步驟二中激光掃描處理的具體方法為：將掃描光束固定，Al2O3陶瓷刀片樣品相對(duì)光束運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的速度為0.1mm/s～3m/s。作為優(yōu)選項(xiàng)：所述單脈沖能量為30μJ～90μJ，掃描速度為29mm/s～294mm/s。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）利用本發(fā)明方法制備得到的Al2O3陶瓷刀片與切削液的接觸角約為0°，因此具有非常好的親水性能；（2）本發(fā)明的制備方法工藝簡(jiǎn)單，可在開放環(huán)境中進(jìn)行，操作方便，效率高，能耗少，成本低，綠色環(huán)保，不采用任何化學(xué)試劑涂層，且本發(fā)明方法的工藝參數(shù)容易控制，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用；（3）采用本發(fā)明方法制備得到的親切削液Al2O3陶瓷刀片表面性能穩(wěn)定，具備良好的潤(rùn)滑性能和摩擦性能，大大增加了Al2O3陶瓷刀片的使用壽命。附圖說明圖1為未處理前Al2O3陶瓷刀片表面的接觸角示意圖（a）和三維結(jié)構(gòu)圖（b）；圖2為本發(fā)明實(shí)施例1利用超快激光制備得到的Al2O3陶瓷刀片與切削液的接觸角示意圖（c）和三維結(jié)構(gòu)圖（d）；圖3分別為本發(fā)明實(shí)施例2利用超快激光制備得到的Al2O3陶瓷刀片與切削液的接觸角示意圖（e）和三維結(jié)構(gòu)圖（f）；圖4分別為本發(fā)明實(shí)施例3利用超快激光制備得到的Al2O3陶瓷刀片與切削液的接觸角示意圖（g）和三維結(jié)構(gòu)圖（h）；圖5分別為本發(fā)明實(shí)施例4利用超快激光制備得到的Al2O3陶瓷刀片與切削液的接觸角示意圖（j）和三維結(jié)構(gòu)圖（k）。具體實(shí)施方式為了更好的理解本發(fā)明，以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)介紹。下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。本發(fā)明所述的超快激光處理氧化鋁陶瓷刀片表面的方法，是在Al2O3陶瓷刀片表面上制造出微納表面結(jié)構(gòu)使其對(duì)水基切削液的接觸角約為0°，具有良好的潤(rùn)濕性；所述方法包括如下步驟：步驟一，將待處理的Al2O3陶瓷刀片樣品放在盛有去離子水的超聲波清洗儀中清洗，然后用無水乙醇清洗至表面沒有沒有灰塵和油脂后，將所述Al2O3陶瓷刀片樣品表面用冷風(fēng)吹干或室溫自然晾干，得到潔凈的Al2O3陶瓷樣品；步驟二，利用激光加工技術(shù)，采用超快激光器調(diào)節(jié)好相關(guān)的工藝參數(shù)后對(duì)步驟一所述得到的潔凈Al2O3陶瓷刀片樣品表面進(jìn)行激光掃描處理，在樣品表面加工出微納結(jié)構(gòu)；所述激光掃描采用振鏡系統(tǒng)進(jìn)行光束掃描，振鏡掃描的速度為0.1mm/s-30m/s，激光的通斷及振鏡系統(tǒng)的掃描范圍、掃描軌跡和加工速度均由計(jì)算機(jī)程序控制和設(shè)定；或所述激光掃描使用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，將光束固定，樣品相對(duì)光束運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的速度為0.1mm/s-3m/s，激光的通斷、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡和速度均由計(jì)算機(jī)程序控制和設(shè)定；其中，步驟二所述的超快激光器波長(zhǎng)為800nm，所述激光加工參數(shù)為：脈寬100fs，單脈沖能量小于0.4mJ，重復(fù)頻率10kHz，聚焦后的理論光斑直徑為15μm。再進(jìn)一步優(yōu)選地，所述單脈沖能量為30μJ-90μJ，掃描速度為29mm/s-294mm/s。實(shí)施例1本實(shí)施例的一種超快激光處理氧化鋁陶瓷刀片表面的方法，包括以下具體步驟：步驟一，將Al2O3陶瓷刀片樣品用超聲波清洗儀清洗，超聲波清洗儀超聲波頻率為40kHz，用電阻率為18.25兆歐的去離子水淹沒樣品表面，在室溫下，連續(xù)清洗30分鐘，然后用無水乙醇清洗至表面沒有沒有灰塵和油脂后，室溫自然晾干，得到潔凈的Al2O3陶瓷刀片樣品；步驟二，采用超快激光器對(duì)步驟一所述得到的潔凈Al2O3陶瓷樣品表面進(jìn)行激光掃描加工，在樣品表面加工出無數(shù)的微納結(jié)構(gòu)；所述激光器波長(zhǎng)為800nm，脈寬為100fs，單脈沖能量為30μJ，重復(fù)頻率為10kHz，所述激光掃描利用X-Y掃描振鏡系統(tǒng)，使激光束直徑為15μm，以29mm/s的速度逐行逐列燒蝕所述Al2O3陶瓷刀片樣品表面，即得。激光處理完之后，采用全合成水基切削液，利用光學(xué)接觸角表面界面張力測(cè)量?jī)x測(cè)試所述得到的Al2O3陶瓷刀片表面的接觸角：切削液體積為9微升，測(cè)試溫度為21℃，濕度為19.5%RH。測(cè)得的結(jié)果為接觸角近似為0°，因此可以說此時(shí)的表面是超親切削液表面，將樣品放置在周圍環(huán)境中90天后再次測(cè)量其接觸角測(cè)得其接觸角仍然是約為0°，故加工后樣品表面的穩(wěn)定性良好；本實(shí)施例制備得到的Al2O3陶瓷刀片表面與切削液的接觸角示意圖和刀片表面三維結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。本實(shí)施例制備得到的Al2O3陶瓷刀片表面與切削液的接觸角測(cè)試結(jié)果見表1。實(shí)施例2本實(shí)施例的一種超快激光處理氧化鋁陶瓷刀片表面的方法，包括以下具體步驟：步驟一，將Al2O3陶瓷刀片樣品用超聲波清洗儀清洗，超聲波清洗儀超聲波頻率為40kHz，用電阻率為18.25兆歐的去離子水淹沒樣品表面，在室溫下，連續(xù)清洗30分鐘，然后用無水乙醇清洗至表面沒有沒有灰塵和油脂后，室溫自然晾干，得到潔凈的Al2O3陶瓷刀片樣品；步驟二，采用超快激光器對(duì)步驟一所述得到的潔凈Al2O3陶瓷樣品表面進(jìn)行激光掃描加工，在樣品表面加工出無數(shù)的微納結(jié)構(gòu)；所述激光器波長(zhǎng)為800nm，脈寬為100fs，單脈沖能量為90μJ，重復(fù)頻率為10kHz，所述激光掃描利用X-Y掃描振鏡系統(tǒng)，使激光束直徑為15μm，以29mm/s的速度逐行逐列燒蝕所述Al2O3陶瓷刀片樣品表面，即得。激光處理完之后，采用全合成水基切削液，利用光學(xué)接觸角表面界面張力測(cè)量?jī)x測(cè)試所述得到的Al2O3陶瓷刀片表面的接觸角：切削液體積為9微升，測(cè)試溫度為21℃，濕度為19.5%RH。測(cè)得的結(jié)果為接觸角近似為0°，因此可以說此時(shí)的表面是超親切削液表面，將樣品放置在周圍環(huán)境中90天后再次測(cè)量其接觸角測(cè)得其接觸角仍然約為0°，故加工后樣品表面的穩(wěn)定性良好；本實(shí)施例制備得到的Al2O3陶瓷刀片表面與切削液的接觸角示意圖和刀片表面三維結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。本實(shí)施例制備得到的Al2O3陶瓷刀片表面與切削液的接觸角測(cè)試結(jié)果見表1。實(shí)施例3本實(shí)施例的一種利用超快激光制備Al2O3陶瓷刀片超親切削液表面的方法，包括以下具體步驟：步驟一，將Al2O3陶瓷刀片樣品用超聲波清洗儀清洗，超聲波清洗儀超聲波頻率為40kHz，用電阻率為18.25兆歐的去離子水淹沒樣品表面，在室溫下，連續(xù)清洗30分鐘，然后用無水乙醇清洗至表面沒有沒有灰塵和油脂后，室溫自然晾干，得到潔凈的Al2O3陶瓷刀片樣品；步驟二，采用超快激光器對(duì)步驟一所述得到的潔凈Al2O3陶瓷樣品表面進(jìn)行激光掃描加工，在樣品表面加工出無數(shù)的微納結(jié)構(gòu)；所述激光器波長(zhǎng)為800nm，脈寬為100fs，單脈沖能量為30μJ，重復(fù)頻率為10kHz，所述激光掃描利用X-Y掃描振鏡系統(tǒng)，使激光束直徑為15μm，以294mm/s的速度逐行逐列燒蝕所述Al2O3陶瓷刀片樣品表面；激光處理完之后，采用全合成水基切削液，利用光學(xué)接觸角表面界面張力測(cè)量?jī)x測(cè)試所述得到的Al2O3陶瓷刀片表面的接觸角：切削液體積為9微升，測(cè)試溫度為21℃，濕度為19.5%RH。測(cè)得的結(jié)果為接觸角約為0°，因此可以說此時(shí)的表面是超親切削液表面，將樣品放置在周圍環(huán)境中90天后再次測(cè)量其接觸角測(cè)得其接觸角仍然約為0°，故加工后樣品表面的穩(wěn)定性良好；本實(shí)施例制備得到的Al2O3陶瓷刀片表面與切削液的接觸角示意圖和刀片表面三維結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。本實(shí)施例制備得到的Al2O3陶瓷刀片表面與切削液的接觸角測(cè)試結(jié)果見表1。實(shí)施例4本實(shí)施例的一種利用超快激光制備Al2O3陶瓷刀片親切削液表面的方法，包括以下具體步驟：步驟一，將Al2O3陶瓷刀片樣品用超聲波清洗儀清洗，超聲波清洗儀超聲波頻率為40kHz，用電阻率為18.25兆歐的去離子水淹沒樣品表面，在室溫下，連續(xù)清洗30分鐘，然后用無水乙醇清洗至表面沒有沒有灰塵和油脂后，室溫自然晾干，得到潔凈的Al2O3陶瓷刀片樣品；步驟二，采用超快激光器對(duì)步驟一所述得到的潔凈Al2O3陶瓷樣品表面進(jìn)行激光掃描加工，在樣品表面加工出無數(shù)的微納結(jié)構(gòu)；所述激光器波長(zhǎng)為800nm，脈寬為100fs，單脈沖能量為90μJ，重復(fù)頻率為10kHz，所述激光掃描利用X-Y掃描振鏡系統(tǒng)，使激光束直徑為15μm，以294mm/s的速度逐行逐列燒蝕所述Al2O3陶瓷刀片樣品表面；激光處理完之后，采用全合成水基切削液，利用光學(xué)接觸角表面界面張力測(cè)量?jī)x測(cè)試所述得到的Al2O3陶瓷刀片表面的接觸角：切削液體積為9微升，測(cè)試溫度為21℃，濕度為19.5%RH。測(cè)得的結(jié)果為接觸角近似為0°，因此可以說此時(shí)的表面是超親切削液表面，將樣品放置在周圍環(huán)境中90天后再次測(cè)量其接觸角測(cè)得其接觸角仍然約為0°，故加工后樣品表面的穩(wěn)定性良好；本實(shí)施例制備得到的Al2O3陶瓷刀片表面與切削液的接觸角示意圖和刀片表面三維結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。本實(shí)施例制備得到的Al2O3陶瓷刀片表面與切削液的接觸角測(cè)試結(jié)果見表1。經(jīng)過試驗(yàn)，上述實(shí)施例中氧化鋁陶瓷刀片加工前表面粗糙度Ra小于0.7μm；激光加工后表面的粗糙度Ra為0.7μm～1.4μm。表1為本發(fā)明各實(shí)施例制備得到的Al2O3陶瓷刀片表面與切削液接觸角的測(cè)試結(jié)果。表1實(shí)施例激光處理一小時(shí)后接觸角/°激光處理90天后接觸角/°實(shí)施例1近似0近似0實(shí)施例2近似0近似0實(shí)施例3近似0近似0實(shí)施例4近似0近似0實(shí)施例5本實(shí)施例的一種利用超快激光制備Al2O3陶瓷刀片親切削液表面的方法，包括以下具體步驟：步驟一，將Al2O3陶瓷刀片樣品用超聲波清洗儀清洗，超聲波清洗儀超聲波頻率為40kHz，用電阻率為18.25兆歐的去離子水淹沒樣品表面，在室溫下，連續(xù)清洗10分鐘，然后用無水乙醇清洗至表面沒有沒有灰塵和油脂后，室溫自然晾干，得到潔凈的Al2O3陶瓷刀片樣品；步驟二，采用超快激光器對(duì)步驟一所述得到的潔凈Al2O3陶瓷樣品表面進(jìn)行激光掃描加工，在樣品表面加工出無數(shù)的微納結(jié)構(gòu)；所述激光器波長(zhǎng)為720nm，脈寬為90fs，單脈沖能量為60μJ，重復(fù)頻率為9kHz，所述激光掃描利用X-Y掃描振鏡系統(tǒng)，使激光束直徑為12μm，以250mm/s的速度逐行逐列燒蝕所述Al2O3陶瓷刀片樣品表面，即得。實(shí)施例6本實(shí)施例的一種利用超快激光制備Al2O3陶瓷刀片親切削液表面的方法，包括以下具體步驟：步驟一，將Al2O3陶瓷刀片樣品用超聲波清洗儀清洗，超聲波清洗儀超聲波頻率為40kHz，用電阻率為18.25兆歐的去離子水淹沒樣品表面，在室溫下，連續(xù)清洗20分鐘，然后用無水乙醇清洗至表面沒有沒有灰塵和油脂后，室溫自然晾干，得到潔凈的Al2O3陶瓷刀片樣品；步驟二，采用超快激光器對(duì)步驟一所述得到的潔凈Al2O3陶瓷樣品表面進(jìn)行激光掃描加工，在樣品表面加工出無數(shù)的微納結(jié)構(gòu)；所述激光器波長(zhǎng)為880nm，脈寬為110fs，單脈沖能量為60μJ，重復(fù)頻率為11kHz，所述激光掃描利用X-Y掃描振鏡系統(tǒng)，使激光束直徑為19μm，以100mm/s的速度逐行逐列燒蝕所述Al2O3陶瓷刀片樣品表面，即得。上述實(shí)施例中，步驟二中激光掃描處理的具體方法可以為采用振鏡對(duì)Al2O3陶瓷刀片樣品表面進(jìn)行光束掃描，振鏡掃描的速度為29mm/s～294mm/s也可以為將掃描光束固定，Al2O3陶瓷刀片樣品相對(duì)光束運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的速度為29mm/s～294mm/s。應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請(qǐng)求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3