鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法，其包括以下步驟：提供一軸承鋼，在軸承鋼表面通過(guò)膠體自組裝的方法形成一SiO2單層膜，該SiO2單層膜由單層SiO2膠體微球排列形成；采用激光對(duì)所述軸承鋼表面的SiO2單層膜進(jìn)行激光照射處理，使能量分布集中于SiO2單層膜下的軸承鋼表面，對(duì)軸承鋼進(jìn)行刻蝕；以及去除所述軸承鋼表面殘留的SiO2單層膜，在軸承鋼的表面形成納米微結(jié)構(gòu)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法，特別是涉及一種基于自組裝薄膜的鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]表面織構(gòu)就是人為的在摩擦副表面加工出來(lái)按一定規(guī)則分布的幾何特征，如凹坑、溝槽等。其減小摩擦磨損的機(jī)理普遍認(rèn)為是，微凹坑結(jié)構(gòu)可以充當(dāng)局部的流體動(dòng)壓軸承，從而產(chǎn)生附加的流體壓力。同時(shí)微凹坑結(jié)構(gòu)作為儲(chǔ)油池向摩擦副表面提供潤(rùn)滑油，此夕卜，表面微凹坑結(jié)構(gòu)能夠容納下微小的磨削，減少由于這些磨粒帶來(lái)的磨粒磨損。最終達(dá)到降低摩擦副表面摩擦阻力，減小摩擦副在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中噪聲的效果。研究發(fā)現(xiàn)，凹坑型織構(gòu)可以顯著減小摩擦力，改善摩擦扭矩，并延長(zhǎng)摩擦副在實(shí)際工況中的使用壽命。表面微織構(gòu)在活塞等低副表面可實(shí)現(xiàn)減小摩擦磨損的效果，然而對(duì)于軸承鋼等高摩擦副來(lái)說(shuō)，由于摩擦副接觸面積小，因此要減小摩擦磨損需降低表面微織構(gòu)的尺寸。故此需要選擇合適的加工方法來(lái)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的表面微織構(gòu)制備。
[0003]對(duì)于表面微織構(gòu)的制備，在眾多加工方法中激光表面織構(gòu)加工技術(shù)以其加工精度高、加工速度快、可控性好、非接觸式、對(duì)材料的依賴性小等優(yōu)勢(shì)脫穎而出，從而被廣泛應(yīng)用于表面織構(gòu)的加工過(guò)程當(dāng)中。飛秒激光由于其脈寬短，峰值功率密度高，與物質(zhì)相互作用時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈的多光子吸收過(guò)程。在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)量確定的大量自由電子，克服了物質(zhì)本身在小空間范圍內(nèi)固有自由電子分布的隨機(jī)性。從而能夠保證后續(xù)物理過(guò)程的確定性，大大提高了飛秒激光加工的精密程度。雖然飛秒激光器在加工質(zhì)量上有了質(zhì)的突破，但也存在一些問(wèn)題，利用普通的聚焦鏡直接聚焦進(jìn)行激光加工的方法，在進(jìn)行微尺度加工時(shí)具有一定的局限性。為了獲得小聚焦光斑，通常需要使用具有足夠小焦距的聚焦鏡，由于鏡頭距離待加工表面非常近，在加工過(guò)程中，由于激光作用導(dǎo)致的材料蒸發(fā)和噴射非常容易造成鏡頭污染，從而使得整體加工成本較高。
[0004]近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)具有超衍射極限的空間分辨率，將其引入到激光誘導(dǎo)直接刻蝕領(lǐng)域，使兩種技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)納米尺度的激光誘導(dǎo)直接刻蝕。基于近場(chǎng)光學(xué)效應(yīng)的表面微結(jié)構(gòu)加工具有精度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的加工，然而需要一定的聚焦媒介來(lái)對(duì)激光加工的形貌進(jìn)行控制。因此目前針對(duì)各種表面微結(jié)構(gòu)的需求，近場(chǎng)光學(xué)效應(yīng)的加工方法雖然能滿足加工精度的要求，然而隨著表面微結(jié)構(gòu)要求的復(fù)雜及尺寸的縮小，作為模板的聚焦介質(zhì)很難在待加工表面制備，不能大面積生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，確有必要提供一種制備簡(jiǎn)單，可大面積生產(chǎn)的鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法。
[0006]—種鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法，其包括以下步驟:提供一軸承鋼，在軸承鋼表面通過(guò)膠體自組裝的方法形成一 S12單層膜，該S12單層膜由單層S12膠體微球排列形成;采用激光對(duì)所述軸承鋼表面的S12單層膜進(jìn)行激光照射處理，使能量分布集中于S12單層膜下的軸承鋼表面，對(duì)軸承鋼進(jìn)行刻蝕；以及去除所述軸承鋼表面殘留的S12單層膜，在軸承鋼的表面形成納米微結(jié)構(gòu)。
[0007]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法具有以下優(yōu)點(diǎn):一、利用S12等透明微球優(yōu)良的聚焦作用，提高了激光加工分辨率，制備出納米尺寸的表面微織構(gòu)；二、通過(guò)采用簡(jiǎn)單快速的自組裝技術(shù)結(jié)合激光加工技術(shù)，效率高、操作簡(jiǎn)單、易于控制的特點(diǎn)，有利于大面積工業(yè)化制備。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是S12微球沉積過(guò)程的示意圖。
[0009]圖2是S12微球在基底表面形成單層膜的示意圖。
[0010]圖3是鋼結(jié)構(gòu)加工后表面的納米微結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0011 ]如下具體實(shí)施例將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面將結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明提供的一種鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0013]請(qǐng)參閱圖1及圖2，本發(fā)明提供一種鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法，其包括以下步驟:
SI，提供一鋼基底，在鋼基底表面通過(guò)膠體自組裝的方法形成一S12單層膜；
S2，采用激光對(duì)所述鋼基底表面的S12單層膜進(jìn)行激光照射處理，使能量分布集中于S12單層膜下的鋼基底表面，對(duì)鋼基底進(jìn)行刻蝕；
S3，去除鋼基底表面殘留的S12單層膜，在鋼基底表面形成納米微結(jié)構(gòu)。
[0014]在步驟SI中，所述鋼基底用于摩擦系統(tǒng)中，具體地，該鋼基底為摩擦副元件，如活塞、軸承等。所述鋼基底即采用為鋼結(jié)構(gòu)，優(yōu)選為軸承鋼，所述軸承鋼表面可為任意曲率半徑的曲面。在鋼基底表面可采用膠體自組裝的方法形成S12單層膜，所述S12單層膜是由單層S12膠體微球排列形成。所述膠體自組裝的方法即是采用靜電引力的自組裝方法。如圖1，所述靜電引力自組裝方法的原理為:將鋼基底表面和S12膠體微球處理為帶電性相反的電荷，在長(zhǎng)程吸引力的作用下，該膠體微球會(huì)被吸附到所述鋼基底表面，又由于膠體微球間是排斥力，但同時(shí)已吸附膠體微球側(cè)面的雙電層變薄，斥力降低，所以膠體微球便會(huì)優(yōu)先移動(dòng)到已吸附膠體微球的側(cè)面，使得膠體微球在鋼基底表面組裝成為單層膜。
[0015]具體地，在所述鋼基底表面制備S12單層膜的方法包括以下步驟:
SI I，對(duì)所述鋼基底表面進(jìn)行表面改性處理，使得該鋼基底表面帶有電荷；
S12，配制S12溶液，并使得溶液中S12膠體微球所帶電荷與鋼基底表面電荷相反；
S13，將鋼基底置于所述S12溶液中靜置，再取出晾干。
[0016]在步驟Sll中，對(duì)鋼基底表面進(jìn)行表面改性可采用電解質(zhì)溶液浸潤(rùn)的方法。具體地，首先配制聚陽(yáng)離子電解質(zhì)TODA(鄰苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯)濃度為4g/L、NaCl濃度為0.05mol/L的混合電解質(zhì)溶液;室溫下，再將鋼基底表面置于上述混合電解質(zhì)溶液中15分鐘，取出后用去離子水沖洗鋼基底表面，去除殘留電解質(zhì)溶液并采用氮?dú)獯蹈?。?jīng)過(guò)上述改性處理后，所述鋼基底表面帶有正電荷。
[0017]進(jìn)一步，在對(duì)所述鋼基底表面改性處理之前，還可包括對(duì)該鋼基底表面清洗的步驟，用以去除鋼基底表面殘留的污漬。具體地，在該鋼基底表面依次采用丙酮、乙醇、去離子水各清洗5分鐘，清洗完畢再采用氬氣吹干。
[0018]在步驟S12中，所述S12溶液是S12膠體微球、水和乙醇的混合溶液。本實(shí)施例中，為了保證S12溶液具有很好的均勻性和流動(dòng)性，將濃度為2.5%(W/V)的S12溶液與無(wú)水乙醇按體積比為1:30進(jìn)行稀釋得到分散均勻的S12溶液，并且所述S12溶液中S12膠體微球?yàn)閱畏稚⒌募{米微球。可以理解，配制S12溶液不限于上述比例關(guān)系，只要確保所配制的S12溶液中S12膠體微球能夠均勻單分散即可。本實(shí)施例中，所述S12膠體微球的直徑為900納米，該S12膠體微球帶有負(fù)電荷。
[0019]在步驟S13中，由于所述鋼基底表面所帶電荷與所述Si02膠體微球所帶電荷電性相反，在靜電引力的作用下，該S12膠體微球易被吸附到該鋼基底表面。又由于膠體微球間為排斥力，同時(shí)已吸附于鋼基底表面的膠體微球側(cè)面的雙電層變薄，斥力降低，膠體微球會(huì)優(yōu)先移動(dòng)到已吸附微球的側(cè)面，所以，吸附于鋼基底表面的膠體微球易形成為單層膜，并且S12單層膜的形成對(duì)鋼基底表面的弧度沒(méi)有限制，可在任意曲率半徑的鋼基底表面成膜。所述鋼基底表面在S12溶液中靜置，待在鋼基底表面形成S12單層膜后取出，并將鋼基底表面上殘留的溶劑晾干。所述靜置的時(shí)間為25-35分鐘。可以理解，所述鋼基底在S12溶液中靜置時(shí)間過(guò)短，鋼基底表面吸附的S12膠體微球數(shù)量較少，且排列稀疏，使得形成的S12單層膜不夠致密;所述鋼基底在S12溶液中靜置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致S12膠體微球在鋼基底表面沉積的數(shù)量過(guò)多，產(chǎn)生堆積現(xiàn)象，從而不能得到S12單層膜。本實(shí)施例中，所述鋼基底表面在S12溶液中靜置時(shí)間為30分鐘。
[0020]在步驟S2中，當(dāng)激光對(duì)S12單層膜照射時(shí)，該S12單層膜中的膠體微球起到聚焦的作用，使得鋼基底表面的能量分布主要集中于微球下區(qū)域。由于激光對(duì)固體材料表面的作用方式以熱效應(yīng)為主，當(dāng)激光照射區(qū)域溫度升高達(dá)到表面熔化、氣化甚至等離子化的溫度閾值時(shí)，就會(huì)引發(fā)表面材料的相變，將固體材料從表面剝離。當(dāng)激光作用結(jié)束時(shí)表面冷卻，冷卻的熔化或氣化的材料與剝離的區(qū)域共同形成了表面織構(gòu)，如表面凹坑結(jié)構(gòu)。然而當(dāng)激光強(qiáng)度不足以使激光照射區(qū)溫度提高到表面材料熔化或氣化時(shí)，材料由于受熱等作用內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致產(chǎn)生表面微凸體。進(jìn)一步，由于采用的膠體微球?yàn)閱螌优帕校⑶蜷g沒(méi)有堆積現(xiàn)象并且排列較為緊密，從而避免了因微球堆積導(dǎo)致的激光能量不能很好匯聚的現(xiàn)象。
[0021]本實(shí)施例中，為了在鋼基底表面得到凹坑形貌，激光器的參數(shù)調(diào)整為波長(zhǎng)為800nm、脈寬為12 fs、重復(fù)頻率為100 Hz、激光單脈沖能量密度為10-60 mj/cm2。由于膠體微球?qū)す獾木劢棺饔茫瑢⒓す鈫蚊}沖能量密度定為10-60 mj/cm2，可使膠體微球所產(chǎn)生的能量增強(qiáng)效果能夠達(dá)到鋼基底的破壞閾值，從而使鋼基底表面材料產(chǎn)生熔化或氣化，從而形成鋼基底表面的凹坑結(jié)構(gòu)?？梢岳斫猓艏す鈫蚊}沖能量密度太小不足以達(dá)到鋼基底的破壞閾值，從而不會(huì)在鋼基底表面形成痕跡;若激光單脈沖能量密度太大，鋼基底表面的S12單層膜會(huì)發(fā)生熔融，從而使得S12單層膜失去聚焦作用。本實(shí)施例中，所采用的激光照射S12單層膜后，得到的鋼基底表面納米級(jí)凹坑排列緊密，且相鄰凹坑中心在I微米左右。
[0022]進(jìn)一步，所述鋼基底可設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，調(diào)整激光聚焦位置，旋轉(zhuǎn)鋼基底可實(shí)現(xiàn)激光在S12單層膜表面的整體掃描照射，從而可實(shí)現(xiàn)大面積制備具有一定深度的凹坑形貌。
[0023]在步驟S3中，可依次采用丙酮、乙醇、去離子水各清洗鋼基底表面5分鐘，以去除表面殘留的S12薄膜及產(chǎn)生的鋼基底殘?jiān)?br>[0024]如圖3所示，所述鋼基底表面經(jīng)過(guò)清洗后，呈現(xiàn)凹坑形貌規(guī)整的結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中，將該表面帶有凹坑織構(gòu)的軸承鋼與無(wú)織構(gòu)的材料表面用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行表面摩擦系數(shù)的對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，有凹坑織構(gòu)的軸承鋼摩擦系數(shù)較未經(jīng)處理軸承鋼摩擦系數(shù)有一定程度的降低，在4.2%?9.3%之間。同時(shí)，利用掃描電子顯微鏡對(duì)劃痕進(jìn)行對(duì)比，未經(jīng)處理的軸承鋼劃痕較明顯，在表面加工出凹坑后劃痕變淺，變窄，并且有凹坑處劃痕更淺，這說(shuō)明凹坑有利于潤(rùn)滑油的存儲(chǔ)，利于成膜，承載能力高。
[0025]本發(fā)明提供的鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法，利用S12等透明微球優(yōu)良的聚焦作用，提高了激光加工分辨率，制備出納米尺寸的表面微織構(gòu);通過(guò)采用簡(jiǎn)單快速的自組裝技術(shù)，可克服摩擦副彎曲壁面對(duì)沉積均勻性的影響，并可控制S12等透明微球在待加工表面沉積數(shù)量，進(jìn)而獲得需要的凹坑密度;該方法得到的均勻的凹坑密度，可使得鋼表面的摩擦磨損性能及承載能力提高;采用激光加工具有效率高、操作簡(jiǎn)單、易于控制的特點(diǎn)，有利于大面積工業(yè)化制備。
[0026]另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)作其它變化，當(dāng)然這些依據(jù)本發(fā)明精神所作的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法，其包括以下步驟: 提供一軸承鋼，在軸承鋼表面通過(guò)膠體自組裝的方法形成一 S12單層膜，該S12單層膜由單層S12膠體微球排列形成； 采用激光對(duì)所述軸承鋼表面的S12單層膜進(jìn)行激光照射處理，使能量分布集中于S12單層膜下的軸承鋼表面，對(duì)軸承鋼進(jìn)行刻蝕;以及 去除所述軸承鋼表面殘留的S12單層膜，在軸承鋼的表面形成納米微結(jié)構(gòu)。2.如權(quán)利要求1所述的鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法，其特征在于，在所述軸承鋼表面制備S12單層膜的方法包括以下步驟: 對(duì)所述軸承鋼表面進(jìn)行表面改性處理，使得該軸承鋼表面帶有電荷； 配制S12溶液，并使得溶液中S12膠體微球所帶電荷與所述軸承鋼表面電荷相反； 將該軸承鋼置于所述S12溶液中靜置，再取出晾干。3.如權(quán)利要求2所述的鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法，其特征在于，對(duì)所述軸承鋼表面進(jìn)行表面改性處理的電解質(zhì)溶液為I3DDA和NaCl的混合電解質(zhì)溶液。4.如權(quán)利要求2所述的鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法，其特征在于，所述S12溶液中S12膠體微球?yàn)閱畏稚⒌募{米微球，該S12膠體微球通過(guò)靜電引力吸附于軸承鋼的表面形成S12單層膜。5.如權(quán)利要求2所述的鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法，其特征在于，在對(duì)所述軸承鋼表面進(jìn)行改性處理之前，進(jìn)一步包括對(duì)該軸承鋼表面清洗的步驟。6.如權(quán)利要求1所述的鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法，其特征在于，所述軸承鋼表面為任意曲率半徑的曲面。7.如權(quán)利要求1所述的鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法，其特征在于，所述激光的單脈沖能量密度為10-60 mj/Cm208.如權(quán)利要求1所述的鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法，其特征在于，進(jìn)一步，所述軸承鋼設(shè)置在一旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)軸承鋼使激光在所述S12單層膜表面進(jìn)行整體掃描照射。9.如權(quán)利要求1所述的鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法，其特征在于，依次采用丙酮、乙醇、去離子水清洗軸承鋼表面，以去除所述軸承鋼表面殘留的S12薄膜及軸承鋼產(chǎn)生的殘?jiān)?0.一種鋼結(jié)構(gòu)的表面加工方法，其包括以下步驟: 提供一鋼結(jié)構(gòu)，在鋼結(jié)構(gòu)表面通過(guò)膠體自組裝的方法形成一 S12單層膜； 采用激光對(duì)所述鋼結(jié)構(gòu)表面的S12單層膜進(jìn)行激光照射處理，使能量分布集中于S12單層膜下的鋼結(jié)構(gòu)表面，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕;以及 去除所述鋼結(jié)構(gòu)表面殘留的S12單層膜，在鋼結(jié)構(gòu)的表面形成納米微結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】B81C1/00GK105858594SQ201610233655
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月15日
【發(fā)明人】汪家道, 王寶, 馮東, 陳大融
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)