一種經過邊緣修形的表面凹坑織構及其加工方法
【專利摘要】本發明涉及一種經過邊緣修形的表面凹坑織構及其加工方法。在表面織構有效接觸區內凹坑的數量不少于3個，凹坑直徑不小于30微米，凹坑深度不低于10微米，凹坑面積占比為5%～30%；通過邊緣修形使凹坑邊緣呈連續曲面變化，即凹坑內外以較為平緩的曲面相連接，不存在尖銳的邊緣。本方法步驟為：選取基材，制作凹坑，邊緣修形并清洗。經過邊緣修形的表面織構可降低織構表面對對偶的攻擊性，適用于點接觸、線接觸、面接觸及干摩擦、邊界潤滑等多種工況條件，潤滑狀態下在實現儲存潤滑液、收集雜質和磨粒功能的同時，由于修形后接觸區域內凹坑邊緣為楔形接觸，可促進潤滑膜的形成，降低摩擦磨損。
【專利說明】一種經過邊緣修形的表面四坑織構及其加工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種經過邊緣修形的表面凹坑織構及其加工方法。
【背景技術】
[0002]表面織構是在材料表面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小溝槽的點陣，該類織構被認為具有儲存潤滑液、收集雜質和磨粒的作用，實踐也已證明表面織構是改善材料摩擦學特性的一種有效手段。
[0003]但現有表面織構多采用激光刻蝕加工和簡單的毛刺打磨，從材料表面到織構內側面的交接邊緣為直角、較尖銳，在載荷作用下邊緣效應突出，即存在應力集中的問題，這會使磨粒磨損作用增強，導致邊界潤滑或干摩擦條件下對偶的磨損大幅增加，引起摩擦系數高且不穩。因而這類表面織構主要用于面接觸及流體潤滑條件，不適用于點接觸、線接觸形式和干摩擦、邊界潤滑條件。
【發明內容】
[0004]針對現有技術存在的缺陷，本發明的目的是提供一種經過邊緣修形的表面凹坑織構及其加工方法。
[0005]為達到上述目的，本發明采用如下技術方案:
一種經過邊緣修形的表面凹坑織構，在表面織構有效接觸區內凹坑的數量不少于3個，凹坑直徑不小于30微米，凹坑深度不低于10微米，凹坑面積占比為5%?30% ;通過邊緣修形使凹坑邊緣呈連續曲面變化，即凹坑內外以較為平緩的曲面相連接，不存在尖銳的邊緣。
[0006]一種經過邊緣修形的表面凹坑織構的加工方法，包括如下步驟:
a.選取基材，進行表面拋光，其粗糙度控制在Ra不大于3μ m ;
b.用激光或電化學拋光法在拋光好的基材表面均勻打出圓形凹坑；
c.采用電化學拋光法或彈性襯墊上的機械拋光法，對打好凹坑的基材表面進行拋光，拋光過程中換幾次方向，拋光后凹坑的直角邊緣被研磨掉，塌邊成圓弧形；
d.拋光完成后，分別用正己烷、無水乙醇進行超聲波清洗，自然干燥。
[0007]所述步驟a中的基材為鐵、鈦、鉻、鑰、鎢、鋁、銅、鎳的單一金屬材料以及含有其中至少一種金屬元素的合金材料；或聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、環氧樹脂、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯的單一高分子聚合物以及含有其中至少一種聚合物的高分子復合材料；或碳化硅、氮化硅、氧化鋯、氧化鋁的單一陶瓷材料以及含有其中至少一種陶瓷材料的復合陶瓷材料。對高分子材料或陶瓷材料也可通過加工相應的模具采用鑄壓成型技術獲得所需的修形織構表面圖形。另外，3D打印技術也可用于該類表面圖形的制造。
[0008]在修形后的表面進一步采用物理氣相沉積法或化學氣相沉積法進行硬質薄膜的沉積，得到具有硬質薄膜表面的經過邊緣修形的表面凹坑織構。
[0009]所述的硬質薄膜為非晶碳基薄膜或以硅、鈦、鉻、鋁、鎢、鑰其中至少一種元素的碳化物、氮化物、碳氮化物或氧化物為主要成分的硬質化合物涂層。
[0010]與現有技術相比，本發明具有如下突出的實質性特點和顯著的優點:
本發明利用彈性襯墊上機械拋光的塌邊現象和電化學拋光對突起部分刻蝕速度快的作用，對表面織構邊緣進行圓滑處理，將表面織構相交面間的直角變成圓滑曲線，形成圓滑過渡，從而減小邊緣效應并引入楔形接觸，提供一種通過邊緣修形來實現儲存潤滑液、收集雜質和磨粒的同時，達到更好的降摩減磨效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為沒有修形與修形后的織構對比，修形后織構邊緣呈圓弧狀。
[0012]圖2是織構的表面分布圖。其中Rp是凹坑直徑，Hp是凹坑深度，R是修形半徑，L是凹坑間距，Φ是凹坑分布傾斜角度。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖，對本發明的具體實施例做進一步的說明。
[0014]如圖1和圖2所示，一種經過邊緣修形的表面凹坑織構，在表面織構有效接觸區內凹坑的數量不少于3個，凹坑直徑不小于30微米，凹坑深度不低于10微米，凹坑面積占比為5%?30% ;通過邊緣修形使凹坑邊緣呈連續曲面變化，即凹坑內外以較為平緩的曲面相連接，不存在尖銳的邊緣。
[0015]實施例1
一種經過邊緣修形的表面凹坑織構的加工方法,包括如下步驟: a.選取一塊4Crl3鋼(直徑40mm，厚度10mm)，進行表面拋光，其粗糙度為Ra0.02?
0.025 μ m。
[0016]b.用激光在打磨好的表面均勻打出直徑Rp=50ym，深度Ηρ=20μπι，圓心間距L=10 μ m，傾斜角度Φ =60°的圓形凹坑。
[0017]c.用砂紙打磨掉激光加工產生的毛刺，再選用旋轉式研磨拋光機，拋光墊下放置一塊橡膠墊，拋光墊上涂油性金剛石拋光膏，對打好凹坑的不銹鋼表面進行拋光，中間換幾次方向，拋光后凹坑的直角邊緣會首先被研磨掉，塌邊成圓弧形。
[0018]d.拋光完成后分別在正己烷、無水乙醇中進行超聲波清洗lOmin，自然干燥。
[0019]實施例2
一種經過邊緣修形的表面凹坑織構的加工方法,包括如下步驟:
a.選取一塊4Crl3鋼(直徑40mm，厚度10mm)，進行表面拋光，其粗糙度控制在Ra0.02 ?0.025 μ m。
[0020]b.用激光在打磨好的表面均勻打出直徑Rp=10 μ m，深度Ηρ=20 μ m，圓心間距L=SOOym,傾斜角度Φ=90°的圓形凹坑。
[0021]c.用砂紙打磨掉激光加工產生的毛刺，再用電解拋光已加工表面，電解拋光后凹坑的直角邊緣會首先被溶解掉，塌邊成圓弧形。
[0022]d.拋光完成后分別在正己烷、無水乙醇中進行超聲波清洗lOmin，自然干燥。
[0023]實施例3
一種經過邊緣修形的表面凹坑織構的加工方法,包括如下步驟:a.選取一塊聚苯乙烯(直徑40mm，厚度10mm)，進行表面拋光，其粗糙度為Ral μ m。
[0024]b.用激光在打磨好的表面均勻打出直徑Rp=10 μ m，深度Ηρ=20 μ m，圓心間距L=SOOym,傾斜角度Φ=90°的圓形凹坑。
[0025]c.用砂紙打磨掉激光加工產生的毛刺，再選用旋轉式研磨拋光機，拋光墊下放置一塊橡膠墊，拋光墊上涂油性金剛石拋光膏，對打好凹坑的聚苯乙烯表面進行拋光，中間換幾次方向，拋光后凹坑的直角邊緣會首先被研磨掉，塌邊成圓弧形。
[0026]d.拋光完成后分別在正己烷、無水乙醇中進行超聲波清洗lOmin，自然干燥。
[0027]實施例4
一種經過邊緣修形的表面凹坑織構的加工方法,包括如下步驟:a.選取一塊4Crl3鋼(直徑40mm，厚度10mm)，進行表面拋光，其粗糙度為Ra0.02?0.025 μ m。
[0028]b.用激光在打磨好的表面均勻打出直徑Rp=50 μ m，深度Ηρ=20 μ m，圓心間距L=10 μ m，傾斜角度Φ =60°的圓形凹坑。
[0029]c.用砂紙打磨掉激光加工產生的毛刺，再選用旋轉式研磨拋光機，拋光墊下放置一塊橡膠墊，拋光墊上涂油性金剛石拋光膏，對打好凹坑的不銹鋼表面進行拋光，中間換幾次方向，拋光后凹坑的直角邊緣會首先被研磨掉，塌邊成圓弧形。
[0030]d.拋光完成后分別在正己烷、無水乙醇中進行超聲波清洗lOmin，自然干燥。
[0031]e.在修形后的表面進一步采用物理氣相沉積法或化學氣相沉積法進行非晶碳基薄膜的沉積，得到具有非晶碳基薄膜表面的經過邊緣修形的表面凹坑織構。
[0032]實施例5
一種經過邊緣修形的表面凹坑織構的加工方法,包括如下步驟:
a.選取一塊鋁合金(直徑40mm，厚度10mm)，進行表面拋光，其粗糙度為Ra0.02?0.025 μ m。
[0033]b.用激光在打磨好的表面均勻打出直徑Rp=50 μ m，深度Ηρ=20 μ m，圓心間距L=10 μ m，傾斜角度Φ =60°的圓形凹坑。
[0034]c.用砂紙打磨掉激光加工產生的毛刺，再選用旋轉式研磨拋光機，拋光墊下放置一塊橡膠墊，拋光墊上涂油性金剛石拋光膏，對打好凹坑的不銹鋼表面進行拋光，中間換幾次方向，拋光后凹坑的直角邊緣會首先被研磨掉，塌邊成圓弧形。
[0035]d.拋光完成后分別在正己烷、無水乙醇中進行超聲波清洗lOmin，自然干燥。
【權利要求】
1.一種經過邊緣修形的表面凹坑織構，其特征在于，在表面織構有效接觸區內凹坑的數量不少于3個，凹坑直徑不小于30微米，凹坑深度不低于10微米，凹坑面積占比為5%?30%;通過邊緣修形使凹坑邊緣呈連續曲面變化，即凹坑內外以較為平緩的曲面相連接，不存在尖銳的邊緣。
2.一種經過邊緣修形的表面凹坑織構的加工方法，其特征在于，包括如下步驟: a.選取基材，進行表面拋光，其粗糙度控制在Ra不大于3μ m ; b.用激光或電化學拋光法在拋光好的基材表面均勻打出圓形凹坑； c.采用電化學拋光法或彈性襯墊上的機械拋光法，對打好凹坑的基材表面進行拋光，拋光過程中換幾次方向，拋光后凹坑的直角邊緣被研磨掉，塌邊成圓弧形； d.拋光完成后，分別用正己烷、無水乙醇進行超聲波清洗，自然干燥。
3.根據權利要求2所述的經過邊緣修形的表面凹坑織構的加工方法，其特征在于，所述步驟a中的基材為鐵、鈦、鉻、鑰、鎢、鋁、銅、鎳的單一金屬材料以及含有其中至少一種金屬元素的合金材料；或聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、環氧樹脂、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯的單一高分子聚合物以及含有其中至少一種聚合物的高分子復合材料；或碳化硅、氮化硅、氧化鋯、氧化鋁的單一陶瓷材料以及含有其中至少一種陶瓷材料的復合陶瓷材料。
4.根據權利要求2或3所述的經過邊緣修形的表面凹坑織構的加工方法，其特征在于，在修形后的表面進一步采用物理氣相沉積法或化學氣相沉積法進行硬質薄膜的沉積，得到具有硬質薄膜表面的經過邊緣修形的表面凹坑織構。
5.根據權利要求4所述的經過邊緣修形的表面凹坑織構的加工方法，其特征在于，所述的硬質薄膜為非晶碳基薄膜或以硅、鈦、鉻、鋁、鎢、鑰其中至少一種元素的碳化物、氮化物、碳氮化物或氧化物為主要成分的硬質化合物涂層。
【文檔編號】C23C16/44GK104044016SQ201410248161
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月6日 優先權日:2014年6月6日
【發明者】吳行陽, 曹允, 牛浩之, 張建華 申請人:上海大學