[發明專利]一種激光干涉微織構化改性40Cr軸承鋼表面的方法

有效

• 申請號: 201910166415.9
• 申請日: 2019-03-06
• 公開（公告）號: CN109940273B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 李文君;王作斌;于化東;李棟;曹亮;黃雷;董莉彤
• 申請（專利權）人: 長春理工大學;吉林省計量科學研究院
• 主分類號: B23K26/36
• 分類號: B23K26/36
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗

本發明公開了一種激光干涉微織構化改性40Cr軸承鋼表面的方法，利用三光束激光干涉，在40Cr軸承鋼表面刻蝕等邊三角形陣列分布的微米級圓形凹坑織構結構，在接觸摩擦過程中形成無數個微空氣穴，重載條件下有利于提高油膜厚度，減小摩擦表面實際接觸面積，同時使摩擦過程中產生的磨損顆粒進入凹坑，減少顆粒磨損。微織構化40Cr軸承鋼在重載條件下優化了摩擦表面潤滑條件，減小摩擦系數，提高其摩擦學性能。

技術領域

本發明涉及的是一種激光干涉微織構化改性40Cr軸承鋼表面的方法，利用三光束激光干涉納米光刻技術直接在40Cr軸承鋼表面制備微米級織構化表面結構，降低摩擦系數，提高摩擦學特性。

技術背景

重載接觸運動作為一種常見工作狀態廣泛存在于機械系統中，承重材料的穩定性在增強負載，保證運行精度及延長使用壽命起到至關重要的作用。重載工作時，承重材料會產生彈性形變，增加實際接觸面積，增加損耗。同時，重載摩擦會使接觸表面溫度升高，不利于形成潤滑油膜，使承重材料發生腐蝕。隨著材料工程學和機械系統設計與制造技術的發展，織構化改性技術廣泛應用于增強重載承重結構中各零部件接觸面的摩擦學性能。40Cr是廣泛應用的重載軸承鋼材料之一，利用微織構化改性的方法提高40Cr軸承鋼摩擦學性能已經得到了廣泛關注。

表面和界面是實現材料功能性的窗口，表面微織構結構的構筑對提高材料的摩擦學性能有著非常重要的意義。國內外研究表明：固體材料表面的微觀形貌對其摩擦學性能有直接影響，并非越光滑的表面摩擦學性能越好，合理設計的織構化凹坑微觀結構能夠實現良好的抗磨損及潤滑作用。微織構的形狀、孔徑尺寸、陣列分布和織構面積占比對提高摩擦學性能起決定性作用。織構面積占比在20％-30％之間有利于改善潤滑條件，在重載摩擦過程中，微米級凹坑陣列會在摩擦副接觸面中間形成無數微空氣穴，微空氣穴減少接觸面的實際接觸面積，摩擦過程中產生的磨損顆粒也會通過空氣穴進入微米級凹坑，減少顆粒磨損。同時無數個微米級凹坑結構起到了分散應力的作用，使重載摩擦過程中產生的應力在微區釋放，從而降低摩擦和損耗。因此，表面微織構結構的構筑是優化潤滑條件，提高摩擦學特性的重要手段。

織構化改性方法也得到了進一步發展，例如熱處理技術，化學沉積技術，物理沉積技術和激光處理技術。熱處理技術加工時間長，不適合局部加工；化學和物理沉積方法程序繁瑣，加工條件苛刻，不易實現。在現有的制造方法中，激光處理應用的最為廣泛，激光束能量密度高達10⁸w/cm²，耗能低，能夠在極短的時間內使材料到達極高的溫度，使表層材料瞬間熔化，依靠低溫基體將熔池急冷，不需要冷卻介質，熱影響區小，可以根據機械系統的需要在材料局部或指定區域進行改性。而在激光處理技術主要包括激光直寫技術，激光壓印技術和激光干涉技術。激光直寫技術通過單點掃描制備凹坑結構，速度慢，不適合大面積制備，制備結構孔徑尺寸為幾十微米至幾百微米，不適合高精度大面積加工。激光壓印技術利用掩模可大面積制備孔徑尺寸在幾百納米到幾十微米的結構，但是掩模成本高，不適合曲面加工。而納秒激光干涉形成微織構化結構在表面改性方面具有其他技術不可替代的潛力及優勢。其加工過程無需掩模，一次性曝光大視場，可以直接在各種平面或曲面造型的高硬度金屬表面制備大面積周期性三維微織構結構，相對于激光直寫等其他方法，具有高精度、高效率和可控性好的優勢。織構化微米凹坑結構對制備工藝有很高的要求，微米凹坑織構結構的孔徑尺寸、陣列分布和織構面積占比都會影響摩擦學性能，激光干涉具有孔徑尺寸在微米級可調的優點，可以針對特定形狀、孔徑尺寸和陣列分布，通過軟件模擬得到相應圖案的干涉光強能量分布，再根據模擬結果搭建光路系統，直接在材料表面(平面或表面)刻蝕，得到與光強能量分布圖案一致的高精度微織構結構。發明專利“表面圖案化制備低摩擦高硬度人工髖關節球頭的方法”，專利號：ZL201510473611.2公開了一種在鈷鉻鉬合金表面制備酒窩陣列的方法，獲得周期為1-10μm，深度為0.3-6μm的酒窩結構，使摩擦系數減少64％。該方法沒有明確微織構結構的陣列分布和結構占比，本發明在結構設計及制備工藝上有所改進，通過精確控制正三角形陣列分布的凹坑結構的占比，使得摩擦系數降低78％，相比64％的減少有明顯提高。同時，本發明是針對40Cr軸承鋼材料進行加工，對于重載下的摩擦學性能要求更高，因此具有創新性。