CN106735911A - 一种超快激光处理氧化铝陶瓷刀片表面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超快激光处理氧化铝陶瓷刀片表面的方法，该方法首先将陶瓷刀片样品利用去离子水和无水乙醇清洗干净后冷风吹干或晾干，再利用激光加工技术，采用超快激光调节好相关的工艺参数后对样品进行表面处理，在样品表面加工出无数的微纳结构，使刀具表面由亲切削液变为超亲切削液。本发明的制备方法工艺简单，可在开放环境中进行，操作方便，效率高，能耗少，成本低，绿色环保，易于实现工业应用。
Description
技术领域
本发明涉及金属陶瓷基材表面改性技术领域，尤其涉及一种超快激光处理氧化铝陶瓷刀片表面的方法。
背景技术
氧化铝与其他刀具材料不同的特性是：氧化铝化学性能稳定，抗氧化性特别好，它的切削刃即使处于红热状态下也能长时间切削，故氧化铝陶瓷刀具特别适于高速切削。由于氧化铝刀片对大部份金属的润湿性差，所以很难与金属粘结，在切削时摩擦系数低、切削力小、不易产生积屑瘤和粘结磨损，因此加工件容易得到光洁度较高的表面。氧化铝刀具适合加工大多数金属材料，尤其适合切削冷硬铸铁或淬硬钢，对这些材料采用精车代磨可取得明显的技术经济效益。在高温下氧化铝保持高硬度，其切削速度可达1300米/分。目前氧化铝刀具主要用于半精加工和精加工，精加工其精度和光洁度适合硬材料的以车代磨，而大幅提高加工效率，加工成本可降低一半以上，所以氧化铝刀具很受欢迎。在德国汽车上很多部件都是氧化铝陶瓷刀具以车代磨精加工完成的。
采用切削液对切削刀具进行润滑是最传统的润滑方式，在实际生产中应用最为广泛。切削液可分为水基和油基两大类，由基础油(液)和各种添加剂(极性添加剂、油性添加剂和固体润滑剂等)组成。其作用机理主要是通过切削液渗入到刀-屑接触区，在刀-屑接触界面和刀-工接触界面间形成润滑膜从而达到润滑效果，减小切削过程中的摩擦，降低摩擦力和切削力。
运用激光的方法直接改变Al2O3陶瓷刀片表面的浸润性，制备具有微纳米尺度双层结构的超疏水表面将是一个有前途的技术研究。金属陶瓷刀具材料的浸润性是金属陶瓷表面很重要的一个特征，材料的微观结构以及组成成分共同影响着材料表面的浸润性。在陶瓷刀具上制备亲切削液表面的制备方法很多，典型的方法和途径主要有：溶胶一凝胶法，电化学方法，静电纺丝法，等离子体技术，氧化还原法，水热法，相分离法，气相沉积法，层层自组装法，模板法等。部分现有的技术常常从陶瓷材料本身性能入手制备亲水陶瓷，或者需要重新设计、制备疏水涂层，导致了成本高，工艺复杂，难推广等不足。同时这些技术普遍存在化学药水的浸泡，会产生化学污染，步骤繁琐，费时以及制备效率低等缺点，这些缺点都限制了其实际应用。
综上所述，开发工艺简单，制备效率高，适用于产业化应用，且不产生任何环境污染，一次性实现Al2O3陶瓷刀片基材表面亲切削液性而无需经过任何化学工艺处理的方法，是目前科研工作者亟待解决的技术问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种工艺简单，制备效率高、绿色环保的超快激光处理氧化铝陶瓷刀片表面的方法。本发明的方法可在各种尺寸和不同形状Al2O3陶瓷刀片表面获得长期稳定的、接触角约为0°的超亲切削液表面，同时制得的表面对增加刀具表面的润滑性和减小摩擦具有重要的作用。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种超快激光处理氧化铝陶瓷刀片表面的方法,所述方法包括如下步骤：
步骤一，将待处理的Al2O3陶瓷刀片样品在去离子水中超声清洗，然后用无水乙醇清洗干净后即表面没有没有灰尘和油脂后，将Al2O3陶瓷刀片样品表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的Al2O3陶瓷刀片样品；
步骤二，利用激光加工技术，采用超快激光器调节相关的工艺参数后对步骤一得到的洁净Al2O3陶瓷刀片样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出微纳结构。
作为优选项：所述步骤一种超声清洗的超声频率为40kHz，所述去离子水电阻率为18.25兆欧，所述去离子水应将Al2O3陶瓷刀片样品表面淹没，在室温下连续超声清洗30分钟。
作为优选项：所述步骤二中超快激光器波长为720-880nm，脉宽90-110fs，单脉冲能量小于0.4mJ，重复频率9-11 kHz，聚焦后的理论光束直径为12-17μm。
作为优选项：所述步骤二中超快激光器波长为800nm，脉宽100fs，单脉冲能量小于0.4mJ，重复频率10 kHz，聚焦后的理论光束直径为15μm。
作为优选项：所述步骤二中激光扫描处理的具体方法为：采用振镜对Al2O3陶瓷刀片样品表面进行光束扫描，振镜扫描的速度为0.1mm/s～30m/s。
作为优选项：所述步骤二中激光扫描处理的具体方法为：将扫描光束固定，Al2O3陶瓷刀片样品相对光束运动，运动的速度为0.1mm/s～3m/s。
作为优选项：所述单脉冲能量为30μJ～90μJ，扫描速度为29mm/s～294mm/s。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）利用本发明方法制备得到的Al2O3陶瓷刀片与切削液的接触角约为0°，因此具有非常好的亲水性能；
（2）本发明的制备方法工艺简单，可在开放环境中进行，操作方便，效率高，能耗少，成本低，绿色环保，不采用任何化学试剂涂层，且本发明方法的工艺参数容易控制，易于实现工业应用；
（3）采用本发明方法制备得到的亲切削液Al2O3陶瓷刀片表面性能稳定，具备良好的润滑性能和摩擦性能，大大增加了Al2O3陶瓷刀片的使用寿命。
附图说明
图1为未处理前Al2O3陶瓷刀片表面的接触角示意图（a）和三维结构图（b）；
图2为本发明实施例1利用超快激光制备得到的Al2O3陶瓷刀片与切削液的接触角示意图（c）和三维结构图（d）；
图3分别为本发明实施例2利用超快激光制备得到的Al2O3陶瓷刀片与切削液的接触角示意图（e）和三维结构图（f）；
图4分别为本发明实施例3利用超快激光制备得到的Al2O3陶瓷刀片与切削液的接触角示意图（g）和三维结构图（h）；
图5分别为本发明实施例4利用超快激光制备得到的Al2O3陶瓷刀片与切削液的接触角示意图（j）和三维结构图（k）。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细介绍。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
本发明所述的超快激光处理氧化铝陶瓷刀片表面的方法，是在Al2O3陶瓷刀片表面上制造出微纳表面结构使其对水基切削液的接触角约为0°，具有良好的润湿性；所述方法包括如下步骤：
步骤一，将待处理的Al2O3陶瓷刀片样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，然后用无水乙醇清洗至表面没有没有灰尘和油脂后，将所述Al2O3陶瓷刀片样品表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的Al2O3陶瓷样品；
步骤二，利用激光加工技术，采用超快激光器调节好相关的工艺参数后对步骤一所述得到的洁净Al2O3陶瓷刀片样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出微纳结构；
所述激光扫描采用振镜***进行光束扫描，振镜扫描的速度为0.1mm/s-30m/s，激光的通断及振镜***的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；或所述激光扫描使用运动平台***实现，将光束固定，样品相对光束运动，平台运动的速度为0.1mm/s-3m/s，激光的通断、平台运动轨迹和速度均由计算机程序控制和设定；
其中，步骤二所述的超快激光器波长为800nm，所述激光加工参数为：脉宽100fs，单脉冲能量小于0.4mJ，重复频率10 kHz，聚焦后的理论光斑直径为15μm。
再进一步优选地，所述单脉冲能量为30μJ -90μJ，扫描速度为29mm/s-294mm/s。
实施例1
本实施例的一种超快激光处理氧化铝陶瓷刀片表面的方法，包括以下具体步骤：
步骤一，将Al2O3陶瓷刀片样品用超声波清洗仪清洗，超声波清洗仪超声波频率为40kHz，用电阻率为18.25兆欧的去离子水淹没样品表面，在室温下，连续清洗30分钟，然后用无水乙醇清洗至表面没有没有灰尘和油脂后，室温自然晾干，得到洁净的Al2O3陶瓷刀片样品；
步骤二，采用超快激光器对步骤一所述得到的洁净Al2O3陶瓷样品表面进行激光扫描加工，在样品表面加工出无数的微纳结构；所述激光器波长为800nm，脉宽为100fs，单脉冲能量为30μJ，重复频率为10kHz，所述激光扫描利用X-Y扫描振镜***，使激光束直径为15μm，以29mm/s的速度逐行逐列烧蚀所述Al2O3陶瓷刀片样品表面，即得。
激光处理完之后，采用全合成水基切削液，利用光学接触角表面界面张力测量仪测试所述得到的Al2O3陶瓷刀片表面的接触角：切削液体积为9微升，测试温度为21℃，湿度为19.5%RH。测得的结果为接触角近似为0°，因此可以说此时的表面是超亲切削液表面，将样品放置在周围环境中90天后再次测量其接触角测得其接触角仍然是约为0°，故加工后样品表面的稳定性良好；
本实施例制备得到的Al2O3陶瓷刀片表面与切削液的接触角示意图和刀片表面三维结构图如图2所示。
本实施例制备得到的Al2O3陶瓷刀片表面与切削液的接触角测试结果见表1。
实施例2
本实施例的一种超快激光处理氧化铝陶瓷刀片表面的方法，包括以下具体步骤：
步骤一，将Al2O3陶瓷刀片样品用超声波清洗仪清洗，超声波清洗仪超声波频率为40kHz，用电阻率为18.25兆欧的去离子水淹没样品表面，在室温下，连续清洗30分钟，然后用无水乙醇清洗至表面没有没有灰尘和油脂后，室温自然晾干，得到洁净的Al2O3陶瓷刀片样品；
步骤二，采用超快激光器对步骤一所述得到的洁净Al2O3陶瓷样品表面进行激光扫描加工，在样品表面加工出无数的微纳结构；所述激光器波长为800nm，脉宽为100fs，单脉冲能量为90μJ，重复频率为10kHz，所述激光扫描利用X-Y扫描振镜***，使激光束直径为15μm，以29mm/s的速度逐行逐列烧蚀所述Al2O3陶瓷刀片样品表面，即得。
激光处理完之后，采用全合成水基切削液，利用光学接触角表面界面张力测量仪测试所述得到的Al2O3陶瓷刀片表面的接触角：切削液体积为9微升，测试温度为21℃，湿度为19.5%RH。测得的结果为接触角近似为0°，因此可以说此时的表面是超亲切削液表面，将样品放置在周围环境中90天后再次测量其接触角测得其接触角仍然约为0°，故加工后样品表面的稳定性良好；
本实施例制备得到的Al2O3陶瓷刀片表面与切削液的接触角示意图和刀片表面三维结构图如图3所示。
本实施例制备得到的Al2O3陶瓷刀片表面与切削液的接触角测试结果见表1。
实施例3
本实施例的一种利用超快激光制备Al2O3陶瓷刀片超亲切削液表面的方法，包括以下具体步骤：
步骤一，将Al2O3陶瓷刀片样品用超声波清洗仪清洗，超声波清洗仪超声波频率为40kHz，用电阻率为18.25兆欧的去离子水淹没样品表面，在室温下，连续清洗30分钟，然后用无水乙醇清洗至表面没有没有灰尘和油脂后，室温自然晾干，得到洁净的Al2O3陶瓷刀片样品；
步骤二，采用超快激光器对步骤一所述得到的洁净Al2O3陶瓷样品表面进行激光扫描加工，在样品表面加工出无数的微纳结构；所述激光器波长为800nm，脉宽为100fs，单脉冲能量为30μJ，重复频率为10kHz，所述激光扫描利用X-Y扫描振镜***，使激光束直径为15μm，以294mm/s的速度逐行逐列烧蚀所述Al2O3陶瓷刀片样品表面；
激光处理完之后，采用全合成水基切削液，利用光学接触角表面界面张力测量仪测试所述得到的Al2O3陶瓷刀片表面的接触角：切削液体积为9微升，测试温度为21℃，湿度为19.5%RH。测得的结果为接触角约为0°，因此可以说此时的表面是超亲切削液表面，将样品放置在周围环境中90天后再次测量其接触角测得其接触角仍然约为0°，故加工后样品表面的稳定性良好；
本实施例制备得到的Al2O3陶瓷刀片表面与切削液的接触角示意图和刀片表面三维结构图如图4所示。
本实施例制备得到的Al2O3陶瓷刀片表面与切削液的接触角测试结果见表1。
实施例4
本实施例的一种利用超快激光制备Al2O3陶瓷刀片亲切削液表面的方法，包括以下具体步骤：
步骤一，将Al2O3陶瓷刀片样品用超声波清洗仪清洗，超声波清洗仪超声波频率为40kHz，用电阻率为18.25兆欧的去离子水淹没样品表面，在室温下，连续清洗30分钟，然后用无水乙醇清洗至表面没有没有灰尘和油脂后，室温自然晾干，得到洁净的Al2O3陶瓷刀片样品；
步骤二，采用超快激光器对步骤一所述得到的洁净Al2O3陶瓷样品表面进行激光扫描加工，在样品表面加工出无数的微纳结构；所述激光器波长为800nm，脉宽为100fs，单脉冲能量为90μJ，重复频率为10kHz，所述激光扫描利用X-Y扫描振镜***，使激光束直径为15μm，以294mm/s的速度逐行逐列烧蚀所述Al2O3陶瓷刀片样品表面；
激光处理完之后，采用全合成水基切削液，利用光学接触角表面界面张力测量仪测试所述得到的Al2O3陶瓷刀片表面的接触角：切削液体积为9微升，测试温度为21℃，湿度为19.5%RH。测得的结果为接触角近似为0°，因此可以说此时的表面是超亲切削液表面，将样品放置在周围环境中90天后再次测量其接触角测得其接触角仍然约为0°，故加工后样品表面的稳定性良好；
本实施例制备得到的Al2O3陶瓷刀片表面与切削液的接触角示意图和刀片表面三维结构图如图5所示。
本实施例制备得到的Al2O3陶瓷刀片表面与切削液的接触角测试结果见表1。
经过试验，上述实施例中氧化铝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为0.7μm～1.4μm。
表1为本发明各实施例制备得到的Al2O3陶瓷刀片表面与切削液接触角的测试结果。
表1
| 实施例 | 激光处理一小时后接触角/° | 激光处理90天后接触角/° |
| 实施例1 | 近似0 | 近似0 |
| 实施例2 | 近似0 | 近似0 |
| 实施例3 | 近似0 | 近似0 |
| 实施例4 | 近似0 | 近似0 |
实施例5
本实施例的一种利用超快激光制备Al2O3陶瓷刀片亲切削液表面的方法，包括以下具体步骤：
步骤一，将Al2O3陶瓷刀片样品用超声波清洗仪清洗，超声波清洗仪超声波频率为40kHz，用电阻率为18.25兆欧的去离子水淹没样品表面，在室温下，连续清洗10分钟，然后用无水乙醇清洗至表面没有没有灰尘和油脂后，室温自然晾干，得到洁净的Al2O3陶瓷刀片样品；
步骤二，采用超快激光器对步骤一所述得到的洁净Al2O3陶瓷样品表面进行激光扫描加工，在样品表面加工出无数的微纳结构；所述激光器波长为720nm，脉宽为90fs，单脉冲能量为60μJ，重复频率为9kHz，所述激光扫描利用X-Y扫描振镜***，使激光束直径为12μm，以250mm/s的速度逐行逐列烧蚀所述Al2O3陶瓷刀片样品表面，即得。
实施例6
本实施例的一种利用超快激光制备Al2O3陶瓷刀片亲切削液表面的方法，包括以下具体步骤：
步骤一，将Al2O3陶瓷刀片样品用超声波清洗仪清洗，超声波清洗仪超声波频率为40kHz，用电阻率为18.25兆欧的去离子水淹没样品表面，在室温下，连续清洗20分钟，然后用无水乙醇清洗至表面没有没有灰尘和油脂后，室温自然晾干，得到洁净的Al2O3陶瓷刀片样品；
步骤二，采用超快激光器对步骤一所述得到的洁净Al2O3陶瓷样品表面进行激光扫描加工，在样品表面加工出无数的微纳结构；所述激光器波长为880nm，脉宽为110fs，单脉冲能量为60μJ，重复频率为11kHz，所述激光扫描利用X-Y扫描振镜***，使激光束直径为19μm，以100mm/s的速度逐行逐列烧蚀所述Al2O3陶瓷刀片样品表面，即得。
上述实施例中，步骤二中激光扫描处理的具体方法可以为采用振镜对Al2O3陶瓷刀片样品表面进行光束扫描，振镜扫描的速度为29mm/s～294mm/s也可以为将扫描光束固定，Al2O3陶瓷刀片样品相对光束运动，运动的速度为29mm/s～294mm/s。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种超快激光处理氧化铝陶瓷刀片表面的方法, 其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤一，将待处理的Al2O3陶瓷刀片样品在去离子水中超声清洗，然后用无水乙醇清洗干净后将Al2O3陶瓷刀片样品表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的Al2O3陶瓷刀片样品；
步骤二，利用激光加工技术，采用超快激光器调节相关的工艺参数后对步骤一得到的洁净Al2O3陶瓷刀片样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出微纳结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤一中所述去离子水应将Al2O3陶瓷刀片样品表面淹没，在室温下连续清洗10-30分钟。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤二中超快激光器波长为720-880nm，脉宽90-110fs，单脉冲能量小于0.4mJ，重复频率9-11 kHz，聚焦后的理论光束直径为12-17μm。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤二中超快激光器波长为800nm，脉宽100fs，单脉冲能量小于0.4mJ，重复频率10 kHz，聚焦后的理论光束直径为15μm。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于：所述步骤二中激光扫描处理的具体方法为：采用振镜对Al2O3陶瓷刀片样品表面进行光束扫描，振镜扫描的速度为29mm/s～294mm/s。
6.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于：所述步骤二中激光扫描处理的具体方法为：将扫描光束固定，Al2O3陶瓷刀片样品相对光束运动，运动的速度为29mm/s～294mm/s。
7.如权利要求3或4任一所述的方法，其特征在于：所述单脉冲能量为30μJ～90μJ。
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