CN106925894A - 一种激光微造型制备轴承耐腐蚀表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光微造型制备轴承耐腐蚀表面的方法，首先采用激光打标机在滚动轴承或滑动轴承相对运动表面加工出微凹坑或微凹槽结构，微凹坑或微凹槽结构的面积占有率为10‑30％；然后对加工后的轴承表面进行打磨抛光处理去除表面毛刺，最后将其浸入硬脂酸乙醇溶液中使整个表面形成一层单分子吸附层，降低表面能。本发明通过激光微造型技术，一方面可将空气困在微孔中，使得轴承在海洋及其它强腐蚀工作环境下的腐蚀离子很难接触到基底表面，降低轴承的腐蚀率；另一方面轴承表面微孔化后，微孔内可预先存储一定量的润滑油脂，使得轴承在工作中实现自润滑，提高轴承的减摩耐磨性能和耐腐蚀性能，极大地提高了其适应恶劣工作坏境的能力。

Description

一种激光微造型制备轴承耐腐蚀表面的方法
技术领域
本发明涉及一种轴承表面耐腐蚀技术，具体涉及一种激光微造型制备轴承耐腐蚀表面的处理技术。
背景技术
轴承作为当代机械设备的重要零部件在航空航天、建筑机械、汽车、海洋设备、风电等领域有着广泛的应用。随着工业的发展，对轴承的使用性能要求越来越严格，如在海洋等强腐蚀的工作环境中要求轴承在保持稳定的工作性能的同时还要有很强的耐腐蚀性能。众所周知，海洋环境是一种复杂的腐蚀环境,在这种环境中,海水作为一种强的腐蚀介质，加上海洋微生物、附着生物等易对金属构件产生腐蚀作用。因此研究开发适应多种恶劣工作坏境的耐腐蚀轴承技术显得尤为重要。
目前公开的专利中关于制备耐腐蚀轴承的方法大致分为三种，即(1)改变轴承材料的组成成分，(2)采用表面喷涂技术镀上耐腐蚀涂层，(3)在轴承表面开设沟槽，提高自润滑性能。申请号为CN201210435829.5的专利公开了一种耐腐蚀轴承的制备方法和申请号为CN201610375456.5的专利公开了一种耐腐蚀耐冲压轴承及其制备方法，该两种方法均通过改变轴承材料的组成成分，即将碳粉、硅粉、铬粉、钥粉、镍粉等经过合适的配比，经高温烧结制得轴瓦毛坯，再经机械加工获得轴承样品。该方法虽然可以通过合金元素的综合使用改善轴承用钢的力学性能、抗疲劳性能，但由于轴承的相对运动部位没有提到增设储油结构等相关设计，使得轴承在工作中储油效果不明显，降低了其耐腐蚀性能。申请号为CN201480016798.7的专利公开了一种防电腐蚀用滚动轴承，在外轮或内轮的外表面通过等离子体喷镀法一层陶瓷喷镀皮膜。申请号为CN201510095582.0的专利公开了一种轴承耐磨损耐腐蚀喷钛方法，采用表面喷涂技术在轴承的内、外圈和滚动体表面喷涂一层钛金属涂层，再通过渗碳处理，产生碳化钛表层来提高轴承的耐磨耐腐蚀性能。表面喷涂方法虽然能提高轴承的耐腐蚀性能，但也存在两点问题。一方面，镀层与基体结合不牢固，轴承长期在强腐蚀的环境下工作，易产生镀层剥落；另一方面，表面喷涂后的镀层厚度分布不均匀，在温差大的使用环境下,轴承相对运动部位之间易产生剪切应力，加上皮膜内部的残余应力会导致的机械强度的降低、引起皮膜的剥离或裂纹等损伤。申请号为CN201310714176.9的专利公开了一种用于腐蚀环境下的聚四氟乙烯滑动轴承，即利用填充石墨的聚四氟乙烯材料制作的滑动轴承，并在内、外滑动套上开设沟槽,使得海水或其它液体能充分浸入到内外滑动套的表面实现自润滑。该方法仅适合化学稳定性强的非金属材料，并且其开设的沟槽为宏观大尺度尺寸，在机械加工和整体承载方面存在不足。
综上所述，亟待开发出一种在海洋及其它强腐蚀工作环境下能保持稳定的工作性能的耐腐蚀轴承的制备方法来满足其产业应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中轴承的自润滑性能、减摩耐磨性能和耐腐蚀性能无法满足产业化需求的缺点，提供一种激光微造型制备轴承耐腐蚀表面的方法，以提高轴承的自润滑性能、减摩耐磨性能和耐腐蚀性能。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种激光微造型制备轴承耐腐蚀表面的方法，包括如下步骤：
(1)激光微造型处理，采用红外激光打标机(DL-TG-IRF-30)在滚动轴承或滑动轴承相对运动表面加工出微凹坑或微凹槽结构，微凹坑或微凹槽结构的面积占有率为10-30％。
采用激光微造型技术在轴承表面加工微结构，可以通过调整激光的加工参数(如激光功率，运动速度、加工间距等)，有效控制轴承表面微结构的形状和尺寸。使得轴承相对运动表面形成规则的微凹坑或微凹槽形状。将微凹坑或微凹槽的面积占有率设置为10-30％，是在保证不影响轴承的使用性能的前提下最大限度的提高轴承微结构的比例，提高轴承耐腐蚀性能。当轴承微结构的面积占有率过高，大于30％时会影响轴承的使用性能，使轴承的承载性能、耐摩擦性能下降；当轴承微结构的面积占有率过低，小于10％时不能在轴承表面制备出足够的微凹坑或微凹槽结构，影响其储油、截留空气、阻隔腐蚀分子等性能。因此将微凹坑或微凹槽的面积占有率设置为10-30％较为合适。
(2)轴承表面后处理，将激光加工后轴承样品依次经过3000#、7000#砂纸打磨去除表面毛刺，并超声清洗得到洁净的样品；
(3)表面修饰，将轴承样品浸入硬脂酸乙醇溶液中浸泡，使整个表面形成一层单分子吸附层，降低表面能，得到轴承耐腐蚀表面。
根据本发明所述激光微造型制备轴承耐腐蚀表面的方法，其进一步技术方案为，步骤(1)中所述的激光微造型处理的工艺参数为，激光波长为1064nm，激光输出功率为20W、激光频率为20kHz、脉冲宽度为100ns；所述微凹坑的直径为40-80μm，深度为10-50μm，两微凹坑间距为50-300μm；所述微凹槽的宽度为40-80μm，深度为10-50μm，两微凹槽的间距为50-300μm。
根据本发明所述激光微造型制备轴承耐腐蚀表面的方法，其进一步技术方案为，步骤(1)所述的滚动轴承或滑动轴承相对运动表面指的是径向滚动轴承内圈的外表面和外圈的内表面，径向滑动轴承轴瓦的内表面，推力滚动轴承轴圈和座圈与滚动体接触的表面，推力滑动轴承轴瓦端面。
根据本发明所述激光微造型制备轴承耐腐蚀表面的方法，其进一步技术方案为，步骤(3)所述的硬脂酸乙醇溶液中硬脂酸质量百分含量为1-3％。
根据本发明所述激光微造型制备轴承耐腐蚀表面的方法，其进一步技术方案为，步骤(3)所述的浸泡时间为10h。
根据本发明所述激光微造型制备轴承耐腐蚀表面的方法，其进一步技术方案为，步骤(1)所述的轴承所用材料可为黄铜、不锈钢、T8钢、轴承钢等金属材料中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)通过激光微造型技术在轴承相对运动表面制备出微孔结构，可将空气困在微孔中，使得轴承在海洋及其它强腐蚀工作环境下的腐蚀离子(如Cl-)很难接触到基底表面，降低轴承的腐蚀率。
(2)轴承表面微孔化后，微孔内可预先存储一定量的润滑油脂，使得轴承在工作中实现自润滑，提高轴承的减摩耐磨性能和耐腐蚀性能，极大地提高了其适应恶劣工作坏境的能力。
(3)激光微造型技术可适合黄铜、铝合金、不锈钢、T8钢、轴承钢等多种材料的微细加工。
(4)激光加工属于非接触加工没有切削力，可加工深度方向有一定倾角的微腔，提高固体润滑油脂在轴承表面的机械嵌合力。
(5)激光加工的微腔结构的面积占有率为10-30％，且加工的尺寸为微米数量级，有利于保证轴承的整体机械强度、刚度和配合精度。
附图说明
图1(a)为径向滚动轴承内圈的外表面激光微凹坑造型三维效果示意图；
图1(b)为径向滚动轴承内圈的外表面激光微凹坑造型三维效果示意图的局部放大图；
图2(a)为径向滚动轴承内圈的外表面激光微凹槽造型三维效果示意图；
图2(b)为径向滚动轴承内圈的外表面激光微凹槽造型三维效果示意图的局部放大图；
图3(a)为推力轴承轴圈或座圈工作表面激光微凹坑造型三维效果示意图；
图3(b)为推力轴承轴圈或座圈工作表面激光微凹坑造型三维效果示意图的局部放大图；
图4(a)为推力轴承轴圈或座圈工作表面激光微凹槽造型三维效果示意图；
图4(b)为推力轴承轴圈或座圈工作表面激光微凹槽造型三维效果示意图的局部放大图；
图5为激光打标机微造型得到的轴承工作表面的微凹坑结构分布的SEM电镜图；
图6为激光打标机微造型得到的轴承工作表面的微凹槽结构分布的SEM电镜图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，以下结合具体实例对本发明的技术方案做进一步详细的介绍。下述实施例中所述实验方法如无特殊说明均为常规方法，所述试剂和材料如无特殊说明均从商业途径可获得。
结合图附图1-4中的轴承工作表面激光微造型效果图可以得出，一方面可将空气困在微孔中，使得轴承在海洋及其它强腐蚀工作环境下的腐蚀离子(如Cl-)很难接触到基底表面，降低轴承的腐蚀率；另一方面轴承表面微孔化后，微孔内可预先存储一定量的润滑油脂，并可实现轴承运转中对磨粒的收集，提高了其对复杂工况的适应能力。
实施例1
本实施例的一种激光微造型制备轴承耐腐蚀表面的方法，包括如下步骤：
(1)激光微造型，采用红外激光打标机(DL-TG-IRF-30)在以黄铜H62为基材的滚动轴承内圈的外表面加工出微凹坑结构，采用的激光波长为1064nm，激光输出功率为20W、激光频率为20kHz、脉冲宽度为100ns，所加工的微凹坑的直径为60μm，深度为20μm，两凹坑间距为150μm，微凹坑的面积占有率为20％；
(2)轴承表面后处理，将激光加工后轴承样品依次经过3000#、7000#砂纸打磨去除表面毛刺，并超声清洗得到洁净的样品；
(3)表面修饰，将轴承样品浸入质量百分含量为1％的硬脂酸乙醇溶液中浸泡10h，之后取出经过超声清洗清除表面残留再风干，使整个表面形成一层单分子吸附层，降低表面能。
本实例制得的以黄铜H62为基材的滚动轴承内圈的外表面的微凹坑结构图如图5所示，微凹坑排列整齐，尺寸均匀。
为了测试样品表面的耐腐蚀率，采用电阻率为18.25兆欧的去离子水配制质量浓度5％的NaCl水溶液，在室温下将未经处理的普通黄铜样片完全浸泡在上述NaCl水溶液中20小时，分别称量样品腐蚀前后的质量，采用单位时间内单位面积上材料损失的重量计算所述表面的腐蚀率，所述样品表面经腐蚀后需超声清洗，待水分完全蒸发后再测其质量。经计算,普通黄铜样片的腐蚀率为7.6×10-3mm/a。
采用上述的测试方法将经过激光微凹坑加工并经过表面修饰的黄铜样片浸泡在浓度5％的NaCl水溶液中20小时,测得腐蚀率为1.6×10-3mm/a,测试结果表明经激光造型的轴承样品比普通轴承样品的表面具有更好的耐腐蚀性能。
实施例2
本实施例的一种激光微造型制备轴承耐腐蚀表面的方法，包括如下步骤：
(1)激光微造型，采用红外激光打标机(DL-TG-IRF-30)在以304不锈钢为基材的推力轴承座圈工作表面加工出微凹槽结构，采用的激光波长为1064nm，激光输出功率为20W、激光频率为20kHz、脉冲宽度为100ns，所加工的微凹槽的宽度为80μm，深度为20μm，两凹槽的间距为300μm。
(2)轴承表面后处理，将激光加工后轴承样品依次经过3000#、7000#砂纸打磨去除表面毛刺，并超声清洗得到洁净的样品；
(3)表面修饰，将轴承样品浸入质量百分含量为3％的硬脂酸乙醇溶液中浸泡10h，之后取出经过超声清洗清除表面残留再风干，使整个表面形成一层单分子吸附层，降低表面能。
本实例制得的以304不锈钢为基材的推力轴承座圈工作表面的微凹槽结构图如图6所示，微凹槽排列整齐，尺寸均匀。
为了测试样品表面的耐腐蚀率，采用电阻率为18.25兆欧的去离子水配制质量浓度5％的NaCl水溶液，在室温下将未经处理的普通304不锈钢样片完全浸泡在上述NaCl水溶液中20小时，分别称量样品腐蚀前后的质量，采用单位时间内单位面积上材料损失的重量计算所述表面的腐蚀率，所述样品表面经腐蚀后需超声清洗,待水分完全蒸发后再测其质量。经计算,普通304不锈钢样片的腐蚀率为2.9×10-3mm/a。
采用上述的测试方法将经过激光微凹槽加工并经表面修饰的30不锈钢样片浸泡在浓度5％的NaCl水溶液中20小时,测得腐蚀率为1.1×10-3mm/a,测试结果表明经激光造型的轴承样品比普通轴承样品的表面具有更好的耐腐蚀性能。
尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施方式做出各种改变、替换和变更。

Claims (6)

1.一种激光微造型制备轴承耐腐蚀表面的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)激光微造型处理，采用红外激光打标机在滚动轴承或滑动轴承相对运动表面加工出微凹坑或微凹槽结构，微凹坑或微凹槽结构的面积占有率为10-30％；
(2)轴承表面后处理，将激光加工后轴承样品依次经过3000#、7000#砂纸打磨去除表面毛刺，并超声清洗得到洁净的样品；
(3)表面修饰，将轴承样品浸入硬脂酸乙醇溶液中浸泡，使整个表面形成一层单分子吸附层，降低表面能，得到轴承耐腐蚀表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的激光微造型处理的工艺参数为，激光波长为1064nm，激光输出功率为20W、激光频率为20kHz、脉冲宽度为100ns；所述微凹坑的直径为40-80μm，深度为10-50μm，两微凹坑间距为50-300μm；所述微凹槽的宽度为40-80μm，深度为10-50μm，两微凹槽的间距为50-300μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述的滚动轴承或滑动轴承相对运动表面指的是径向滚动轴承内圈的外表面和外圈的内表面、径向滑动轴承轴瓦的内表面、推力滚动轴承轴圈和座圈与滚动体接触的表面或推力滑动轴承轴瓦端面。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述的轴承所用材料为黄铜、不锈钢、T8钢、轴承钢金属材料中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)所述的硬脂酸乙醇溶液中硬脂酸质量百分含量为1-3％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)所述的浸泡时间为10h。
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