[发明专利]一种利用表面织构改善陶瓷材料摩擦磨损性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及改善陶瓷材料摩擦磨损性能的方法，尤其涉及一种利用表面织构改善陶瓷材料摩擦磨损性能的方法。

背景技术

陶瓷材料与金属材料及高分子材料是当今材料的重要组成部分，在机械、航空、化学等工业以及空间技术、新能源开发等领域有着广泛的应用，常被用来制造密封件、轴承、球阀、衬套等机械零件，火箭和导弹的透波天线罩，新能源磁流体发电机的电极以及高温固体氧化物燃料电池的隔膜等。陶瓷材料与金属材料和高分子材料相比，因具有低密度、高强度、高硬度、良好的高温力学性能和化学惰性等特点，使其在摩擦学领域也得到了广泛的应用，如陶瓷轴承、陶瓷密封环、陶瓷耐磨衬套以及陶瓷人工关节等。但是由于陶瓷材料为脆性材料，在摩擦过程中，表面往往容易发生脆性断裂，产生大量磨屑，导致陶瓷材料部件发生严重的磨损，这不仅影响陶瓷材料部件的使用寿命和可靠性，还将增加能耗，产生噪音和振动，甚至因陶瓷材料部件的突然失效而产生严重的安全事故。因此，如何降低陶瓷材料的磨损就成为了本领域技术人员急需解决的技术问题。表面织构通常是指在金属材料摩擦表面上通过离子束刻蚀，电火花加工，机械划刻和激光加工等方法加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽的阵列，其在改善金属材料摩擦磨损性能，减震抗粘附等多个领域都有着良好的应用前景。例如发动机缸套表面的网纹结构，不仅可以增加承载能力还可以储存润滑油从而大大减少了发动机的磨损。在密封件表面设计表面织构可以形成流体动压润滑膜，避免了密封件在工作中的直接接触，减小甚至避免了磨损。因此，将表面织构技术与陶瓷减磨需求相结合，必将具有良好的应用前景。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种利用表面织构改善陶瓷材料摩擦磨损性能的方法。

本发明提供了一种利用表面织构改善陶瓷材料摩擦磨损性能的方法，包括以下步骤：

S1、对试样进行打磨、抛光处理，使试样的表面粗糙度低于一定的值。

S2、对试样进行激光加工，在试样表面成型所需的表面织构；

S3、对试样进行抛光处理，去除表面织构边缘的热影响区。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，激光加工织构之前，用砂纸打磨试样，并在抛光剂上进行抛光处理。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，抛光处理后的试样表面的粗糙度Ra<0.05μm。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，将试样置于激光加工工作台上，设定好加工工艺参数，及织构图形参数，便可通过激光表面加工成型所需的表面织构。

8.作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所设定的加工工艺参数为：紫外激光波长为355nm，功率为150W，激光频率为60000Hz，单个脉冲的持续时间为0.0025s，激光脉冲的轰击次数为40次。所设定的织构形貌中圆孔图形参数为：圆孔直径50～100μm，圆孔深度25～50μm，圆孔呈规则平行排列，圆孔间距离100～400μm，圆孔区域总面积占陶瓷表面总面积的7％～33％，通过激光多次加工来满足圆孔图形参数要求，其中织构形貌还包括矩形孔、椭圆形孔、直线型凹槽和波浪形凹槽。孔的排列方式还可按圆环形式，抛物线形式，螺旋线形式，渐近线形式排列。

作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，对试样进行打磨和抛光处理，去除热影响区。

本发明的有益效果是：通过上述方案，利用表面织构改善了陶瓷材料的摩擦磨损性能。

附图说明

图1是本发明实施例1中得到的圆孔织构面积百分比为7％的TZ3Y20A(ZrO₂(3mol％Y₂O₃)-20wt％Al₂O₃)陶瓷材料的表面织构形貌图。

图2是图1对应的台阶仪所测量的圆孔直径、深度以及圆孔的间距。

图3是本发明实施例2中得到的圆孔织构面积百分比为16％的TZ3Y20A陶瓷材料的表面织构形貌图。

图4是图3对应的台阶仪所测量的圆孔直径、深度以及圆孔的间距。

图5是本发明实施例3中得到的圆孔织构面积百分比为33％的TZ3Y20A陶瓷材料的表面织构形貌图。

图6是图5对应的台阶仪所测量的圆孔直径、深度以及圆孔的间距。

图7是本发明实施例1、2、3中得到的圆孔织构面积百分比分别为7％、16％、33％的TZ3Y20A陶瓷材料的平均摩擦系数示意图。