本发明涉及用于对金属、陶瓷或石头表面进行处理以获得具有高摩擦系数的表面的方法，以及可以通过所述的方法获得的金属、陶瓷或石头表面。
本发明的目的是用于对金属、陶瓷或石头表面进行处理的方法，其包括将激光束以通过线形成的预定的几何图案施加于待处理的表面上的步骤。
背景技术：
结构化的表面可以认为是具有脊和谷的规则图案的“图案化的”表面(其相当于确定性的描述)，但是存在这样的“结构化的”表面，其不具有规则的形态学，而是随机的(任意的)。结构化的表面的功能是变化的，但是它们的应用主要用于摩擦学。
不同类型的机器的许多组件都是在极度润滑的条件下操作的，其中润滑层太薄以至于不能完全分离接触面，并且在表面粗糙物之间可以短暂地发生接触。在极度润滑的方案中，表面粗糙度和地貌在接触中对表面的摩擦学行为具有重要的影响。因此，粗糙度和地貌的小的变化可以导致接触表面的摩擦学行为的显著改变。
尽管存在基于减少表面之间的摩擦以改变它们的纹理的大量应用，但是具有少量其他的应用，其中追求的是接触表面之间摩擦系数的增加，就此而言，我们必须控制表面的纹理，更具体而言，控制微纹理，由于所形成的几何细节的数量级，所以它们是微米级的。
该应用的实例为船等物体中的主要的推进器轴耦合系统。所述的传输系统通过主要引擎与螺旋桨之间存在的所有元件构造而成，其中其主要功能是转化并传输机器能量。该系统主要传输主要引擎的活塞对螺旋桨的线性移动而生成的扭矩，其次，将螺旋桨生成的推力传输至外壳。位于船内的一组轴部分称为尾轴。
因为各个间隔必须在传输不同扭矩的同时承受不同的重量，所以这些部分的每一个都具有不同的直径。对于不同的轴部分的连接而言，采用耦合器件，由于锥套的可靠性、组装和拆卸的速度以及减少的维护使得它们广泛地用于造船业。这些极为重要的耦合器件的性质之一是连接的几何学，其为在在其部件的维度比例(长度(l)和直径(d))之间建立的特征。锥套水力耦合器件是连接轴的极其简单的方法。
在无需保持用于扭矩传输的油的外部压力的同时，避免使用水力产生耦合的建立或释放的键沟或其他机械连接元件。施加到圆锥形元件上的压制在其边界上创建了恒定数量级的向心力，其为通过两个轴体的外部表面与锥形套筒的内部表面之间的摩擦产生连接的力。这种耦合过程建立了处于0.13至0.15之间的静态摩擦系数值(μ)，其中待连接的2个轴部分与内部锥形套筒之间的接触设置于光滑的机器表面之间，同时在使用油润滑的钢-钢接触的船舶定级机构规则内定义在此给出的摩擦值。
可控的螺距螺旋桨(其中主要推进器的轴由实心变空心，从而在机械或水力部件的内部提供空间，其中所述的机械或水力组件执行桨叶上仰角的改变)的研发促进了研发的耦合，其中需要在轴部分上较低的接触压力，这样为了使连接有效，将发生压制。不同的是，沿着尾轴的这些耦合元件的多个元件的执行意味着以旋转方式与系统耦合的大质量的存在，这导致形成明显的惰性，以及静态和动态平衡的问题。
鉴于这些原因，如果减少组装部件的压力和重量，同时保持通过连接而传输的力，首先必须减少其长度，并减轻在系统的轴旋转的最远端提供的质量，这两点都不利地影响由耦合施加的夹紧力。
首先，根据每单位面积上施加的力和压强的定义(f＝p·s(其中f＝力[n]，p＝压强[n/m2]和s＝表面[m2]))，较小面积的可利用性是指施加于耦合系统的夹紧力。
其次，外部锥形套筒的较低的壁厚是指通过系统的机械弱化所施加的接触压强较小。
这导致比力的正常组件更小的值，其中所述的力存在于与系统轴向的轴垂直的方向。根据coulomb摩擦理论，f＝μn(其中f＝力[n]，μ＝静态摩擦系数，和n＝正常值[n])，所设置的较低的正常值还意味着施加于耦合系统的夹紧力较低。
因此，改进军舰轴形式的耦合系统的设计的最普通的方式是通过增加接触面之间的静态摩擦系数值(μ)而取得的，换言之，内部锥形套筒的内部表面与待耦合的轴末端的外部表面之间。
因此，关于在军舰组件构建领域中用于增加系统的摩擦系数的一般实践，通过热喷技术(hvof，高速氧燃料标准)形成不同材料(wc(碳化钨)-co-cr,ni-cr-cr3c2,wc-co,ni-基超合金,co-基超合金等)的无形图案(0.02-0.03微米)的小颗粒的投射。该工艺涉及极有利的益处，但是也呈现影响耦合器件操作和处理的多个缺点。
在wc(碳化钨)的应用中，通过锥套耦合系统(相应地称为高摩擦系统)的hvof，通常达到的静态摩擦系数的认可的值为0.30。摩擦系数的这种升高在此类耦合器件的性能中为极大的改善，并且基于此，该器件的大小被减小。因此，对于相同的轴直径(使用通过hvof工艺由wc颗粒的投射生成的高摩擦耦合器件)，可以推断取得了长度显著减小(-42％)，重量显著减轻(-52％)，惰性显著降低(-55％)，传输的扭曲显著增加(+23％)。
此外，对于用于军舰的轴的锥套耦合系统的情况而言，使用hvof的这种wc涂层具有以下缺点：
-所述的方法是基于将硬颗粒投射在内部锥形套筒的内部表面上，其在基材与涂层之间具有极强的过渡区域，其中所述的涂层碱性组件的机械性质。
-难以保证确切的维度，由于不规则的表面而具有存在问题的安装工艺。通过hvof施加的涂层的厚度是不均匀的，并且在尖处可以达到0.05mm。这表明耦合器件内部的轴的滑动操作由于已经狭窄的间隙边缘的扼制而变得更加困难。
-在安装和卸载过程中对涂层具有高风险的损伤。在修复和/或保养操作中实施的系统的分解过程中，表面之间引起的摩擦导致所施加的材料大比率地损失，由此当在轴上再次紧固耦合器件时，系统的初始条件不能保持，由此减少初始的摩擦系数。
-高压强的使用使得一些颗粒通过放松加紧系统而保持嵌入在轴中，这增加了第二组装和拆卸操作的难度。
-待处理的部件的有限的内部直径对涂敷工艺产生限制，使用这种施加技术是相对近期的，并且参数的调节需要特定的知识。
上述过程具有涂层缺乏几何均匀性、缺乏涂层生产工艺的重复性以及涂层附着力低的缺点。
上述过程的备选方法是使用氧化铝颗粒以高速喷射圆锥表面。尽管所获得的摩擦系数值的改善类似于上述过程，但是具有嵌入的氧化铝颗粒的表面污染以及氧化铝颗粒的再循环而导致所述工艺缺乏重复性也建议不使用该过程。
发明概述
本发明涉及用于对金属、陶瓷或石头表面进行处理以获得具有高摩擦系数的表面的方法，以及可以通过所述的方法获得的金属、陶瓷或石头表面。
用于对金属表面进行处理的方法包括将激光束以通过线形成的预定的几何图案施加于待处理的表面上的步骤，从而在待处理的表面上形成通道，其中激光束的波长为532nm至10064nm。
平均功率为3w至100kw，并且脉冲宽度为3ns至500ns，这样可获得的表面包含宽度为0.01mm至0.5mm、深度为0.001mm至0.1mm、并且通道之间的距离为0.1mm至1mm的通道。优选地，平均功率为3w至100w，并且脉冲宽度为3ns至500ns，这样可获得的表面包含宽度为0.01mm至0.1mm、深度为0.001mm至0.05mm、并且通道之间的距离为0.100mm至0.500mm的通道。
可任选地，将激光束以通过线形成的预定的几何图案施加于待处理的表面上的步骤是在待处理的表面上以一个或两个方向实施的，其中所述的线可以可任选地为直的或弯曲的。
可任选地，将激光束以通过线形成的预定的几何图案施加于待处理的表面上的步骤是通过以下过程施加的：移动激光束，保持表面固定；或者移动待处理的表面，保持激光束固定；或者移动激光束和表面，其中所述的线可以可任选地为直的或弯曲的，其中所述的移动元件如此操作，描述为线性和/或旋转移动。
可任选地，将激光束以通过线形成的预定的几何图案施加于待处理的表面上的步骤包括在待处理的表面上改变激光束的方向的子步骤，其中所述的线可以可任选地为直的或弯曲的。
可任选地，将激光束以通过线形成的预定的几何图案施加于待处理的表面上的步骤包括在待处理的表面上汇聚激光束的子步骤，其中所述的线可以可任选地为直的或弯曲的。
可任选地，将激光束以通过线形成的预定的几何图案施加于待处理的表面上的步骤是在惰性气体存在下实施的，其中所述的线可以可任选地为直的或弯曲的，其中所述的惰性气体防止接近于激光束与待加工表面之间的相互作用区域的材料被氧化，从而避免待加工表面上氧化物的存在，以及由此避免其自身润滑，这不利地影响摩擦系数的增加。
可任选地，通过线形成的预定的几何图案是规则的或不规则的，其中所述的线可以可任选地为直的或弯曲的，并且其中在线形成预定的几何图案后，激光束被施加于待处理的表面上。
可任选地，通过线形成的、从而在待处理的表面上形成通道的预定的几何图案完全或部分覆盖所述的待处理的表面。
使用本发明的方法，由此获得的表面可以应用于造船业、工业或类似工业中所需的这种高摩擦耦合中，并且待获得所述的表面的方法允许在不同类型的金属或其他材料上生成所述的表面，其中所述的金属或其他材料具有不同的几何学和高的重复性，从而使系数摩擦值超过0.30。
此外，本发明的方法允许在事先制造的部件上生成具有受控的微纹理的表面。
本发明的方法允许生成具有受控的微纹理的表面而不会产生环境污染或有毒废物，并且可以整合成生产线以用于部件的不同的几何学，从而由具有不同直径的扁平的圆柱形表面形成规则的或弯曲的表面。
本发明的方法无需进一步的机械或化学处理。废产物极少，并且可以容易地由工作区域抽吸。
本发明的方法提供了更高耐久性的处理表面，在表面区域上更高均匀性的摩擦学性质，以及根据相同加工参数得到的不同待处理表面的这些性质的更高的重复性。
因此，根据本发明的方法可获得的表面包括在待处理的表面上规则或不规则排布的联锁通道的规则图案。在所述的表面上生成的微纹理在使用另一个相对物表面测试时确保高的摩擦系数，其中所述的另一个相对物表面无需处理。
可任选地，成型的通道可以具有尖的或圆的几何学。通道的路径可以是直线或盘绕在一起的曲线。
本发明的方法目标可以在有待纹理化的整个表面上应用，或者散开在整个表面上的区域或“岛”上应用。
与现有技术的其他方法不同，例如基于等离子喷涂或等离子爆破的方法，本发明的方法为非接触的表面的方法，其产生具有可忽略的表面损伤的规则的或随机的纹理，并且产生的结果与待加工的部件材料的机械性质无关。
本发明提出的方法表征为可获得的纹理的良好的可控性，其中所述的纹理通过通道的宽度和深度、及其表面密度来定义。
附图简述
为了补充所进行的描述并且为了有助于更好地理解根据本发明的优选的实践实施方案的本发明的特征，作为所述的说明书的完整的部分，附上一组附图，其中以举例并且未限定本发明的范围的方式提供以下附图：
图1示出表面，对该表面实施本发明的表面处理方法，其中下方部分显示在通过实施本发明的表面处理方法获得的表面上所形成的通道的细节。
本发明的优选的实施方案
根据图1，本发明涉及用于对金属、陶瓷或石头表面进行处理以获得具有高摩擦系数的表面的方法，以及可以通过所述的方法获得的金属、陶瓷或石头表面。
对进行表面进行处理的方法包括将激光束(2)以预定的几何图案施加于待处理的表面上的步骤，以用于在待处理的表面上形成通道(1)，其中所述的几何图案由线组成，优选为直的或弯曲的，其中所述的激光束(2)的波长为532nm至10064nm，平均功率为3w至100kw，并且脉冲宽度为3ns至500ns，这样可获得的表面包含宽度为0.01mm至0.5mm，通道(1)之间的距离(b)为0.1mm至1mm，并且深度(c)为0.001mm至0.1mm的通道(1)。优选地，激光束(2)的波长为532nm至10064nm，平均功率为3w至100w，并且脉冲为3ns至500ns，这样可获得的表面包含宽度(a)为0.01mm至0.1mm，通道(1)之间的距离(b)为0.100mm至0.500mm，并且深度(c)为0.001mm至0.05mm的通道(1)。
将激光束(2)施加于待处理的表面上的步骤包括子步骤，其中调节至少一个以下的参数：激光束(2)的平均功率，焦点中激光束(2)的大小，脉冲宽度，波长，相互作用的类型(熔融/蒸发)，预定的几何图案的通道(1)之间的距离，以及每个通道的扫描次数。这些参数可以根据待处理的材料的类型和可视的效果(通过测定所获得的摩擦学参数，其与摩擦系数有关)容易地控制和调整。
所述的方法进一步包括使用实时测量来实时监测在将激光束(2)施加于待处理的表面上的步骤中可获得的表面纹理的步骤，其中再次调节在调节子步骤中调节的至少一个参数。
下文示出不同类型的激光器的应用实例，所述的激光器具有不同的功率，操作频率以及用于不同焦距的相同材料(aisi9840)的扫描速率，其中最初的2个实例示出了波长为532nm至1064nm的激光器的用途，第三个实例证明纤维激光器的用途，其中波长为1055nm至1070nm，激光器功率为大约100w。
实施例
实施例1
使用nd激光器：yvo4(532nm)的平均功率为7w，在20khz下操作，m2值<1.2，在表面(材料aisi9840)上的扫描速率为50mm/s，在有效焦距为160mm下操作，由此产生微纹理，将其针对均匀的未处理的表面进行检测，提供的摩擦系数为0.51。在进行4次连续的试验后的值为0.51。
实施例2
使用nd激光器：yvo4(1064nm)的平均功率为13w，在20khz下操作，m2值<1.2，在表面(材料aisi9840)上的扫描速率为50mm/s，在有效焦距为160mm下操作，由此产生微纹理，将其针对均匀的未处理的表面进行检测，提供的摩擦系数为0.52。在进行4次连续的试验后的值为0.54。实施例3
使用平均功率为100w的纤维激光器(1055-1070nm)，在100khz下操作，m2值<2.0，在表面(材料aisi9840)上的扫描速率为2200mm/s，在焦距为330mm下操作，由此产生微纹理，将其针对均匀的未处理的表面进行检测，提供的摩擦系数为0.72。在实施11次连续的试验后的值为0.42。
在所有3个实施例中，每个通道(1)的扫描次数为4次。
在实施例3中，摩擦系数与试验次数的可变性是由于就加工参数的组合而言，在试验下对微纹理的修改，通道(1)的生成主要受到现象材料(phenomenonmaterial)熔融的控制，从而在通道(1)的边缘累积再固化的材料，其最大高度为0.008mm。应该注意的是，在最初的2个实施例中，主要的物理现象是材料的振幅，并且再固化的材料几乎没有任何存在，由此微结构甚至在多次试验后仍保持未改变的。