WO2016009103A2 - Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas y superficie obtenible con dicho método - Google Patents

Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas y superficie obtenible con dicho método Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method of treating metallic, ceramic or stone surfaces that allows obtaining a surface with a high coefficient of friction, as well as the metallic, ceramic or stone surface obtainable with said method.
  • the object of the invention is a method of treating metal, ceramic or stone surfaces comprising a stage of application on the surface to be treated of a laser beam according to a predefined geometric pattern formed by lines.
  • a structured surface can be considered as a "stamped" surface with a regular pattern of ridges and valleys that responds to some deterministic description although there are “structured” surfaces that do not have a periodic morphology, but rather random (stochastic).
  • the functions of structured surfaces are very varied although their application in tribology may be greater.
  • the main propulsion axes coupling system in vessels or the like can be mentioned.
  • Said transmission system is configured by all those elements present between the primary motor and the propeller, where its main function is to convert and transmit mechanical energy.
  • this system transmits the torque generated by the linear movement of the pistons of the primary engine to the propeller and, secondly, the thrust generated by the propeller to the hull.
  • the set of axle sections located inside the ship is known as the axle line. Each of these sections have different diameters, since each interval will have to support different weights while transmitting different pairs. Couplings are used to join the different axes sections, the most commonly used in shipbuilding being conical jacket for reliability, quick assembly and disassembly and less maintenance.
  • Hydraulic conical sleeve couplings are a very simple method of connecting shafts. The use of keyways or other mechanical connecting elements is avoided, resulting in the establishment or release of the coupling hydraulically, and maintenance of the external oil pressure is not necessary for torque transmission.
  • the compression applied to the Conical element creates a radial inward force of constant magnitude in its perimeter, force that generates the frictional connection between the outer surface of the two axle bodies and the inner surface of the conical bushing.
  • variable pitch propellers in which the main propulsion axis went from being solid to being hollow to be able to house inside the mechanical or hydraulic elements that execute the variation of angle of attack on the blades, promoted the development of couplings in which a lower clamping pressure was required on the shaft sections, so that in order to make the joint effective, there would be no crushing on it.
  • the implantation of several of these connecting elements along a line of axes means the presence of large masses coupled to the rotating system, which causes the generation of significant inertia and problems for their static and dynamic balancing.
  • the most common way to improve the design of the naval axes coupling systems is by increasing the value of the static friction coefficient ( ⁇ ) between the contact surfaces, that is, the internal surface of the inner conical sleeve and the outer surface of the shaft ends to be coupled.
  • the method is based on the projection of hard particles on the inner surface of the inner conical sleeve, with a very marked transition zone between the substrate and the coating that reduces the mechanical properties of the assembly.
  • the above procedure has the disadvantages of the absence of a geometric uniformity of a coating, the lack of repeatability of the coating production process and the low adhesion of the coating.
  • the present invention relates to a method of treating metallic, ceramic or stone surfaces that allows obtaining a surface with a high coefficient of friction, as well as the metallic, ceramic or stone surface obtainable with said method.
  • the metal surface treatment method comprises a stage of application on the surface to be treated of a laser beam according to a predefined geometric pattern formed by lines to form channels on the surface to be treated, where the wavelength of the laser beam is within from the range 532 nm to 10064 nm.
  • the average power is within the range 3 W at 100 kW, and the pulse width within the range of 3 ns to 500 ns, so that the area obtainable It comprises channels with widths in the range 0.01 mm to 0.5 mm, depth between 0.001 mm and 0.1 mm and a distance between channels of 0.1 mm to 1 mm.
  • the average power is within the range 3 W to 100 W, and the pulse width within the range of 3 ns to 500 ns, so that the obtainable surface comprises channels with widths within the range 0.01 mm a 0.1 mm, depth between 0.001 mm and 0.05 mm and a distance between channels of 0.100 mm to 0.500 mm.
  • the stage of application on the surface to be treated by a laser beam according to a predefined geometric pattern formed by lines is carried out in one or two directions on the surface to be treated.
  • the stage of application on the surface to be treated of a laser beam according to a predefined geometric pattern formed by lines is applied by moving the laser beam, keeping the surface to be treated fixed, or moving the surface to be treated, keeping the laser beam fixed or displacing both, where the movable element does so by describing a linear and / or rotary movement.
  • the stage of application on the surface to be treated with a laser beam according to a predefined geometric pattern formed by lines comprises a sub-stage for redirecting the laser beam on the surface to be treated.
  • the stage of application on the surface to be treated by a laser beam according to a predefined geometric pattern formed by lines comprises a sub-stage for focusing the laser beam on the surface to be treated.
  • the stage of application on the surface to be treated of a beam laser according to a predefined geometric pattern formed by lines is carried out in the presence of an inert gas atmosphere that prevents oxidation of the material close to the zone of interaction between the laser beam and the surface to process, avoiding the presence of oxide on the surface to be processed and therefore its self-lubrication, which negatively influences the increase in the coefficient of friction.
  • the predefined geometric pattern formed by lines, which may optionally be straight or curved, followed by the laser beam applied on the surface to be treated is regular or irregular.
  • the predefined geometric pattern formed by lines to form the channels on the surface to be treated covers all or part of said surface to be treated.
  • the surface thus obtained can be applied for those high friction couplings demanded in the naval, industrial or similar industry and the method to obtain it allows the generation of said surfaces on different types of metals or other materials with different geometries and with high repeatability reaching friction coefficient values greater than 0.30.
  • the method of the present invention allows generating surfaces with controlled microtexture on already manufactured parts.
  • the method of the present invention allows generating surfaces with controlled microtexture not generating environmental pollution or toxic waste and can be integrated into a production chain, for different part geometries, from flat, cylindrical surfaces with various diameters to ruled or warped surfaces.
  • the method of the present invention does not need mechanical treatment or later chemical Waste products are minimal and can be easily aspirated from the work area.
  • the method of the present invention offers greater durability of the treated surfaces, greater uniformity of the tribological properties throughout the surface area and greater repeatability of said properties for different treated surfaces according to the same processing parameters.
  • the surface obtainable with the method of the present invention comprises a regular pattern of interwoven channels arranged regularly or even irregularly over the area to be treated.
  • the microtexture generated on the surface guarantees a high coefficient of friction when tested with another homologous surface that does not have to have been treated.
  • the shaped channels can have a pointed or rounded geometry.
  • the trajectories of the channels can be straight lines or curves intertwined with each other.
  • the method object of the present invention can be applied over the entire surface to be textured or in areas or "islands" spread throughout the entire surface.
  • the method of the present invention is a contactless surface method that generates a regular or random texture, the surface damage being negligible and with independent results. to the mechanical properties of the material of the pieces to be processed.
  • the method proposed in the present invention is characterized by a good controllability of the obtainable texture defined by the width and depth of the channels as well as the surface density thereof. DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
  • Figure 1. Shows a surface on which the surface treatment method of the present invention is applied, where a detail of the channels is shown at the bottom formed on the surface obtainable by applying the surface treatment method of the present invention.
  • the present invention relates to a method of treating metallic, ceramic or stone surfaces that allows obtaining a surface with high coefficient of friction, as well as the metallic, ceramic or stone surface obtainable with said method.
  • the method of treating metal surfaces comprises a stage of application on the surface to be treated by a laser beam (2) according to a predefined geometric pattern formed by lines, preferably straight or curved, to form channels (1) on the surface to be treated.
  • the wavelength of the laser beam (2) is within the range 532 nm to 10064 nm, the average power within the range 3 W to 100 kW, and the pulse width within the range of 3 ns to 500 ns, so that the surface obtainable comprises channels (1) with widths (a) within the range 0.01 mm to 0.5 mm, a distance (b) between channels (1) of 0.1 mm to 1 mm, and depth (c) between 0.001 mm and 0.1 mm.
  • the wavelength of the laser beam (2) is within the range 532 nm to 10064 nm, the average power within the range 3 W to 100 W, and the pulse width within the range of 3 ns to 500 ns, so that the obtainable surface comprises channels (1) with widths (a) within the range 0.01 mm to 0.1 mm, a distance ( b) between channels (1) of 0.100 mm to 0.500 mm and depth (c) between 0.001 mm and 0.05 mm.
  • the stage of application on the surface to be treated with a laser beam (2) comprises a sub-stage in which at least one of the following parameters is adjusted: average power of the laser beam (2), size of the laser beam (2) in the focus, pulse width, wavelength, type of interaction (fusion / vaporization), distance between channels (1) of the predefined geometric pattern and number of sweeps per channel.
  • These parameters are easily controllable and tunable depending on the type of matenal to be treated, its effects being visible when determining the tribological parameters obtained, which are associated with the coefficient of friction.
  • the method also comprises a stage of real-time monitoring of the surface texture obtainable at the stage of application on the surface to be treated with a laser beam (2) measured in real time where at least one of the parameters is adjusted again adjusted in the adjustment sub-stage.
  • the first two examples show the use of a laser with a length wave within the range 532 nm to 1064 nm and the third example shows the use of a fiber laser, where the wavelength is within the range 1055-1070 nm and the laser power is around 100 W.
  • a laser of Nd: YV0 4 (532 nm) of 7 W of average power was used, operating at 20 kHz, with a value of M 2 ⁇ 1, 2 and with a scanning speed of 50 mm / s over the Surface (material AISI9840) operating with an effective focal length of 160 mm generates a microtexture that tested against an untreated homologous surface provides a coefficient of friction of 0.51. The value thereof after performing 4 consecutive tests is 0.51.
  • a fiber laser (1055-1070nm) of 100 W of medium power was used, operating at 100 kHz, with a value of M 2 ⁇ 2.0 and a scanning speed of 2200 mm / s on the surface (AISI9840 material) operating with a focal length of 330 mm generates a micro texture that tested against an untreated homologous surface provides a coefficient of friction of 0.72.
  • the value of the same after performing 1 1 consecutive trials is 0.42.
  • the number of sweeps per channel (1) is four.
  • the variability of the friction coefficient value with the number of tests is due to the modification of the micro texture with the tests since for the combination of processing parameters the generation of the channel (1) is governed mainly by a phenomenon of fusion of the material, accumulating resolidified material at the edges of the channel (1) with a maximum height of 0.008 mm. It is observed that in both First examples, the predominant physical phenomenon is the vaporization of the material, with hardly any presence of resolidified material, so the microtexture remains unchanged even after several tests.

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Abstract

La presente invención se refiere a un método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas que permite obtener una superficie con alto coeficiente de rozamiento, así como la superficie metálica, cerámica o pétrea obtenible con dicho método, donde el método comprende una etapa de aplicación sobre la superficie a tratar de un haz láser según un patrón geométrico predefinido formado por líneas.

Description

MÉTODO DE TRATAMIENTO DE SUPERFICIES METÁLICAS, CERÁMICAS O PÉTREAS Y SUPERFICIE OBTENIBLE CON DICHO MÉTODO
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas que permite obtener una superficie con alto coeficiente de rozamiento, así como la superficie metálica, cerámica o pétrea obtenible con dicho método.
El objeto de la invención es un método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas que comprende una etapa de aplicación sobre la superficie a tratar de un haz láser según un patrón geométrico predefinido formado por líneas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Una superficie estructurada puede considerarse como una superficie "estampada" con una patrón regular de crestas y valles que responde a alguna descripción determinística aunque existen superficies "estructuradas" que no presentan una morfología periódica, sino más bien aleatoria (estocástica). Las funciones de las superficies estructuradas son muy variadas aunque es mayohtaria su aplicación en tribología.
Muchos componentes de diferentes tipos de máquinas operan bajo condiciones de lubricación extrema donde la capa de lubricación es demasiado delgada para separar completamente las superficies enfrentadas y, de forma instantánea, puede tener lugar contacto entre las asperezas superficiales. En régimen de lubricación extrema, la rugosidad superficial y la topografía tienen influencia significativa sobre el comportamiento tribológico de dichas superficies en contacto. Así, un pequeño cambio en la rugosidad o en la topografía puede dar lugar a una modificación significativa del desempeño tribológico de las superficies en contacto. Si bien existen numerosas aplicaciones basadas en la reducción del rozamiento entre superficies alterando su textura, existe un reducido número de otras donde se persigue el incremento del coeficiente de rozamiento entre las superficies en contacto; para lo cual, hemos de controlar la textura de las mismas, más en concreto la microtextura, pues el orden de magnitud de los detalles geométricos que la conforman es micrométrico.
Como ejemplo de este grupo de aplicaciones se puede mencionar el sistema de acoplamiento de ejes de propulsión principal en embarcaciones o similares. Dicho sistema de transmisión está configurado por todos aquellos elementos presentes entre el motor primario y la hélice, donde su función principal es la de convertir y transmitir energía mecánica. Así, este sistema transmite el par generado por el movimiento lineal de los pistones del motor primario al propulsor y, en segundo lugar, el empuje generado por el propulsor al casco. Al conjunto de tramos de eje localizados en el interior del buque se conoce como línea de ejes. Cada uno de estos tramos tienen diferentes diámetros, pues cada intervalo tendrá que soportar diferentes pesos a la vez que transmitir diferentes pares. Para la unión de los diferentes tramos de ejes se utilizan los acoplamientos, siendo los más usados en la construcción naval los de camisa cónica por fiabilidad, rapidez de montaje y desmontaje y menor mantenimiento. Una de las propiedades de estos acoplamientos a la que ha de concederse una gran importancia es la geometría de la unión, característica establecida entre la relación dimensional de sus partes, Longitud (L) y Diámetro (D). Los acoplamientos hidráulicos de camisa cónica son un método muy simple de conexión de ejes. Se evita el uso de chaveteros u otros elementos mecánicos de unión produciéndose el establecimiento o la liberación del acoplamiento de forma hidráulica, no siendo necesario un mantenimiento de la presión externa de aceite para la transmisión del par. La compresión aplicada sobre el elemento cónico crea una fuerza radial hacia su interior de magnitud constante en su perímetro, fuerza que genera la conexión por fricción entre la superficie externa de los dos cuerpos del eje y la superficie interna del casquillo cónico. Mediante este procedimiento de acople se establecen valores de coeficientes de rozamiento estático (μ) entre 0, 13 y 0,15, donde el contacto entre los dos tramos de ejes a unir y el manguito cónico interior se dispone entre superficies mecanizadas lisas, definiéndose los valores de rozamiento aquí indicados dentro de las normas de las sociedades de clasificación para contactos acero- acero lubricadas con aceite.
El desarrollo de las hélices de paso variable, en la que el eje de propulsión principal pasó de ser macizo a ser hueco para poder alojar en su interior los elementos mecánicos o hidráulicos que ejecutan la variación de ángulo de ataque en las palas, promovió el desarrollo de acoplamientos en los que se exigiera una menor presión de apriete sobre los tramos de eje, de forma que para hacer efectiva la unión no se produjeran aplastamientos sobre el mismo. Igualmente, la implantación de varios de estos elementos de unión a lo largo de una línea de ejes significa la presencia de masas de gran tamaño acopladas al sistema en rotación, lo que provoca la generación de importantes inercias y problemas para su equilibrado estático y dinámico.
Por estos motivos, si se aligera la presión y el peso de las piezas de ensamblaje manteniendo la fuerza transmitida por la unión para lo cual, en primer término, es necesario disminuir su longitud y minorar la cantidad de masa dispuesta en los lugares más alejados del eje de rotación del sistema, cuestiones ambas que repercuten desfavorablemente en la fuerza de apriete de ejercida por el acoplamiento.
En primer lugar, según la definición de fuerza como presión aplicada por unidad de superficie, F=P S (donde F=fuerza [N], P=presión [N/m2] y S=superfic¡e [m2]), la disponibilidad de una menor superficie implica una menor Fuerza de apriete aplicada al sistema de unión. En segundo lugar, un menor espesor de pared de manguito cónico exterior supone una menor presión de contacto aplicada por debilitamiento mecánico del sistema.
Esto conlleva a un menor valor de la componente normal de la fuerza existente en la dirección perpendicular al eje axial del sistema. Según la teoría de fricción de Coulomb, F= N (donde F=fuerza [N], =coeficiente de rozamiento estático y N=normal [N]), una menor normal dispuesta implica igualmente una menor Fuerza de apriete aplicada al sistema de acoplamiento.
Por todo ello, la forma más común para mejorar el diseño de los sistemas de acoplamiento de los ejes navales se da por medio del incremento del valor del coeficiente de fricción estático (μ) entre las superficies en contacto, esto es, la superficie interna del manguito cónico interior y la superficie exterior de los extremos de los ejes a acoplar.
De esta forma, como práctica general en el ámbito de la construcción de componentes navales, para aumentar el coeficiente de rozamiento del sistema se realiza la proyección de pequeñas partículas de configuración amorfa (0,02- 0,03 pm) de diferentes materiales (WC(carburo de Wolframio)-Co-Cr, Cr3C2-N¡- Cr, WC-Co, superaleaciones base Ni, superaleaciones base Co, etc.) mediante técnicas de proyección térmica (HVOF, siglas en inglés de High velocity oxygen fuel). Este proceso implica ventajas muy favorables pero igualmente presenta una serie de desventajas que afectan a la operatividad y maniobrabilidad de los acoplamientos.
En la aplicación de WC (carburo de Wolframio) mediante HVOF a los sistemas de acoplamiento de camisa cónica, denominados por ello de alta fricción, los valores homologados de coeficiente de rozamiento estático (μ) alcanzados son habitualmente de 0,30. Este incremento en el coeficiente de rozamiento ha supuesto una gran mejora en el rendimiento de dichos acoplamientos a partir del cual se ha permitido disminuir su tamaño. Así, para un mismo diámetro de eje, utilizando acoplamientos de alta fricción generados a partir de la proyección de partículas de WC por procesos HVOF, se puede concluir que se obtiene un considerable descenso de la longitud (-42%), una significativa reducción de peso (-52%), una importante reducción de la inercia (-55%) y un significativo aumento del par transmitido (+23%).
Por otra parte, para el caso concreto de los sistemas de acoplamiento de camisa cónica para ejes navales, la utilización de este tipo de recubrimientos de WC mediante HVOF presenta las siguientes desventajas:
- El método se basa en la proyección de partículas duras sobre la superficie interna del manguito cónico interior, habiendo una zona muy marcada de transición entre el sustrato y el recubrimiento que disminuye las propiedades mecánicas del conjunto.
- Es difícil poder garantizar una dimensión exacta, siendo los procesos de instalación problemáticos debidos a la irregularidad de las superficies. El espesor del recubrimiento aplicado mediante HVOF no es homogéneo, pudiendo alcanzar los 0,05 mm en puntos localizados. Este hecho implica que la operación de deslizamiento del eje por el interior del acoplamiento sea mucho más difícil por el estrangulamiento del ya de por si escaso margen de holgura.
- Alto riesgo de deterioro del recubrimiento durante la instalación y desinstalación. Durante el desmontaje del sistema realizado en las operaciones de reparación y/o mantenimiento, la fricción provocada entre las superficies hace que se pierda un gran porcentaje del material aplicado, con lo que al volver a ceñir el acoplamiento sobre el eje no se mantienen las condiciones iniciales del sistema, disminuyendo consigo el coeficiente de rozamiento inicial. - La utilización de altas presiones provoca que algunas partículas permanecen incrustados en el eje al aflojar el sistema de apriete, lo que incrementa la dificultad de segundas operaciones de montaje y desmontaje.
- Los escasos diámetros internos de las piezas a tratar condicionan el procedimiento de recubrimiento, la utilización de esta técnica para esta aplicación es relativamente reciente y el ajuste de parámetros necesita un conocimiento específico.
El procedimiento anterior presenta las desventajas de la ausencia de uniformidad geométrica de un recubrimiento, la falta de repetitibilidad del proceso de producción de recubrimientos y la baja adhesión del recubrimiento.
Una alternativa al procedimiento anterior es el granallado de la superficie cónica mediante partículas de alúmina a alta velocidad. Si bien, la mejora del valor del coeficiente de rozamiento obtenido es similar al mencionado anteriormente, la contaminación superficial con partículas de alúmina incrustadas y la falta de repetitibilidad del proceso debido al reciclaje de las partículas de alúmina desaconsejan igualmente este procedimiento.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas que permite obtener una superficie con alto coeficiente de rozamiento, así como la superficie metálica, cerámica o pétrea obtenible con dicho método.
El método de tratamiento de superficies metálicas comprende una etapa de aplicación sobre la superficie a tratar de un haz láser según un patrón geométrico predefinido formado por líneas para conformar unos canales en la superficie a tratar, donde la longitud de onda del haz láser se encuentra dentro del rango 532 nm a 10064 nm.
La potencia media se encuentra dentro del rango 3 W a 100 kW, y el ancho de pulso dentro del rango de 3 ns a 500 ns, de manera que la superficie obtenible comprende unos canales con anchos dentro del rango 0,01 mm a 0,5 mm, profundidad entre 0,001 mm y 0, 1 mm y una distancia entre canales de 0, 1 mm a 1 mm. Preferentemente, la potencia media se encuentra dentro del rango 3 W a 100 W, y el ancho de pulso dentro del rango de 3 ns a 500 ns, de manera que la superficie obtenible comprende unos canales con anchos dentro del rango 0,01 mm a 0, 1 mm, profundidad entre 0,001 mm y 0,05 mm y una distancia entre canales de 0, 100 mm a 0,500 mm.
Opcionalmente, la etapa de aplicación sobre la superficie a tratar de un haz láser según un patrón geométrico predefinido formado por líneas, que opcionalmente pueden ser rectas o curvas, se lleva a cabo en una o dos direcciones sobre la superficie a tratar.
Opcionalmente, la etapa de aplicación sobre la superficie a tratar de un haz láser según un patrón geométrico predefinido formado por líneas, que opcionalmente pueden ser rectas o curvas, se aplica mediante el desplazamiento del haz láser, manteniendo fija la superficie a tratar, o desplazando la superficie a tratar, manteniendo fijo el haz láser o desplazando ambos, donde el elemento desplazable lo hace describiendo un movimiento lineal y/o rotatorio.
Opcionalmente, la etapa de aplicación sobre la superficie a tratar de un haz láser según un patrón geométrico predefinido formado por líneas, que opcionalmente pueden ser rectas o curvas, comprende una subetapa de redireccionamiento del haz láser sobre la superficie a tratar.
Opcionalmente, la etapa de aplicación sobre la superficie a tratar de un haz láser según un patrón geométrico predefinido formado por líneas, que opcionalmente pueden ser rectas o curvas, comprende una subetapa de focalización del haz láser sobre la superficie a tratar.
Opcionalmente, la etapa de aplicación sobre la superficie a tratar de un haz láser según un patrón geométrico predefinido formado por líneas, que opcionalmente pueden ser rectas o curvas, se lleva a cabo en presencia de una atmósfera de gas inerte que previene la oxidación del material próximo a la zona de interacción entre el haz láser y la superficie a procesar, evitando la presencia de óxido en la superficie a procesar y por tanto su autolubricación, que influye negativamente en el aumento del coeficiente de fricción.
Opcionalmente, el patrón geométrico predefinido formado por líneas, que opcionalmente pueden ser rectas o curvas, seguido por el haz láser aplicado sobre la superficie a tratar es regular o irregular.
Opcionalmente, el patrón geométrico predefinido formado por líneas para conformar los canales en la superficie a tratar, cubre total o parcialmente dicha superficie a tratar.
Con el método de la presente invención, la superficie así obtenida puede aplicarse para aquellos acoplamientos de alta fricción demandados en la industria naval, industrial o similares y el método para obtenerla permite la generación de dichas superficies sobre diferentes tipos de metales u otros materiales con diferentes geometrías y con alta repetitibilidad alcanzando valores de coeficiente de rozamiento superiores a 0,30.
Además, el método de la presente invención permite generar superficies con microtextura controlada sobre piezas ya fabricadas.
El método de la presente invención permite generar superficies con microtextura controlada no generando polución medioambiental ni residuos tóxicos y puede integrarse en una cadena de producción, para diferentes geometrías de piezas, desde superficies planas, cilindricas con varios diámetros a superficies regladas o alabeadas.
El método de la presente invención no necesita de un tratamiento mecánico ni químico posterior. Los productos de desecho son mínimos y pueden ser aspirados de la zona de trabajo de forma sencilla.
El método de la presente invención ofrece una mayor durabilidad de las superficies tratadas, una mayor uniformidad de las propiedades tribológicas en toda el área superficial y una mayor repetitibilidad de dichas propiedades para diferentes superficies tratadas según los mismos parámetros de procesamiento. De esta manera, la superficie obtenible con el método de la presente invención comprende un patrón regular de canales entrelazados dispuestos regularmente o incluso irregularmente sobre el área a tratar. La microtextura generada sobre la superficie garantiza un elevado coeficiente de rozamiento cuando se ensaya con otra superficie homologa que no tiene por qué haber sido tratada.
Opcionalmente, los canales conformados pueden presentar una geometría puntiaguda o redondeada. Las trayectorias de los canales pueden ser líneas rectas o curvas entrelazadas entre sí. El método objeto de la presente invención puede ser aplicado en toda la superficie a texturizar o en zonas o "islas" repartidas a lo largo de toda la superficie.
A diferencia de otros métodos del estado de la técnica, como el método basado en proyección por plasma o granallado, el método de la presente invención es un método superficial sin contacto que genera una textura regular o aleatoria siendo el daño superficial despreciable y con resultados independientes a las propiedades mecánicas del material de las piezas a procesar. El método propuesto en la presente invención está caracterizado por una buena controlabilidad de la textura obtenible definida por el ancho y profundidad de los canales así como la densidad superficial de los mismos. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: Figura 1.- Muestra una superficie sobre la que se aplica el método de tratamiento de superficies de la presente invención, donde en la parte inferior se muestra un detalle de los canales conformados en la superficie obtenible al aplicar el método de tratamiento de superficies de la presente invención. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
De acuerdo con la Figura 1 , la presente invención se refiere a un método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas que permite obtener una superficie con alto coeficiente de rozamiento, así como la superficie metálica, cerámica o pétrea obtenible con dicho método.
El método de tratamiento de superficies metálicas comprende una etapa de aplicación sobre la superficie a tratar de un haz láser (2) según un patrón geométrico predefinido formado por líneas, preferentemente rectas o curvas, para conformar unos canales (1 ) en la superficie a tratar, donde la longitud de onda del haz láser (2) se encuentra dentro del rango 532 nm a 10064 nm, la potencia media dentro del rango 3 W a 100 kW, y el ancho de pulso dentro del rango de 3 ns a 500 ns, de manera que la superficie obtenible comprende unos canales (1 ) con anchos (a) dentro del rango 0,01 mm a 0,5 mm, una distancia (b) entre canales (1 ) de 0, 1 mm a 1 mm, y profundidad (c) entre 0,001 mm y 0, 1 mm. Preferentemente, la longitud de onda del haz láser (2) se encuentra dentro del rango 532 nm a 10064 nm, la potencia media dentro del rango 3 W a 100 W, y el ancho de pulso dentro del rango de 3 ns a 500 ns, de manera que la superficie obtenible comprende unos canales (1 ) con anchos (a) dentro del rango 0,01 mm a 0, 1 mm, una distancia (b) entre canales (1 ) de 0, 100 mm a 0,500 mm y profundidad (c) entre 0,001 mm y 0,05 mm.
La etapa de aplicación sobre la superficie a tratar de un haz láser (2) comprende una subetapa en la que se ajusta al menos uno de los siguientes parámetros: potencia media del haz de láser (2), tamaño del haz de láser (2) en el foco, ancho de pulso, longitud de onda, tipo de interacción (fusión/vaporización), distancia entre canales (1 ) del patrón geométrico predefinido y número de barridos por canal. Dichos parámetros son fácilmente controlables y sintonizables en función del tipo de matenal a tratar siendo sus efectos visibles al determinar los parámetros tribológicos obtenidos, que están asociados al coeficiente de rozamiento.
El método comprende además una etapa de monitohzación en tiempo real de la textura de la superficie obtenible en la etapa de aplicación sobre la superficie a tratar de un haz láser (2) medida en tiempo real donde se vuelve a ajusfar al menos uno de los parámetros ajustados en la subetapa de ajuste.
A continuación se muestran ejemplos de aplicación de diferentes tipos de láser, con distintas potencias, frecuencias de operación y velocidad de barrido sobre un mismo material (AISI9840) para diferentes distancias focales, donde los dos primeros ejemplos muestran la utilización de un láser con una longitud de onda dentro del rango 532 nm a 1064 nm y el tercer ejemplo muestra la utilización de un láser de fibra, donde la longitud de onda se encuentra dentro del rango 1055-1070 nm y la potencia del láser esta en torno a 100 W.
EJEMPLO 1
Se utilizó un láser de Nd:YV04 (532 nm) de 7 W de potencia media, operando a 20 kHz, con valor de M2<1 ,2 y con velocidad de barrido de 50 mm/s sobre la superficie (material AISI9840) operando con una distancia focal efectiva de 160 mm genera una microtextura que ensayada contra una superficie homologa sin tratar proporciona un coeficiente de rozamiento de 0,51 . El valor del mismo después de realizar 4 ensayos consecutivos es de 0,51 .
EJEMPLO 2
Se utilizó un láser de Nd:YV04 (1064 nm) de 13 W de potencia media, operando a 20 kHz, con valor de M2<1 ,2 y velocidad de barrido de 50 mm/s sobre la superficie (material AISI9840) operando con una distancia focal efectiva de 160 mm genera una microtextura que ensayada contra una superficie homologa sin tratar proporciona un coeficiente de rozamiento de 0,52. El valor del mismo después de realizar 4 ensayos consecutivos es de 0,54.
EJEMPLO 3
Se utilizó un láser de fibra (1055-1070nm) de 100 W de potencia media, operando a 100 kHz, con valor de M2<2,0 y velocidad de barrido de 2200 mm/s sobre la superficie (material AISI9840) operando con una distancia focal de 330 mm genera una microtextura que ensayada contra una superficie homologa sin tratar proporciona un coeficiente de rozamiento de 0,72. El valor del mismo después de realizar 1 1 ensayos consecutivos es de 0,42. En los tres ejemplos, el número de barridos por canal (1 ) es de cuatro.
En el ejemplo 3 la variabilidad del valor del coeficiente de rozamiento con el número de ensayos es debido a la modificación de la microtextura con los ensayos puesto que para la combinación de parámetros de procesamiento la generación del canal (1 ) está gobernada fundamentalmente por un fenómeno de fusión del material, acumulándose material resolidificado en los bordes del canal (1 ) con una altura máxima de 0,008 mm. Se observa que en los dos primeros ejemplos el fenómeno físico predominante es de vaporización del material, sin apenas presencia de material resolidificado por lo que la microtextura permanece inalterada incluso después de varios ensayos.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1.- Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas, caracterizado por que comprende una etapa de aplicación sobre la superficie a tratar (3) de un haz láser (2) según un patrón geométrico predefinido formado por líneas para conformar unos canales (1 ) en la superficie a tratar (3), donde la longitud de onda del haz láser (2) se encuentra dentro del rango 532 nm a 10064 nm.
2 - Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas, según reivindicación 1 , caracterizado por que la potencia media del haz láser (2) se encuentra dentro del rango 3 W a 100 kW, y el ancho de pulso dentro del rango de 3 ns a 500 ns,
3.- Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas, según reivindicación 2, caracterizado por que la potencia media del haz láser (2) se encuentra dentro del rango 3 W a 100 W.
4.- Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la etapa de aplicación sobre la superficie a tratar (3) de un haz láser (2) según un patrón geométrico predefinido formado por líneas se lleva a cabo en una o dos direcciones sobre la superficie a tratar (3).
5.- Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la etapa de aplicación sobre la superficie a tratar (3) de un haz láser (2) según un patrón geométrico predefinido formado por líneas se aplica mediante el desplazamiento del haz láser (2), manteniendo fija la superficie a tratar (3)
6.- Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado por que la etapa de aplicación sobre la superficie a tratar (3) de un haz láser (2) según un patrón geométrico predefinido formado por líneas se aplica desplazando la superficie a tratar (3), manteniendo fijo el haz láser (2).
7.- Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas, según cualquiera de las reivindicaciones 5 ó 6 caracterizado por que el elemento desplazable lo hace describiendo un movimiento lineal y/o rotatorio.
8.- Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la etapa de aplicación sobre la superficie a tratar (3) de un haz láser (2) según un patrón geométrico predefinido formado por líneas comprende una subetapa de redireccionamiento del haz láser (2) sobre la superficie a tratar (3).
9.- Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado por que la etapa de aplicación sobre la superficie a tratar (3) de un haz láser (2) según un patrón geométrico predefinido formado por líneas comprende una etapa de focalización del haz láser (2) sobre la superficie a tratar (3).
10. - Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la etapa de aplicación sobre la superficie a tratar (3) de un haz láser (2) según un patrón geométrico predefinido formado por líneas se lleva a cabo en presencia de una atmósfera de gas inerte.
1 1. - Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la etapa de aplicación sobre la superficie a tratar de un haz láser (2) comprende una subetapa en la que se ajusta al menos uno de los siguientes parámetros: potencia media del haz de láser (2), tamaño del haz de láser (2) en el foco, ancho de pulso, longitud de onda, tipo de interacción ya sea fusión o vaporización, distancia entre canales (1 ) del patrón geométrico predefinido y número de barridos por canal.
12. - Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas, según reivindicación 1 1 caracterizado por que comprende además una etapa de monitorización en tiempo real de la textura de la superficie obtenible en la etapa de aplicación sobre la superficie a tratar de un haz láser (2) medida en tiempo real donde se vuelve a ajusfar al menos uno de los parámetros ajustados en la subetapa de ajuste.
13. - Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el patrón geométrico predefinido formado por líneas seguido por el haz láser (2) aplicado sobre la superficie a tratar (2) es regular.
14. - Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 caracterizado por que el patrón geométrico predefinido formado por líneas seguido por el haz láser (2) aplicado sobre la superficie a tratar (2) es irregular.
15. - Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que las líneas son rectas o curvas.
16.- Método de tratamiento de superficies metálicas, cerámicas o pétreas, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el patrón geométrico predefinido formado por líneas para conformar los canales (1 ) en la superficie a tratar (3), cubre total o parcialmente dicha superficie a tratar (3).
17.- Superficie obtenible mediante el método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
18. - Superficie obtenible mediante el método de la reivindicación 2 caracterizada por que comprende unos canales (1 ) con anchos (a) dentro del rango 0,01 mm a 0,5 mm, una distancia (b) entre canales (1 ) de 0, 100 mm a 1 mm y profundidad (c) entre 0,001 mm y 0, 1 mm.
19. - Superficie obtenible mediante el método de la reivindicación 3 caracterizado por que comprende unos canales (1 ) con anchos (a) dentro del rango 0,01 mm a 0, 1 mm, una distancia (b) entre canales (1 ) de 0, 100 mm a 0,500 mm y profundidad (c) entre 0,001 mm y 0,05 mm.
20. - Superficie según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19 caracterizado por que los canales (1 ) conformados presentan una geometría puntiaguda.
21 . - Superficie según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19 caracterizado por que los canales (1 ) conformados presentan una geometría redondeada.
22. - Superficie según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 21 caracterizado por que el valor del coeficiente de rozamiento es superior a 0,30.
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