CN110744200B - 一种提高奥氏体不锈钢表面耐腐蚀性的方法 - Google Patents

一种提高奥氏体不锈钢表面耐腐蚀性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高奥氏体不锈钢表面耐腐蚀性的方法，属于金属材料表面改性技术领域。该处理方法首先对奥氏体不锈钢进行激光表面加工处理，获得花簇状表面形貌，然后采用有机物接枝技术获得复合表面层，最终得到表面改性奥氏体不锈钢。本发明将激光加工处理与有机物接枝技术相结合，对奥氏体不锈钢进行表面处理，使不锈钢表面具有疏水性并提高了奥氏体不锈钢的耐腐蚀性。

Description

一种提高奥氏体不锈钢表面耐腐蚀性的方法
技术领域
本发明涉及一种提高奥氏体不锈钢表面耐腐蚀性的方法，属于金属材料表面改性技术领域。
背景技术
奥氏体不锈钢因具有良好的综合力学性能和工艺性能，从而在工业、民用、国防等领域中得到了广泛的应用。奥氏体不锈钢也是不锈钢中种类最多、使用量最大的一种钢材，其生产量和使用量约占整个不锈钢产量的65~70%。但是，受奥氏体不锈钢表面耐碱性差等缺点的制约，奥氏体不锈钢一般不能用于制作碱性水溶液环境中的部件，限制了其更广泛的使用。基于腐蚀发生于材料表面，已有研究表明，借助表面技术可有效提高奥氏体不锈钢的耐蚀性。选用合适的表面处理技术对于拓展奥氏体不锈钢作为耐腐蚀材料的应用具有显著意义。采用表面技术进一步提高其表面耐蚀性，满足恶劣环境对奥氏体不锈钢性能的要求，延长使用寿命，降低生产成本具有显著意义。
发明内容
本发明旨在提供一种提高奥氏体不锈钢表面耐腐蚀性的方法，所得的奥氏体不锈钢具有优异的耐蚀性，延长了使用寿命。
本发明提供的一种提高奥氏体不锈钢表面耐腐蚀性的方法，首先对奥氏体不锈钢进行激光加工处理，获得具有粗糙结构的花簇状表面形貌的不锈钢。激光表面加工技术是利用激光束产生的较高热量来实现表面加工。激光划刻器由工控电脑控制，工控电脑内装有划刻软件。在划刻软件内绘制目标图案，由工控电脑输出数据至光纤激光器，再经光纤激光器把能量输送到光镜，光镜连接着高速扫描振镜。较高能量密度的激光束由高速扫描振镜射出照射在奥氏体不锈钢表面上，奥氏体表面吸收激光能量，在照射区域内产生热激发过程，从而使不锈钢表面温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象，在工件表面形成表面加工层。此激光加工层的形成是由于金属材料的表面发生了熔融和烧蚀，提高了奥氏体不锈钢表面粗糙度。有机物溶液浸泡法对实施条件要求不高，可以在简易的工作条件下完成与金属表面的接枝，得到的水接触角为158°的超疏水表面。超疏水表面可以减少水与金属表面的接触面积，从而显著提高耐蚀性。本发明创新地将激光加工技术与有机物表面接枝相结合，充分发挥两种加工工艺的优点，显著提高了奥氏体不锈钢的耐蚀性，并兼具超疏水以及自清洁方面所拥有的优势。
上述不锈钢的表面处理方法，包括以下步骤：
(1)奥氏体不锈钢工件预处理：将奥氏体不锈钢工件表面除油后使用SiC水砂纸进行逐级打磨；
(2)在无水乙醇中对表面打磨后的奥氏体不锈钢工件进行超声清洗、蒸馏水洗、干燥备用；
(3)对清洗好的奥氏体不锈钢板材进行激光加工：使用激光划刻机，将奥氏体不锈钢板进行加工，获得花簇状表面形貌，加工参数为：加工参数为：加工焦距23～25 mm，扫描速度为15～30 mm/s，输出功率为75~95％，标刻次数4~6次；
(4)配制接枝溶液：0.5~2 mol/L氢氧化钠；0.5~2 ml十六烷基三甲基硅氧烷；10~30 ml乙醇；
(5)将步骤(4)配好的溶液在磁力搅拌器上搅拌50~70 min。
(6)将步骤(3)处理好的奥氏体不锈钢置于步骤(5)搅拌好的溶液内，在烧杯顶部裹上保鲜膜置于烘箱中。
(7)将烘箱温度调至40~60 ℃，保温14～18 h，取出奥氏体不锈钢片，使奥氏体不锈钢缓冷到室温。在无水乙醇中对缓冷后的奥氏体不锈钢进行超声清洗、蒸馏水洗、干燥。
(8)将经处理后的奥氏体不锈钢工件进行耐腐蚀性检测，并于未处理的奥氏体不锈钢工件进行对比测试。
上述处理方法中，所述步骤(3)中激光扫描头与奥氏体不锈钢圆片工件的加工焦距为24.1 mm，扫描速度为20mm/s，输出功率为80％，标刻次数为5次；
上述的制备方案中，所述步骤(3)中规律分布的间距为50 µm的圆形表面形貌，其中圆形单元直径为20 µm；
上述的制备方案中，所述步骤(3)中接枝溶液配方为：1 mol/L氢氧化钠；1 ml十六烷基三甲基硅氧烷；20 ml乙醇；
上述的制备方案中，所述步骤(5)中的搅拌时间为60 min；
上述的制备方案中，所述步骤(7)中的烘箱温度为50 ℃，保温16 h。
本发明的有益效果：
本发明将激光处理与有机物接枝技术相结合，对奥氏体不锈钢进行表面处理，充分发挥了激光处理与有机物接枝的优势，提高了奥氏体不锈钢的耐蚀性。
附图说明
图1为激光划刻机装置结构示意图；
图2为实施例1处理后的304奥氏体不锈钢的表面形貌图；
图3 为未处理304奥氏体不锈钢的表面形貌图；
图4为实施例1(AISI 304)、对比例1、对比例3、及未处理AISI 304的电化学开路图；
图5为实施例1(AISI 304)、对比例1、对比例3、及未处理AISI 304的电化学极化图；
图6为实施例2处理后的304奥氏体不锈钢的表面形貌图；
图7 为未处理316奥氏体不锈钢的表面形貌图；
图8为实施例2(AISI 316)、对比例2、对比例4、及未处理AISI 316的电化学开路图；
图9为实施例2(AISI 316)、对比例2、对比例4、及未处理AISI 316的电化学极化图；
图中：1：工控电脑；2：光纤激光器；3：光纤；4：光镜；5：高速扫描振镜；6：激光束；7：样品工件。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明所用激光划刻机的结构为：包括一台工控电脑1，一个光纤激光器2以及光镜4和高速扫描振镜5；加工过程为：工控电脑1输出数据至光纤激光器2，光纤激光器2产生的能量由光纤3输送至光镜4和高速扫描振镜5，再经高速扫描振镜5射出较高能量密度的激光束6照射在样品工件7上。工控电脑内装有划刻软件，可在划刻软件内绘制目标图案，同时可以调节激光参数。
现以304奥氏体不锈钢和316奥氏体不锈钢为例，对本发明的具体实施情况说明如下：
实施例1：
(1)对304奥氏体不锈钢工件预处理：将奥氏体不锈钢工件表面除油后使用SiC水砂纸进行逐级打磨。
(2)在无水乙醇中对表面打磨后的奥氏体不锈钢工件进行超声清洗、蒸馏水洗、干燥备用；
(3)对清洗好的奥氏体不锈钢板材进行激光加工：使用激光划刻机，将奥氏体不锈钢板进行加工，获得规律分布的间距为50 µm的圆形表面形貌，其中圆形单元直径为20 µm的花簇状表面形貌，加工参数为：加工焦距为24.1 mm，扫描速度为20 mm/s，输出功率为80％，标刻次数为5次；
(4)配置接枝溶液：1 mol/L氢氧化钠；1 ml十六烷基三甲基硅氧烷；20 ml乙醇；
(5)将步骤(4)配好的溶液在磁力搅拌器上搅拌60 min。
(6)将步骤(3)处理好的奥氏体不锈钢置于步骤(5)搅拌好的溶液内，在烧杯顶部裹上保鲜膜置于烘箱中。
(7)将烘箱温度调至50 ℃，保温16 h,取出奥氏体不锈钢片，使奥氏体不锈钢缓冷到室温。在无水乙醇中对缓冷后的奥氏体不锈钢进行超声清洗、蒸馏水洗、干燥。
实施例2：
本实施方式与实施例1不同的是步骤(1)中采用的材料为316奥氏体不锈钢，其它步骤及参数与实施例1相同。
对比例1：
本实施方式与实施例1不同的是没有步骤(4)-(7)，即没有对304奥氏体不锈钢进行接枝处理，只做了激光处理。
对比例2：
本实施方式与实施例1不同的是步骤(1)中采用的材料为316奥氏体不锈钢，并且没有步骤(4)-(7)，即没有对316奥氏体不锈钢进行接枝处理，只做了激光处理。
对比例3：
本实施方式与实施例1不同的是没有步骤(3)，即没有对304奥氏体不锈钢进行激光处理，只做了接枝处理。
对比例4：
本实施方式与实施例1不同的是步骤(1)中采用的材料为316奥氏体不锈钢，并且没有步骤(3)，即没有对316奥氏体不锈钢进行激光处理，只做了接枝处理。
经过比较实施例1~2及对比例1~4表明：本发明可以显著提高奥氏体不锈钢的疏水性。测试数据见表1。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE002
由水接触角测试所得的测试结果表1可见：304奥氏体不锈钢经过实施例1所示参数的表面复合处理后，水接触角相对于未处理304奥氏体不锈钢工件增加了111.15°；316奥氏体不锈钢经过实施例2所示参数的表面复合处理后，水接触角相对于未处理316奥氏体不锈钢升高了103.58°。通过对比未处理304奥氏体不锈钢的水接触角形貌，复合处理后的304不锈钢工件表面的水接触角更加圆润，角度更大，疏水性明显增加。通过对比未处理316奥氏体不锈钢的水接触角形貌，复合处理后的316奥氏体不锈钢工件上的水滴更大，与表面的接触面积更小，疏水性明显增大。由上述结果可知，采用本发明所提供的表面复合处理方法可以减少与水的接触面积，显著提高了奥氏体不锈钢的疏水性。
图2为实施例1处理后的304奥氏体不锈钢工件的表面形貌图。
图3为对比例3处理后的304奥氏体不锈钢工件的表面形貌图。
本发明对奥氏体不锈钢进行激光加工处理，从图2中看出，获得具有粗糙结构的花簇状表面形貌的不锈钢：间距为50µm的圆形表面形貌，其中圆形单元直径为20µm；因为距离太近，圆形单元之间相互熔融，粘连，形成了花簇状的表面形貌。
为了突出本发明的效果，采用相同的测试参数对未处理的奥氏体不锈钢和实施例处理后奥氏体不锈钢进行电化学测试。图4中，(a)—未处理的304奥氏体不锈钢开路曲线；(b)—有机物接枝处理后的304奥氏体不锈钢开路曲线；(c)—激光处理后的304奥氏体不锈钢开路曲线；(d)—激光和有机物接枝复合处理后的304奥氏体不锈钢开路曲线。
图5中，(a)—未处理的304奥氏体不锈钢极化曲线；(b)—有机物接枝处理后的304奥氏体不锈钢极化曲线；(c)—激光处理后的304奥氏体不锈钢极化曲线；(d)—激光和有机物接枝复合处理后的304奥氏体不锈钢极化曲线。
图6为实施例2处理后的316奥氏体不锈钢工件的表面形貌图。
图7为对比例4处理后的316奥氏体不锈钢工件的表面形貌图。
本发明对奥氏体不锈钢进行激光加工处理，从图6中看出，获得具有粗糙结构的花簇状表面形貌的不锈钢：间距为50 µm的圆形表面形貌，其中圆形单元直径为20 µm；因为距离太近，圆形单元之间相互熔融，粘连，形成了花簇状的表面形貌。
图8中，(e)—未处理的316奥氏体不锈钢极化曲线；(f)—有机物接枝处理后的316奥氏体不锈钢极化曲线；(g)—激光处理后的316奥氏体不锈钢极化曲线；(h)—激光和有机物接枝复合处理后的316奥氏体不锈钢极化曲线。
图9中，(e)—未处理的316奥氏体不锈钢极化曲线；(f)—有机物接枝处理后的316奥氏体不锈钢极化曲线；(g)—激光处理后的316奥氏体不锈钢极化曲线；(h)—激光和有机物接枝复合处理后的316奥氏体不锈钢极化曲线。
在电化学条件下，通过对比图4(a)-(d)，5(a)-(d)，8(e)-(h)以及图9(e)-(h)，可以发现，与有机物接枝工件、激光处理工件、以及奥氏体不锈钢基体相比，复合处理后的奥氏体不锈钢的耐腐蚀性最好。

Claims (1)

1.一种提高奥氏体不锈钢表面耐腐蚀性的方法，其特征在于：由以下步骤组成：
(1)对304奥氏体不锈钢工件预处理：将奥氏体不锈钢工件表面除油后使用SiC水砂纸进行逐级打磨；
(2)在无水乙醇中对表面打磨后的奥氏体不锈钢工件进行超声清洗、蒸馏水洗、干燥备用；
(3)对清洗好的奥氏体不锈钢板材进行激光加工：使用激光划刻机，将奥氏体不锈钢板进行加工，获得规律分布的间距为50 µm的圆形表面形貌，其中圆形单元直径为20 µm的花簇状表面形貌，加工参数为：加工焦距为24.1 mm，扫描速度为20 mm/s，输出功率为80 ％，标刻次数为5次；
(4)配置接枝溶液：1 mol/L氢氧化钠；1 mL十六烷基三甲基硅氧烷；20 mL乙醇；
(5)将步骤(4)配好的溶液在磁力搅拌器上搅拌60 min；
(6)将步骤(3)处理好的奥氏体不锈钢置于步骤(5)搅拌好的溶液内，在烧杯顶部裹上保鲜膜置于烘箱中；
(7)将烘箱温度调至50 ℃，保温16 h，取出奥氏体不锈钢片，使奥氏体不锈钢缓冷到室温；在无水乙醇中对缓冷后的奥氏体不锈钢进行超声清洗、蒸馏水洗、干燥，得到水接触角为158.90°的超疏水表面。
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