CN110804693A - 一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法 - Google Patents

一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，属于金属工件表面处理技术领域，包括如下步骤：（1）金属工件预处理；（2）激光冲击波处理；（3）涂覆处理；（4）超声处理。本申请提供了一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，解决了金属材料在使用过程中存在气蚀现象的问题，有效的提高了金属工件的抗气蚀性能，方法适用范围广，效果显著，极具市场推广应用价值。

Description

一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法
技术领域
本发明属于金属工件表面处理技术领域，具体涉及一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法。
背景技术
气蚀对材料表面的破坏原理很复杂，是由机械、化学和电化学作用共同作用的结果。（1）机械作用：气蚀空泡成核、长大和溃灭所产生的水锤效应对材料表面局部造成反复的冲击载荷，该冲击载荷的频率高达每秒10万至20万次。（2）化学作用：气蚀空泡在压缩时会释放出一定的能量，在机械作用的前提下，水击压力对材料表面的反复冲击导致局部温度升高，气蚀空泡中的气体就会对材料表面起到氧化作用。（3）电化学作用：气蚀空泡在高温作用下会产生放电现象，使材料表面发生电解，这是电化学作用的主要特征。经气蚀破坏，材料表面粗糙度增加，变得凹凸不平，局部侵蚀成连片蜂窝状的空洞，变成海绵状组织状态，原表面形状遭到破坏。由于气蚀破坏最终导致设备使用效率降低，甚至损坏而造成重大的安全事故，浪费国家经济资源。现今关于提高金属材料的抗气蚀性能的研究越来越多，但是在实际应用多存在一些缺陷，如申请号为：CN87107141.X公开了低碳马氏体不锈钢物理强化技术。该发明涉及低碳、超低碳马氏体不锈钢铸件的感应热处理方法，包括对铸件进行常规的正火、两次回火预处理，再加工成型后进行感应热处理。经该方法处理的表面强化而心部仍保持原有的强度和塑性，在提高其机构性能、抗汽蚀、抗泥沙和抗其它介质磨损性能方面有重要作用。很显然该发明的应用存在很大的局限性，首先，其方法需要对不锈钢的组成成分做一定程度的调整，其次，其方法对其他金属材料并不一定适用。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，包括如下步骤：
（1）金属工件预处理：
用砂纸对金属工件表面进行打磨处理后，将金属工件置于射频等离子体清洗设备中进行等离子体清洗，清洗完成后取出备用；
（2）激光冲击波处理：
将步骤（1）中预处理后的金属工件放入高能脉冲激光器中进行激光冲击波强化处理，处理完成后取出备用；
（3）涂覆处理：
将涂料均匀的涂覆到步骤（2）中激光冲击波处理后的金属工件的表面，真空条件烘干后取出备用；
（4）超声处理：
将步骤（3）中涂覆处理后的金属工件置于数控机床上，进行超声加工处理，往返加工6~8次即可。
进一步的，所述步骤（1）中等离子体清洗时保持设备中的真空度为6~8Pa，射频功率为700~900W，清洗时间为10~14min。
进一步的，所述步骤（2）中激光冲击处理时激光器的波长为1000~1100nm，脉宽为20~30ns，激光光斑为2~3mm，功率为0.1~0.2GW/cm2，处理的时间为25~31s。
进一步的，所述步骤（3）中涂料的制备方法为：a. 称取相应重量份的环氧树脂70~76份、纳米二氧化硅12~14份、硬脂酸镁5~7份、去离子水67~73份共同投入分散缸内，以200~400rpm的转速搅拌处理30~34min，搅拌时保持分散缸内的温度为120~140℃；b. 待操作a分散缸内的温度降至60~70℃时，称取相应重量份的淀粉磷酸酯钠6~10份、虫胶9~12份、聚丙烯酸4~5份、月桂醇硫酸钠3~4份、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚0.8~0.9份共同投入操作a的分散缸内，以400~600rpm的转速搅拌处理1~2h即可。
进一步的，所述步骤（3）中涂料的涂覆量为150~180g/m2。
进一步的，所述步骤（4）中超声加工处理时机床主轴的转速为300~500rpm，超声冲击工作头进给量为0.06~0.08mm/r，直线加工速度为80~100mm/min，冲击工作头输出端的振幅为10~14μm。
本申请针对金属材料气蚀现象的危害以及现今提高金属工件抗气蚀性能方法存在的缺陷，提供了一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，在处理工艺上，首先对金属工件的表面进行打磨后，进行射频等离子体清洗，通过调整真空腔体内的真空度以及射频功率，产生的高压交变电场将O2、Ar2、H2 或CF4 等工艺气体的分子之间化学键打断，激荡成具有高活性或高能量的离子团，该等离子团具有很高的动能，与有机污染物、微颗粒污染物或金属氧化层反应或碰撞形成易挥发性物质，然后通过真空泵产生的负压管道气体流将这些挥发性物质抽出，从而达到持续高精密清洁、活化器件表面的目的，不仅能够清洁金属工件的表面，还能细化金属工件的表面组织，从一定程度上一直裂纹的传播，提高金属工件的抗气蚀性能；紧接着利用高能脉冲处理金属工件的表面，在金属工件表面形成高温高压等离子体并迅速向外喷射，在极短的时间内产生强冲击波向材料内部传播，当冲击波压力超过材料动态屈服强度时，金属工件的表面就会产生屈服和塑性变形，与此同时在塑性变形区中诱导出高幅值的残余应力，起到改善金属工件表面性能的效果，从而进一步改善金属工件的抗气蚀性能；然后将涂料涂覆到金属工件的表面，涂料会在表面形成一个致密的保护层，通过后续超声处理，利用大功率超声波作为推动力，作用在金属表面而使其表层发生极为严重的塑性变形，金属工件表面的保护层受到超声波的作用，导致晶粒被打碎，从而在表面获得纳米结构层；同时由于超声工作头对金属表面的挤压作用，在平稳移动过程中将机械零部件表面的凸起部分被均匀添到凹陷区域，因此可以达到很高的表面粗糙度水平，即表面几何形态纳米化，从而进一步细化金属工件的表面组织，从而抑制裂纹的传播，提高金属工件的抗气蚀性能。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本申请提供了一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，解决了金属材料在使用过程中存在气蚀现象的问题，有效的提高了金属工件的抗气蚀性能，方法适用范围广，效果显著，极具市场推广应用价值。
具体实施方式
实施例1
一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，包括如下步骤：
（1）金属工件预处理：
用砂纸对金属工件表面进行打磨处理后，将金属工件置于射频等离子体清洗设备中进行等离子体清洗，清洗完成后取出备用；
（2）激光冲击波处理：
将步骤（1）中预处理后的金属工件放入高能脉冲激光器中进行激光冲击波强化处理，处理完成后取出备用；
（3）涂覆处理：
将涂料均匀的涂覆到步骤（2）中激光冲击波处理后的金属工件的表面，真空条件烘干后取出备用；
（4）超声处理：
将步骤（3）中涂覆处理后的金属工件置于数控机床上，进行超声加工处理，往返加工6次即可。
进一步的，所述步骤（1）中等离子体清洗时保持设备中的真空度为6~8Pa，射频功率为700W，清洗时间为10min。
进一步的，所述步骤（2）中激光冲击处理时激光器的波长为1000nm，脉宽为20ns，激光光斑为2mm，功率为0.1GW/cm2，处理的时间为25s。
进一步的，所述步骤（3）中涂料的制备方法为：a. 称取相应重量份的环氧树脂70份、纳米二氧化硅12份、硬脂酸镁5份、去离子水67份共同投入分散缸内，以200rpm的转速搅拌处理30min，搅拌时保持分散缸内的温度为120℃；b. 待操作a分散缸内的温度降至60℃时，称取相应重量份的淀粉磷酸酯钠6份、虫胶9份、聚丙烯酸4份、月桂醇硫酸钠3份、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚0.8份共同投入操作a的分散缸内，以400rpm的转速搅拌处理1h即可。
进一步的，所述步骤（3）中涂料的涂覆量为150g/m2。
进一步的，所述步骤（4）中超声加工处理时机床主轴的转速为300rpm，超声冲击工作头进给量为0.06mm/r，直线加工速度为80mm/min，冲击工作头输出端的振幅为10μm。
实施例2
一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，包括如下步骤：
（1）金属工件预处理：
用砂纸对金属工件表面进行打磨处理后，将金属工件置于射频等离子体清洗设备中进行等离子体清洗，清洗完成后取出备用；
（2）激光冲击波处理：
将步骤（1）中预处理后的金属工件放入高能脉冲激光器中进行激光冲击波强化处理，处理完成后取出备用；
（3）涂覆处理：
将涂料均匀的涂覆到步骤（2）中激光冲击波处理后的金属工件的表面，真空条件烘干后取出备用；
（4）超声处理：
将步骤（3）中涂覆处理后的金属工件置于数控机床上，进行超声加工处理，往返加工7次即可。
进一步的，所述步骤（1）中等离子体清洗时保持设备中的真空度为7Pa，射频功率为800W，清洗时间为12min。
进一步的，所述步骤（2）中激光冲击处理时激光器的波长为1050nm，脉宽为25ns，激光光斑为2.5mm，功率为0.15GW/cm2，处理的时间为28s。
进一步的，所述步骤（3）中涂料的制备方法为：a. 称取相应重量份的环氧树脂73份、纳米二氧化硅13份、硬脂酸镁6份、去离子水70份共同投入分散缸内，以300rpm的转速搅拌处理32min，搅拌时保持分散缸内的温度为130℃；b. 待操作a分散缸内的温度降至65℃时，称取相应重量份的淀粉磷酸酯钠8份、虫胶10.5份、聚丙烯酸4.5份、月桂醇硫酸钠3.5份、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚0.85份共同投入操作a的分散缸内，以500rpm的转速搅拌处理1.5h即可。
进一步的，所述步骤（3）中涂料的涂覆量为165g/m2。
进一步的，所述步骤（4）中超声加工处理时机床主轴的转速为400rpm，超声冲击工作头进给量为0.07mm/r，直线加工速度为90mm/min，冲击工作头输出端的振幅为12μm。
实施例3
一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，包括如下步骤：
（1）金属工件预处理：
用砂纸对金属工件表面进行打磨处理后，将金属工件置于射频等离子体清洗设备中进行等离子体清洗，清洗完成后取出备用；
（2）激光冲击波处理：
将步骤（1）中预处理后的金属工件放入高能脉冲激光器中进行激光冲击波强化处理，处理完成后取出备用；
（3）涂覆处理：
将涂料均匀的涂覆到步骤（2）中激光冲击波处理后的金属工件的表面，真空条件烘干后取出备用；
（4）超声处理：
将步骤（3）中涂覆处理后的金属工件置于数控机床上，进行超声加工处理，往返加工8次即可。
进一步的，所述步骤（1）中等离子体清洗时保持设备中的真空度为8Pa，射频功率为900W，清洗时间为14min。
进一步的，所述步骤（2）中激光冲击处理时激光器的波长为1100nm，脉宽为30ns，激光光斑为3mm，功率为0.2GW/cm2，处理的时间为31s。
进一步的，所述步骤（3）中涂料的制备方法为：a. 称取相应重量份的环氧树脂76份、纳米二氧化硅14份、硬脂酸镁7份、去离子水73份共同投入分散缸内，以400rpm的转速搅拌处理34min，搅拌时保持分散缸内的温度为140℃；b. 待操作a分散缸内的温度降至70℃时，称取相应重量份的淀粉磷酸酯钠10份、虫胶12份、聚丙烯酸5份、月桂醇硫酸钠4份、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚0.9份共同投入操作a的分散缸内，以600rpm的转速搅拌处理2h即可。
进一步的，所述步骤（3）中涂料的涂覆量为180g/m2。
进一步的，所述步骤（4）中超声加工处理时机床主轴的转速为500rpm，超声冲击工作头进给量为0.08mm/r，直线加工速度为100mm/min，冲击工作头输出端的振幅为14μm。
对比实施例1
一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，包括如下步骤：
（1）激光冲击波处理：
将待处理的金属工件放入高能脉冲激光器中进行激光冲击波强化处理，处理完成后取出备用；
（2）涂覆处理：
将涂料均匀的涂覆到步骤（1）中激光冲击波处理后的金属工件的表面，真空条件烘干后取出备用；
（3）超声处理：
将步骤（2）中涂覆处理后的金属工件置于数控机床上，进行超声加工处理，往返加工7次即可。
本对比实施例1中所有操作步骤所对应的技术参数均同实施例2。
对比实施例2
一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，包括如下步骤：
（1）金属工件预处理：
用砂纸对金属工件表面进行打磨处理后，将金属工件置于射频等离子体清洗设备中进行等离子体清洗，清洗完成后取出备用；
（2）涂覆处理：
将涂料均匀的涂覆到步骤（1）中预处理后的金属工件的表面，真空条件烘干后取出备用；
（3）超声处理：
将步骤（2）中涂覆处理后的金属工件置于数控机床上，进行超声加工处理，往返加工7次即可。
本对比实施例2中所有操作步骤所对应的技术参数均同实施例2。
对比实施例3
一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，包括如下步骤：
（1）金属工件预处理：
用砂纸对金属工件表面进行打磨处理后，将金属工件置于射频等离子体清洗设备中进行等离子体清洗，清洗完成后取出备用；
（2）激光冲击波处理：
将步骤（1）中预处理后的金属工件放入高能脉冲激光器中进行激光冲击波强化处理，处理完成后取出备用；
（3）超声处理：
将步骤（2）中激光冲击波处理后的金属工件置于数控机床上，进行超声加工处理，往返加工7次即可。
本对比实施例3中所有操作步骤所对应的技术参数均同实施例2。
对比实施例4
一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，包括如下步骤：
（1）金属工件预处理：
用砂纸对金属工件表面进行打磨处理后，将金属工件置于射频等离子体清洗设备中进行等离子体清洗，清洗完成后取出备用；
（2）激光冲击波处理：
将步骤（1）中预处理后的金属工件放入高能脉冲激光器中进行激光冲击波强化处理，处理完成后取出备用；
（3）涂覆处理：
将涂料均匀的涂覆到步骤（2）中激光冲击波处理后的金属工件的表面，真空条件烘干即可。
本对比实施例4中所有操作步骤所对应的技术参数均同实施例2。
为了对比本发明效果，选取同一批出产的同意批号和规格的304奥氏体不锈钢作为试验对象，分别标记为实施例2、对比实施例1、对比实施例2、对比实施例3、对比实施例4，空白对照组，然后分别用上述实施例2、对比实施例1、对比实施例2、对比实施例3、对比实施例4的方法对应处理每组不锈钢，空白对照组不做任何处理，再采用CHI650B型电化学工作站测量极化曲线来评价样品耐腐蚀性能，实验所用腐蚀介质为3.5wt%NaCl溶液，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极。样品周围用石蜡密封，留出10mm×10mm面积置于腐蚀介质中，浸泡0.5h以稳定开路电位。测量电位范围是-0.5~0.5v，扫描速度为5mv/s。具体试验对比数据如下表1所示：
表1
Figure 801922DEST_PATH_IMAGE002
注：上表1中E corr 为腐蚀电位，i corr 为腐蚀电流密度。
由上表1可以看出，本申请提供了一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，解决了金属材料在使用过程中存在气蚀现象的问题，有效的提高了金属工件的抗气蚀性能，方法适用范围广，效果显著，极具市场推广应用价值。

Claims (6)

1.一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）金属工件预处理：
用砂纸对金属工件表面进行打磨处理后，将金属工件置于射频等离子体清洗设备中进行等离子体清洗，清洗完成后取出备用；
（2）激光冲击波处理：
将步骤（1）中预处理后的金属工件放入高能脉冲激光器中进行激光冲击波强化处理，处理完成后取出备用；
（3）涂覆处理：
将涂料均匀的涂覆到步骤（2）中激光冲击波处理后的金属工件的表面，真空条件烘干后取出备用；
（4）超声处理：
将步骤（3）中涂覆处理后的金属工件置于数控机床上，进行超声加工处理，往返加工6~8次即可。
2.根据权利要求1所述一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，其特征在于，所述步骤（1）中等离子体清洗时保持设备中的真空度为6~8Pa，射频功率为700~900W，清洗时间为10~14min。
3.根据权利要求1所述一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，其特征在于，所述步骤（2）中激光冲击处理时激光器的波长为1000~1100nm，脉宽为20~30ns，激光光斑为2~3mm，功率为0.1~0.2GW/cm2，处理的时间为25~31s。
4. 根据权利要求1所述一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，其特征在于，所述步骤（3）中涂料的制备方法为：a. 称取相应重量份的环氧树脂70~76份、纳米二氧化硅12~14份、硬脂酸镁5~7份、去离子水67~73份共同投入分散缸内，以200~400rpm的转速搅拌处理30~34min，搅拌时保持分散缸内的温度为120~140℃；b. 待操作a分散缸内的温度降至60~70℃时，称取相应重量份的淀粉磷酸酯钠6~10份、虫胶9~12份、聚丙烯酸4~5份、月桂醇硫酸钠3~4份、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚0.8~0.9份共同投入操作a的分散缸内，以400~600rpm的转速搅拌处理1~2h即可。
5.根据权利要求1所述一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，其特征在于，所述步骤（3）中涂料的涂覆量为150~180g/m2。
6.根据权利要求1所述一种提高金属工件耐气蚀性能的表面处理方法，其特征在于，所述步骤（4）中超声加工处理时机床主轴的转速为300~500rpm，超声冲击工作头进给量为0.06~0.08mm/r，直线加工速度为80~100mm/min，冲击工作头输出端的振幅为10~14μm。
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