CN112030095A - 一种在工件表面超音速火焰喷涂耐磨耐蚀镍铬涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于表面超疏水材料制备领域，公开了一种在工件表面超音速火焰喷涂耐磨耐蚀镍铬涂层的方法，对工件表面进行预处理，再对工件表面喷砂处理；在处理后的工件表面采用超音速火焰喷涂镍铬涂层，对得到的表面有镍铬涂层的碳钢进行修饰，干燥，即可得到超疏水镍铬涂层。本发明的方法利用超音速火焰喷涂的方法在工程用的金属材料表面制备一层大面积的超疏水镍铬涂层，不仅具有超疏水的特性，涂层中镍元素具有较高的硬度，使涂层材料具有较好的耐磨性能；而涂层中铬元素具有较好的耐蚀性能，从而使涂层本身兼具良好的耐磨耐蚀性能，可有效用于金属材料的腐蚀防护领域，所得涂层表面具有微米/纳米复合微观结构，表面与水的静态接触角超过150°。

Description

一种在工件表面超音速火焰喷涂耐磨耐蚀镍铬涂层的方法

技术领域

本发明属于金属表面处理及防腐技术领域，具体涉及一种在工件表面超音速火焰喷涂耐磨耐蚀镍铬涂层的方法。

背景技术

碳钢因原料丰富、易于加工并且具有良好的成形性能，因而广泛应用于日常生活和工业生产中。但工件表面易发生腐蚀，影响产品的使用寿命，极易造成巨大的经济损失，因此在工件表面采取有效的防腐措施非常必要。

润湿性能是固体表面的一个重要特征，固体表面化学成分和几何形貌共同决定了材料表面的润湿性。随着“荷叶效应”的机理被揭示，接触角大于150°，滚动角小于10°的超疏水材料的研究受到广泛重视。超疏水材料因其“不沾水”特性，在许多方面具有潜在应用，如表面自清洁、表面防冰、防腐防污、减磨减阻等，因而超疏水表面具有较好的应用前景和广泛的应用价值。当前超疏水涂层的制备方法包括酸碱刻蚀法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法、阳极氧化法、热喷涂法、激光烧蚀法和电化学沉积法等。

发明内容

本发明公开了一种在工件表面制备超音速火焰喷涂耐磨耐蚀镍铬涂层的方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。

为了达到上述目的，本公开实施例的技术方案：一种在工件表面超音速火焰喷涂耐磨耐蚀镍铬涂层的方法：提供一碳钢，依次对工件表面进行清洗、喷砂、超音速火焰喷涂，在所述工件表面形成微米/纳米复合微观结构；将表面形成微米/纳米复合微观结构的碳钢置入含氟溶液中进行表面改性；烘干，获得超疏水表面。

所述工件表面超音速火焰喷涂超疏水耐磨耐蚀镍铬涂层的制备方法具体包括以下步骤：

步骤一、工件表面清洗

以丙酮为清洗剂，将钢材用超声波清洗机清洗5～15分钟，清洗温度为20～40℃

步骤二、工件表面喷砂处理

采用白刚玉砂对工件表面进行喷砂处理，直至将工件表面粗糙度处理到Ra 3.5μm～Ra 3.8μm

步骤三、镍铬涂层的制备

采用镍铬粉末，控制工件表面与喷枪相对线速度1000～1200mm/s，喷涂距离300～320mm，氧气流量180～200L/min、丙烷流量40～50L/min、压缩空气流量300～320L/min、送粉速率30～33g/min，在工件表面制备镍铬涂层

步骤四、修饰处理

将喷涂后的工件表面浸入含全氟辛基三氯硅烷的乙醇溶液中修饰30～120min后，干燥，即可得到超疏水镍铬涂层。

作为本发明对上述方案的进一步优选，所述步骤一中的金属工件包括碳钢，不锈钢，铜合金和锌合金等。

作为本发明上述方案的进一步优选，所述步骤三中喷涂用镍铬粉末成分为20wt.％铬、镍余量。

作为本发明对上述方案的进一步优选，所述步骤三中的镍铬粉末粒度为11μm～53μm。

本发明的收益效果是：由于采用上述技术方案，本发明的方法利用超音速火焰喷涂的方法在工程用的金属材料表面制备一层大面积的超疏水镍铬涂层，不仅具有超疏水的特性，涂层中镍元素具有较高的硬度，使涂层材料具有较好的耐磨性能；而涂层中铬元素具有较好的耐蚀性能，从而使涂层本身兼具良好的耐磨耐蚀性能，可有效用于金属材料的腐蚀防护领域，涂层表面具有微米/纳米复合微观结构，表面与水的静态接触角超过150°。方法所需的设备简单，过程稳定可控，且可以大面积生产，适合工程应用。

附图说明

图1为本发明的超疏水的耐磨耐蚀镍铬涂层表面形貌SEM图。

图2为本发明的一种在工件表面超音速火焰喷涂耐磨耐蚀镍铬涂层的方法的流程框图。

图3为实施例中超疏水镍铬涂层未经低表面能材料处理过的接触角测试结果，静态接触角为0度。

图4为实施例中超疏水镍铬涂层经低表面能材料处理过的接触角测试结果，静态接触角超过150度。

图5为实施例中超疏水镍铬涂层相较于碳钢基底的电化学耐蚀性测试结果曲线示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示，本发明提供一种超音速火焰喷涂耐磨耐蚀镍铬涂层的方法，所述方法具体包括以下步骤：

S1)对工件表面进行预处理，再对工件表面喷砂处理；

S2)配置镍铬混合合金粉末，采用超音速火焰喷涂技术混合合金粉末喷涂在经S1)处理后的工件表面，得到耐磨耐蚀镍铬涂层，

S3)对经过S2)得到的工件表面的耐磨耐蚀镍铬涂层的进行修饰，干燥，即可得到具有超疏水性的耐磨耐蚀镍铬涂层，如图1所示。

所述S1)的具体步骤为：

S1.1)采用清洗液对工件表面用超声波清洗，清洗温度为：20℃～40℃，清洗时间为5～15分钟；

S1.2)将经过S1.1)处理后的工件采用白刚玉砂对工件表面进行喷砂处理，得到表面粗糙度处理到Ra 3.5μm～Ra 3.8μm的工件。

所述S2)的具体步骤为：

S2.1)按照设计成分配比，分别称取镍粉和铬粉，混合均匀，得到混合金属粉末；

S2.2)将S2.1)得到混合金属粉末采用采用超音速火焰喷涂技术喷涂在经S1.2)处理后的工件上，得到厚度可控的耐磨耐蚀镍铬涂层。

所述S2.2)的具体工艺参数为：工件表面与喷枪相对线速度为：1000～1200mm/s，喷涂距离为：300～320mm，氧气流量为：180～200L/min、丙烷流量为：40～50L/min、压缩空气流量为：300～320L/min、送粉速率为：30～33g/min。

所述S3)的具体步骤为，如图1所示：

S3.1)配置低表面能物质溶液，

S3.2)将经过S2.2)碳钢浸入S4.1)得到低表面能物质溶液中，室温浸泡30-120min，去离子水冲洗，晾干，得到具有超疏水性的耐磨超镍铬涂层。

所述低表面能物质溶液为全氟辛基三氯硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷、全氟癸基硫醇、硬脂酸或十二烷基硫醇溶液，溶液的质量浓度为1％-5％。

所述工件的材质为碳钢，不锈钢，铜合金或锌合金。

所述S3.1)中所述镍铬粉末成分为20wt.％铬、镍余量；镍铬粉末粒度为11μm～53μm。

所述S1.2中的具体工艺参数为：采用白刚玉砂粒度为20目～60目，喷砂压力为0.35MPa～0.5MPa，喷砂距离150mm～200mm。

所述超疏水镍铬涂层具有微米/纳米复合微观结构，如图4所示，表面与水的静态接触角超过150°。

实施例1:

一种20#钢基体表面超疏水耐磨耐蚀镍铬涂层的制备方法，包括以下步骤：

1)量取乙醇溶液20ml，0.8g全氟辛基三氯硅烷溶液，混合后摇匀，保鲜膜密封放置于25℃恒温箱作为修饰剂待用。

2)20#钢基体在丙酮溶液中超声清洗清洗5分钟，清洗温度为25℃。

3)采用46目白刚玉砂对20#钢基体表面进行喷砂处理，喷砂时压力为0.35MPa，喷砂距离160mm，喷砂后20#钢基体表面粗糙度为Ra 3.672μm。

4)采用镍-20％铬粉末和超音速火焰喷涂工艺，在20#钢基底表面喷涂制备一层具有微米/纳米复合微观结构的镍铬涂层，喷涂时控制工件表面与喷枪相对线速度1000mm/s，喷涂距离300mm，氧气流量190L/min、丙烷流量45L/min、压缩空气流量300L/min、送粉速率32g/min，在工件表面获得镍铬涂层。

5)将制得的镍铬涂层用去离子水冲洗干净、烘干。常温下浸泡于修饰剂中3600s，取出后去离子水冲洗，烘干，得到超疏水镍铬涂层。

实施例2:

一种20#钢基体表面超疏水耐磨耐蚀镍铬涂层的制备方法，包括以下步骤：

1)量取乙醇溶液20ml，0.8g全氟辛基三氯硅烷溶液，混合后摇匀，保鲜膜密封放置于25℃恒温箱作为修饰剂待用。

2)20#钢基体在丙酮溶液中超声清洗清洗5分钟，清洗温度为25℃。

3)采用46目白刚玉砂对20#钢基体表面进行喷砂处理，喷砂时压力为0.4MPa，喷砂距离180mm，喷砂后20#钢基体表面粗糙度为Ra 3.712μm。

4)采用镍-20％铬粉末和超音速火焰喷涂工艺，在20#钢基底表面喷涂制备一层具有微米/纳米复合微观结构的镍铬涂层，喷涂时控制工件表面与喷枪相对线速度1200mm/s，喷涂距离310mm，氧气流量180L/min、丙烷流量42L/min、压缩空气流量310L/min、送粉速率30g/min，在工件表面获得镍铬涂层,其水的接触角为0°，如图3所示。

5)将制得的镍铬涂层用去离子水冲洗干净、烘干。常温下浸泡于修饰剂中3600s，取出后去离子水冲洗，烘干，测所制备的镍铬涂层，其水的接触角超过150°，如图4所示，得到超疏水镍铬涂层。

实施例3:

一种20#钢基体表面超疏水耐磨耐蚀镍铬涂层的制备方法，包括以下步骤：

1)量取乙醇溶液20ml，0.8g全氟辛基三氯硅烷溶液，混合后摇匀，保鲜膜密封放置于25℃恒温箱作为修饰剂待用。

2)20#钢基体在丙酮溶液中超声清洗清洗5分钟，清洗温度为25℃。

3)采用24目白刚玉砂对20#钢基体表面进行喷砂处理，喷砂时压力为0.4MPa，喷砂距离200mm，喷砂后20#钢基体表面粗糙度为Ra 3.782μm。

4)采用镍-20％铬粉末和超音速火焰喷涂工艺，在20#钢基底表面喷涂制备一层具有微米/纳米复合微观结构的镍铬涂层，喷涂时控制工件表面与喷枪相对线速度1100mm/s，喷涂距离320mm，氧气流量200L/min、丙烷流量50L/min、压缩空气流量320L/min、送粉速率33g/min，在工件表面获得镍铬涂层。

5)将制得的镍铬涂层用去离子水冲洗干净、烘干。常温下浸泡于修饰剂中3600s，取出后去离子水冲洗，烘干，得到超疏水镍铬涂层。

6)采用三电极体系，其中超疏水镍铬涂层作为工作电极，Pt片、饱和甘汞电极分别作为对电极和参比电极，在3.5wt.％NaCl溶液中测试其耐蚀性，其中极化曲线显示，所制备超疏水镍铬涂层的耐蚀性相比碳钢基体至少下降1个数量级，如图5所示。

以上对本申请实施例所提供的一种在工件表面超音速火焰喷涂耐磨耐蚀镍铬涂层的方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种在工件表面超音速火焰喷涂耐磨耐蚀镍铬涂层的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

S1)对工件表面进行预处理，再对工件表面喷砂处理；

S2)配置镍铬混合合金粉末，采用超音速火焰喷涂技术混合合金粉末喷涂在经S1)处理后的工件表面，得到耐磨耐蚀镍铬涂层，

S3)对经过S2)得到的工件表面的耐磨耐蚀镍铬涂层的进行修饰，干燥，得到具有超疏水性的耐磨耐蚀镍铬涂层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1)的具体步骤为：

S1.1)采用清洗液对工件表面用超声波清洗，清洗温度为：20℃～40℃，清洗时间为5～15分钟；

S1.2)将经过S1.1)处理后的工件表面进行喷砂处理，得到表面粗糙度处理到Ra 3.5μm～Ra 3.8μm的工件。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S2)的具体步骤为：

S2.1)按照设计成分配比，分别称取镍粉和铬粉，混合均匀，得到混合金属粉末；

S2.2)将S2.1)得到混合金属粉末采用采用超音速火焰喷涂技术喷涂在经S1.2)处理后的工件上，得到厚度可控的镍铬涂层。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S2.2)的具体工艺参数为：工件表面与喷枪相对线速度为：1000～1200mm/s，喷涂距离为：300～320mm，氧气流量为：180～200L/min、丙烷流量为：40～50L/min、压缩空气流量为：300～320L/min、送粉速率为：30～33g/min。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S3)的具体步骤为：

S3.1)配置低表面能物质溶液，

S3.2)将经过S2.2)工件浸入S3.1)得到低表面能物质溶液中，室温浸泡30-120min，去离子水冲洗，晾干，得到具有疏水性的耐磨超镍铬涂层。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述低表面能物质溶液为全氟辛基三氯硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷、全氟癸基硫醇、硬脂酸或十二烷基硫醇溶液，溶液的质量浓度为1％-5％。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工件的材质为碳钢，不锈钢，铜合金或锌合金。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S2.1)中所述镍铬粉末中：铬粉占总量的18-25wt.％，余量为镍粉；镍铬粉末粒度为11μm～53μm。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S1.2)中的具体工艺参数为：所述喷砂采用白刚玉砂，粒度为20目～60目，喷砂压力为0.35MPa～0.5MPa，喷砂距离150mm～200mm。

10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述超疏水镍铬涂层具有微米/纳米复合微观结构，表面与水的静态接触角超过150°。

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