一种车削处理提高疏水涂层耐磨性的方法 |
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| 申请号 | CN202410054876.8 | 申请日 | 2024-01-15 | 公开(公告)号 | CN117904572A | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
| 申请人 | 东北大学; | 发明人 | 张棣尧; 袁磊; 彭子钧; 刘震丽; 于景坤; | ||||
| 摘要 | 一种 车削 处理提高疏 水 涂层 耐磨性 的方法，属于车削技术领域。本 发明 提供一种在各类金属材料均可以直接实施的高耐磨疏水WC‑Cr3C2‑Ni涂层制备方法，包括金属基材打磨 抛光 、车削加工网格、超音速 火焰 喷涂 涂层、表面微纳米结构制备和低表面能处理，最终得到表面具有超耐磨特性的疏水材料。本方法通过车削预加工实现涂层材料的定向设计，改变了涂层既要承担耐磨性又要兼具疏水性的局限性。本发明通过简易车削预加工结合超音速 火焰喷涂 技术，实现在金属表面制备网格状涂层具有高耐磨高硬度超疏水，同时最大限度保留基体材料性能的优点，改善了疏水涂层耐磨性应用中的取舍局限性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种车削处理提高疏水涂层耐磨性的方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种车削处理提高疏水涂层耐磨性的方法技术领域[0001] 本发明属于车削技术领域，具体涉及一种车削处理提高疏水涂层耐磨性的方法。 背景技术[0002] 超疏水结构由于具有防腐耐蚀，自清洁作用等优异特性被广泛应用在工业生产中，发展前景非常广阔。现阶段，在材料表面进行超疏水结构的制备通常由三步进行，如图1所示。第一步首先在材料表面进行微米尺度的粗糙度构建；第二步在微米尺度的基础上再次进行纳米尺度的粗糙度构建；第三步则是对于材料表面进行低表面能改性，使得材料表面具有超疏水特性。当前的研究中对于超耐磨疏水表面采用的方法主要为在材料表面制备具有耐磨与疏水特性的复合或者多层涂层，涂层中的硬质颗粒为涂层提供了良好的耐磨性能。在此基础上作为改进先在材料表面通过热喷涂制备带有大尺寸硬质颗粒的耐磨涂层而后再此基础上制备低表面能涂层，硬质颗粒在基体与磨损界面之间起到支撑作用保护疏水结构如图2（一种基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层及其大面积制备方法，CN115478242A，申继豪等）。 [0003] 结合上文中所采用的方法，图1中基体材料作为疏水结构的承载体直接面对着磨损的威胁，在被逐渐磨损的过程中其表面的疏水结构被逐渐消耗，最终导致材料大面积失效。同时基体材料能够提供的耐磨性能是有限度的，即便是在基体表面制备具有耐磨性能的涂层也具有一定的局限性。在现阶段技术中，涂层类型分为两种，第一种复合涂层是在低表面能涂层之中掺入硬质颗粒增加耐磨性能，但是在这种涂层中硬质颗粒之间是相互游离的，涂层的基体对于硬质颗粒的粘结以及承载作用并不强。第二种双层涂层则是以硬质涂层作为打底，在此基础上再次制备疏水涂层。但是这种方式依然存在明显问题，作为基体的材料被完全覆盖，在制备多层涂层后其性能如导热性将会发生变化，是否依然可以与工程需要相匹配并未可知。在图2中的技术中，起到支撑作用的大尺寸WC‑Co硬质颗粒与涂层之间的结合方式仅为机械结合且大部分突出于涂层表面，在反复的摩擦中会有脱落的风险，颗粒脱落后若不能及时从磨损界面脱离，反而会加剧磨损，加速疏水结构的失效。 [0004] 相比较于电镀等加工方式，超音速火焰喷涂具有一定的精确度，但是由于加工过程中工艺条件以及喷枪口径的限制，火焰喷涂实际上是以直径为2‑3cm的圆形喷涂区域反复进行喷涂，涂层之间相互堆叠并逐渐覆盖整个基材。这也限制了火焰喷涂难以实现尺寸较小，结构较为复杂的涂层加工。通过车削加工进行引导，在金属基体表面提前加工出涂层保留区域，在后续加工中将凸出的基体部分去除，最终保留车削沟槽内的涂层，实现基体表面自定义形状涂层的制备。 发明内容[0005] 本发明的目的是提供一种在各类金属材料均可以直接实施的高耐磨疏水WC‑Cr3C2‑Ni涂层制备方法。该方法通过简易车削预加工结合超音速火焰喷涂技术实现在金属表面制备网格状涂层具有高耐磨高硬度超疏水，同时最大限度保留基体材料性能的优点。 [0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种车削处理提高疏水涂层耐磨性的方法，包括以下步骤： 步骤1. 金属基材打磨抛光； 步骤2. 车削加工网格； 步骤3. 超音速火焰喷涂WC‑Cr3C2‑Ni涂层； 步骤4. 表面微纳米结构制备； 步骤5. 低表面能处理，得到表面具有超耐磨特性的疏水材料。 [0008] 所述步骤2中，车削加工采用钨钢定心钻进行；车削过程中参数为：钻头角度为30°‑120°，角度优选为60°；转速为500 rpm‑4000 rpm，下降步距为50μm‑500μm，行进速度为 5 mm/min‑20 mm/min； 所述网格为沟槽深度为500μm‑1500μm、沟槽宽度为500μm‑3000μm、间距为1 cm‑5 cm的四边形，网格优选为正方形；网格之间的间距是网格宽度的20倍。 [0009] 所述步骤3中，超音速火焰喷涂参数为：空气压力为70 psi； 丙烷压力为72 psi；燃烧室压力为62 psi；氢气流量为18 L/min；氮气流量为23 L/min；送粉机旋转为7 rpm；喷枪横向移速为1 m/s；喷枪角度为90°；喷枪距离为180 mm；步距为3 mm。 [0010] 所述WC‑Cr3C2‑Ni涂层，其组成以质量百分比计为73% WC‑ 20% Cr3C2‑ 7% Ni；涂层厚为40μm‑110μm；喷涂WC‑Cr3C2‑Ni涂层后，将基板表面涂层突出部分以车削加工结合手工打磨的方式打磨平整。 [0011] 所述步骤4中，制备微纳米结构采用蚀刻方式在基板分步或者一体制备；其中，蚀刻方法选自化学蚀刻、电化学蚀刻中的一种。 [0012] 所述步骤5中，低表面能处理采用直接浸泡法，将基板浸泡在低表面能溶液24 h后取出晾干。 [0013] 所述低表面能溶液为肉豆蔻酸‑酒精溶液。 [0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过车削预加工实现涂层材料的定向设计，改变了涂层既要承担耐磨性又要兼具疏水性的局限性。网格状的超耐磨WC‑Cr3C2‑Ni涂层硬度极高，涂层硬度可达到HV0.5 1257.6，对于基体起到了很好的保护作用，且在面对磨损时网状涂层均匀受力，涂层硬质颗粒不会发生脱落，避免了硬质颗粒在磨损界面之间磨料磨损。对比现有技术，本发明可以在保持基体材料使用特性的基础上极大的提升材料的耐磨性能，改善了疏水涂层耐磨性应用中的取舍局限性。 附图说明 [0015] 图1为超疏水结构示意图；其中，（a）为金属基体表面微米尺度粗糙度构建示意图，（b）为微米尺度粗糙度基础上进行纳米尺度粗糙度构建示意图，（c）为金属基体表面低表面能处理实现超疏水特性示意图；图2为硬质颗粒保护疏水结构示意图； 图3为本发明实施例工艺流程示意图；其中，（a）为打磨抛光，（b）为定向车削加工，（c）为超音速火焰喷涂耐磨涂层并打磨，（d）为制备微纳米疏水结构，（e）为低表面能处理； 图4为本发明实施例1 中金属基板打磨抛光后外观图； 图5 为本发明实施例1 中金属基板喷砂处理后外貌图； 图6为本发明实施例1 中金属基板表面沟槽宽度600μm网格状WC‑Cr3C2‑Ni涂层； 图7为本发明实施例1金属板表面磨损前后润湿角结果图；其中（a）为金属基板表面磨损实验前润湿角 （b）为金属基板表面磨损实验后润湿角； 图8为本发明实施例2 中金属基板表面沟槽宽度1200μm网格状WC‑Cr3C2‑Ni涂层； 图9为本发明实施例3 中金属基板表面沟槽宽度1800μm网格状WC‑Cr3C2‑Ni涂层。 具体实施方式[0016] 本发明提供一种车削处理提高疏水涂层耐磨性的方法，包括步骤金属基材打磨抛光、网格车削加工、超音速火焰喷涂WC‑Cr3C2‑Ni涂层、基体表面微纳米结构制备和基体表面低表面能处理，具体工艺流程如图3所示。本发明中采用砂纸由400#逐级打磨金属基材至1200#，最终使用金刚石研磨膏在阻尼抛光布上进行抛光，然后以钻头角度为30°‑120°、角度优选为60°，转速为500 rpm‑4000 rpm，下降步距为50μm‑500μm，行进速度为5 mm/min‑20 mm/min的车削参数，在打磨后的金属基材车削沟槽深度为500μm‑1500μm，间距为1 cm‑5 cm，网格之间的间距是网格宽度的20倍的四边形网格，其中网格优选为正方形。之后在空气压力为70 psi、丙烷压力为72 psi、燃烧室压力为62 psi、氢气流量为18 L/min、氮气流量为23 L/min、送粉机旋转为7 rpm、喷枪横向移速为1 m/s、喷枪角度为90°、喷枪距离为180 mm、步距为3 mm的条件对网格面进行超音速火焰喷涂73% WC‑ 20% Cr3C2‑ 7% Ni涂层，涂层厚为30μm‑100μm。喷涂WC‑Cr3C2‑Ni涂层后，将基板表面涂层突出部分以车削加工结合手工打磨的方式打磨平整。采用化学蚀刻或电化学蚀刻的方法在基板分步或者一体制备表面微纳米结构。最后，将基板浸泡在低表面能溶液肉豆蔻酸‑酒精溶液24 h后取出晾干，得到具有超耐磨特性的疏水材料表面。 [0017] 下面将结合附图和具体实施例对本申请做进一步说明。 [0018] 实施例1步骤1. 采用砂纸由400#逐级打磨金属基材至1200#，然后使用金刚石研磨膏在阻尼抛光布上进行抛光；打磨抛光后金属基材表面粗糙度为1.6μm。 [0019] 步骤2. 如图4所示，采用钨钢定心钻对打磨后的金属基材进行车削加工网格，车削过程中钻头角度为60°，转速为1000 rpm，下降步距100μm，行进速度10 mm/min，加工得到沟槽深度500μm，沟槽宽度600μm，沟槽间距2 cm的正方形网格。 [0020] 步骤3. 采用超音速火焰喷涂的方式在基材表面（如图5所示）喷涂涂层厚度为50μm的73%WC‑20%Cr3C2‑7%Ni涂层；喷涂时，空气压力为70 psi，丙烷压力为72 psi，燃烧室压力为62 psi，氢气流量为18 L/min，氮气流量为23 L/min，送粉机旋转为7 rpm，喷枪横向移速为1 m/s，喷枪角度为90°，喷枪距离为180 mm，步距为3 mm。喷涂结束后采用线切割将基板高于涂层的突出部分除去并打磨抛光（如图6所示）。 [0021] 步骤4. 采用化学蚀刻（浸泡于HCl‑H2O2混合溶液中）在基板制备微纳米粗糙结构。 [0022] 步骤5. 采用直接浸泡法将基板置入适宜浓度的低表面能改性肉豆蔻酸‑酒精溶液中24 h后取出晾干，即可得到具有超耐磨特性的疏水材料。 [0023] 测试所得疏水材料的润湿角，为150.434°（如图7所示），将试样倒置于400#砂纸上并施加5 N载荷拖行1000 mm距离后，试样表面润湿角为145.968°仍具有较好的疏水性能，网状的WC‑Cr3C2‑Ni起到了很好的保护作用。 [0024] 实施例2本实施例方法同实施例1，不同点在于： 在加工步骤1中，金属基板的打磨抛光后的表面粗糙度要求达到1.6μm。加工步骤2中，采用钻头角度60°的钨钢定心钻在金属表面进行加工，定心钻转速1000 rpm，下降步距 100μm，行进速度10 mm/min。根据材料尺寸以及具体工况使用要求控制沟槽深度1000μm，沟槽宽度1200μm，沟槽间距2 cm，沟槽形状正方形。加工步骤3采用超音速火焰喷涂技术在基板表面沉积WC‑Cr3C2‑Ni涂层前进行喷砂处理，并在喷涂结束后将基板表面涂层突出部分打磨平整如图8。空气压力为70 psi，丙烷压力为72 psi，燃烧室压力为62 psi，氢气流量为18 L/min，氮气流量为23 L/min，送粉机旋转为7 rpm，喷枪横向移速为1 m/s，喷枪角度为90°，喷枪距离为180 mm，步距为3 mm。WC‑Cr3C2‑Ni涂层厚度75μm，喷涂结束后采用线切割将基板高于涂层的突出部分除去并打磨抛光。加工步骤4中根据基板材料不同，采用化学蚀刻（浸泡于HCl‑H2O2混合溶液中）在基板制备微纳米粗糙结构。加工步骤5中采用直接浸泡法将基板置入适宜浓度的低表面能改性肉豆蔻酸‑酒精溶液中24 h后取出晾干，即可得到具有超耐磨特性的疏水材料，表面润湿角为151.028°，将试样倒置于400#砂纸上并施加5 N载荷拖行1000 mm距离后，试样表面润湿角为145.723°，仍具有较好的疏水性能，网状的WC‑Cr3C2‑Ni起到了很好的保护作用。 [0025] 实施例3本实施例方法同实施例1，不同点在于： 在加工步骤1中，金属基板的打磨抛光后的表面粗糙度要求达到1.6μm。加工步骤2中，采用钻头角度60°的钨钢定心钻在金属表面进行加工，定心钻转速1000 rpm，下降步距 100μm，行进速度10 mm/min。根据材料尺寸以及具体工况使用要求控制沟槽深度1500μm，沟槽宽度1800μm，沟槽间距2 cm，沟槽形状正方形。加工步骤3采用超音速火焰喷涂技术在基板表面沉积WC‑Cr3C2‑Ni涂层前进行喷砂处理，并在喷涂结束后将基板表面涂层突出部分打磨平整如图9。空气压力为70 psi，丙烷压力为72 psi，燃烧室压力为62 psi，氢气流量为18 L/min，氮气流量为23 L/min，送粉机旋转为7 rpm，喷枪横向移速为1 m/s，喷枪角度为90°，喷枪距离为180 mm，步距为3 mm。WC‑Cr3C2‑Ni涂层厚度100μm，喷涂结束后采用线切割将基板高于涂层的突出部分除去并打磨抛光。加工步骤4中根据基板材料不同，采用化学蚀刻（浸泡于HCl‑H2O2混合溶液中）在基板制备微纳米粗糙结构。加工步骤5中采用直接浸泡法将基板置入适宜浓度的低表面能改性肉豆蔻酸‑酒精溶液中24 h后取出晾干，即可得到具有超耐磨特性的疏水材料，表面润湿角为149.175°，将试样倒置于400#砂纸上并施加5 N载荷拖行1000 mm距离后，试样表面润湿角为144.692°仍具有较好的疏水性能，网状的WC‑Cr3C2‑Ni起到了很好的保护作用。 [0026] 实施例4本实施例方法同实施例1，不同点在于： 在加工步骤1中，金属基板的打磨抛光后的表面粗糙度要求达到1.6μm。加工步骤2中，采用钻头角度90°的钨钢定心钻在金属表面进行加工，定心钻转速1000rpm，下降步距 100μm，行进速度10mm/min。根据材料尺寸以及具体工况使用要求控制沟槽深度500μm，沟槽宽度1000μm，沟槽间距2cm，沟槽形状正方形。加工步骤3采用超音速火焰喷涂技术在基板表面沉积WC‑Cr3C2‑Ni涂层前进行喷砂处理，并在喷涂结束后将基板表面涂层突出部分打磨平整。空气压力为70 psi，丙烷压力为72 psi，燃烧室压力为62 psi，氢气流量为18L/min，氮气流量为23L/min，送粉机旋转为7rpm，喷枪横向移速为1m/s，喷枪角度为90°，喷枪距离为 180mm，步距为3mm。WC‑Cr3C2‑Ni涂层厚度50μm，喷涂结束后采用线切割将基板高于涂层的突出部分除去并打磨抛光。加工步骤4中根据基板材料不同，采用化学蚀刻（浸泡于HCl‑H2O2混合溶液中）在基板制备微纳米粗糙结构。加工步骤5中采用直接浸泡法将基板置入适宜浓度的低表面能改性肉豆蔻酸‑酒精溶液中24h后取出晾干，即可得到具有超耐磨特性的疏水材料，表面润湿角为151.283°，将试样倒置于400#砂纸上并施加5N载荷拖行1000mm距离后，试样表面润湿角为146.014°仍具有较好的疏水性能，网状的WC‑Cr3C2‑Ni起到了很好的保护作用。 [0027] 实施例5本实施例方法同实施例1，不同点在于： 在加工步骤1中，金属基板的打磨抛光后的表面粗糙度要求达到1.6μm。加工步骤2中，采用钻头角度90°的钨钢定心钻在金属表面进行加工，定心钻转速1000 rpm，下降步距 100μm，行进速度10 mm/min。根据材料尺寸以及具体工况使用要求控制沟槽深度1000μm，沟槽宽度2000μm，沟槽间距2 cm，沟槽形状正方形。加工步骤3采用超音速火焰喷涂技术在基板表面沉积WC‑Cr3C2‑Ni涂层前进行喷砂处理，并在喷涂结束后将基板表面涂层突出部分打磨平整。空气压力为70 psi，丙烷压力为72 psi，燃烧室压力为62 psi，氢气流量为18 L/min，氮气流量为23 L/min，送粉机旋转为7 rpm，喷枪横向移速为1 m/s，喷枪角度为90°，喷枪距离为180 mm，步距为3 mm。WC‑Cr3C2‑Ni涂层厚度75μm，喷涂结束后采用线切割将基板高于涂层的突出部分除去并打磨抛光。加工步骤4中根据基板材料不同，采用化学蚀刻（浸泡于HCl‑H2O2混合溶液中）在基板制备微纳米粗糙结构。加工步骤5中采用直接浸泡法将基板置入适宜浓度的低表面能改性肉豆蔻酸‑酒精溶液中24 h后取出晾干，即可得到具有超耐磨特性的疏水材料表面润湿角为150.201°，将试样倒置于400#砂纸上并施加5 N载荷拖行 1000 mm距离后，试样表面润湿角为143.847°仍具有较好的疏水性能，网状的WC‑Cr3C2‑Ni起到了很好的保护作用。 [0028] 实施例6本实施例方法同实施例1，不同点在于： 在加工步骤1中，金属基板的打磨抛光后的表面粗糙度要求达到1.6μm。加工步骤2中，采用钻头角度90°的钨钢定心钻在金属表面进行加工，定心钻转速1000 rpm，下降步距 100μm，行进速度10 mm/min。根据材料尺寸以及具体工况使用要求控制沟槽深度1500μm，沟槽宽度3000μm，沟槽间距2cm，沟槽形状正方形。加工步骤3采用超音速火焰喷涂技术在基板表面沉积WC‑Cr3C2‑Ni涂层前进行喷砂处理，并在喷涂结束后将基板表面涂层突出部分打磨平整。空气压力为70 psi，丙烷压力为72 psi，燃烧室压力为62 psi，氢气流量为18 L/min，氮气流量为23 L/min，送粉机旋转为7 rpm，喷枪横向移速为1 m/s，喷枪角度为90°，喷枪距离为180 mm，步距为3 mm。WC‑Cr3C2‑Ni涂层厚度100μm，喷涂结束后采用线切割将基板高于涂层的突出部分除去并打磨抛光。加工步骤4中根据基板材料不同，采用化学蚀刻（浸泡于HCl‑H2O2混合溶液中）在基板制备微纳米粗糙结构。加工步骤5中采用直接浸泡法将基板置入适宜浓度的低表面能改性肉豆蔻酸‑酒精溶液中24 h后取出晾干，即可得到具有超耐磨特性的疏水材料，表面润湿角为151.191°，将试样倒置于400#砂纸上并施加5 N载荷拖行 1000 mm距离后，试样表面润湿角为144.634°仍具有较好的疏水性能，网状的WC‑Cr3C2‑Ni起到了很好的保护作用。 |
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