一种提高与腐蚀介质接触的施肥机构件防腐性能的处理工艺

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种提高与腐蚀介质接触的施肥机构件防腐性能的处理工艺。

背景技术

施肥机是现代农业中普遍能使用的农用机械，其能代替原有人工浇灌施肥，解放了劳动力的同时，也提升了施肥的效率，缩短了施肥的时间。其中，施肥机的肥箱、药箱等与腐蚀介质接触的构件，很容易被肥料腐蚀，进而出现严重的上锈现象，缩短了施肥机的使用寿命。因此在实际应用中，施肥机中与腐蚀介质接触的金属构件需要进行防腐处理。

为了提高施肥机构件的耐腐蚀性能，人们通过各种方法对构件进行表面处理，以达到提高其耐腐蚀性能的目的。其中，激光熔覆作为一种新的表面改性技术，具有很高的经济效果，它可以在金属基材中制备出高性能的合金表面而不影响基体的性能，降低成本，节约金属材料，得到广泛的应用。因此，采用激光熔覆技术在施肥机构件表面形成熔覆层，可以有效的实现构件耐腐蚀性能的提升。目前，主要的熔覆材料多选用镍基合金粉末，其具有优良的综合性能，耐腐蚀，抗氧化性，耐热，耐低应力磨粒磨损以及良好的冲击韧性，熔点低，固液相温度区间宽，对多种基体有强的润湿能力，操作简便。因此在现有技术中，多选用镍基合金粉末作为熔覆材料，采用激光熔覆技术对施肥机构件表面进行处理，从而获得具有防腐性能的构件；但是，直接选用镍基合金粉末作用熔覆材料进行熔覆处理，形成的熔覆层致密性较差，涂层内易出现多孔隙与微裂纹，导致熔覆层阻隔腐蚀介质扩散的效果较差，并不能达到长期高效防腐的效果。

发明内容

本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种提高与腐蚀介质接触的施肥机构件防腐性能的处理工艺，通过向熔覆材料中引入制备的碳化硅/氮化硼复合物，提高熔覆层对腐蚀介质扩散路径的阻隔效果，从而实现施肥机构件高效防腐的技术效果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种提高与腐蚀介质接触的施肥机构件防腐性能的处理工艺，具体工艺方法如下：

1）称取适量的氮化硼粉末（购自上海阿拉丁升华科技股份有限公司，属于H型氮化硼）置于坩埚中，将坩埚置于马弗炉中，在850-900℃下保温处理2-3h；本发明中，通过对氮化硼粉末进行热处理，可以使氮化硼片层从轴向膨胀开来，层间距大幅增加，极大便利了后续液相超声剥离的过程，并且在空气气氛下进行的热氧处理，可以更加高效的在氮化硼表面制造缺陷，增加含氧基团数量，为后续硅烷偶联剂的接枝提供的良好的反应位点；按照氮化硼与乙醇胺-水混合液的质量体积比为1:200-230g/mL，将冷却至室温的氮化硼粉末分散于体积分数为70-80%的乙醇胺-水混合液中，在50-55℃下以300-400W超声处理4-5h，然后在3000-4000r/min下离心处理30-40min，将上层清液减压过滤，得到的滤饼用无水乙醇反复洗涤，烘干后得到氮化硼纳米片；本发明中，以乙醇胺-水混合液作为分散溶剂，以氮化硼为原料，采用超声辅助液剥离法制得氮化硼纳米片，通过将氮化硼纳米片引入到镍基合金粉末涂层中，氮化硼纳米片在合金粉末涂层中层层叠加，构成“迷宫效应”，具有很好的阻隔效果，能有效的阻隔腐蚀介质在涂层中的扩散路径，从而提高涂层的耐酸碱腐蚀作用；

2）按照四氯化钛与蒸馏水的体积比为2-3:120，先量取适量的四氯化钛置于容器中，在100-150r/min搅拌下滴加适量的蒸馏水后搅拌1-2h，使用4-4.5mol/L的氢氧化钠溶液调节pH至6-6.5，再按照氮化硼纳米片与蒸馏水的质量体积比为1:50-55g/mL，加入氮化硼纳米片，以100-150r/min继续搅拌30-40min后转移至水热釜中，在180-185℃下加热反应12-15h，待反应液冷却至室温后，减压过滤并用去离子水反复冲洗滤饼，干燥后得到预处理氮化硼纳米片；当氮化硼纳米片发生团聚时，会导致纳米片聚集体增加，在镍基合金粉末涂层中的分布均匀性下降，造成涂层中裂纹、孔洞等缺陷增加，对腐蚀介质的阻隔作用变弱，因此在本发明中，利用氮化硼纳米片做为载体，通过水热合成法，在氮化硼纳米片表面沉积形成二氧化钛包覆层，二氧化钛包覆层的形成增大了氮化硼纳米片的致密度，使其密度增大，从而降低了氮化硼纳米片与镍基合金粉末之间的密度差，提高了氮化硼纳米片在镍基合金粉末中的分散均匀性，从而可以防止氮化硼纳米片对腐蚀介质阻隔作用变弱的现象出现；

3）按照质量体积比为1:80-100g/mL，将称取的预处理氮化硼纳米片分散于质量分数为70-80%的乙醇溶液中，按照硅烷偶联剂KH560与乙醇溶液的体积比为1:180-200，加入硅烷偶联剂KH560，将混合液水浴加热至60-65℃并以400-500r/min搅拌回流8-10h，再按照碳化硅纳米线与预处理氮化硼纳米片的质量比为1:8-9，将称取碳化硅纳米线（购自长沙赛泰新材料有限公司，直径0.1-0.6μm，长度50-100μm）加入到上述冷却后的混合液中，继续以400-500r/min搅拌1-2h，再以200-300W超声分散1-2h，将得到的分散液倒入空心聚四氟乙烯模具中进行真空抽滤，待抽滤完成后，将滤饼防止于鼓风干燥箱中，在60-70℃下干燥20-25h，研磨后得到粒径为50-80μm的得到碳化硅/氮化硼复合物；本发明中，采用真空真空抽滤辅助自组装法，通过将预处理氮化硼纳米片与碳化硅纳米线相互紧密缠结，从而编织成网络结构，添加的硅烷偶联剂作为粘接剂，可以加快预处理氮化硼纳米片与碳化硅纳米线之间的相互缠结，促进网络结构的形成，使得混合液经短时间的搅拌以及超声处理即可完成网络结构的编织成型；

4）称取适量的Ni60镍基合金粉末，按照Ni60镍基合金粉末质量的3.5-5.5%，将碳化硅/氮化硼复合物加入到合金粉末中，混匀后得到熔覆材料，将施肥机构件进行表面清理，将熔覆材料经100-110℃恒温干燥6-8h，调节激光熔覆工艺参数，对施肥机构件进行激光熔覆处理，形成厚度为0.5-1.0mm的涂层，最后将激光熔覆后的施肥机构件用酒精清洗后进行打磨，抛光膏进行抛光处理后即可完成处理工艺；本发明中，通过将碳化硅/氮化硼复合物引入到熔覆层中，多层网络结构堆积形成三维骨架结构，构建形成的三维骨架结构可以作为支撑体固定在熔覆层中，随着骨架结构固定在熔覆层中，骨架结构中的氮化硼纳米片也将随着骨架结构而嵌固在熔覆层中，不易发生滑移，从而可以防止氮化硼纳米片在涂层中发生脱落，避免涂层表面出现腐蚀坑，从而有助于施肥机构件表面实现高效的防腐效果。

进一步，所述Ni60镍基合金粉末的粒度为100-200目，化学成分如下：C0.5%、B3.0%、Si4.5%、Cr18%、Fe15%，余量为Ni。

进一步，所述激光熔覆工艺参数如下：激光功率为1200-1600W，光斑直径φ2-4mm，光斑移动速度10-15mm/s，搭接率28-30%，激光熔覆过程中采用侧吹13-17L/min氩气对熔覆区域进行保护。

本发明相比现有技术具有以下优点：

针对常规的镍基合金粉末熔覆层致密性较差，涂层内易出现多孔隙与微裂纹，导致熔覆层阻隔腐蚀介质扩散的效果较差，并不能达到长期高效防腐效果的缺陷，本发明中，通过向熔覆层中引入氮化硼纳米片，并且提高氮化硼纳米片在熔覆层中的嵌固牢度，使得氮化硼纳米片不易发生滑移，减少氮化硼纳米片在涂层中发生脱落，从而实现熔覆层防腐效果的提升；通过将碳化硅/氮化硼复合物引入到熔覆层中，碳化硅/氮化硼复合物网络结构中的氮化硼纳米片，通过层层叠加，构成“迷宫效应”，具有很好的阻隔效果，能有效的阻隔腐蚀介质在涂层中的扩散路径，从而提高涂层的耐酸碱腐蚀作用，并且为了防止氮化硼纳米片在涂层中发生滑移，本发明通过将氮化硼纳米片与碳化硅纳米线进行自组装，从而形成了碳化硅/氮化硼复合物，由碳化硅纳米线构成的网络结构通过堆积形成三维骨架结构，通过将氮化硼纳米片引入到碳化硅纳米线构成的骨架结构中，可以起到防止氮化硼纳米片发生滑移的效果，使得氮化硼纳米片可以很好的嵌固在熔覆层中，并且不易在涂层中发生脱落，可以避免涂层表面出现腐蚀坑，从而使得熔覆层具有很好的防腐效果，有助于使施肥机构件实现高效防腐性能。

具体实施方式

下面结合具体实施方法对本发明做进一步的说明。

实施例1

一种提高与腐蚀介质接触的施肥机构件防腐性能的处理工艺，具体工艺方法如下：

1）称取适量的氮化硼粉末置于坩埚中，将坩埚置于马弗炉中，在850℃下保温处理2h，按照氮化硼与乙醇胺-水混合液的质量体积比为1:200g/mL，将冷却至室温的氮化硼粉末分散于体积分数为70%的乙醇胺-水混合液中，在50℃下以300W超声处理4h，然后在3000r/min下离心处理30min，将上层清液减压过滤，得到的滤饼用无水乙醇反复洗涤，烘干后得到氮化硼纳米片；

2）按照四氯化钛与蒸馏水的体积比为2:120，先量取适量的四氯化钛置于容器中，在100r/min搅拌下滴加适量的蒸馏水后搅拌1h，使用4mol/L的氢氧化钠溶液调节pH至6，再按照氮化硼纳米片与蒸馏水的质量体积比为1:50g/mL，加入氮化硼纳米片，以100r/min继续搅拌30min后转移至水热釜中，在180℃下加热反应12h，待反应液冷却至室温后，减压过滤并用去离子水反复冲洗滤饼，干燥后得到预处理氮化硼纳米片；

3）按照质量体积比为1:80g/mL，将称取的预处理氮化硼纳米片分散于质量分数为70%的乙醇溶液中，按照硅烷偶联剂KH560与乙醇溶液的体积比为1:180，加入硅烷偶联剂KH560，将混合液水浴加热至60℃并以400r/min搅拌回流8h，再按照碳化硅纳米线与预处理氮化硼纳米片的质量比为1:8，将称取碳化硅纳米线加入到上述冷却后的混合液中，继续以400r/min搅拌1h，再以200W超声分散1h，将得到的分散液倒入空心聚四氟乙烯模具中进行真空抽滤，待抽滤完成后，将滤饼防止于鼓风干燥箱中，在60℃下干燥20h，研磨后得到粒径为50μm的得到碳化硅/氮化硼复合物；

4）称取适量的Ni60镍基合金粉末，按照Ni60镍基合金粉末质量的3.5-%，将碳化硅/氮化硼复合物加入到合金粉末中，混匀后得到熔覆材料，将施肥机构件进行表面清理，将熔覆材料经100℃恒温干燥6h，调节激光熔覆工艺参数，对施肥机构件进行激光熔覆处理，形成厚度为0.5mm的涂层，最后将激光熔覆后的施肥机构件用酒精清洗后进行打磨，抛光膏进行抛光处理后即可完成处理工艺。

进一步，所述Ni60镍基合金粉末的粒度为100目，化学成分如下：C0.5%、B3.0%、Si4.5%、Cr18%、Fe15%，余量为Ni。

进一步，所述激光熔覆工艺参数如下：激光功率为1200W，光斑直径φ2mm，光斑移动速度10mm/s，搭接率28%，激光熔覆过程中采用侧吹13L/min氩气对熔覆区域进行保护。

实施例2

一种提高与腐蚀介质接触的施肥机构件防腐性能的处理工艺，具体工艺方法如下：

1）称取适量的氮化硼粉末置于坩埚中，将坩埚置于马弗炉中，在870℃下保温处理2.5h，按照氮化硼与乙醇胺-水混合液的质量体积比为1:220g/mL，将冷却至室温的氮化硼粉末分散于体积分数为75%的乙醇胺-水混合液中，在52℃下以350W超声处理4.5h，然后在3500r/min下离心处理35min，将上层清液减压过滤，得到的滤饼用无水乙醇反复洗涤，烘干后得到氮化硼纳米片；

2）按照四氯化钛与蒸馏水的体积比为2.5:120，先量取适量的四氯化钛置于容器中，在120r/min搅拌下滴加适量的蒸馏水后搅拌2.5h，使用4.2mol/L的氢氧化钠溶液调节pH至6.5，再按照氮化硼纳米片与蒸馏水的质量体积比为1:52g/mL，加入氮化硼纳米片，以130r/min继续搅拌35min后转移至水热釜中，在182℃下加热反应13h，待反应液冷却至室温后，减压过滤并用去离子水反复冲洗滤饼，干燥后得到预处理氮化硼纳米片；

3）按照质量体积比为1:90g/mL，将称取的预处理氮化硼纳米片分散于质量分数为75%的乙醇溶液中，按照硅烷偶联剂KH560与乙醇溶液的体积比为1:190，加入硅烷偶联剂KH560，将混合液水浴加热至63℃并以450r/min搅拌回流9h，再按照碳化硅纳米线与预处理氮化硼纳米片的质量比为1:8.5，将称取碳化硅纳米线加入到上述冷却后的混合液中，继续以450r/min搅拌1.5h，再以250W超声分散1.5h，将得到的分散液倒入空心聚四氟乙烯模具中进行真空抽滤，待抽滤完成后，将滤饼防止于鼓风干燥箱中，在65℃下干燥23h，研磨后得到粒径为70μm的得到碳化硅/氮化硼复合物；

4）称取适量的Ni60镍基合金粉末，按照Ni60镍基合金粉末质量的4.5%，将碳化硅/氮化硼复合物加入到合金粉末中，混匀后得到熔覆材料，将施肥机构件进行表面清理，将熔覆材料经105℃恒温干燥7h，调节激光熔覆工艺参数，对施肥机构件进行激光熔覆处理，形成厚度为0.8mm的涂层，最后将激光熔覆后的施肥机构件用酒精清洗后进行打磨，抛光膏进行抛光处理后即可完成处理工艺。

进一步，所述Ni60镍基合金粉末的粒度为150目，化学成分如下：C0.5%、B3.0%、Si4.5%、Cr18%、Fe15%，余量为Ni。

进一步，所述激光熔覆工艺参数如下：激光功率为1300W，光斑直径φ3mm，光斑移动速度12mm/s，搭接率28%，激光熔覆过程中采用侧吹15L/min氩气对熔覆区域进行保护。

实施例3

一种提高与腐蚀介质接触的施肥机构件防腐性能的处理工艺，具体工艺方法如下：

1）称取适量的氮化硼粉末置于坩埚中，将坩埚置于马弗炉中，在900℃下保温处理3h，按照氮化硼与乙醇胺-水混合液的质量体积比为1:230g/mL，将冷却至室温的氮化硼粉末分散于体积分数为80%的乙醇胺-水混合液中，在55℃下以400W超声处理5h，然后在4000r/min下离心处理40min，将上层清液减压过滤，得到的滤饼用无水乙醇反复洗涤，烘干后得到氮化硼纳米片；

2）按照四氯化钛与蒸馏水的体积比为3:120，先量取适量的四氯化钛置于容器中，在150r/min搅拌下滴加适量的蒸馏水后搅拌2h，使用4.5mol/L的氢氧化钠溶液调节pH至6.5，再按照氮化硼纳米片与蒸馏水的质量体积比为1:55g/mL，加入氮化硼纳米片，以150r/min继续搅拌40min后转移至水热釜中，在185℃下加热反应15h，待反应液冷却至室温后，减压过滤并用去离子水反复冲洗滤饼，干燥后得到预处理氮化硼纳米片；

3）按照质量体积比为1:100g/mL，将称取的预处理氮化硼纳米片分散于质量分数为80%的乙醇溶液中，按照硅烷偶联剂KH560与乙醇溶液的体积比为1:200，加入硅烷偶联剂KH560，将混合液水浴加热至65℃并以500r/min搅拌回流10h，再按照碳化硅纳米线与预处理氮化硼纳米片的质量比为1:9，将称取碳化硅纳米线加入到上述冷却后的混合液中，继续以500r/min搅拌2h，再以300W超声分散2h，将得到的分散液倒入空心聚四氟乙烯模具中进行真空抽滤，待抽滤完成后，将滤饼防止于鼓风干燥箱中，在70℃下干燥25h，研磨后得到粒径为80μm的得到碳化硅/氮化硼复合物；

4）称取适量的Ni60镍基合金粉末，按照Ni60镍基合金粉末质量的5.5%，将碳化硅/氮化硼复合物加入到合金粉末中，混匀后得到熔覆材料，将施肥机构件进行表面清理，将熔覆材料经110℃恒温干燥8h，调节激光熔覆工艺参数，对施肥机构件进行激光熔覆处理，形成厚度为1.0mm的涂层，最后将激光熔覆后的施肥机构件用酒精清洗后进行打磨，抛光膏进行抛光处理后即可完成处理工艺。

进一步，所述Ni60镍基合金粉末的粒度为100-200目，化学成分如下：C0.5%、B3.0%、Si4.5%、Cr18%、Fe15%，余量为Ni。

进一步，所述激光熔覆工艺参数如下：激光功率为1600W，光斑直径φ4mm，光斑移动速度15mm/s，搭接率30%，激光熔覆过程中采用侧吹17L/min氩气对熔覆区域进行保护。

对比例1：去除工艺步骤2）-3），其余与实施例1相同。

对比例2：去除工艺步骤3），其余与实施例1相同。

对比例3：去除工艺步骤2），其余与实施例1相同。

对比例4：去除工艺步骤1）中的高温煅烧处理，其余与实施例1相同。

对比例5：去除工艺步骤3）中的硅烷偶联剂KH560，其余与实施例1相同。

对照组：选用粒度为100目，化学成分如下：C0.5%、B3.0%、Si4.5%、Cr18%、Fe15%，余量为Ni的Ni60镍基合金粉末作为熔覆材料，将施肥机构件进行表面清理，将熔覆材料经100℃恒温干燥6h，调节激光熔覆工艺参数，对施肥机构件进行激光熔覆处理，形成厚度为0.5mm的涂层，最后将激光熔覆后的施肥机构件用酒精清洗后进行打磨，抛光膏进行抛光处理后即可完成处理工艺，其中激光熔覆工艺参数如下：激光功率为1200W，光斑直径φ2mm，光斑移动速度10mm/s，搭接率28%，激光熔覆过程中采用侧吹13L/min氩气对熔覆区域进行保护。

测试实验

选用尺寸为100mm×60mm×8mm普通碳素结构钢Q235作为试验基体，分别采用实施例1-3、对比例1-5以及对照组提供的工艺方法，在碳素钢基体上进行激光熔覆处理，然后对其耐腐蚀性作出如下实验：根据GB/T10125-1997《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》的测试方法，对各碳素钢基体试样进行测试，其中试验溶液为55g/L的氯化钠水溶液，pH=6.5-7.2，试验温度35℃，实验时间为50天，最后用无水乙醇清洗三遍试样，并吹干至恒重并称重、计算出其质量损失率W，其中W=（M1-M2）/M1×100%，其中M1初始重量，M2实验后重量，各组工艺方法提供的碳素钢基体试样为50件，计算取均值则为该组试样的质量损失率，将实施例1-3以及对比例1-5得出的质量损失率与对照组试样的质量损失率组对比，结果如下：实施例1相比较对照组，质量损失率降低了58.3%；实施例2相比较对照组，质量损失率降低了59.7%；实施例3相比较对照组，质量损失率降低了58.8%；对比例1相比较对照组，质量损失率降低了26.7%；对比例2相比较对照组，质量损失率降低了36.2%；对比例3相比较对照组，质量损失率降低了34.6%；对比例4相比较对照组，质量损失率降低了42.7%；对比例5相比较对照组，质量损失率降低了45.3%。

通过上述试验结果可知，本发明提供的工艺方法，可以使熔覆层具有很好的防腐效果，有助于使施肥机构件实现高效的防腐性能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。