电化学加工法在矿用硬质合金表面制备超疏水抗腐蚀镀层

文献发布时间：2024-04-18 20:01:23

技术领域

本发明涉及一种电化学加工技术，尤其是涉及喷射电沉积与射流电解加工相结合制备超疏水抗腐蚀镀层的方法。

背景技术

煤矿机械(如掘进机、刮板机、采煤机、提升机、液压支架和减速器等)长期处于重载、高速、高温和高压复杂环境中，表面不可避免出现塑性形变与开裂；煤矿开采中充斥着大量粉尘颗粒与有害气体，加剧了矿山机械零部件表面摩擦磨损和腐蚀，缩短了零件的服役寿命。随着煤矿开采高产、高效以及安全性要求的不断提升，对煤矿机械工况适应性、运行效率、可靠性、摩擦磨损以及抗腐蚀性等提出了更高要求。

电化学加工不受材料韧性与硬度的限制，可以显著提高机械零件表面的防护性能，常用的电化学加工包括电镀、电解加工、电解冶炼、电刻蚀、电磨削及电化学抛光等。喷射电沉积技术起始于电刷镀，具有温度可控、高效率、低成本和高度选择性等优点，尤其适用于机械零件的表面强化及批量化再制造，研究者们也尝试将喷射电沉积技术应用到矿山机械、汽车工业、航空航天、农业机械等各个领域。射流电解加工作为一项零件表面改性技术，在电解反应作用下使工件阳极产生溶解，形成具有一定形状的孔、平面或曲面。并且，喷射电沉积与射流电解加工技术均可以提高机械零件表面的减摩抗磨与抗腐蚀性能。

超疏水材料的发展，带来了新的材料应用的革新，如在自清洁、油水分离、响应开关、流体减阻与定向运输、血液相容等方面有着广泛应用价值。超疏水涂层在抗菌、抗结冰、减摩抗磨、抗腐蚀等方面呈现出优异性能，在医学、国防、工业、农业、矿山等多领域中有着巨大需求。目前，研究者们发现利用电化学加工法制备超疏水表面呈现显著优势。例如，(专利号：201810748655.5中国)通过电沉积与电化学溶解结合制备出超疏水Ni-P-Al

因此，本发明中将喷射电沉积技术与射流电解加工技术复合应用，通过简单调控射流电解加工参数，在矿用硬质合金表面制备出超疏水纳米复合镀层，进一步探究超疏水纳米复合镀层的抗腐蚀性能，为减少矿用设备零部件表面的腐蚀磨损奠定基础。

发明内容

本发明是将喷射电沉积技术与射流电解加工技术相结合，通过调控射流电解加工参数，在65锰钢表面制备超疏水抗腐蚀镀层。本发明制备超疏水镀层的电化学加工方法，是先采用喷射电沉积技术在65锰钢基体表面制备Ni–Co–P–BN(h)纳米复合镀层，再利用射流电解加工技术使Ni–Co–P–BN(h)纳米复合镀层表面发生阳极溶解，修整的Ni–Co–P–BN(h)纳米复合镀层经低表面能处理后获得超疏水抗腐蚀性能。

本发明采用的技术方案是：电化学加工法在矿用硬质合金表面制备超疏水抗腐蚀镀层。

其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)65锰钢预处理：65锰钢经“打磨抛光→电净除油→强活化→弱活化”后，分别用无水乙醇和去离子水超声清洗表面，烘干待用。

(2)配置复合镀液：先在容器中添加少量去离子水，再将与欲制备镀层材料的主盐、导电盐、络合剂、稳定剂、缓冲剂、表面活性剂和静置的纳米颗粒分别放置于容器中，加入去离子水定容，磁力搅拌器充分搅拌震荡均匀，作为电镀液。

(3)喷射电沉积制备镀层：将步骤(1)预处理的65锰钢作为阴极，阳极为镍板；步骤(2)配置的电镀液经阳极喷嘴后，高速喷射于65锰钢基底表面；在电场力作用下，电镀液中阳离子被还原，在基底表面形成Ni–Co–P–BN(h)纳米复合镀层。

(4)镀层表面射流电解加工：用去离子水清洗镀层表面并更换镀槽和电解液；将步骤(3)制备的Ni–Co–P–BN(h)纳米复合镀层作为阳极，阴极为316不锈钢；控制射流电解加工阴极扫描速度和电流密度，使Ni–Co–P–BN(h)纳米复合镀层表面发生阳极溶解；用去离子水超声清洗溶解后的镀层表面并烘干。

(5)溶解后镀层低表面能处理：将步骤(4)阳极溶解后的镀层浸入氟化溶液中，进行低表面能处理，使阳极溶解后的镀层表面涂敷一层低表面能薄膜，进而获得具有超疏水抗腐蚀的Ni–Co–P–BN(h)纳米复合镀层。

在本发明一个较佳实施案例中，所述步骤(1)中的65锰钢尺寸为30mm×30mm×2mm，65锰钢基底经金相试样抛磨机打磨抛光，电净除油，强活化与弱活化后，表面粗糙度应达到Ry 50～90μm。

在本发明一个较佳实施案例中，所述步骤(2)中主盐是六水合硫酸镍(NiSO

在本发明一个较佳实施案例中，所述步骤(3)中采用喷射电沉积技术制备Ni–Co–P–BN(h)纳米复合镀层，设置喷射电压为8～18V，电镀液温度为50～70℃，电镀液喷射速度为1.0～2.5m/s，喷射距离为1.0～3.0mm，相对运动速度为135～200mm/s。

在本发明一个较佳实施案例中，所述步骤(4)中采用射流电解加工技术使镀层表面溶解，电解液为0.1～0.2mol/L的NaCl溶液，控制射流电解加工阴极扫描速度5～15mm/s，电流密度为5～10A/dm

在本发明一个较佳实施案例中，所述步骤(5)中镀层低表面能处理，在配置氟化溶液时，先在烧杯中加入99％的酒精，再用滴管滴入1％的氟硅烷；磁力搅拌器均匀24h后，将步骤(4)阳极溶解后的镀层浸入氟化溶液中，氟化处理时间为120min。

与现有技术相比，本发明主要的技术优势为：

(a)本发明使用喷射电沉积技术制备Ni–Co–P–BN(h)纳米复合镀层，制备方法电流密度大，操作方便，简单高效，镀层晶粒尺寸小，生产成本低。

(b)本发明使用射流电解加工技术处理Ni–Co–P–BN(h)纳米复合镀层后，增大了镀层表面粗糙度，本发明射流电解加工技术理论上可以改变任何纳米复合镀层表面粗糙度。

(c)本发明将喷射电沉积技术与射流电解加工技术相结合，通过控制射流电解加工参数，在65锰钢表面制备Ni–Co–P–BN(h)纳米复合镀层不仅具有超疏水性，同时可提升65锰钢基底表面的抗腐蚀性、抗粘性、防疏冰、自清洁等性能。

附图说明

图1为实施例1所制得的纳米复合镀层表面与水的接触角照片及数值。

图2为实施例2所制得的纳米复合镀层表面与水的接触角照片及数值。

图3为实施例3所制得的纳米复合镀层表面与水的接触角照片及数值。

图4为实施例4所制得的纳米复合镀层表面与水的接触角照片及数值。

图5为实施例5所制得的纳米复合镀层表面与水的接触角照片及数值。

图6为实施例2所制得的纳米复合镀层表面与水的抗粘性图。

图7为实施例1所制得的纳米复合镀层的扫描电镜图。

图8为实施例2所制得的纳米复合镀层的扫描电镜图。

图9为实施例3所制得的纳米复合镀层的扫描电镜图。

图10为实施例1、实施例2和实施例3所制得的纳米复合镀层的动电位极化曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

电化学加工法在矿用硬质合金表面制备超疏水抗腐蚀镀层，步骤如下：

(1)预处理：使用金相试样抛磨机与耐水碳化钨砂纸打磨65锰钢表面，用去离子水超声清洗表面并烘干；接着65锰钢经“电净除油→强活化→弱活化”后，分别用无水乙醇和去离子水超声清洗表面，烘干待用。