CN109898077A - 一种煤矿机械用低合金结构钢的表面处理工艺 - Google Patents

一种煤矿机械用低合金结构钢的表面处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种煤矿机械用低合金结构钢的表面处理工艺，包括以下步骤：S1：预处理：将低合金结构钢浸入除锈防护液，双频超声处理10‑15min，去除表面油脂和锈斑，并生成磷化膜；所述除锈防护液包括以下质量比组分：磷酸4‑8％、柠檬酸2‑3％、钼酸钾1‑2％、硫脲1‑1.5％、氨基酸表面活性剂3‑5％、十二烷基硫酸钠0.5‑1％、水补足余量；S2：静电喷涂；S3：射频磁控溅射镀PTFE薄膜；S4：等离子体处理：在150‑200℃、600Pa的环境中，以NH3、CH4、SiH4为反应气体进行等离子体气相沉积。本发明处理工艺有效提高其钢材工件表面硬度、耐磨性、自润滑性、耐腐蚀性，在较大应力条件下能有效抑制工件的应力腐蚀，进而提高煤矿机械设备耐疲劳强度。

Description

一种煤矿机械用低合金结构钢的表面处理工艺
技术领域
本发明属于煤矿机械技术领域，还涉及结构钢表面处理技术领域，具体涉及一种煤矿机械用低合金结构钢的表面处理工艺。
背景技术
煤矿机械是专门用于煤矿开采的机械，主要用于煤矿的采掘、支护、运输、洗选等生产过程，我国作为煤炭第一生产大国，煤矿机械的应用在我国煤炭化工的发展历史中具有里程碑式的重要意义，提高了煤炭的生产效率和品质。
低合金结构钢是指合金成分总量在5％以下的合金结构钢，由于自身具有高屈服极限、较高的承载能力、优良的低温冲击韧性等性能特征，成为煤矿机械设备制造所需的关键材料。由于低合金结构钢主体为铁素体组织，韧性较好，但是硬度和表面耐磨强度偏低，耐腐蚀性差，必须通过特殊的表面处理方法提高其耐磨性和抗腐蚀性，降低煤矿机械设备运作时造成机械磨损程度，进而延长煤矿机械设备的使用年限。近几年，关于钢材表面处理方面的研究和报道层出不穷，如申请号为CN200810035058.4的专利，公开表面处理液、表面处理方法及经表面处理的镀锡钢板；如申请号为CN201480065135.4的专利，公开锌-铝-镁合金镀覆钢板的表面处理方法；如申请号为CN201811-324642.1的专利，公开一种镀层色泽均匀的不锈钢连续电镀工艺，但目前，尚未有专门针对应用于煤矿机械的低合金结构钢的表面处理方法。
鉴于以上所述，本发明结合磷化处理、静电喷涂技术、射频磁控溅射技术、等离子体表面渗N、C、Si技术对煤矿机械用低合金结构钢进行表面处理，提高其钢材工件表面耐磨性、自润滑性、耐腐蚀性，进而延长煤矿机械设备的使用寿命。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种煤矿机械用低合金结构钢的表面处理工艺。
本发明的技术方案概述如下：
一种煤矿机械用低合金结构钢的表面处理工艺，包括以下步骤：
S1：预处理：将低合金结构钢浸入除锈防护液，双频超声处理10-15min，去除表面油脂和锈斑，并经化学反应在钢表面原位生成一层磷化膜，用蒸馏水冲洗3次后，120-130℃快速烘干；
所述除锈防护液包括以下质量比组分：磷酸4-8％、柠檬酸2-3％、钼酸钾1-2％、硫脲1-1.5％、氨基酸表面活性剂3-5％、十二烷基硫酸钠0.5-1％、水补足余量；
S2：静电喷涂：采用静电喷涂技术将改性氟碳涂料均匀喷镀在低合金结构钢表面，控制喷涂电压为40-55KV，静电电流为10-12μA，流速压力为0.4-0.5MPa，涂层厚度为0.2-0.3mm，并于120-160℃，保温固化15min；
S3：射频磁控溅射镀膜：将真空室抽真空至1×10-4-5×10-4Pa,再通入氩气，以聚四氟乙烯作为靶材，预溅射3min后，以低合金结构钢为衬底，控制PTFE薄膜的沉积速率为10μm/min，溅射10-15min；
S4：等离子体处理：在150-200℃、600Pa的环境中，以NH3、CH4、SiH4为反应气体，对镀膜后低合金结构钢表面进行等离子体处理，气相沉积氮、硅、碳元素，处理电压为500-600V。
优选的是，所述双频超声处理的频率分别为20-25KHz、60-70KHz。
优选的是，所述改性氟碳涂料包括以下质量比组分：纳米氧化硅5-10％、纳米碳化硼3-5％、纳米氧化锆0.5-2％、钛酯酸偶联剂0.1-0.5％、余量为氟碳树脂。
优选的是，所述NH3、CH4、SiH4的体积比为4:2:3。
本发明的有益效果：
(1)本发明结合磷化处理、静电喷涂技术、射频磁控溅射技术、等离子体表面渗N、C、Si技术对低合金结构钢进行表面处理，提高其钢材工件表面硬度、耐磨性、自润滑性、耐腐蚀性，在较大应力条件下能有效抑制工件的应力腐蚀，进而提高煤矿机械设备耐疲劳强度，延长使用寿命。
(2)本发明利用除锈防护液和双频超声处理技术完成低合金结构钢表面清洁和磷化处理，磷酸和柠檬酸制造酸性溶液环境，溶解表面锈斑，并与钼酸钾协同，与Fe2+、Fe3+螯合成难溶性铁盐，附着在钢材表面，氨基酸表面活性剂用于乳化、清除钢表面油污，硫脲作为有机缓释剂，减缓Fe2+、Fe3+的溶出速率，抑制酸介质向钢件内部腐蚀。
(3)本发明利用静电喷涂技术将改性氟碳涂料喷镀在钢件表面，并利用磁控溅射技术在钢件表面进一步溅射PTFE薄膜(聚四氟乙烯),提高低合金结构钢表面的硬度、耐磨性、自润滑性、耐腐蚀性、耐冲击性、抗屈曲性和防污性等，氟碳树脂和聚四氟乙烯的低表面能特性赋予钢件不粘性、防污自清洁性、自润滑性，形成超疏水表面，并提高钢件的抗腐蚀性，进而提高煤矿机械的耐疲劳性和工作效率，纳米氧化硅、纳米碳化硼、纳米氧化锆用以提高钢件表面硬度和耐冲击强度。
(4)本发明以NH3、CH4、SiH4为反应气体，对磁控溅射后钢件进行等离子体处理，气相沉积氮、硅、碳元素，进一步降低钢件表面能，进而提高自润滑性，降低煤矿机械设备运作时造成机械磨损程度，并提高钢件耐污性和耐腐蚀性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
实施例1
一种煤矿机械用低合金结构钢的表面处理工艺，包括以下步骤：
S1：预处理：将18Nb号低合金结构钢浸入除锈防护液，双频超声处理10min，双频超声处理的频率分别为20KHz、60KHz，去除表面油脂和锈斑，并经化学反应在钢表面原位生成一层磷化膜，用蒸馏水冲洗3次后，120℃快速烘干；
所述除锈防护液包括以下质量比组分：磷酸4％、柠檬酸2％、钼酸钾1％、硫脲1％、氨基酸表面活性剂3％、十二烷基硫酸钠0.5％、水88.5％；
S2：静电喷涂：采用静电喷涂技术将改性氟碳涂料均匀喷镀在低合金结构钢表面，控制喷涂电压为40KV，静电电流为10μA，流速压力为0.4MPa，涂层厚度为0.2mm，并于120℃，保温固化15min；
所述改性氟碳涂料包括以下质量比组分：纳米氧化硅5％、纳米碳化硼3％、纳米氧化锆0.5％、钛酯酸偶联剂0.1％、余量为氟碳树脂；
S3：射频磁控溅射镀膜：将真空室抽真空至1×10-4Pa,再通入氩气，以聚四氟乙烯作为靶材，预溅射3min后，以低合金结构钢为衬底，控制PTFE薄膜的沉积速率为10μm/min，溅射10min；
S4：等离子体处理：在150℃、600Pa的环境中，以体积比为4:2:3的NH3、CH4、SiH4为反应气体，对镀膜后低合金结构钢表面进行等离子体处理，气相沉积氮、硅、碳元素，处理电压为500V。
相比于未经表面处理的18Nb号低合金结构钢，表面硬度提高17.6％，表面粗糙度降低53.4％，使用寿命延长84d,表面摩擦系数为0.13。
实施例2
一种煤矿机械用低合金结构钢的表面处理工艺，包括以下步骤：
S1：预处理：将10MnPNbRE号低合金结构钢浸入除锈防护液，双频超声处理12min，双频超声处理的频率分别为23KHz、65KHz，去除表面油脂和锈斑，并经化学反应在钢表面原位生成一层磷化膜，用蒸馏水冲洗3次后，125℃快速烘干；
所述除锈防护液包括以下质量比组分：磷酸6％、柠檬酸2.5％、钼酸钾1.5％、硫脲1.25％、氨基酸表面活性剂4％、十二烷基硫酸钠0.75％、水84％；
S2：静电喷涂：采用静电喷涂技术将改性氟碳涂料均匀喷镀在低合金结构钢表面，控制喷涂电压为48KV，静电电流为11μA，流速压力为0.45MPa，涂层厚度为0.25mm，并于140℃，保温固化15min；
所述改性氟碳涂料包括以下质量比组分：纳米氧化硅7.5％、纳米碳化硼4％、纳米氧化锆1.2％、钛酯酸偶联剂0.3％、氟碳树脂87％；
S3：射频磁控溅射镀膜：将真空室抽真空至3×10-4Pa,再通入氩气，以聚四氟乙烯作为靶材，预溅射3min后，以低合金结构钢为衬底，控制PTFE薄膜的沉积速率为10μm/min，溅射13min；
S4：等离子体处理：在180℃、600Pa的环境中，以体积比为4:2:3的NH3、CH4、SiH4为反应气体，对镀膜后低合金结构钢表面进行等离子体处理，气相沉积氮、硅、碳元素，处理电压为550V。
相比于未经表面处理的10MnPNbRE号低合金结构钢，表面硬度提高22.8％，表面粗糙度降低51.6％，使用寿命延长95d,表面摩擦系数为0.14。
实施例3
一种煤矿机械用低合金结构钢的表面处理工艺，包括以下步骤：
S1：预处理：将14MnViRE号低合金结构钢浸入除锈防护液，双频超声处理15min，双频超声处理的频率分别为25KHz、70KHz，去除表面油脂和锈斑，并经化学反应在钢表面原位生成一层磷化膜，用蒸馏水冲洗3次后，130℃快速烘干；
所述除锈防护液包括以下质量比组分：磷酸8％、柠檬酸3％、钼酸钾2％、硫脲1.5％、氨基酸表面活性剂5％、十二烷基硫酸钠1％、水；
S2：静电喷涂：采用静电喷涂技术将改性氟碳涂料均匀喷镀在低合金结构钢表面，控制喷涂电压为55KV，静电电流为12μA，流速压力为0.5MPa，涂层厚度为0.3mm，并于160℃，保温固化15min；
所述改性氟碳涂料包括以下质量比组分：纳米氧化硅10％、纳米碳化硼5％、纳米氧化锆2％、钛酯酸偶联剂0.5％、氟碳树脂82.5％；
S3：射频磁控溅射镀膜：将真空室抽真空至5×10-4Pa,再通入氩气，以聚四氟乙烯作为靶材，预溅射3min后，以低合金结构钢为衬底，控制PTFE薄膜的沉积速率为10μm/min，溅射15min；
S4：等离子体处理：在200℃、600Pa的环境中，以体积比为4:2:3的NH3、CH4、SiH4为反应气体，对镀膜后低合金结构钢表面进行等离子体处理，气相沉积氮、硅、碳元素，处理电压为600V。
相比于未经表面处理的14MnViRE号低合金结构钢，表面硬度提高25.1％，表面粗糙度降低52.2％，使用寿命延长120d,表面摩擦系数为0.13。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (4)

1.一种煤矿机械用低合金结构钢的表面处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：预处理：将低合金结构钢浸入除锈防护液，双频超声处理10-15min，去除表面油脂和锈斑，并经化学反应在钢表面原位生成一层磷化膜，用蒸馏水冲洗3次后，120-130℃快速烘干；
所述除锈防护液包括以下质量比组分：磷酸4-8％、柠檬酸2-3％、钼酸钾1-2％、硫脲1-1.5％、氨基酸表面活性剂3-5％、十二烷基硫酸钠0.5-1％、水补足余量；
S2：静电喷涂：采用静电喷涂技术将改性氟碳涂料均匀喷镀在低合金结构钢表面，控制喷涂电压为40-55KV，静电电流为10-12μA，流速压力为0.4-0.5MPa，涂层厚度为0.2-0.3mm，并于120-160℃，保温固化15min；
S3：射频磁控溅射镀膜：将真空室抽真空至1×10-4-5×10-4Pa,再通入氩气，以聚四氟乙烯作为靶材，预溅射3min后，以低合金结构钢为衬底，控制PTFE薄膜的沉积速率为10μm/min，溅射10-15min；
S4：等离子体处理：在150-200℃、600Pa的环境中，以NH3、CH4、SiH4为反应气体，对镀膜后低合金结构钢表面进行等离子体处理，气相沉积氮、硅、碳元素，处理电压为500-600V。
2.根据权利要求1所述一种煤矿机械用低合金结构钢的表面处理工艺，其特征在于，所述双频超声处理的频率分别为20-25KHz、60-70KHz。
3.根据权利要求1所述一种煤矿机械用低合金结构钢的表面处理工艺，其特征在于，所述改性氟碳涂料包括以下质量比组分：纳米氧化硅5-10％、纳米碳化硼3-5％、纳米氧化锆0.5-2％、钛酯酸偶联剂0.1-0.5％、余量为氟碳树脂。
4.根据权利要求1所述一种煤矿机械用低合金结构钢的表面处理工艺，其特征在于，所述NH3、CH4、SiH4的体积比为4:2:3。
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