化学氧化处理对不锈钢表面性质的影响11.doc

化学氧化处理对不锈钢表面性质的影响选题意义 不锈钢作为现代工业中一种重要的材料，已有一百多年的历史。因不锈钢具有高强度、可焊接性、抗腐蚀性、易加工性和表面具有光泽性等许多优异的特性，在宇航、化工、汽车、食品机械、医药、仪器仪表、能源等工业及建筑装饰方面得到广泛而重要的应用。但随着石油化工工业、军事工业及海洋开发的迅速发展，对不锈钢提出了更高的要求，传统的不锈钢已经适应不了特殊行业和特殊功能领域的使用要求，因此，不锈钢材料也向功能性和特殊性方向发展，出现了超级不锈钢和满足各种特殊功能要求的功能性不锈钢。不锈钢表面在使用环境下亦具有金属光泽,故在要求清洁感的厨房用具和要求美观性的建筑方面大都经各种表面加工改质后使用。(1)不锈钢的表面钢铁具有优良的强度、韧性和加工性。但它的缺点是在空气中易生锈,从古代人们即在追求像黄金般不生锈的钢铁,后人们通过精心研究,终于开发成功不锈钢这一现代产品。不锈钢表面由于形成称之为非动态皮膜的致密的保护性皮膜而提高了耐蚀性。非动态皮膜为在Cr元素处形成的氧、氢氧基和水结合成的化合物,当受伤致该膜掉落时,由于周围的水和氧可使膜再生而维持了耐蚀性,由此使不锈钢的表面具有自我修复能力。不锈钢的表面呈稳定的金属光泽,加上自我修复能力,从而作为表面不加工的钢材长期得到应用。不锈钢有时亦表现为“白色钢”,主要为化工设备用的热轧钢材(表1中的NO.1)。当不锈钢薄板改为连轧法生产板卷时始变为“光亮不锈钢”。冷轧不锈板(表1中的NO.2B)亦由工作辊的小径化得以及时更换使钢板表面较为平滑,同时退火、酸洗时间缩短后抑制了对晶界的侵蚀亦有利钢板的表面平滑,从而形成有光泽的表面。对要求光泽更好的用途,则采取了在N2、H2保护气氛下退火的工艺从而防止了表面氧化和酸洗对晶界的侵蚀。总之,由于不锈钢的表面不平滑程度对光泽有较大影响,故开发出各种通过控制表面平滑度以具有美观性的表面成品加工方法可参照表1。(2)研磨加工研磨是控制表面平滑度最有效的手段,不锈钢从开发初期即研磨后做刀、叉使用,由于它们需要较好的光泽,在加工成形后研磨时费工很多,待供应平滑的冷轧宽带卷后,便采用了宽幅无接头带磨机,使廉价的研磨板卷大量供应,并使大面积具有均匀光泽的研磨产品广泛用于建筑的内外装饰品。不仅研磨品的美观性好,且由于成板卷状致适宜成形加工,从而成为扩大用途的重要因素。经退火、酸洗后的不锈钢的表面,由于晶界被侵蚀成为异物易附着致发锈的原因,经研磨后表面变平滑,除易洗净外且对残留污物亦易识别,从而为要求清洁的厨具广泛应用;还有除清洁感外对肌肉接触感亦好,故亦用于澡盆。由表1可知,用不同粒度的研磨粉加上细纹加工法共有9种加工产品已标准化。此外,还有制造不规则研磨纹的振动加工、着色和与压花合并进行等加工方法正在不断开发中,并被建材、家电为首的多种用途作为美观、功能兼备的材料广泛应用。还有,对表面凹凸处杂菌繁殖嫌弃的卫生等用品则采用了电解研磨法。(3)涂装加工对经长期使用后的建筑物用不锈钢观察时,发现雨水流过处无锈,而屋顶等雨水停留过的部分则生锈。经试验在不锈钢上粘附杂质原样放置后,与附着物接触处表面的非动态皮膜被破坏、不能修复,导致形成腐蚀。为此从建筑物的维护管理出发曾建议经常用水洗和每年用洗涤剂清扫一次,但实际上对大楼等的清扫耗费甚多,为了对建筑物的维护,反不如采用涂装不锈钢合适。涂膜可使水和氧通过,如长期使用彩色板亦将被腐蚀,但对不锈钢维持非动态皮膜则有利,另涂膜还可以防止杂质和不锈钢表面直接接触致不会破坏非动态皮膜,有望达到半永久性寿命。对不锈钢表面涂装时,原特有的光泽、色调丧失,外观亦和一般彩涂板相同,故开发成功可看见不锈钢表面特色的透明涂装法。但在建筑领域对美观性十分重视,故各种色彩的涂装法亦在开发中。同时,除美观性外,对兼具耐热性、拨水性、抗菌性和润滑性等功能的产品亦在开发,其用途亦将随之扩大。(4)其它加工方法利用SUS301等准稳定性奥氏体系不锈钢加工硬化性大的特点,在轧制状态下用于各种弹簧材料的亦很多。在研磨品之外,在控制表面凹凸方面还开发成功将辊上的花样压在钢板上压花加工和利用喷丸除锈加工等各种美观性强的产品。在涂装之外对不锈钢的着色方法,还有化学发色法、离子电镀法、镀层法和金属包层等利用于高级建材等处。对于棒线材则通过研削和拉拔以实施平滑化和光泽变化的多种加工法。实验目的不锈钢为什么也生锈?当不锈钢管表面出现褐色锈斑(点)的时候，人们大感惊奇:认为“不锈钢是不生锈的，生锈就不是不锈钢了，可能是钢质出现了问题”。其实，这是对不锈钢缺乏了解的一种片面的错误看法。不锈钢在一定的条件下也会生锈的。 不锈钢具有抵抗大气氧化的能力一一即不锈性，同时也具有在含酸、碱、盐的介质中耐腐蚀的能力一一即耐蚀性。但其抗腐蚀能力的大小是随其钢质本身化学组成、加互状态、使用条件及环境介质类型而改变的。如304钢管，在干燥清洁的大气中，有绝对优良的抗锈蚀能力，但将它移到海滨地区，在含有大量盐份的海雾中，很快就会生锈了;而316钢管则表现良好。因此，不是任何一种不锈钢，在任何环境下都能耐腐蚀、不生锈的。不锈钢是靠其表面形成的一层极薄而坚固细密的稳定的富铬氧化膜(防护膜)，防止氧原子的继续渗入、继续氧化，而获得抗锈蚀的能力。一旦有某种原因，这种薄膜遭到了不断地破坏，空气或液体中氧原子就会不断渗入或金属中铁原子不断地析离出来，形成疏松的氧化铁，金属表面也就受到不断地锈蚀。这种表面膜受到破坏的形式很多，日常生活中多见的有如下几种:1.不锈钢表面存积着含有其他金属元素的粉尘或异类金属颗粒的附着物，在潮湿的空气中，附着物与不锈钢间的冷凝水，将二者连成一个微电池，引发了电化学反应，保护膜受到破坏，称之为电化学腐蚀。2.不锈钢表面粘附有机物汁液(如瓜菜、面汤、痰等)，在有水氧情况下，构成有机酸，长时间则有机酸对金属表面产生腐蚀。 3.不锈钢表面粘附含有酸、碱、盐类物质(如装修墙壁的碱水、石灰水喷溅)，引起局部腐蚀。 4.在有污染的空气中(如含有大量硫化物、氧化碳、氧化氮的大气)，遇冷凝水，形成硫酸、硝酸、醋酸液点，引起化学腐蚀。 以上情况均可造成不锈钢表面防护膜的破坏引发锈蚀。所以，为确保金属表面永久光亮，不被锈蚀，我们建议: 1.必须经常对装饰不锈钢表面进行清洁擦洗，去除附着物，消除引发腐蚀的外界因素。 2.海滨地区要使用316材质不锈钢，316材质能抵抗海水腐蚀。 3.不锈钢不同材质用于不同地方区域，一般装饰都以304为标准，但用于海边就不行，因为它不具有抗腐蚀性能，正所谓对症下药，不锈钢也是一样的。研究了化学氧化处理对不锈钢(1Cr18Ni9Ti)表面亲水性、表面自由能及表面化学结构的影响,并提出了此三者之间的关系。研究结果表明:化学氧化处理可以有效改善不锈钢的表面亲水性,且亲水性随处理时间的延长和处理温度的升高而升高,最佳工艺条件是处理温度为75,处理时间为8min;经化学氧化处理后,不锈钢的表面自由能gs及其极性分量gsp显著增大,使不锈钢表面呈现出极强的亲水性;多功能电子能谱分析表明,表面自由能gs及其极性分量gsp的增加与表面及一定厚度范围内含氧极性基团的增加有关不锈钢具有优良的抗腐蚀性、耐磨性和易加工性,广泛用于环境恶劣的石油化工行业。不锈钢表面润湿性能是影响在其表面传质及分离过程的重要因素,因此研究如何改善不锈钢表面润湿性能具有十分重要的现实意义。近年来,有关此方面的研究得到了广泛的关注1-2,但所提出的不锈钢表面处理方法较为复杂,工业化难度相对较大。研究表明化学氧化法可以有效提高不锈钢的耐蚀性能,但目前国内未见有关化学氧化法对不锈钢表面亲水性影响的公开报道。本文采用接触角分析仪、多功能电子能谱仪等测试手段究了化学氧化处理对不锈钢表面亲水性、表面自由能及表面化学结构的影响,并提出了三者之间的关系。实验设计1.实验试剂强氧化剂、丙酮、无水乙醇、二碘甲、蒸馏水等,所有试剂均为分析纯。2.实验步骤将板厚为2. 0mm的1Cr18Ni9Ti供货态板材剪切成25mm50mm大小,打磨边角成圆角;然后用丙酮、无水乙醇擦洗,最后用蒸馏水冲洗干净,备用。将上述试样放入不锈钢化学氧化液中,并使之恒温在设定温度,记录时间,反应结束后取出试样,冲洗干净、干燥。3.分析方法采用上海梭伦SL200B接触角分析仪,分别测定蒸馏水、二碘甲烷在试片表面的接触角(取5次测量的平均值)。膜层结构分析采用PHI5702多功能电子能谱仪,分析条件为:Al k激发源,功率250W,电压14kV,通能29. 35eV;Ar+溅射,溅射面积1mm1mm,溅射速度15nm /min。预计可能获得的结果结果及讨论1.化学氧化处理对不锈钢表面亲水性的影响这是我们参考网上一篇化学氧化处理对不锈钢表面性质的影响的文章，跟我们这实验有点类似，其中采用蒸馏水在不锈钢表面的接触角来表征其亲水性,得到图1、图2，分别为氧化时间和氧化温度对接触角的影响。从图1可以看出,在氧化温度不变的条件下,接触角随着氧化时间的延长而减小,当氧化时间超过8min后,这种减小趋势明显缓和。这可能是因为随着氧化时间的延长,表面反应程度逐渐加大,使得表面引进了更多含氧极性基团,如COOH、OH等,从而使不锈钢的表面亲水性随之增强5-6,因此接触角随氧化时间的延长而减小。但当反应时间超过8min以后,一方面由于表面待氧化组分含量减少,反应速率下降;另一方面随接触角的减小,接触角测量的相对误差增大,这两方面的原因使得此时接触角减小的趋势下降。因此选择8min为适宜的氧化时间。从图2可以看出,在氧化时间不变的条件下,接触角随着氧化温度的升高而减小。这是因为氧化温度越高,反应速率越快,从而使得相同时间内在不锈钢表面上生成的含氧极性基团越多,因此其表面亲水性越好5-6,接触角越小。由于升高温度会加速氧化液的挥发,对环境及人体造成一定程度的伤害,所以在实际处理不锈钢时,宜采用较低温度75为佳。上述实验结果表明,化学氧化处理可以有效改善不锈钢的表面亲水性,且其表面亲水性随氧化温度的升高和氧化时间的延长而升高。综合考虑各方面的影响,得到其最佳工艺条件为氧化温度75,氧化时间8min。2.化学氧化处理对不锈钢表面自由能的影响由液-固界面理论可知,将少量液体滴加于固体表面上,固体表面自由能gs、液-固界面自由能ls以及液体表面自由能gl处于平衡状态时,存在以下关系(杨氏方程)7:gs=ls+glcos(1)式(1)中,为液体在固体表面上的接触角。通过测定液体在固体表面形成的液滴的接触角可估算出固体的表面自由能 固体的表面自由能可以分为色散力分量和极性力分量两部分。根据Owens andW ends法，采用两种液体在固体表面的接触角数据，就可以算出该固体表面自由能的色散力部分和极性力部分，二者的和即近似等于该固体的表面自由能。假议固体与液体之间同时存在色散力和极性力的相互作用，则液固界面自由能应为: ls=gl+gs-2(gsdgld)1/2-2(gspglp)1/2 (2 式(2) 分别为固体表面自由能的色散力部分和极性力部分; 分别为液体表面自由能色散力部分和极性力部分。 将式(l)与式(2)联立可得: 选择极性液体蒸馏水和非极性液体一碘甲烷作为测试液，此二者的表面自由能数据见表1，测试液在不同表面状态表面上的接触角及相应的表面自由能见表2所示： 从表2可以看出，不锈钢经过化学氧化处理后，其表面自由能显著升高，其增加部分由极性力分量的增加所贡献;与供货态相比，处理后不锈钢表面自由能的非极性分量有明显的下降。这可能是因为不锈钢经过化学氧化处理后，表面极性分子含量大大增加，因此其表面自由能及其极性分量明显增人，从而使之表现出极强的亲水性。不锈钢表面自由能的非极性分量的减少可能与处理后表而有机污染物的去除有关。而Ni均以单质的形态存在。另外，分析结果表明处理前后表而Ti含量儿乎为零，这可能是由于材料本身Ti的含量较低和分析误差所致。 化学氧化处理前后试片的溅射分析结果如图4所不。由图4可以看出，处理前后不锈钢表面的卞要成分均为0, Cr Fe,但与未处理表面相比，化学氧化处理后表而及一定厚度范围内0含量明显升高，这表明处理后表而及一定厚度范围内含氧极性基团的