基于蒸汽作用的金屬材料表面改性方法及設備技術

本發明專利技術涉及基于蒸汽作用的金屬材料表面改性方法及設備。本發明專利技術的表面改性方法利用金屬材料如鋁、鎂、鈦等與H2O反應的化學特性，以飽和蒸汽或過熱蒸汽為作用介質，在基體表面原位合成功能薄膜。本發明專利技術技術的顯著特點是節水、減排、環保和高效，尤其是能以水作為主要的甚至唯一的工藝原料，具有污染物“零涉及”、“零排放”的優點。本發明專利技術設備由蒸汽發生器、蒸汽分配器、反應艙、集液罐、載件臺及驅動電機等組成，具有安全可靠、結構簡潔、使用方便等優點。利用本發明專利技術技術和設備對金屬材料進行表面改性處理，可在獲得高質量處理效果的同時，徹底消除現有技術對生態環境和人類健康的潛在危害，實現真正意義上的清潔生產。?

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于材料加工工程
，尤其涉及一種基于蒸汽作用的金屬材料表面改性方法及設備。
技術介紹
表面改性是材料重要的應用技術之一，在節約材料制造成本、提升材料使役性能、拓展材料應用領域等方面發揮著巨大作用。以金屬材料為例，從傳統的碳素鋼到現代的以鎂、鋁、鈦等為代表的新材料，其應用無不與表面改性技術的發展密切相關。然而，現有的金屬材料表面改性技術，尤其是基于材料/電解液間化學、電化學反應的表面改性技術，卻存在兩大缺憾:其一，以傳統“浸入”模式為主，即工件待處理表面需完全浸沒于溶液中才能完成反應過程；其二，過度依賴各種化學品的使用。傳統“浸入”模式的最大缺陷是資源尤其是水資源的大量消耗及后續污水處理/排放量的劇增。隨著單工件體積或表面積的增加，尤其是對于大體積大面積工件而言，上述缺陷更為突出。此外，由于受溶液溫度的影響，“浸入”模式的溫度窗口較窄(常壓下一般不高于100°c)?；瘜W品的大量添加帶來的主要問題則包括:1)原材料成本增加；2)工藝尤其是配方優化難度加大；3)工藝窗口變窄，對操作人員的綜合素質要求提高；4)電解液監、檢測指標增多，工藝維護頻次和難度加大；5)改性層的成分、結構復雜化；6)產品質量的穩定性受到嚴重影響；7)健康和環境安全隱患及其次生危害顯著加大；8)廢液處理復雜化，等等。上述問題最終導致生產成本尤其是社會成本顯著增加。
技術實現思路
本專利技術針對現有表面改性技 術存在的上述問題，提供一種基于蒸汽作用的金屬材料表面改性新方法及設備。本專利技術通過以下技術方案予以實現:一種基于蒸汽作用的金屬材料表面改性方法，其利用金屬與飽和蒸汽或過熱蒸汽之間的反應，在金屬材料基體表面原位合成功能膜層。進一步優化的，所述飽和蒸汽的壓力為0.1-22.1MPa，對應溫度為100_374°C。就飽和蒸汽而言，其壓力與溫度之間為一一對應關系，因此，控制壓力即可同時實現控制其溫度的目的。進一步優化的，所述過熱蒸汽的壓力為0.1-22.1MPa，對應溫度為該壓力下飽和蒸汽溫度以上0.5-600°C。在壓力保持一定的情況下，過熱蒸汽的溫度可根據實際應用需要進行控制。進一步優化的，所述飽和蒸汽的水源為自來水、蒸餾水或去離子水。進一步優化的，所述飽和蒸汽和過熱蒸汽的水源為含0.5-200ml/L H2O2,2.5_75g/LNaHC03、0.5-100ml/L 乙酸、0.5-100ml/L 氫氟酸、0.5-100ml/L 鹽酸、0.5-100ml/L 硝酸中至少一種的水基溶液。添加上述化學試劑的目的在于加速蒸汽/基體之間的反應，同時加深反應向基體推進的深度，從而以更快的速度獲得更厚且微觀結構更加多樣化的膜層。上述化學試劑可以其它具有揮發性的有機或無機化合物代替。本專利技術的一種基于蒸汽作用的金屬材料表面改性設備，其包括蒸汽發生器、蒸汽分配器、反應艙、集液罐、載件臺和驅動電機。其中蒸汽發生器經進氣閥與分布于反應艙內部的蒸汽分配器開口端之間通過管路密封連接；反應艙艙底排液口與集液罐入口之間通過管路密封連接；驅動電機固定于反應艙艙頂，其輸出軸朝下與載件臺之傳動軸緊固連接。進一步優化的，所述反應艙艙底內表面為碟形或圓錐形，或為與水平面成銳角的斜面，排液口位于艙底最低位置。進一步優化的，所述載件臺包括傳動軸和載件桿，其中載件桿有二根以上，兩相鄰載件桿之間的夾角相等，各載件桿與傳動軸之間的夾角亦相等；載件桿上部設有溝槽，或下端設有吊鉤。進一步優化的，所述蒸汽分配器為空心管，一端封閉，另一端開口并有緊固螺紋，管壁間隔開有孔。進一步優化的，所述反應艙艙頂設有排氣閥和自動泄壓閥，內部設有溫度傳感器和壓力傳感器。 本專利技術的方法既可以通過本專利技術設備來實現，又可以通過其它公知的或商業上可獲得的設備如高壓釜、鍋爐、普通蒸鍋或壓力鍋等來實現。需要指出的是，本專利技術中所指金屬材料包括:1)熱力學上能與水蒸汽發生化學反應的不同純度水平的純金屬，如純鋁、純鎂或純鈦等；2)分別以I)中金屬為基元，含不同合金組元及合金化水平的合金，如鋁基合金、鎂基合金或鈦基合金等；3)以I)中的純金屬或2)中的合金為基的復合材料；以及4)上述金屬材料的制品和5)含該金屬材料部件(組兀)的制品。與其它表面改性技術如化學轉化、陰極沉積、化學鍍、電鍍、陽極/微弧氧化等相似，為確保獲得滿意的效果，在利用本專利技術的方法和設備進行處理之前，金屬材料最好首先進行表面整理，其目的在于去除金屬材料在加工、儲運期間表面殘留或產生的毛刺、油脂、腐蝕產物(包括自氧化膜)等，以獲得滿足后續處理要求的表面質量。表面整理可以任何公知的或商業上可獲得的物理和/或化學技術進行，如砂紙打磨，拋光布拋光，有機溶劑包括無水乙醇、丙酮等直接或在超聲波等外場作用下脫脂，或堿洗脫脂，化學拋光，噴砂，等等。與水蒸汽作用過程結束后，金屬材料可進行清洗、干燥等處理，包括自來水和/或蒸餾水、去離子水漂洗，熱風或壓縮空氣吹干或加熱爐烘干，或易揮發性有機溶劑如乙醇、丙酮等漂洗后晾干等。根據使用需要，金屬材料在經蒸汽表面改性后，可進一步以其它公知的或商業上可獲得的技術進行后續處理，如熱處理、堿熱處理、電泳沉積、電泳涂裝、靜電噴涂、陰極沉積、化學鍍或電鍍等。與現有技術相比，本專利技術技術的顯著優點有三:其一，節水由于蒸汽的空間填充能力極強，相比現有的“浸入式”處理方法，單位面積工件的耗水量顯著降低。其二，環保由于能以水作為主要的甚至唯一的工藝原料，且由于水或水基溶液消耗量的有效控制以及添加劑如H202、NaHCO3等本身的無毒無害，可實現污染物的“零涉及”、“零排放”，徹底消除現有表面加工技術對生態環境和人類健康的潛在危害，實現真正意義上的清潔生產。其三，高效由于高溫/高壓條件下，蒸汽與金屬基體之間的反應速度更快，因此利用本專利技術技術可獲得更高的處理效率。此外，本專利技術設備具有安全可靠、結構簡潔、使用方便等優點。附圖說明圖1是實施方式中基于蒸汽作用的金屬材料表面改性設備的整體結構示意圖。圖2是圖1所示設備的蒸汽分配器的結構示意圖。圖3a是圖1所示設備的載件臺的結構示意圖。圖3b是載件桿為二根時載件臺的示意圖。圖3c是載件桿為三根時載件臺的示意圖。 圖中:1-蒸汽發生器，2-蒸汽分配器，3-反應艙，4-集液罐，5-載件臺，6_驅動電機，7-進氣閥，8-排液口，9-傳動軸，10-載件桿，11-排氣閥，12-自動泄壓閥，13-溫度傳感器，14-壓力傳感器。具體實施例方式下面結合附圖對本專利技術的具體實施作進一步說明，但本專利技術的保護范圍和實施并不限于此。如圖1所示，基于蒸汽作用的金屬材料表面改性設備由蒸汽發生器1、蒸汽分配器2、反應艙3、集液罐4、載件臺5和驅動電機6組成。蒸汽發生器I經進氣閥7與對稱分布于反應艙3內部左右兩側的蒸汽分配器2的開口端之間、反應艙3艙底排液口 8與集液罐4入口之間通過承壓能力滿足設備額定工作壓力的管道密封連接。其中蒸汽發生器I用于制造蒸汽，是公知的或商業上可獲得的蒸汽制造機構，如鍋爐、電熱蒸汽發生器以及過熱器等。當然，也可以以管道蒸汽作為蒸汽源。蒸汽經管路首先進入蒸汽分配器2，之后進入反應艙3與置于載件臺5上的金屬材料制品發生作用，從而在材料表面原位合成具有抗蝕、耐磨、電絕緣、生物相容性或生物活性等特性的功能性膜層。蒸汽分本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于蒸汽作用的金屬材料表面改性方法，其特征在于：利用金屬材料與飽和蒸汽或過熱蒸汽之間的反應，在金屬材料表面原位合成功能膜層。

【技術特征摘要】
1.一種基于蒸汽作用的金屬材料表面改性方法，其特征在于:利用金屬材料與飽和蒸汽或過熱蒸汽之間的反應，在金屬材料表面原位合成功能膜層。2.根據權利要求1所述的基于蒸汽作用的金屬材料表面改性方法，其特征在于:所述飽和蒸汽的壓力為0.1-22.1MPa，對應溫度為100_374°C。3.根據權利要求1所述的基于蒸汽作用的金屬材料表面改性方法，其特征在于:所述過熱蒸汽的壓力為0.1-22.1MPa，對應溫度為該壓力下飽和蒸汽溫度以上0.5_600°C。4.根據權利要求1所述的基于蒸汽作用的金屬材料表面改性方法，其特征在于:所述飽和蒸汽的水源為自來水、蒸餾水或去離子水。5.根據權利要求1所述的基于蒸汽作用的金屬材料表面改性方法，其特征在于:所述飽和蒸汽和過熱蒸汽的水源為含0.5-200ml/L H2O2>2.5_75g/LNaHC03、0.5-100ml/L乙酸、0.5-100ml/L氫氟酸、0.5-100ml/L鹽酸、0.5-100ml/L硝酸中至少一種的水基溶液。6.一種基于蒸汽作用的金屬材料表面改性設備，其特征在于包括蒸汽發生器(I)、蒸汽分配器(2)、反應艙(3)、集液罐(4)、載件臺(5)和驅動電機(6);所述蒸汽發生器(I...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張永君，夏蘭梅，沈軍，賈書功，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：