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气动喷砂工艺对304不锈钢表面润湿效应的影响
李晶1, 姜虹宇1, 杜锋2, 刘利强1, 赵世才1     
1. 长春理工大学 机电工程学院,长春 130022;
2. 装甲兵技术学院 机械工程系,长春 130117
摘要: 针对仿生润湿性研究中喷砂工艺常作为获取粗糙表面方法被学者使用的现状,为喷砂处理基底表面提供数据基础,文中利用试验优化方法,分析不同参数下喷砂工艺对304不锈钢表面润湿性能的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)、激光共聚焦显微镜(LSCM)和X射线衍射仪(XRD)分析喷砂表面的微观形态和化学成分,使用接触角测试仪(OCA)测试分析喷砂试样表面润湿特性。结果表明:在优化喷砂工艺参数下(砂粒尺寸180 μm;喷砂压力0.6~0.65 MPa;喷砂时间1 min),能够在304不锈钢基底表面获得粗糙结构,使润湿性能由亲水性向疏水性发生转变,获得静态接触角达到120°,动态滞后角降至13.9°的特性。
关键词: 气动喷砂     表面形貌     接触角     润滑效应    
Influences of Pneumatic Sandblasting Process on Wetting Effect of 304 Stainless Steel Surface
LI Jing1, JIANG Hong-yu1, DU Feng2, LIU Li-qiang1, ZHAO Shi-cai1     
1. Institute of Electrical and Mechanical Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022;
2. Department of Mechanical Engineering, Changchun Institute of Engineering, Changchun 130117
Fund: Supported by National Natural Science Foundation of China (51505039) and Jilin Scientific and Technological Development Program (20150204018GX)
Abstract: In the research of bionic wettability, as a method of obtaining rough surface, the sandblasting process is often used by scholars to provide data base of the sandblasted substrate surface. With the experiment optimization method, researchers analyzed the wettability influence of 304 stainless steel surface, which was sandblasted with different parameters. The microstructure and the chemical composition of the sandblasted surface were analyzed by scanning electron microscope (SEM), laser scanning confocal microscope (LSCM) and X-ray diffraction (XRD). The wettability of sample surface sandblasted was tested by contact angle system (OCA). The results show that under the best sandblasting process optimized parameters at the sand size of 180 μm, the sandblasting pressure of 0.6 MPa to 0.65 MPa, and the sandblasting time of 1 min, the rough structure can be obtained on the 304 stainless steel surface and the wettability surface is converted from hydrophilic to hydrophobic. The static contact angle attains 120° and the dynamic lag angle is reduced to 13.9°.
Key words: pneumatic sandblasting     surface morphology     contact angle     wetting effect    
0 引 言

喷砂工艺是利用喷砂设备,将细小的砂粒磨料在高压状态下,以高速喷射到工件表面,借助砂粒与表面的撞击,改变工件表面形貌,优化工件表面性能的处理工艺。早在19世纪70年代,Benjamin Chew Tilghman就进行了第一次喷砂试验。目前为止,国内外研究人员针对喷砂工艺对金属表面的粘附性[1]、粗糙度[2]、腐蚀性[3]及工艺参数的影响[4]和优化[5]作了一定的研究,但对金属表面喷砂润湿效应影响的研究还略显不足。

润湿性是固体表面的特性之一,包括超亲水、亲水、疏水及超疏水等特性,材料表面具有疏水特性,有利于提高表面耐腐蚀性能、减少流动阻力和实现自清洁效应。进入21世纪后,随着仿生学的兴起,自然界生物适应自然环境所展现的优异疏水能力越来越受到广大学者的重视,并展开大量研究。例如,模仿荷叶特征制备超疏水表面。无论是对润湿性转换的理论研究[6],还是利用改变表面性能的方法制备超疏水表面[7]等研究,都取得了一定的成果。汪怀远[8]等利用喷涂工艺,以NH4HCO3为造孔剂,碳纳米管(CNTS)为纳米级纤维填料,制备出超双疏耐磨涂层。另外,杨钦[9]等综述了超疏水自清洁涂层防结冰技术的研究进展。侯绍行[10]等研究了荷叶在不同水深下的超疏水状态的寿命。近年来,长春理工大学课题组在这一方面也取得了一些进展[11-13]。但在类似于表面润湿性能研究中,喷砂工艺多被研究者辅助应用于制备粗糙表面。于思荣[14]等采用喷砂毛化处理、化学刻蚀和氟化处理复合法在X52管线钢表面成功地制备了超疏水表面;ZHE Cui[15]等利用喷砂—浸涂法制备超疏水表面;李晶[16]等通过喷砂与电刷镀相结合方法,在碳钢表面制备出微纳双尺度复合结构的超疏水表面。但在润湿性研究方面,对喷砂工艺的单项研究还有待进一步开展。

文中以单纯的喷砂工艺作用于样品表面,借助试验优化方法,研究304不锈钢表面由亲水性向疏水性转变的最佳条件,并分析喷砂工艺对金属表面的形貌变化和界面润湿效应的作用影响,为喷砂处理改善不锈钢表面疏水性提供参考。

1 材料和方法 1.1 材料选用

喷砂工艺选用样品材料为具有加工性能好、韧性高、耐腐蚀、无磁性等特点的S30408不锈钢(06Cr19Ni10),其化学成分(质量分数)为:C(0.080%)、Si(1.00%)、Mn(2.00%)、P(0.045%)、S(0.030%)、Ni(8.00%~11.00%)、Cr(18.00%~20.00%),其余为Fe。试样尺寸为15 mm×10 mm×4 mm。喷砂介质选用180 μm和120 μm两种不同尺寸的金刚砂。

1.2 样品制备

首先,将304不锈钢样品分4组,分别编为数字1、2、3、4号,依次用400、600、800、1 000、1 500和2 000型号砂纸打磨,使样品表面粗糙度Rz趋近于0.3 μm。按照L4(23)正交表[17]设计优化试验方案。因素水平表如表1所示:

表 1 优化试验的因素水平表 Table 1 Factor level table of optimization test
Standard Sand size (A) / μm Sandblasting pressure (B) / MPa Time (C) / min
1 180 0.6−0.65 1
2 120 0.7−0.75 2

除此之外,喷砂距离15 cm,角度为90°,环境温度20 ℃。标准正交试验方案如表2所示,按照优化试验方案,利用TB-6050A型喷砂机(浙江通宝公司,喷口直径:8 mm,功率:0.55 kW)对样品表面进行喷砂处理。

表 2 优化试验方案 Table 2 Optimization of experimental plan
Test number Sand size (A) / μm Sandblasting pressure (B) / MPa Time (C) / min
1 1 1 1
2 1 2 2
3 2 1 2
4 2 2 1
1.3 试样表征

采用EM-30型电子显微镜(SEM)(韩国COXEM公司)及TCS-SP2型激光共聚焦显微镜(LSCM)(德国Leica公司)对喷砂后样品进行表面形貌观测。利用SV-3200型表面粗糙度测量仪(武汉信斯特公司)、D8-ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)(德国布鲁克公司)依次对试验样品进行表征。使用接触角测量仪(OCA)(德国Date Physic仪器公司),测量各个时间节点水滴在1、2、3、4号样品表面的静态接触角和动态接触角。

2 结果与讨论 2.1 表面静态润湿性

表3为水滴在样品表面10 s时的接触角数值,接触角从喷砂后1 d起迅速提升。但自喷砂后2~6、8 d左右,接触角趋于一个相对变化率不高的亚稳定阶段。而8~20 d时,接触角再一次有所提升,但程度比前期提升区间要低。随后直到60 d,数值趋于稳定阶段。30~60 d区间,静态接触角近似平稳,达到相对稳定程度。

表 3 各时段样品表面接触角测试结果 Table 3 Test results of surface contact angle at each period
Sample number Original 1 d 2 d 4 d 6 d 8 d 10 d 20 d 30 d 60 d
1 75.7 53.3 84.2 84.1 87.3 92.9 111.6 127.2 120.2 120.0
2 78.5 54.7 90.9 92.5 89.5 100.9 111.7 117.8 113.7 112.4
3 77.2 17.7 68.4 77.5 90.0 91.7 109.2 119.8 114.7 112.0
4 76.3 22.9 76.4 78.9 80.5 101.2 111.6 110.9 109.2 111.7
2.2 表面动态润湿性

基于静态接触角的变化,采用加减法分别对样品在喷砂前后的动态接触角进行测量,如表4所示(水滴体积均为4 μL)。其中,前进角与后退角的差值代表了接触角的滞后性。

表 4 样品表面动态接触角参数 Table 4 Parameters of the static contact angle on samples surface
Sample number Before sandblasting After sandblasting
Advancing angle Receding angle Contact angle hysteresis Advancing angle Receding angle Contact angle hysteresis
1 68.9 41.7 27.2 104.9 88.2 16.7
2 70.2 42.9 27.3 106.7 90.6 16.1
3 70.9 42.0 28.9 110.6 96.1 14.5
4 71.5 42.2 29.3 104.8 90.9 13.9

表中可以看出,样品经喷砂处理后的接触角滞后性要比在喷砂工艺前略显降低,而接触角滞后程度能够反映出液体在样品表面脱离的难易程度,滞后性越明显,则样品表面粘附力越强。

由于喷砂后的样品表面形貌属于复杂的粗糙表面,根据Cassie模型[18],使得液滴到达样品表面的同时,部分空气被储存在粗糙结构的凹陷或沟槽中,减小了固—液接触面积,故表面的粘附程度略显减低。但其表面提供的粘附力可以克服水滴的重力和表面张力,使得水滴粘附在样品表面不会掉下来,这一特性归因于样品表面复杂的粗糙形貌,在水滴润湿表面过程中,坑凹处储存一定量的空气,部分水滴也浸入到坑凹处,在空气之上相继填满凹陷结构,使表面疏水性得到改善,并且仍然具有一定程度的粘附性。因此,水滴在样品表面的润湿状态为Wenzel状态与Cassie状态的过渡态,并且偏向于Cassie状态,如图1所示。

图 1 水滴在喷砂后样品表面的存在状态 Figure 1 Exist state of water droplet on the sample surface after sandblasting
2.3 表面形貌分析

图2为原始样品的静态接触角,通过对比可以看出,4件样品的润湿性能相差不大,误差可以忽略不计。

图 2 原始样品的表面形貌及接触角 Figure 2 Surface morphologies and contact angle of the original samples

Bouzakis[19]等指出,在其他各项因素条件一定的情况下,砂粒尺寸越大,对表面的粗糙度影响也越大。如图3的SEM图像显示,样品表面经喷砂处理后,形成了以砂粒外部轮廓和砂粒对样品表面切削后造成的塑性变形为主的多尺度复杂片状微观结构。对比(a)(c)与(b)(d)表面结构可以看出,样品1和样品2尺度略大,说明喷砂压力不同,样品表面的微观结构也有变化。

而通过图4激光共聚焦三维图像观察发现,试样表面形成微观形貌尺寸差异较大,从粗糙度测试结果也可以确认,且同样可以看出样品1与样品2要比样品3与样品4形貌尺寸更大,这一特征,与Bouzakis等提出的理论相符。这是因为,在砂粒种类及尺寸一定的条件下,增大喷砂压力,会使砂粒对样品表面冲击力相继增强,进而对样品表面的形貌影响也会增大。

图 3 喷砂后各样品表面SEM形貌 Figure 3 SEM images of sample surface after sandblasting
图 4 喷砂后各样品表面LSCM形貌 Figure 4 LSCM images of sample surface after sandblasting

喷砂前后样品表面粗糙度对比如图2图3 Rz数值所示。在变量(喷砂压力和喷砂时间)变化值相同的条件下,砂粒尺寸越大,对样品表面形貌的变化影响越大。

根据Cassie-Baxter方程[19-20]

$\cos {\theta _{\rm{w}}}{\rm{ = }}{f_1}\cos \theta - {f_2}$     (1)

可以得出:

${f_2} = \left( {1 - \cos {\theta _{\rm{w}}}/\cos \theta } \right){\rm{/}}\left( {1 + 1/\cos \theta } \right)$     (2)

在试验中,由于样品理想光滑表面并不存在,为了有效达到测试结果对比的目的,将θ值取各样品原始接触角的测量值。这样根据式(2),可以得到各样品在不同时间内,表面液滴与夹杂在固-液之间的空气所接触的面积比例。以各样品喷砂当日所得结果为基准点,将各样品数值以各自相应的等差形式放大, 得到:

$f_{2i}' = f_{2i} + {a_i}$     (3)

(其中, i=1、2、3、4,a1=0.28,a2=0.31,a3=0.59,a4=0.54)获得放大后的数值 $f_2'$ 变化曲线,如图5所示。

$f_2'$ 的变化趋势,可以直接反映出固—液接触面积在三相接触面中所占比例的变化,从而可以推断样品表面经喷砂作用后,不同时间段内表面形貌发生了微观变化。从图中4条曲线可以得出相应结论,即120 μm砂粒喷射的样品要比由180 μm喷射的样品形貌变化的程度大,进而可以推断出,当样品表面经喷砂工艺处理后,随着时间的推移,表面形貌会出现微观的变化,且砂粒尺寸越小,其微观变化的程度越大。

图 5 气-液接触面占比放大后的数值( $f_2'$ )变化曲线 Figure 5 Curves of large numerical value of gas-liquid contact area ( $f_2'$ )
2.4 表面成分分析

图6显示出了样品在喷砂前后两种不同尺寸砂粒喷砂后的X射线衍射(XRD)图谱。通过对比可以看出,样品在喷砂前与喷砂后主衍射峰位置相近。对衍射峰的具体位置进行测量,其结果如表5所示。

表 5 XRD图谱各衍射峰对应的2θ Table 5 Values of 2θ corresponding to the peaks in XRD patterns
Sample types 2θ / (°)
a 43.58  44.67  50.79  74.69  82.33
b 43.59  44.65  50.73  75.21
c 43.65  44.61  50.79  74.97

从XRD图谱看,喷砂试验前的样品2θ值为43.58°、50.79°、74.69°分别与奥氏体不锈钢标准衍射卡(ICSD PDF No.33-0397)相对应,衍射峰位置分别对应奥氏体(A)的(111)、(200)和(220)晶面,其余衍射峰为铁素体(F)的贡献。通过图谱中(b)(c)曲线与原始样品图谱对比分析,衍射峰的位置没有出现变化,但衍射峰由于应变和晶粒细化发生了宽化,从而说明文中润湿性的改善主要是表面组织的细化和应变等因素变化引起。

图 6 喷砂前后样品表面XRD图谱 Figure 6 XRD patterns of sample surface before and after sandblasting
2.5 试验优化结果分析

按照试验优化方案及分析方法,以表面接触角最终达到130°为试验指标,以喷砂后60 d测试结果(样品1: 120.0°、样品2: 112.4°、样品3:112.0°、样品4:111.7°)作为最终试验结果,进行试验优化分析,如表6所示。

表 6 试验优化分析与结果 Table 6 Analysis and results of experimental optimization
Sample number Sand size (A) / μm Sand blasting pressure (B) / MPa Time (C) / min yi/%
1 1 1 1 92.3
2 1 2 2 86.5
3 2 1 2 86.2
4 2 2 1 85.9
yj1 178.8 178.5 178.2
yj2 172.1 172.4 172.7
${\bar y}$ j1 89.4 89.25 89.1
${\bar y}$ j2 86.05 86.2 86.35
Rj 3.35 3.05 2.75
Optimization level A1 B1 C1
Secondary factors A,B,C
Optimal combination A1B1C1

参照试验指标与试验结果,取得yi(达到接触角数值指标百分比)为92.3%、86.5%、86.2%、85.9%,利用极差分析方法,获得均值1分别为89.4%、89.25%、89.1%,均值2分别为86.05%、86.2%、86.35%。由均值对比看出,最优水平为A1、B1、C1。进而得到各因素极差值为3.35、3.05、2.75,主次因素分别为:砂粒尺寸>喷砂压力>喷砂时间。即最优组合为:A1(180 μm金刚砂)B1(喷砂压力0.6~0.65 MPa)C1(喷砂时间1 min)。

3 结 论

(1)直接喷砂方法能够改善304不锈钢表面润湿性能,使表面由亲水性能向疏水性能转变,可获得静态接触角达到120°、动态滞后角降至13.9°的疏水特性。

(2)研究表面形貌特征和润湿特性发现,喷砂工艺作用于金属表面形成粗糙微观形貌,促进表面润湿性转换。

(3)本试验优化获得的改善304不锈钢表面疏水性能的工艺参数为:砂粒尺寸180 μm,喷砂压力0.6~0.65 MPa,喷砂时间1 min。

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http://dx.doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170426003
中国科协主管,中国机械工程学会主办。
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李晶, 姜虹宇, 杜锋, 刘利强, 赵世才
LI Jing, JIANG Hong-yu, DU Feng, LIU Li-qiang, ZHAO Shi-cai
气动喷砂工艺对304不锈钢表面润湿效应的影响
Influences of Pneumatic Sandblasting Process on Wetting Effect of 304 Stainless Steel Surface
中国表面工程, 2017, 30(5): 95-101.
China Surface Engineering, 2017, 30(5): 95-101.
http://dx.doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170426003

文章历史

收稿日期: 2017-04-26
修回日期: 2017-09-08
网络出版日期: 2017-09-11

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