توصيفگر ها :
آب گريزي , فولاد زنگ نزن 304 , آندايزينگ , حكاكي با ليزر , ساختارهاي سلسله مراتبي
چكيده فارسي :
فولاد زنگ نزن 304 به دليل مقاومت به خوردگي بالا كاربردهاي متعددي در صنايع مختلف ازجمله صنايع هوافضا، نظامي، الكترواپتيك، پالايشگاه و پتروشيمي دارد. در سالهاي اخير مطالعات بر روي افزايش خاصيت آبگريزي و يا چربيدوستي اين فولاد بسته به نياز صنايع مختلف و شرايط كاري توسعهيافته است. در پژوهش حاضر به تأثير عمليات حكاكي با ليزر، اچ شيميايي، پسيواسيون الكتروشيميايي و آندايزينگ بر توسعه رفتار ترشوندگي پرداختهشده است. عمليات حكاكي با ليزر با تغيير پارامترهايي نظير توان، سرعت، الگو و فواصل بين خطوط حكاكي بر روي نمونههاي متعدد فولاد زنگ نزن 304 صورت گرفته و با بررسي زاويه ترشوندگي و توپولوژي سطح با ميكروسكوپ نوري، سه نمونه انتخابشده و در ادامه پژوهش تحت ارزيابي قرارگرفته است. اچ شيميايي باهدف حذف آلودگيهاي سطحي در محلول آبي اسيد هيدروفلوئوريك 5/22 درصد حجمي در دماي 50 درجه سانتيگراد و زمانهاي 5 و 60 ثانيه انجام شد. پسيواسيون الكتروشيميايي نمونههاي منتخب در محلول آبي حاوي 10 درصد حجمي اسيد هيدروفلوئوريك و 25 درصد حجمي اسيد نيتريك در دماي 40 درجه سانتيگراد و ولتاژ 1000 ميلي ولت، به مدتزمان 5 دقيقه انجام شد. آندايزينگ با محلول اتيلن گليكول حاوي 1/0 مولار آمونيوم فلوريد و 1/0 مولار آب مقطر در دماي 60 درجه سانتيگراد با ولتاژ ثابت 60 ولت بهصورت تكمرحلهاي به مدتزمانهاي 60 ثانيه و 300 ثانيه و دومرحلهاي به ترتيب به مدتزمان 300 ثانيه و سپس 120 ثانيه انجام شد. همچنين پس از هر مرحله آندايزينگ، نمونهها به مدت 30 دقيقه در كوره¬ تحت دماي 350 درجه سانتيگراد بهمنظور حذف فلوئور از پوشش آندايزينگ عمليات حرارتي شدند. در اين پژوهش به اندازه¬گيري زاويه تماس با آب كه نشانگر ميزان آبگريزي سطح و اندازهگيري زاويه تماس با گازوئيل كه نشانگر چربيدوستي سطح است، پرداخته شد. همچنين مشاهده توپولوژي سطح كليه¬ي نمونهها جهت بررسي و مطالعه ساختارهاي ايجادشده در سطح، در مراحل مختلف به كمك ميكروسكوپ نوري انجام و سطح 4 نمونه نهايي به كمك ميكروسكوپ الكتروني روبشي نيز بررسي شد. همچنين زبري سنجي ليزري از سطح 4 نمونه نهايي ارزيابي شد كه اثباتي بر وجود بيشترين زبري در بهترين نمونه ازلحاظ آب¬گريزي و چربي¬دوستي بود. نتايج پژوهش نشان مي¬دهد كه عمليات حكاكي با ليزر مي¬تواند موجب تغييرات چشمگيري در خواص آبگريزي سطح فولاد زنگ نزن 304 شود؛ بهنحويكه زاويه ترشوندگي با آب 18 درجه¬ تا 131 درجه¬¬ حاصل شد. عمليات اچ شيميايي با مدتزمان 60 ثانيه موجب حذف زبريهاي تشكيلشده از عمليات حكاكي با ليزر شد به همين دليل مدتزمان مطلوب فرايند، 5 ثانيه در نظر گرفتهشده است. از بررسي نمونههاي مرحله پسيواسيون الكتروشيميايي و نمونههاي مرحله اچ شيميايي و مرحله آندايزينگ نتيجه گرفته شد كه اكسيد شدن سطح نمونه در مرحله آندايزينگ انجام ميگيرد و نيازي به مرحله پسيواسيون نيست. بررسيهاي صورت گرفته نشان مي¬دهد آندايزينگ دومرحلهاي به ترتيب بهصورت آندايزينگ به مدت 300 ثانيه- عمليات حرارتي در دماي 350 درجه سانتيگراد به مدت 30 دقيقه- آندايزينگ مجدد به مدت 120 ثانيه و تكرار عمليات حرارتي به مدت 30 دقيقه موجب دستيابي به بيشترين اختلاف در آبگريزي و چربي¬دوستي نمونه¬ها شد؛ بهنحويكه در بهترين نتيجه، زاويه ترشوندگي با آب 125 درجه و زاويه ترشوندگي با گازوئيل 4 درجه حاصل شد. در تصاوير ميكروسكوپ الكتروني مشاهده شد دو نمونه آبگريز نهايي داراي زبريهاي نانومتري در كنار فرورفتگيهاي ميكرومتري بودند كه به نظر ميرسد ساختار سلسله مراتبي حاصلشده است. همچنين نتايج زبري سنجي ليزري بيشترين اختلاف ارتفاع زبري را به اين دو نمونه نسبت داد. از نتايج حاصله به نظر مي¬رسد نمونهها از مدل كاسي باكستر پيروي ميكنند.
چكيده انگليسي :
Due to its high corrosion resistance, 304 stainless steel has several applications in various industries, including aerospace, military, electro-optics, refineries and petrochemicals. In recent years, studies on increasing the hydrophobic or oleophilic properties of this steel have been developed depending on the needs of different industries and working conditions. In the present study, the effect of laser engraving, chemical etching, electrochemical passivation and anodizing on the development of wettability behavior has been investigated. Laser engraving operations were performed on various samples of 304 stainless steel by changing parameters such as power, speed, pattern and distances between engraving lines. By examining the wettability angle and surface topology via light microscope, three samples were selected and evaluated in the continuation of the research. Chemical etching was performed to remove surface contaminants in an aqueous solution of 22.5 Vol.% of hydrofluoric acid at 50 °C for 5 and 60 seconds. Electrochemical passivation of selected samples in aqueous solution containing 10Vol.% hydrofluoric acid and 25Vol.% nitric acid at 40 ° C temperature and 1000 mV for 5 minutes was performed. Anodizing with ethylene glycol solution containing 0.1 M ammonium fluoride and 0.1 M distilled water at 60 ° C with a constant voltage of 60 V was performed in a single step for 60 seconds and 300 seconds and two steps for 300 seconds and then 120 seconds, respectively. Also, after each anodizing step, the samples were placed for 30 minutes in a furnace at 350 ° C to remove fluoride from an anodizing coating. In this study, the angle of contact with water, which indicates the degree of oleophilicity of the surface, and the angle of contact with diesel, which indicates the oleophilicity of the surface, were measured. Also, observing the surface topology of all samples to check the surface structures was done in different stages with the help of light microscope and the surface of 4 final samples were examined with the help of SEM, too. The laser roughness was evaluated from the surface of 4 final samples, which was a proof of the highest roughness in the best sample in terms of hydrophobicity and oleophilicity. The results show that laser engraving can cause significant changes in the hydrophobic properties of 304 stainless steel surface; The wetting angle with water was 18 degrees to 131 degrees. The chemical etching with a duration of 60 seconds removed the roughness formed from the laser engraving, therefore, the optimal duration of the process is 5 seconds. Examination of the samples of electrochemical passivation, samples of chemical etching and anodizing stage, it was concluded that oxidation of the sample surface is done in the anodizing stage and there is no need for passivation. Studies have shown that two-stage anodizing as following order, anodizing for 300 seconds - heat treatment at 350 ° C for 30 minutes - re-anodizing for 120 seconds - repetition of heat treatment for 30 minutes achieved the greatest difference in hydrophobicity and oleophilicity, so that in the best result, the wetting angle with water was 125 degrees and the wetting angle with gasoline was 4 degrees. In the electron microscope images, it was observed that the two final hydrophobic samples had nanometric roughness along with micrometer depressions, which seem to have a hierarchical structure. Also, the laser roughness results show that the largest difference in roughness height is for these two samples. From the results, it seems that the samples follow the Cassie Baxter model.