2020年 08月 14日 星期五

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几种常见金属表面处理工艺

作者:永乐国际 来源:永乐国际 日期:2020-08-14 17:52 人气:

  几种常见金属表面处理工艺_材料科学_工程科技_专业资料。金属表面处理种类简介 电镀 镀层金属或其他不溶性材料做阳极,待镀的工件做阴极,镀层金属的阳离子在待镀工件表面被还原 形成镀层。为排除其它阳离子的干扰,且使镀层均匀、牢固,需用含镀层金属阳离子的溶液做电

  金属表面处理种类简介 电镀 镀层金属或其他不溶性材料做阳极,待镀的工件做阴极,镀层金属的阳离子在待镀工件表面被还原 形成镀层。为排除其它阳离子的干扰,且使镀层均匀、牢固,需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液, 以保持镀层金属阳离子的浓度不变。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层,改变基材表面性质或尺寸。 电镀能增强金属的抗腐蚀性 ( 镀层金属多采用耐腐蚀的金属 )、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、润滑 性、耐热性、和表面美观。 电泳 电泳是电泳涂料在两极,于电压作用下,带电荷涂料离子移动到阴极 , 并与阴极表面所 产生之碱性作用形成不溶解物,沉积于工件表面。 电泳表面处理工艺的特点: 电泳漆膜具有涂层丰满、均匀、平整、光滑的优点,电泳漆膜的硬度、附着力、耐腐、冲击性能、渗 透性能明显优于其它涂装工艺。电泳工艺优于其他涂装工艺。 镀锌 镀锌是指在金属、合金或者其它材料的表面镀一层锌以起美观、防锈等作用的表面处理技术。现 在主要采用的方法是热镀锌。 电镀与电泳的区别 电镀就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程。 电泳:溶液中带电粒子(离子)在电场中移动的现象。溶液中带电粒子(离子)在电场中移动的现象。利 用带电粒子在电场中移动速度不同而达到分离的技术称为电泳技术。 电泳又名——电着 ( 著 ) ,泳漆,电沉积。 发黑 钢制件的表面发黑处理,也有被称之为发蓝的。其原理是将钢铁制品表面迅速氧化,使之形成致密 的氧化膜层,提高钢件的防锈能力。 发黑处理现在常用的方法有传统的碱性加温发黑和出现较晚的常温发黑两种。但常温发黑工艺对 于低碳钢的效果不太好。A3 钢用碱性发黑好一些。 在高温下(约 550℃)氧化成的四氧化三铁呈天蓝色,故称发蓝处理。在低温下(约 3 50℃)形 成的四氧化三铁呈暗黑色,故称发黑处理。在兵器制造中,常用的是发蓝处理;在工业生产中,常用的是 发黑处理。 采用碱性氧化法或酸性氧化法;使金属表面形成一层氧化膜,以防止金属表面被腐蚀,此处理 过程称为“发蓝”。黑色金属表面经“发蓝”处理后所形成的氧化膜,其外层主要是四氧化三铁,内层为 氧化亚铁。 发蓝(发黑)的操作流程: 工件装夹→去油→清洗→酸洗→清洗→氧化→清洗→皂化→热水煮洗→检查。 所谓皂化,是用肥皂水溶液在一定温度下浸泡工件。目的是形成一层硬脂酸铁薄膜,以提高工 件的抗腐蚀能力。 金属表面着色 金属表面着色,顾名思义就是给金属表面“涂”上颜色,改变其单一的、冰冷的金属色泽,代之 以五颜六色,满足不同行业的不同需求。 给金属着色后一般都增加了防腐能力,有的还增加了抗磨能力。但表面彩色技术主要的应用还在 装饰领域,即用来美化生活,美化社会。 抛丸 抛丸的原理是用电动机带动叶轮体旋转 (直接带动或用 V 型传动),靠离心力的作用,将直 径约在 0.2~3.0 的弹丸(有铸钢丸、钢丝切丸、不锈钢丸等不同类型)抛向工件的表面,使工件的表面 达到一定的粗糙度,使工件变得美观,或者改变工件的焊接拉应力为压应力,提高工件的使用寿命。通 过提高工件表面的粗糙度,也提高了工件后续喷漆的漆膜附着力。其寓意即为抛丸处理可以为喷漆工艺 的前道工序。 喷砂 喷砂是采用压缩空气为动力,以形成高速喷射束将喷料(铜矿砂、石英砂、金刚砂 、铁砂、 海南砂)高速喷射到需要处理的工件表面,使工件表面的外表面的外表或形状发生变化,由于磨料对工 件表面的冲击和切削作用,使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度,使工件表面的机械性能得 到改善,因此提高了工件的抗疲劳性,增加了它和涂层之间的附着力,延长了涂膜的耐久性,也有利于 涂料的流平和装饰。 喷砂工艺与其它清理工艺(如酸洗,工具清理)相比有以下特点: 一、喷砂处理是最彻底、最通用、最迅速、效率最高的清理方法。 二、喷砂处理可以在不同粗糙度之间任意选择,而其它工艺是没办法实现这一点的。手工打磨可 以打出毛面但速度太慢,化学溶剂清理则清理表面过于光滑不利于涂层粘接。 喷丸的特点: 1、清理的灵活性大。容易清理复杂工件的内外表面和管件的内壁;并且不受场地的, 可以将其移至到特大型工件附近进行清理。 2、设备结构简单,整机投资少,易损件少,维修费用低。 3、消耗能量大,必须配备大功率的空压站 4、清理表面易有潮气,容易生绣。 5、清理效率低,操作人员多,劳动强度大。 抛丸的特点: 1、灵活性差。受场地的,清理工件有些盲目性,在工件内卫表面易产生清理不到的死 角、 2、不用压缩空气加速弹丸,不必设置大功率的空压站, 3、清理表面不易有潮气,不容易生绣。 4、设备结构比较复杂,易损件多,特别是叶片等零件,维修工时多,费用高。 5、清理效率高,费用低,操作人员少,容易实现自动化控制,适用于大批量生产。 喷丸 喷丸 shot peening 。用喷丸进行表面处理,打击力大,清理效果明显。但喷丸对薄板工件的 处理,容易使工件变形,且钢丸打击到工件表面(无论抛丸或喷丸)使金属基材产生变形,由于 Fe3O4 和 Fe2O3 没有塑性,破碎后剥离,而油膜与基材一同变形,所以对带有油污的工件,抛丸、喷丸无法彻底清 除油污。在现有的工件表面处理方法中,清理效果最佳的还数喷砂清理。喷砂适用于工件表面要求较高的 清理。但是我国目前通用喷砂设备中多由铰龙、刮板、斗式提升机等原始笨重输砂机械组成。 喷丸与抛丸的区别 喷丸使用高压风或压缩空气作动力,而抛丸一般为高速旋转的飞轮将钢砂高速抛射出去。抛丸 效率高,但会有死角,而喷丸比较灵活,但动力消耗大。 两种工艺虽喷射动力和方式不同,但都是高速冲击工件为目的 , 其效果也基本相同 , 相比而言 , 喷丸比较精细,容易控制精度 ,但效率不及抛丸之高 , 适形状复杂的小型工件 , 抛丸比较经济实用,容易 控制效率和成本,可以控制丸料的粒度来控制喷射效果 , 但会有死角 ,适合于形面单一的工件批量加工 . 两种工艺的选用主要取决工件的形状和加工效率 . 喷丸与喷砂的区别 喷丸与喷砂都是使用高压风或压缩空气作动力 ,将其高速的吹出去冲击工件表面达到清理效果 , 但选择的介质不同, 效果也不相同 . 喷砂处理后 , 工件表面污物被清除掉 , 工件表面被微量, 表面积大幅增加 ,从而增加了工件与 涂 / 镀层的结合强度 . 经过喷砂处理的工件表面为金属本色 , 但是由于表面为毛糙面 , 光线被折射掉 , 故没有金属光泽 , 为发暗表面 . 喷丸处理后 ,工件表面污物被清除掉 , 工件表面被微量而不被 , 表面积有所增加 . 由于加工 过程中 ,工件表面没有被 , 加工时产生的多余能量就会引会工件基体的表面强化 . 经过喷 丸处理的工件表面也为金属本色 , 但是由于表面为球状面 , 光线部分被折射掉 ,故工件加 工为亚光效果. 磷化 磷化(phosphorization)是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学膜的过程,所形成的磷 酸盐膜称之为磷化膜。磷化的目的主要是:给基体金属提供,在一定程度上防止金属被腐蚀;用 于涂漆前打底,提高漆膜层的附着力与防腐蚀能力;在金属冷加工工艺中起减摩润滑使用。 钝化 其钝化的机理可用薄膜理论来解释,即认为钝化是由于金属与氧化性质作用,作用时在金属 表面生成 一种非常薄的、致密的、覆盖性能良好的、牢固地吸附在金属表面上的钝化膜。这层膜成独 立相存在,通常是氧化金属的化合物。它起着把金属与腐蚀介质完全隔开的作用,防止金属与腐蚀介质 接触,从而使金属基本停止溶解形成钝态达到防腐蚀的作用。 钝化的优点 1、与传统的物理封闭法相比,钝化处理后具有绝对不增加工件厚度和改变颜色的特点、提高 了产品的精密度和附加值,使操作更方便; 2、由于钝化的过程属于无反应状态进行,钝化剂可反复添加使用,因此寿命更长、成本更经 济。 3、钝化促使金属表面形成的氧结构钝化膜、膜层致密、性能稳定,并且在空气中同时具 有自行修复作用,因此与传统的涂防锈油的方法相比,钝化形成的钝化膜更稳定、更具耐蚀性。 金属或合金受一些因素影响,化学稳定性明显增强的现象,称为钝化。由某些钝化剂(化学 药品)所引起的金属钝化现象,称为化学钝化。如浓 HNO3 、浓 H2SO4、 HClO3 、 K2Cr2O7 、 KMnO4 等氧化 剂都可使金属钝化。金属钝化后,其电极电势向正方向移动,使其失去了原有的特性,如钝化了的铁在 铜盐中不能将铜置换出。此外,用电化学方法也可使金属钝化,如将 Fe 置于 H2SO4 溶液中作为阳极, 用外加电流使阳极极化,采用一定仪器使铁电位升高一定程度, Fe 就钝化了。由阳极极化引起的金属 钝化现象,叫阳极钝化或电化学钝化。 喷涂 利用压力或静电力将油漆或粉末附着在工件表面 ,使工件有防腐和外观装饰作用 . 烤漆 在基材上打上底漆、面漆,每上一遍漆,都送入无尘衡温烤房,烘烤。 浸渗 是一种微孔(细缝)渗透密封工艺。将密封介质(通常是低粘度液体)通过自然渗透(即微 孔自吸)、抽真空和加压等方法渗入微孔(细缝)中,将缝隙填充满,然后通过自然 (室温)、冷却或 加热等方法将缝隙里的密封介质固化,达到密封缝隙的作用。 喷油 将油漆喷在产品表面,自然风干的方式。 抛光 利用柔性抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行的修饰加工。抛光不能提高工 件的尺寸精度或几何形状精度,而是以得到光滑表面或镜面光泽为目的,有时也用以消除光泽(消 光)。通常以抛光轮作为抛光工具。抛光轮一般用多层帆布、毛毡或皮革叠制而成,两侧用金属圆板夹 紧,其轮缘涂敷由微粉磨料和油脂等均匀混合而成的抛光剂。抛光时,高速旋转的抛光轮(圆周速度在 20 米/秒以上)压向工件,使磨料对工件表面产生滚压和微量切削,从而获得光亮的加工表面,表面 粗糙度一般可达 Ra0.63~ 0.01 微米 ; 当采用非油脂性的消光抛光剂时,可对光亮表面消光以改善外观。 对产品表面要求稍低时,常采用滚筒抛光的方法。粗抛时将大量磨料和产品放在罐状滚筒中,滚筒转动 时,使产品与磨料等在筒内随机地滚动碰撞以达到去除表面凸锋而减小表面粗糙度的目的。 超声波清洗 是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作 用,使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。 紧固件的表面处理: 紧固件表面处理的选择 由于几乎所有商业紧固件都是由碳钢、合金钢制成,一些种类的紧固件希望能防止腐蚀,即使 使用防腐蚀材料的紧固件,仍然需要表面处理来防止不同材料的腐蚀。此外,表面处理的镀层必须附着牢 固,不能在安装和卸下的过程中脱落,对螺纹紧固件,镀层还需足够薄,使得镀后螺纹仍能旋合。一般镀 层的温度比紧固件材料要低,因此还需考虑紧固件所处的工作温度要求。对于表面处理,人们一般关 注的是美观和防腐,但紧固件的主要功能是紧固零部件,而表面处理对紧固件的紧固性能也有很大的影 响,所以,选择表面处理时,也应考虑紧固性能的因素,即安装扭矩—预紧力的一致性。一名高水平的设 计者,不仅应考虑设计,还因注意到装配的工艺性,甚至环保要求。下面根据上述因素简要介绍一些紧固 件常用的镀层,以供设计人员和紧固件从业人员参考。 电镀锌 电镀锌是商业紧固件最常用的镀层。它比较便宜,外观也较好看,可以有黑色、军绿色。然 而,它的防腐性能一般,其防腐性能是锌镀(涂)层中最低的。一般电镀锌中性盐雾试验在 72 小时之内, 也有采用特殊封闭剂,使得中性盐雾试验达 200 小时以上,但价格贵,是一般镀锌的 5~8 倍。 电镀锌加工过程易产生氢脆,所以 10.9 级以上的螺栓一般不采用镀锌的处理.虽然镀后可以用 烘箱去氢,但因钝化膜在 60℃以上时将遭,因此去氢必须在电镀后钝化前进行。如此可操作性差,加 工成本高。在现实中,一般生产厂不会主动去氢,除非特定客户的强制要求。 电镀锌的紧固件扭矩—预紧力一致性较差,且不稳定,一般不用于重要部位的连接。为了改善 扭矩—预紧力一致性,也可采用镀后涂覆润滑物质的方法改善和提高扭矩—预紧力一致性。 磷化( 磷化相对镀锌便宜,耐腐蚀性能比镀锌差) 磷化相对镀锌便宜,耐腐蚀性能比镀锌差。磷化后应涂油,其耐腐蚀性能的高低与所涂油的性 能有很大的关系。例如,磷化后涂一般的防锈油,中性盐雾试验也只有 10~20 小时。涂高档的防锈油,则 可达 72~96 小时。但其价格是一般磷化涂油的 2~3 倍。 紧固件磷化常用的两种,锌系磷化和锰系磷化。锌系磷化润滑性能比锰系磷化好,锰系磷化抗 腐蚀性,耐磨性镀锌较好。它的使用温度可达华氏 225 度到 400 度(107~204℃)。 工业用紧固件很多用磷化涂油处理。因为它扭矩—预紧力一致性很好,装配时能达到设 计所预期的紧固要求,所以在工业中使用较多。特别是一些重要零部件的连接。如,钢结构连接副,发动 机的连杆螺栓、螺母,缸盖、主轴承、飞轮螺栓,车轮螺栓螺母等。 高强度螺栓采用磷化,还可以避免氢脆问题,所以在工业领域 10.9 级以上的螺栓一般采用磷 化表面处理。 氧化(发黑) 发黑+涂油是工业紧固件很流行的镀层,因为它最便宜,并且在油耗尽之前看起来不错。由于 发黑几乎无防锈能力,所以无油后它很快就会生锈。就是在有油状态下,其中性盐雾试验也只能达到 3~5 小时。 发黑的紧固件扭矩—预紧力一致性也很差。如需提高,可以在装配时在内处螺纹上涂抹油脂后再 旋合。 电镀镉(价格约是电镀锌的 15~20 倍) 镉镀层耐腐蚀性能很好,特别是在海洋性大气下的耐腐蚀性较其他表面处理好。电镀镉的 加工过程中的废液处理费用大,成本高,其价格约是电镀锌的 15~20 倍。所以在一般行业不使用,只用于 一些特定的。如,用于石油钻井平台和海航飞机用紧固件。 电镀铬 铬镀层在大气中很稳定,不易变色和失去光泽,硬度高耐磨性好。在紧固件上用铬镀层一般是 作为装饰作用。在防腐性要求较高的工业领域很少使用,因为好的铬电镀紧固件与不锈钢同样昂贵,只是 使用不锈钢强度不够时,才用镀铬紧固件代替。 为了防止腐蚀,镀铬前应首先镀铜和镍。铬镀层可以承受华氏 1200 度(650℃)的高温。但也与电 镀锌一样存在氢脆问题。 镀银、镀镍 银镀层既可以防腐蚀,又可以作为紧固件的固体润滑剂。由于成本原因,螺母使用镀银,螺栓 不用,有时小螺栓也镀银。银在空气中失去光泽,但可以在华氏 1600 度下作用。所以,人们利用其耐高温 和润滑的特性,用于在高温下工作的紧固件,以防止螺栓、螺母的氧化咬死。 紧固件镀镍,主要用于既要防腐,又要导电性好的地方。如车辆电瓶的引出端子等。 热浸锌 热浸锌为锌加热到液体下热扩散涂层。其镀层厚度在 15~10μ m,并且不易控制,但搞腐蚀性 好,多用于工程中。热浸锌加工过程中污染严重,有锌废料和锌蒸汽等。 由于镀层厚,在紧固件中引发了内外螺纹难以旋合的问题。解决此问题有两种方法。一种是在镀后 再攻内螺纹,虽然解决了螺纹旋合的问题。但也降低了防腐性能。一种是在螺母攻丝时,使螺纹大于标准 纹约有 0.16~0.75mm(M5~M30),然后再热浸锌这样虽然也可解决旋合难题,但付出了强度降低的代价。目 前,有一种防松螺纹——美国“施必牢”内螺纹可以解决此难题。因其内螺纹与外螺纹未紧固时容隙大, 可以用于容得下厚的涂层,所以不影响旋合性,同时防腐性能和强度亦保持原样,不受影响。 因热浸锌加工的温度原因,它不能用于 10.9 级以上的紧固件。 渗锌 渗锌为锌粉固态冶金热扩散涂层。其均匀性好,螺纹、盲孔内都能获得均匀层。镀层厚度为 10~110μ m,并且误差可控制在 10%。它与基体的结合强度和防腐性能在锌涂层中(电镀锌、热浸锌、达克 罗)是最好的。其加工过程无污染,最环保。 达克罗 不存在氢脆问题,并且扭矩—预紧力一致性能很好。如不考虑六价铬的环保问题,它实际上 最适用于高防腐要求的高强度紧固件。 其他涂层 上述镀层之外,还有许多金属或非金属涂层。这些涂层由各公司详细阐明。如美加力 (MAGNI)、拉斯派特(RUSPERT)、耐美特(NanoMate)、美国 TIODIZE 公司的铝伏龙、钛伏龙。



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