常见金属表面处理工艺

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 阴 阳 两 极 施 加 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保护层 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 皮 带 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 限制 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 受场地的限制 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 破 坏 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 破 坏 表 面 积 有 所 增 加 由 于 加 工 过 程 中 工 件 表 面 没 有 被 破 坏 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 转化膜的过程 所形 成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜 磷化的目的主要是 给基体金属提供保护 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 分 子 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 一般镀层的温度限制比紧固件材料要低 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 以上时将遭破坏 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 装配时能保证 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环境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 只用于一些特定的环境 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 10 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 10 110 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