表面處理技術論文

表面處理技術論文近年來，金屬表面處理技術得到了快速發(fā)展，并廣泛應用于各個領域。在表面處理技術和工程中，前處理占據(jù)著極其重要的地位。前處理不僅是表面處理前不可或缺的一道“準備工序”，而且與后續(xù)表面處理的成敗密切相關。除油、除銹、磷化、防銹等基體前處理是為金屬涂層技術和金屬防護技術做準備的。基體前處理的質(zhì)量對于涂層制備和金屬的使用有很大的影響。例如，對有磷化和無磷化處理的同一涂層進行鹽霧試驗，其結(jié)果是防腐蝕能力相差大約一倍?？梢?，除油、除銹、防銹、磷化等前處理對涂層的防銹能力和金屬的防護能力起著至關重要的作用?；w前處理的目的是：一是增加涂層與基體的結(jié)合強度，即加大附著力；二是增加涂層的功能，如防腐蝕、防磨損及潤滑等特殊功能。隨著金屬加工業(yè)、鐵路制造業(yè)、汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，對生產(chǎn)各種金屬制品及鐵路、汽車零部件產(chǎn)品的質(zhì)量有了更高的要求。通過長期的實踐證明，一些簡單、簡易的前處理方式已經(jīng)不能滿足金屬加工及涂裝的基本要求。只有采用標準的前處理生產(chǎn)工藝，才能使鋼鐵表面形成一層標準的磷酸鹽膜和防護膜，以滿足金屬加工和涂裝處理的質(zhì)量要求。因此，選用低成本、低能耗、高品質(zhì)的金屬前處理產(chǎn)品，是企業(yè)保證涂裝質(zhì)量和防護質(zhì)量穩(wěn)定與否的重要因素。表面處理是通過一定的方法在工件表面形成覆蓋層的過程，其目的是賦予制品表面美觀和防腐蝕的效果。進行的表面處理方法都歸結(jié)于以下常用幾種方法：1.電鍍(Electroplating)：將接受電鍍的部件浸于含有被沉積金屬化合物的水溶液中，以電流通過鍍液，使電鍍金屬析出并沉積在部件上。一般電鍍有鍍鋅、銅、鎳、鉻、銅鎳合金等，有時把煮黑（發(fā)藍）、磷化等也包括其中。2.熱浸鍍鋅：通過將碳鋼部件浸沒溫度約為510℃的溶化鋅的鍍槽內(nèi)完成。其結(jié)果是鋼件表面上的鐵鋅合金漸漸變成產(chǎn)品外表面上的鈍化鋅。熱浸鍍鋁是一個類似的過程。3.機械鍍：通過鍍層金屬的微粒來沖擊產(chǎn)品表面，并將涂層冷焊到產(chǎn)品的表面上。一般螺絲多采用電鍍方式，但用在電力、高速公路等室外的六角木螺釘?shù)扔脽峤\。電鍍的質(zhì)量以其耐腐蝕能力為主要衡量標準，其次是外觀。耐腐蝕能力即是模仿產(chǎn)品工作環(huán)境，設置為試驗條件，對其加以腐蝕試驗。電鍍產(chǎn)品的質(zhì)量從以下方面加以控制：（1）外觀：制品表面應無局部無鍍層、燒焦、粗糙、灰暗、起皮、結(jié)皮狀況和明顯條紋，也不應有針孔麻點、黑色鍍渣、鈍化膜疏松、龜裂、脫落和嚴重的鈍化痕跡。鍍層厚度對緊固件在腐蝕性大氣中的作業(yè)壽命有著直接的影響。建議采用經(jīng)濟電鍍，其鍍層厚度為0.00015in～0.0005in(4～12um)。熱浸鍍鋅的標準平均厚度為54um（稱呼徑≤3/8為43um），最小厚度為43um（稱呼徑≤3/8為37um）。緊固件表面的鍍層在不同的沉積方法下聚集方式也不同。電鍍時，鍍層金屬不會均勻地沉積在外周邊緣上，轉(zhuǎn)角處獲得較厚的鍍層。在緊固件的螺紋部分，最厚的鍍層位于螺紋牙頂，沿著螺紋側(cè)面漸漸變薄，在牙底處沉積最薄。熱浸鍍鋅則正好相反，較厚的鍍層沉積在內(nèi)轉(zhuǎn)角和螺紋底部。機械鍍的鍍層金屬沉積傾向與熱浸鍍相同，但更為光滑且在整個表面上厚度更均勻。緊固件在加工和處理過程中容易吸收氫原子，表面沉積的金屬鍍層會俘獲氫。當緊固件擰緊時，氫朝著應力最集中的部分轉(zhuǎn)移，引起壓力增高到超過基體金屬的強度并產(chǎn)生微小的表面破裂。氫特別活動并很快滲入到新形成的裂隙中。這種壓力-破裂-滲入的循環(huán)一直繼續(xù)到緊固件斷裂。為了消除氫脆的威脅，緊固件要在鍍后盡可能快地加熱烘焙，以使氫從鍍層中滲出。烘焙通常在375-4000F（176-190℃）進行3-24小時。由于機械鍍鋅是非電解質(zhì)的，這實際上消除了氫脆的威脅。無電解鍍鎳是目前國際上發(fā)展速度較快的表面處理工藝。它以無公害、操作簡單、可鍍基底廣泛以及鍍層良好的耐磨耐腐性能受到工業(yè)界普遍矚目和青睞。自催化鎳磷鍍，也被稱為化學鍍鎳技術，是一種低溫表面強化高新技術，目前在國際上發(fā)展速度最快。最初，它被用作電鍍鎳和電鍍鉻的替代鍍層，但后來發(fā)展成為耐腐蝕、耐磨和電磁波屏蔽等多功能用途的表面處理工藝，被廣泛應用于各個工業(yè)領域。尤其是在環(huán)保方面，化學鍍鎳作為一種無公害排放的表面處理工藝，被譽為綠色環(huán)保技術，受到了工業(yè)界的廣泛關注和青睞?；瘜W鍍鎳在石油天然氣工業(yè)中的應用已經(jīng)有多年歷史，是一種無公害排放的表面處理工藝。在北美，大約15%的化學鍍鎳用于油氣工業(yè)。經(jīng)過實踐證明，化學鍍鎳對石油天然氣工業(yè)最有價值的性能是鍍層的厚度均勻性、優(yōu)異的耐蝕性能以及耐磨/耐沖刷性能。通過應用化學鍍鎳，許多用于這一領域的傳統(tǒng)基體材料的性能得到了大大改善，并且降低了制造成本，延長了使用壽命。這一點具有特別重要的意義，因為石油天然氣工業(yè)中停機更換部件費用很高。石油天然氣工業(yè)的作用分為三個主要部分：地面作業(yè)、地下/井下作業(yè)和海上作業(yè)。設備通常暴露于氫化物、硫化氫、二氧化碳、鹽水、海水和含高濃度硫化物的暗礁水等苛刻的環(huán)境條件下，并且還合并有吸入泥沙和泥漿引起的磨損問題以及在某些情況下溫度高達250oC。通過化學鍍鎳處理，設備的性能得到了很大的提高，例如地面作業(yè)中的防噴器、制動系統(tǒng)、節(jié)流器、壓縮機、燃氣輪機、泵體、泵、連接管路和閥等；地下/井下作業(yè)中的聯(lián)接器、測井儀、拄塞、分隔器、泵、安全閥裝置和油管；海上作業(yè)中的防噴器、燃氣輪機/壓縮機、熱交換器、泵、隔水管連接器和閥等?；瘜W鍍鎳層的厚度均勻性、耐腐蝕性和耐磨性性能促使其廣泛用于閥和流量控制裝置。這些設備是油井作業(yè)的關鍵設備，油井作業(yè)的主要經(jīng)濟因素是設備有良好的性能和長的壽命。最初，人們認識到化學鍍鎳的可應用性能是其耐腐蝕性、光潔度和厚度均勻性。這些性能為球閥塞提供了所要求的表面條件，并改善了閥座部分的密封狀況。最初，人們只把化學鍍鎳看作是可能代替硬鉻的一種選擇，而現(xiàn)在化學鍍鎳已經(jīng)在這一市場中占據(jù)了統(tǒng)治地位。在石油天然氣工業(yè)中，化學鍍鎳已經(jīng)成功地應用于球閥、閥桿、聯(lián)接器、測井儀、拄塞、分隔器、防噴器、燃氣輪機/壓縮機、熱交換器、安全閥裝置等部件。例如，在中東一家工廠的原油生產(chǎn)中，球閥采用75微米的化學鍍鎳層，經(jīng)過兩年的連續(xù)運行未見設備表面損壞。在使用海水注入系統(tǒng)的采油廠中，球閥也能獲得同樣的好處。在沙特阿拉伯的Ghawar油田，閥采用75微米厚的化學鍍鎳層，成功地經(jīng)受了操作條件的考驗，運行四年未發(fā)現(xiàn)鍍層損壞?；瘜W鍍鎳的耐腐蝕性、硬度、表面光潔度和潤滑性對防火流量閥的生產(chǎn)和性能十分有益。防火流量閥要求在正常操作時能不漏氣泡，在不小心暴露于650oC溫度后能充當節(jié)流閥，并且要求在著火時也能工作?；瘜W鍍鎳也用于某些關鍵的安全閥中，例如防噴器。防噴器是用于緊急情況下關閉油氣井的安全閥，由液壓驅(qū)動活塞組成，能夠切入油氣管道，堵塞油氣的流動。采用大約100微米厚的化學鍍鎳可以達到所需的硬度和耐腐蝕性。(6)浸漬鍍是一種利用硫酸銅、硫酸亞錫等鹽的置換反應進行的浸鍍法，可以在鋼鐵件表面制得金黃色銅錫合金層。通過添加含氟系陰離子及羧基系陰離子的絡合劑，可以控制銅、錫離子的置換反應速度，從而獲得15%～39%銅含量的合金鍍層，外觀呈18～22K金色，膜層結(jié)合力好，耐蝕性優(yōu)良。浸漬鍍是一種無需外界電流或還原劑的置換鍍或接觸鍍，設備少、效率高、成本低。(7)陽極氧化是一種金屬或合金的電化學氧化處理，可以在金屬或合金的制件表面形成氧化物薄膜，從而改變表面狀態(tài)和性能，如表面著色，提高耐腐蝕性、增強耐磨性及硬度，保護金屬表面等。以鋁陽極氧化為例，將鋁及其合金置于相應電解液中作為陽極，在特定條件和外加電流作用下，進行電解。陽極的鋁或其合金氧化，表面上形成氧化鋁薄層，其厚度為5～20微米，硬質(zhì)陽極氧化膜可達60～200微米。陽極氧化后的鋁或其合金，硬度和耐磨性得到了提高，可達250～500千克／平方毫米，具有良好的耐熱性和絕緣性，耐擊穿電壓高達2000V，增強了抗腐蝕性能，在鹽霧中經(jīng)幾千小時不腐蝕。氧化膜薄層中具有大量的微孔，可吸附各種潤滑劑，適合制造發(fā)動機氣缸或其他耐磨零件；膜微孔吸附能力強可著色成各種美觀艷麗的色彩。有色金屬或其合金都可進行陽極氧化處理，這種方法廣泛用于機械零件、飛機汽車部件、精密儀器及無線電器材、日用品和建筑裝飾等方面。除金屬外，其他物質(zhì)在陽極氧化時會發(fā)生氧化作用，也稱為“陽極氧化”。在實際的生產(chǎn)工藝中，針對鋁合金的陽極氧化較為常見，可以應用于生產(chǎn)廚具等日用品。這種工藝的特性使鋁件表面產(chǎn)生堅硬的保護層。但是，鑄造鋁的陽極氧化效果不佳，表面不夠光滑，且只能呈現(xiàn)黑色。相比之下，鋁合金型材的陽極氧化效果要好一些。化學轉(zhuǎn)化層（ChemicalConversionCoating）包括鋼鐵發(fā)黑（Blackening）、鋼鐵磷化（Phosphating）等。復合電鍍（彌散電鍍）是一種使用電化學法或化學法將權金屬離子與均勻懸浮在溶液中的不溶性金屬顆粒結(jié)合起來的方法。鉻酸鹽處理（Chromating）、金屬染色（MetalColouring）以及涂裝（PaintFinishing）包括各種涂裝方式，如手工涂裝、靜電涂裝和電泳涂裝等。熱浸鍍（HotDip）是將被鍍金屬材料浸泡在熔點較低的其他液態(tài)金屬或合金中進行鍍層的方法。這種方法的基本特征是在基體金屬與鍍層金屬之間形成合金層。熱浸鍍鋅（Galvanizing），俗稱“鉛水”，是一種將金屬浸泡在熔化的鋅中進行鍍層的方法。熱浸鍍錫（Tinning）的主要步驟是將待鍍物經(jīng)過連續(xù)的水洗、酸洗清除表面污物和銹點后，浸漬助焊劑以利于后續(xù)的鍍錫加工。然后再浸漬錫液，經(jīng)過撒甩、敲捶、回轉(zhuǎn)等步驟，去除多余的錫液并使錫液均勻地分布在待鍍物表面。最后，進行冷卻干燥即可完成熱浸鍍錫的作用。陰極濺射是一種將具有足夠能量的帶電粒子或中性粒子碰撞物體表面時，將能量傳遞給表面原子的方法。只要表面原子獲得的能量大于其本身的電離能，就能擺脫周圍原子的束縛而離開物體表面，這種現(xiàn)象稱為濺射。真空鍍是一種在真空條件下，通過蒸餾或濺射等方式在塑件表面沉積各種金屬和非金屬薄膜的技術。它具有速度快、附著力好等優(yōu)點，但價格較高，可操作的金屬類型較少。因此，真空鍍一般用于較高檔產(chǎn)品的功能性鍍層，例如作為內(nèi)部屏蔽層使用。離子鍍是一種在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分電離，并在氣體離子或被蒸發(fā)離子鍍原理圖物質(zhì)離子的轟擊下，將蒸發(fā)物質(zhì)或其反應物沉積在基片上的方法。其中包括磁控濺射離子鍍、反應離子鍍、空心陰極放電離子鍍（空心陰極蒸鍍法）、多弧離子鍍（陰極電弧離子鍍）等。表面硬化是指通過適當?shù)姆椒ㄊ沽慵谋韺佑不慵男牟咳匀痪哂袕婍g性的處理。通過這種處理，可以改善零件的耐磨性和耐疲勞性。常用的表面硬化處理方法主要有滲碳、氮化、硬質(zhì)陽極氧化、鍍鉻、表面淬火以及滲金屬等。滲碳是一種常用的表面硬化處理方法，其原理是在滲碳介質(zhì)中加熱或保溫含碳量較低的鋼制零件，使碳原子滲入表面，獲得一定的表面含碳量。在淬火之后，含碳量高的表層硬度很高，而含碳量低的心部硬度低仍具有良好的韌性。滲碳法主要用于承受磨損、交變接觸應力或者彎曲應力和沖擊載荷的零件，如軸、齒輪、凸輪軸等。固體滲碳法、液體滲碳法和氣體滲碳法是滲碳法的三種常見形式。此外，還有真空滲碳法。滲碳層的深度會隨著滲碳時間和溫度的增加而加深，但滲碳速度會隨時間延長而減慢。為了防止不需要滲碳的部位受到影響，可以采用鍍銅保護或者預留加工余量，滲碳后再將該處切掉。滲碳后必須進行淬火和低溫回火處理以獲得所需的硬度，其中高硬度時需要在150℃左右回火，而為了保持零件尺寸精度和防止時效變形，需要在180℃—200℃左右回火。需要注意的是，我們通常提到的滲碳層深度是指淬火后的有效硬化層深度，實際碳在零件中擴散的距離比這個要大得多。等離子堆焊和涂層可以形成深度達幾毫米的擴散層，從而得到高強度的結(jié)合。冷焊的實現(xiàn)是因為放電時間與下一次放電間隔時間相比極短，機器有足夠的相對停止時間，熱量會通過工件基本體擴散到外界，因此工件的被加工部位不會有熱量的聚集。雖然工件的升溫幾乎停留在室溫，但由于瞬時熔化的原因，電極尖端的溫度可以達到25000℃左右。利用智能修補冷焊機進行修補堆焊時，由于焊條瞬間產(chǎn)生金屬熔滴，過渡到與母材金屬的接觸部位，同時由于等離子電弧的高溫作用，表層深處開成像生了根一樣的強固的擴散層，從而呈現(xiàn)出高結(jié)合性，不會脫落。該產(chǎn)品具有設計合理、自由調(diào)節(jié)、熱影響區(qū)域小、修復精度高、熔接強高、攜帶方便、經(jīng)濟性等優(yōu)點?？梢愿鶕?jù)不同金屬材質(zhì)選用不同檔放電頻率，以達到最佳修補效果。堆覆的瞬間過程中無熱輸入，因而無變形、咬邊和殘余應力，不會產(chǎn)生局部退火，修復后不需要重新熱處理。在焊補過程中克服了普通氬弧焊對工件周邊產(chǎn)生沖擊的現(xiàn)象，對沒有余量的工件加工面也可進行修補。堆焊厚度從幾微米到幾毫米，只需打磨、拋光即可。重量輕（28公斤），220V電源，無工作環(huán)境要求，可以在現(xiàn)場立即修復，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省費用。8、這種設備可以進行多種功能，如堆焊和表面強化。通過調(diào)整放電功率和頻率，可以達到所需的厚度和光潔度。9、使用不同的電極棒材料，可以獲得不同硬度的堆焊修補層，范圍在HRC25到HRC62之間。該設備采用改進型內(nèi)置工控微機進行雙閉環(huán)精密控制，穩(wěn)定性和運行能力優(yōu)于同類產(chǎn)品。氣體保護系統(tǒng)采用微機控制的同步氬氣保護系統(tǒng)，提高了氬氣保護效果和焊接牢固性，同時節(jié)約了氬氣。表面處理未來發(fā)展方向：1、追求零排放是表面處理領域的重要目標。目前，表面處理產(chǎn)生的廢水、廢氣、廢渣等問題仍然存在，一些有毒有害物質(zhì)仍然進入自然環(huán)境。與國際先進水平相比，我國表面處理的排放標準還有很大的提升空間。因此，我們需要在技術和裝備上進行新的探索和提高，引進國外先進技術的同時，也要堅持自主研發(fā)，為民族工業(yè)的發(fā)展做出貢獻。2、全方位實施綜合利用是表面處理領域的另一個重要目標。表面處理與化學工業(yè)密不可分，應該實現(xiàn)封閉循環(huán)和三廢的綜合利用?；瘜W反應可以逆向進行，廢料的綜合利用是可以實現(xiàn)的。我們可以設想，所有提供化工產(chǎn)品的企業(yè)應該同時承擔產(chǎn)品使用后產(chǎn)生廢物的回收利用責任，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)和廢物回收利用的集中管理，加快綜合利用的實施步伐。3、全力開發(fā)低毒低害甚至無毒無害材料也是表面處理領域的重要方向。我們應該加強研發(fā)，開發(fā)更為環(huán)保的材料，以實現(xiàn)表面處理的可持續(xù)發(fā)展。在工業(yè)化過程中，排放有害物質(zhì)對環(huán)境造成了很大的影響。雖然我們可以通過封閉循環(huán)、實現(xiàn)零排放、加強三廢綜合利用等被動的措施來防止有害物質(zhì)進入自然環(huán)境，但最好的方法是從一開始就開發(fā)無毒無害材料。隨著科技的進步和人們對環(huán)境污染的認識提高，人類已經(jīng)在開發(fā)無毒無害材料方面做出了巨大努力。例如，過去通行的殺蟲劑“敵敵畏”、“DDT”已經(jīng)被禁止使用，而一些無害殺蟲劑特別是微生物制品已經(jīng)陸續(xù)投入使用。汽車工業(yè)中，過去使用的含鉛汽油已經(jīng)被無鉛汽油和電噴發(fā)動機及三元催化裝置所取代。表面處理學科在開發(fā)低毒低害、無毒無害材料方面也作出了貢獻，例如電泳漆、面漆的水性化發(fā)展。然而，進一步開發(fā)低毒低害、無毒無害材料仍然是科學領域主要課題，我們需要認真研究磷化工藝等廣泛采用的表面處理技術，以減少富營養(yǎng)化物質(zhì)對環(huán)境的污染。降低能耗是全球各工業(yè)領域的永恒主題，汽車工業(yè)中表面處理技術在