表面处理技术论文

表面处理技术论文近年来，金属表面处理技术得到了快速发展，并广泛应用于各个领域。在表面处理技术和工程中，前处理占据着极其重要的地位。前处理不仅是表面处理前不可或缺的一道“准备工序”，而且与后续表面处理的成败密切相关。除油、除锈、磷化、防锈等基体前处理是为金属涂层技术和金属防护技术做准备的。基体前处理的质量对于涂层制备和金属的使用有很大的影响。例如，对有磷化和无磷化处理的同一涂层进行盐雾试验，其结果是防腐蚀能力相差大约一倍。可见，除油、除锈、防锈、磷化等前处理对涂层的防锈能力和金属的防护能力起着至关重要的作用。基体前处理的目的是：一是增加涂层与基体的结合强度，即加大附着力；二是增加涂层的功能，如防腐蚀、防磨损及润滑等特殊功能。随着金属加工业、铁路制造业、汽车行业的飞速发展，对生产各种金属制品及铁路、汽车零部件产品的质量有了更高的要求。通过长期的实践证明，一些简单、简易的前处理方式已经不能满足金属加工及涂装的基本要求。只有采用标准的前处理生产工艺，才能使钢铁表面形成一层标准的磷酸盐膜和防护膜，以满足金属加工和涂装处理的质量要求。因此，选用低成本、低能耗、高品质的金属前处理产品，是企业保证涂装质量和防护质量稳定与否的重要因素。表面处理是通过一定的方法在工件表面形成覆盖层的过程，其目的是赋予制品表面美观和防腐蚀的效果。进行的表面处理方法都归结于以下常用几种方法：1.电镀(Electroplating)：将接受电镀的部件浸于含有被沉积金属化合物的水溶液中，以电流通过镀液，使电镀金属析出并沉积在部件上。一般电镀有镀锌、铜、镍、铬、铜镍合金等，有时把煮黑（发蓝）、磷化等也包括其中。2.热浸镀锌：通过将碳钢部件浸没温度约为510℃的溶化锌的镀槽内完成。其结果是钢件表面上的铁锌合金渐渐变成产品外表面上的钝化锌。热浸镀铝是一个类似的过程。3.机械镀：通过镀层金属的微粒来冲击产品表面，并将涂层冷焊到产品的表面上。一般螺丝多采用电镀方式，但用在电力、高速公路等室外的六角木螺钉等用热浸锌。电镀的质量以其耐腐蚀能力为主要衡量标准，其次是外观。耐腐蚀能力即是模仿产品工作环境，设置为试验条件，对其加以腐蚀试验。电镀产品的质量从以下方面加以控制：（1）外观：制品表面应无局部无镀层、烧焦、粗糙、灰暗、起皮、结皮状况和明显条纹，也不应有针孔麻点、黑色镀渣、钝化膜疏松、龟裂、脱落和严重的钝化痕迹。镀层厚度对紧固件在腐蚀性大气中的作业寿命有着直接的影响。建议采用经济电镀，其镀层厚度为0.00015in～0.0005in(4～12um)。热浸镀锌的标准平均厚度为54um（称呼径≤3/8为43um），最小厚度为43um（称呼径≤3/8为37um）。紧固件表面的镀层在不同的沉积方法下聚集方式也不同。电镀时，镀层金属不会均匀地沉积在外周边缘上，转角处获得较厚的镀层。在紧固件的螺纹部分，最厚的镀层位于螺纹牙顶，沿着螺纹侧面渐渐变薄，在牙底处沉积最薄。热浸镀锌则正好相反，较厚的镀层沉积在内转角和螺纹底部。机械镀的镀层金属沉积倾向与热浸镀相同，但更为光滑且在整个表面上厚度更均匀。紧固件在加工和处理过程中容易吸收氢原子，表面沉积的金属镀层会俘获氢。当紧固件拧紧时，氢朝着应力最集中的部分转移，引起压力增高到超过基体金属的强度并产生微小的表面破裂。氢特别活动并很快渗入到新形成的裂隙中。这种压力-破裂-渗入的循环一直继续到紧固件断裂。为了消除氢脆的威胁，紧固件要在镀后尽可能快地加热烘焙，以使氢从镀层中渗出。烘焙通常在375-4000F（176-190℃）进行3-24小时。由于机械镀锌是非电解质的，这实际上消除了氢脆的威胁。无电解镀镍是目前国际上发展速度较快的表面处理工艺。它以无公害、操作简单、可镀基底广泛以及镀层良好的耐磨耐腐性能受到工业界普遍瞩目和青睐。自催化镍磷镀，也被称为化学镀镍技术，是一种低温表面强化高新技术，目前在国际上发展速度最快。最初，它被用作电镀镍和电镀铬的替代镀层，但后来发展成为耐腐蚀、耐磨和电磁波屏蔽等多功能用途的表面处理工艺，被广泛应用于各个工业领域。尤其是在环保方面，化学镀镍作为一种无公害排放的表面处理工艺，被誉为绿色环保技术，受到了工业界的广泛关注和青睐。化学镀镍在石油天然气工业中的应用已经有多年历史，是一种无公害排放的表面处理工艺。在北美，大约15%的化学镀镍用于油气工业。经过实践证明，化学镀镍对石油天然气工业最有价值的性能是镀层的厚度均匀性、优异的耐蚀性能以及耐磨/耐冲刷性能。通过应用化学镀镍，许多用于这一领域的传统基体材料的性能得到了大大改善，并且降低了制造成本，延长了使用寿命。这一点具有特别重要的意义，因为石油天然气工业中停机更换部件费用很高。石油天然气工业的作用分为三个主要部分：地面作业、地下/井下作业和海上作业。设备通常暴露于氢化物、硫化氢、二氧化碳、盐水、海水和含高浓度硫化物的暗礁水等苛刻的环境条件下，并且还合并有吸入泥沙和泥浆引起的磨损问题以及在某些情况下温度高达250ºC。通过化学镀镍处理，设备的性能得到了很大的提高，例如地面作业中的防喷器、制动系统、节流器、压缩机、燃气轮机、泵体、泵、连接管路和阀等；地下/井下作业中的联接器、测井仪、拄塞、分隔器、泵、安全阀装置和油管；海上作业中的防喷器、燃气轮机/压缩机、热交换器、泵、隔水管连接器和阀等。化学镀镍层的厚度均匀性、耐腐蚀性和耐磨性性能促使其广泛用于阀和流量控制装置。这些设备是油井作业的关键设备，油井作业的主要经济因素是设备有良好的性能和长的寿命。最初，人们认识到化学镀镍的可应用性能是其耐腐蚀性、光洁度和厚度均匀性。这些性能为球阀塞提供了所要求的表面条件，并改善了阀座部分的密封状况。最初，人们只把化学镀镍看作是可能代替硬铬的一种选择，而现在化学镀镍已经在这一市场中占据了统治地位。在石油天然气工业中，化学镀镍已经成功地应用于球阀、阀杆、联接器、测井仪、拄塞、分隔器、防喷器、燃气轮机/压缩机、热交换器、安全阀装置等部件。例如，在中东一家工厂的原油生产中，球阀采用75微米的化学镀镍层，经过两年的连续运行未见设备表面损坏。在使用海水注入系统的采油厂中，球阀也能获得同样的好处。在沙特阿拉伯的Ghawar油田，阀采用75微米厚的化学镀镍层，成功地经受了操作条件的考验，运行四年未发现镀层损坏。化学镀镍的耐腐蚀性、硬度、表面光洁度和润滑性对防火流量阀的生产和性能十分有益。防火流量阀要求在正常操作时能不漏气泡，在不小心暴露于650ºC温度后能充当节流阀，并且要求在着火时也能工作。化学镀镍也用于某些关键的安全阀中，例如防喷器。防喷器是用于紧急情况下关闭油气井的安全阀，由液压驱动活塞组成，能够切入油气管道，堵塞油气的流动。采用大约100微米厚的化学镀镍可以达到所需的硬度和耐腐蚀性。(6)浸渍镀是一种利用硫酸铜、硫酸亚锡等盐的置换反应进行的浸镀法，可以在钢铁件表面制得金黄色铜锡合金层。通过添加含氟系阴离子及羧基系阴离子的络合剂，可以控制铜、锡离子的置换反应速度，从而获得15%～39%铜含量的合金镀层，外观呈18～22K金色，膜层结合力好，耐蚀性优良。浸渍镀是一种无需外界电流或还原剂的置换镀或接触镀，设备少、效率高、成本低。(7)阳极氧化是一种金属或合金的电化学氧化处理，可以在金属或合金的制件表面形成氧化物薄膜，从而改变表面状态和性能，如表面着色，提高耐腐蚀性、增强耐磨性及硬度，保护金属表面等。以铝阳极氧化为例，将铝及其合金置于相应电解液中作为阳极，在特定条件和外加电流作用下，进行电解。阳极的铝或其合金氧化，表面上形成氧化铝薄层，其厚度为5～20微米，硬质阳极氧化膜可达60～200微米。阳极氧化后的铝或其合金，硬度和耐磨性得到了提高，可达250～500千克／平方毫米，具有良好的耐热性和绝缘性，耐击穿电压高达2000V，增强了抗腐蚀性能，在盐雾中经几千小时不腐蚀。氧化膜薄层中具有大量的微孔，可吸附各种润滑剂，适合制造发动机气缸或其他耐磨零件；膜微孔吸附能力强可着色成各种美观艳丽的色彩。有色金属或其合金都可进行阳极氧化处理，这种方法广泛用于机械零件、飞机汽车部件、精密仪器及无线电器材、日用品和建筑装饰等方面。除金属外，其他物质在阳极氧化时会发生氧化作用，也称为“阳极氧化”。在实际的生产工艺中，针对铝合金的阳极氧化较为常见，可以应用于生产厨具等日用品。这种工艺的特性使铝件表面产生坚硬的保护层。但是，铸造铝的阳极氧化效果不佳，表面不够光滑，且只能呈现黑色。相比之下，铝合金型材的阳极氧化效果要好一些。化学转化层（ChemicalConversionCoating）包括钢铁发黑（Blackening）、钢铁磷化（Phosphating）等。复合电镀（弥散电镀）是一种使用电化学法或化学法将权金属离子与均匀悬浮在溶液中的不溶性金属颗粒结合起来的方法。铬酸盐处理（Chromating）、金属染色（MetalColouring）以及涂装（PaintFinishing）包括各种涂装方式，如手工涂装、静电涂装和电泳涂装等。热浸镀（HotDip）是将被镀金属材料浸泡在熔点较低的其他液态金属或合金中进行镀层的方法。这种方法的基本特征是在基体金属与镀层金属之间形成合金层。热浸镀锌（Galvanizing），俗称“铅水”，是一种将金属浸泡在熔化的锌中进行镀层的方法。热浸镀锡（Tinning）的主要步骤是将待镀物经过连续的水洗、酸洗清除表面污物和锈点后，浸渍助焊剂以利于后续的镀锡加工。然后再浸渍锡液，经过撒甩、敲捶、回转等步骤，去除多余的锡液并使锡液均匀地分布在待镀物表面。最后，进行冷却干燥即可完成热浸镀锡的作用。阴极溅射是一种将具有足够能量的带电粒子或中性粒子碰撞物体表面时，将能量传递给表面原子的方法。只要表面原子获得的能量大于其本身的电离能，就能摆脱周围原子的束缚而离开物体表面，这种现象称为溅射。真空镀是一种在真空条件下，通过蒸馏或溅射等方式在塑件表面沉积各种金属和非金属薄膜的技术。它具有速度快、附着力好等优点，但价格较高，可操作的金属类型较少。因此，真空镀一般用于较高档产品的功能性镀层，例如作为内部屏蔽层使用。离子镀是一种在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离，并在气体离子或被蒸发离子镀原理图物质离子的轰击下，将蒸发物质或其反应物沉积在基片上的方法。其中包括磁控溅射离子镀、反应离子镀、空心阴极放电离子镀（空心阴极蒸镀法）、多弧离子镀（阴极电弧离子镀）等。表面硬化是指通过适当的方法使零件的表层硬化而零件的心部仍然具有强韧性的处理。通过这种处理，可以改善零件的耐磨性和耐疲劳性。常用的表面硬化处理方法主要有渗碳、氮化、硬质阳极氧化、镀铬、表面淬火以及渗金属等。渗碳是一种常用的表面硬化处理方法，其原理是在渗碳介质中加热或保温含碳量较低的钢制零件，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含碳量。在淬火之后，含碳量高的表层硬度很高，而含碳量低的心部硬度低仍具有良好的韧性。渗碳法主要用于承受磨损、交变接触应力或者弯曲应力和冲击载荷的零件，如轴、齿轮、凸轮轴等。固体渗碳法、液体渗碳法和气体渗碳法是渗碳法的三种常见形式。此外，还有真空渗碳法。渗碳层的深度会随着渗碳时间和温度的增加而加深，但渗碳速度会随时间延长而减慢。为了防止不需要渗碳的部位受到影响，可以采用镀铜保护或者预留加工余量，渗碳后再将该处切掉。渗碳后必须进行淬火和低温回火处理以获得所需的硬度，其中高硬度时需要在150℃左右回火，而为了保持零件尺寸精度和防止时效变形，需要在180℃—200℃左右回火。需要注意的是，我们通常提到的渗碳层深度是指淬火后的有效硬化层深度，实际碳在零件中扩散的距离比这个要大得多。等离子堆焊和涂层可以形成深度达几毫米的扩散层，从而得到高强度的结合。冷焊的实现是因为放电时间与下一次放电间隔时间相比极短，机器有足够的相对停止时间，热量会通过工件基本体扩散到外界，因此工件的被加工部位不会有热量的聚集。虽然工件的升温几乎停留在室温，但由于瞬时熔化的原因，电极尖端的温度可以达到25000℃左右。利用智能修补冷焊机进行修补堆焊时，由于焊条瞬间产生金属熔滴，过渡到与母材金属的接触部位，同时由于等离子电弧的高温作用，表层深处开成像生了根一样的强固的扩散层，从而呈现出高结合性，不会脱落。该产品具有设计合理、自由调节、热影响区域小、修复精度高、熔接强高、携带方便、经济性等优点。可以根据不同金属材质选用不同档放电频率，以达到最佳修补效果。堆覆的瞬间过程中无热输入，因而无变形、咬边和残余应力，不会产生局部退火，修复后不需要重新热处理。在焊补过程中克服了普通氩弧焊对工件周边产生冲击的现象，对没有余量的工件加工面也可进行修补。堆焊厚度从几微米到几毫米，只需打磨、抛光即可。重量轻（28公斤），220V电源，无工作环境要求，可以在现场立即修复，提高生产效率，节省费用。8、这种设备可以进行多种功能，如堆焊和表面强化。通过调整放电功率和频率，可以达到所需的厚度和光洁度。9、使用不同的电极棒材料，可以获得不同硬度的堆焊修补层，范围在HRC25到HRC62之间。该设备采用改进型内置工控微机进行双闭环精密控制，稳定性和运行能力优于同类产品。气体保护系统采用微机控制的同步氩气保护系统，提高了氩气保护效果和焊接牢固性，同时节约了氩气。表面处理未来发展方向：1、追求零排放是表面处理领域的重要目标。目前，表面处理产生的废水、废气、废渣等问题仍然存在，一些有毒有害物质仍然进入自然环境。与国际先进水平相比，我国表面处理的排放标准还有很大的提升空间。因此，我们需要在技术和装备上进行新的探索和提高，引进国外先进技术的同时，也要坚持自主研发，为民族工业的发展做出贡献。2、全方位实施综合利用是表面处理领域的另一个重要目标。表面处理与化学工业密不可分，应该实现封闭循环和三废的综合利用。化学反应可以逆向进行，废料的综合利用是可以实现的。我们可以设想，所有提供化工产品的企业应该同时承担产品使用后产生废物的回收利用责任，实现产品开发和废物回收利用的集中管理，加快综合利用的实施步伐。3、全力开发低毒低害甚至无毒无害材料也是表面处理领域的重要方向。我们应该加强研发，开发更为环保的材料，以实现表面处理的可持续发展。在工业化过程中，排放有害物质对环境造成了很大的影响。虽然我们可以通过封闭循环、实现零排放、加强三废综合利用等被动的措施来防止有害物质进入自然环境，但最好的方法是从一开始就开发无毒无害材料。随着科技的进步和人们对环境污染的认识提高，人类已经在开发无毒无害材料方面做出了巨大努力。例如，过去通行的杀虫剂“敌敌畏”、“DDT”已经被禁止使用，而一些无害杀虫剂特别是微生物制品已经陆续投入使用。汽车工业中，过去使用的含铅汽油已经被无铅汽油和电喷发动机及三元催化装置所取代。表面处理学科在开发低毒低害、无毒无害材料方面也作出了贡献，例如电泳漆、面漆的水性化发展。然而，进一步开发低毒低害、无毒无害材料仍然是科学领域主要课题，我们需要认真研究磷化工艺等广泛采用的表面处理技术，以减少富营养化物质对环境的污染。降低能耗是全球各工业领域的永恒主题，汽车工业中表面处理技术在