机械零件表面处理及应用

机械零件表面处理及应用培训讲义沈平一、绪论：本讲义所指机械零件，一般可分为金属零件【机加件，铸件（铸铁，铸钢，铸铝，铸铜），压铸件（镁合金、铝合金、铜合金等），粉末冶金件，冲压件（钣金）等】与非金属零件【塑料件（注塑，吹塑，吸塑，滚塑等），橡胶件，玻璃钢件等】。一般而言，金属零件大都需要经过传统的表面处理后（电镀，发黑，磷化，阳极化，等手段达到防腐，耐磨，装饰等目的）才能正常使用，而塑料及玻璃钢零件，很多也需要一定的表面处理后才能使用（电镀，喷漆，真空离子镀膜等）。所以传统的机械零件的表面处理在制造过程中占有重要地位。而机械零件广义的表面处理则内容更广泛。它包括：广义表面处理技术的分类：①表面强化处理（喷丸、滚压、挤压、抛光、表面热处理）②表面清洁处理（溶剂、蒸汽、表面活性剂、电解、超声波去污脱脂，喷砂、酸洗等）③表面装饰处理（喷漆、喷塑、电镀、离子镀、阳极化及染色等）④表面防蚀处理（喷漆、喷塑、热浸镀、热喷镀、离子镀、电镀、阳极化、化学镀、发兰、磷化、镁合金化成处理等）⑤表面修复处理（电刷镀，胶粘技术等）利用现代物理化学、金属学和热处理等学科的边缘新技术，来改变机械零件表面的状况和性质，使之与材料心部与表面的性能形成优化组合，以达到预定性能要求的工艺方法，称为广义表面处理。1、增加表面硬度、耐磨耗：应用于模具、活塞、汽缸、工具、滑轨、轴、齿轮等。2、增加表面对氧化及腐蚀的抵抗能力：应用于化工机械、医疗器具、汽车鈑金等。3、增加表面之耐热、热传导、热反射等特性：应用于散热板、航空发动机零件等。4、改善表面粗糙度及摩擦作用：应用于机械零组件之滑动面、轴与轴承、刀具、工具等。5、改变表面导电及电阻的性质，改善零件的焊接特性：应用于电子零件、记忆体、半导体元件等。6、改变表面对光的反射，选择性吸收、耐候等特性：应用于反射鏡、汽机車零件等。7、增进表面的清洁、光泽、顏色、美观等：应用于各类型民生用品、运动器材、装饰品等。二、表面处理目的及应用：1、污染物5、母材2、吸附气体3、氧化层4、加工硬化层三、零件表面物质结构四、零件表面损害与防护原理工件表面因与外界环境接触，容易受到环境中有害物的侵袭，而产生不同程度的损害。常见的损害有：1、锈蚀：铁系金属材料才会发生。指空气中的氧和铁元素形成氧化物，俗称铁锈。铁锈层疏松且极易剝落，以至无法保护工件內部的材料，致使材料不断的被氧化(生锈)而損失。非铁系金属与氧化合形成的氧化物与铁锈不同，反而具有保护工件內部材料的优点，如铝、钛、铜金属的氧化物。2、腐蚀：大部分的金属在含有水分的潮湿环境中，易发生电子转移作用，而成为离子形式，并与母材分离，称之为腐蚀，它是一种电化学反应。腐蚀的形式很多，产生的原因也各有不同（见图）。3、刮痕或碰伤等：零件表面被其它物体碰撞或摩擦以致工件表面有部分的材料脱落，造成表面凹痕，不光滑或不美观等情况。铜绿铁锈铁锈铁锈⑴均勻腐蚀(钢铁生銹)⑵电位差腐蚀(异种金屬的电腐蚀)⑶间隙腐蝕⑷孔穴腐蝕⑸晶界腐蝕⑹选择性腐蝕(成分改变)⑺冲蚀腐蝕⑻应力腐蝕金属的腐蚀形式影响金属腐蚀的外部因素：1、相对湿度的影响空气中相对湿度越高，金属表面水膜越厚，空气中的氧透过水膜到达金属表面，当相对湿度达到一定数值时，腐蚀速度大幅上升，这个数值称为临界相对湿度，钢的临界相对湿度约为70%。2、温度的影响环境温度与相对湿度关联，干燥的环境（沙漠）下，气温再高金属也不容易锈蚀。当相对湿度达到临界值时，温度的影响明显加剧，温度每增加10℃，锈蚀速度提高两倍。因此，在湿热带或雨季，气温越高，锈蚀越严重。3、大气中含有氧气、水份就会产生氧化，而盐雾、二氧化硫、硫化氢和灰尘会加速腐蚀，因此，不同环境下受腐蚀的大小差别是明显的，城市高于农村；工业区高于生活区；沿海高于内陆；高粉尘高于低粉尘。工件表面是工件內部材料与周围环境的交界面，通常表面的定义是指：深几个μm到几十个μm的厚度，並且包含許多不同物质的薄层所构成，如上图三所示。工件表面所承受外界的各种作用和因此而受到的影响及产生的反应例如，对光和热的反射及吸收，受外力作用所产生的摩擦及破坏現象等，都与內部材料有很大的差別。随着科技的进步，材料被应用的范围日趋广泛且复杂，对材料性质的要求也较以往严酷，尤其应用在高温，潮湿、强酸，强碱，接触面为高速相对运动或强辐射的恶劣环境下，工件材料表面抵抗有害环境影响的能力，成为产品功能表現和使用寿命長短的关鍵因素之一。因此，对工件表面除了美观要求之外，尚有耐磨耗，防銹，防腐蝕，耐高温，或绝緣性等不同的要求。所以为加强工件表面的防锈、防腐蚀及抵抗外界机械损伤的综合能力，昀直接有效的方法，就是使用专门选择的材料，把工件表面和外界环境隔绝开來，或在一定工艺条件下，改变工件表面材料的成分及结构组成。传统的表面防护处理是使用电镀、真空镀膜、噴涂、油漆等方式，使镀（涂）层材料在工件表面上产生一层被覆，以保护工件母材，同时也可增进美观。镀层材料的功能有两类：一类是镀层本身比工件母材更耐蚀，以发挥隔离的作用。另一类是镀层比工件母材更易腐蚀，充当牺牲阳极。此时镀层越厚保护效果越好，钢铁零件镀锌就是牺牲阳极应用的典型例子。五、零件的表面前处理目的：为零件表面处理的后续步骤做必要的准备，或为了增进产品外表的干净及美观。（包含表面清洁和表面机械处理）表面清洁：指利用各种溶剂或电解、超声波等方式，将工件表面附着的油污、碎屑、各种杂物及氧化或腐蚀的生成物等，加以去除以得到工件材料之真正表面层。表面机械处理：是以喷砂、研磨或拋光等方法，除了可达到清洗效果外，尚可使工件表面光滑，改变零件表面机械性能，改善表面美观度及镀（涂）层的附着能力。工件经过机械加工后，其表面常附着有污物，例如油、脂、腊、碳粒、其他金属颗粒、粉尘或砂粒等。此外，在工件表面与空气接触而形成的氧化层等生成物，则又是另一形式的异物。以上两者都必须在后续加工，尤其在进行昀后步骤的表面处理前，都必須被清除干净。表面清洁的方法有：1、表面清洗：A、清洁剂清洁法：使用含有界（表）面活性剂或碱性清洁剂的溶液，加温后，对工件浸没其中或对工件喷洒冲洗以产生洗净效果。接着可用有机溶剂，如汽油、三氯乙烯等進一步去除残留的污物。对于紧附表面的污物，则可选用乳化液清洁剂加以清除。水或水蒸气的洗涤，也是常見的表面清洁方法。B、电解清洁法：工件浸没于电解水液中通以电流，借溶液中水分子电解、产生氢气或氧气的上升搅拌作用，洗净污物。通常用于需要特別清洁的表面，如电镀的前置处理。C、超声波清洁法：利用超声波的振动能量特性，迫使液体剧烈的摩擦工件表面，可完全清洁复杂表面或细小工件的难以清洗的部位，甚至包括凹部或裂缝內部的污物。D、酸性清洁法：以有机酸、矿物酸等酸性清洗液，进行酸洗或蚀刻工件表面的氧化层(生銹层)、油渍污垢或机械加工时产生的硬化层等。借由机械力的作用，不仅可以清除工件表面上的污物、锈蚀、毛边等，而且还可增进表面光滑度或附着能力，以利电镀或其他的表面处理。A、噴砂：利用喷砂机一定规格的砂粒、氧化鋁、金属颗粒或玻璃球等磨料经喷嘴高速吹向工件表面，利用磨料颗粒撞击时的力量去除污物，铲平工件表面的粗糙凸起部份。2、表面机械处理：①喷丸处理是利用高速喷射出的砂粒和铁丸，对工件表面进行撞击，以提高零件的部分力学性能和改变表面状态的工艺。②喷丸通常是直径为0.5～2mm的沙粒或铁丸。沙粒的材料多为Al2O3或SiO2。表面处理的效果与丸粒的大小、喷射速度和持续时间有关。③喷丸用于提高零件机械强度以及耐磨性、抗疲劳和耐蚀性等，还可用于表面消光、去氧化皮和消除铸、锻、焊件的残余应力等。喷砂处理后,铝镁合金铸件的表面效果。喷砂后的铸铝件表面状态。喷砂处理的铸铁件表面效果及涂底漆后的效果是利用电化学原理，其作用过程和电镀刚好相反。吊挂方式为在酸性电解液中，将准备被拋光物做阳极，阴极可使用鉛、石墨或不锈钢等。电解液首先腐蚀工件表面上的凸起粗糙部份，使高低不平的表面逐步趋于一致，从而使表面变得极为平滑光泽。电解拋光尚有下列优点：可用于表面有凹凸部位或复杂曲面而机械磨光困难者，可清除表面杂物而无应力产生，且表面形成钝化状态，抗锈蚀能力变佳，适用于不锈钢等金属加工。3、电解拋光：抛光是对零件表面进行修饰的一种光整加工方法，一般只能得到光滑表面，不能提高甚至不能保持原有的加工精度（如平面度、圆柱度等），随预加工状况不同，抛光后的Ra值可达1.6～0.008m。目前，机械抛光一般有轮式抛光、滚筒抛光、振动抛光三大类。4、机械抛光：轮式抛光：高速旋转的柔性抛光轮和极细的磨料对工件表面进行滚压和微量切削实现抛光。抛光轮用多层帆布、毛毡或皮革叠制而成，用于较大零件的抛光。滚筒抛光和振动抛光：工件、磨料和抛光液装入滚筒或振动箱内，滚筒缓慢滚动或振动箱振动，使工件与工件，工件与磨料相互摩擦，加上抛光液的化学作用，除去工件表面的油污、锈层，磨去凸峰，从而获得光滑的表面。适用于小而量大的零件抛光，滚筒比振动生产率要高，抛光效果更好。六、电镀概念及特点：1、电镀概念：电镀是一种利用电化学的方法，在工件表面镀覆所需形态金属镀层的工艺。被镀工件浸入电镀槽中，並置于阴极位置，作为电镀材料的金属則置于阳极，通以直流电，阳极金属因其电子脫落成为阳离子而落入电镀液中，电镀液中的金属阳离子則在工件表面上析出并沉积，从而生成一层金属薄膜将其覆盖，（如下图所示）。电镀是电化学反应的一种，大部份的金属都可以被用来电镀到其它工件上，使用昀多的依序是：鋅(Zn)、鎳(Ni)、錫(Sn)、鎘(Cd)、銅(Cu)、鉻(Cr)、金(Au)、銀(Ag)等。电镀原理2、电镀工艺的特点：设备简单，易于过程的控制，镀层材料种类广泛，镀层厚度根据需要可从几微米至几十微米。生产成本较低，是工业生产昀常见的表面处理方式。工件的电镀层厚度受到电流密度、电镀液是否搅拌、电镀液温度、电镀液添加剂、工件材料和表面状况等因素的影响。七、常用电镀种类及用途：七、常用电镀种类及用途：常用电镀种类：常用电镀种类：1.镀锌2.镀铜3.镀镍4.镀铬5.镀金6.镀银7.镀锡8.镀镉根据使用性能的不同，镀层可以分为根据使用性能的不同，镀层可以分为：：1）防护性：锌、Zn-Ni、Ni、镉、锡等；2）防护-装饰性：Cu-Ni-Cr等；3）装饰性：Au、Cu-Zn仿金镀层、黑Cr、黑Ni；4）耐磨、减磨镀层：硬Cr、Ni-SiC等；5）电性能：Au、Ag等，提高导电率，防止氧化等；6）耐热性：Ni-W、Ni、Cr镀层；7）修复工件（电刷镀）：一些造价高的易磨损件，或加工超差，采用电镀修复尺寸，可以节约成本，延长工件使用寿命，品种有Ni、Fe、Cr（瓦楞辊）等。11．．镀锌：镀锌：镀锌作为钢铁的防护性镀层，约占全部电镀零件总面积的1/3左右。锌在干燥空气中几乎不发生变化﹐锌腐蚀的临界湿度大于70%﹐锌易受氯离子浸蚀﹐故在海水中不稳定。锌在密閉或通风不良﹐空气潮湿的条件下﹐与非金属材料的挥发物(低分子羧酸﹐醛﹐酚﹐氨等)接触时易遭腐蚀﹐生成白色疏松的腐蚀物﹐俗称“白霜”。锌在高溫﹐高湿﹐密闭条件下﹐与胶木﹐油漆﹐木材释放的挥发物接触﹐锌有生長細丝状单晶的傾向﹐俗称“長毛”。凡有工业废气污染的大气中﹐锌镀层的耐蚀优于镉镀层﹐在海上或海水中則相反。对钢铁而言，一般均可选择锌作保护层﹐其防护寿命几乎与锌层厚度成正比关系。有专家指出镀锌层厚度大于0.23mm或有封闭层的镀锌层厚0.08－0.15mm时可保证基体金属19年不腐蚀。镀锌层的钝化处理：锌的化学性质活泼﹐在大气中容易氧化变暗﹐昀后产生白锈腐蚀。故镀锌层的耐蚀性主要靠后处理－钝化工艺来保证。镀锌层经过鉻酸盐处理﹐以便在锌上覆盖一层化学转化膜﹐使活泼的金属处于钝态﹐這就叫鉻酸盐钝化处理。膜厚0.5um能使锌的耐蚀性提高6～8倍﹐并赋予锌以美丽的外观和抗污染能力。钝化膜从外观可分白钝化﹐淡兰色﹐彩虹色钝化﹐金黃色﹐黑色钝化﹐军綠色钝化。這些钝化膜耐蚀強弱的順序是军綠色黑色彩虹色金黃色淡兰色白色。所以凡用于耐蚀目的机械零件镀锌一般都应進行彩虹色钝化。为降低锌镀层厚