表面处理技术

6.5表面处理技术⑤表面修复处理一、表面处理概述1．表面处理概念利用现代物理化学、金属学和热处理等学科的边缘性新技术来改变零件表面的状况和性质，使之与心部材料作优化组合，以达到预定性能要求的工艺方法，称为表面处理。2．表面处理技术的分类①表面强化处理②表面洁化处理③表面装饰处理④表面防蚀处理3．常用表面处理方法⑦喷漆与喷塑等①热喷涂、喷丸、表面滚压②表面胀光、离子镀③激光表面强化、抛光④普通电镀、特种电镀⑤钢铁发蓝、钢铁磷化⑥铝阳极氧化及着色处理二、热喷涂热喷涂是将金属或非金属材料加热熔化，靠压缩气体连续吹喷到制件表面上，形成与基体牢固结合的涂层，从制件表层获得所需要的物理化学性能。1．热喷涂原理说明：④喷涂的涂层厚度为几十微米至数毫米。①喷涂热源可用燃气火焰、电弧、等离子弧或激光束等。②喷涂材料可为金属、合金、金属氧化物和碳化物、陶瓷和塑料等，材料形态可为线材、棒料或粉末。③喷涂的基体可为金属、陶瓷、玻璃、塑料、石膏、木材、布、纸等固体材料。2．热喷涂的特点④生产效率高。每小时喷涂材料重量从几千克到几十千克，沉积效率很高。①工艺灵活，适用范围广。热喷涂施工对象可大可小，小的可到10mm内孔(线爆喷涂)，大的可到桥梁、铁塔(火焰线材喷涂或电孤喷涂)，可在室内喷涂，也可在野外现场作业；可整体喷涂，也可以局部喷涂。②基体及喷涂材料广泛。可通过喷涂不同材料，使工件表面获得所需的各种物理化学性能。③工件应力变形小。基体可保持较低的温度，工件产生的应力变形很小。3．热喷涂的应用③特殊功能层:通过喷涂获得表层某些特殊性能，如耐高温、隔热、导电、绝缘、防幅射等，在航空航天和原子能等部门应用较多。①防腐蚀:主要用于大型水闸钢闸门、造纸机烘缸、煤矿井下钢结构、高压输电铁塔、电视台天线、大型钢桥梁、化工厂大罐和管道的防腐喷涂。②防磨损:通过喷涂修复已磨损的零件，或在零件易磨损部位预先喷涂上耐磨材料，如风机主轴、高炉风口、汽车曲轴、机床主轴、机床导轨、柴油机缸套、油田钻杆、农用机械刀片等。三、喷丸①喷丸处理是利用高速喷射出的砂丸和铁丸，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方法。说明：④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。②喷丸的方法通常有手工操作和机械操作两种。③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。四、表面滚压和胀光①滚压外圆及所用工具1．表面滚压②滚压内圆及所用工具③滚压可在卧式车床上进行，可滚压金属零件上的外圆、内圆和平面等。说明：①表面滚压是在常温上用硬质滚柱或滚轮施压于施转的工件表面上，并沿母线方向移动，使工件表面塑性变形硬化，以获得准确、光洁和强化的表面。②滚压余量通常为表面微观不平度的平均高度(0.01～0.02mm)。滚压后，尺寸公差等级可达IT7～IT6,Ra值可达0.8～0.1mm，表层硬度可提高5～10%，硬化层深度可达0.2～2mm，疲劳强度可提高10～30%。2．表面胀光(挤光或挤压)③胀光一般在压力机或拉床上进行，用于2～45孔壁较厚的金属零件。说明：①表面胀光是在常温下将直径稍大于孔径的钢球或其他形状的胀光工具挤过工件已加工的内孔，以获得准确，光洁和强化的表面。②胀光余量一般为0.07～0.015mm。胀光后尺寸公差等级可达IT7～IT5，Ra值可达0.8～0.025m。五、离子镀③离子镀已广泛用于机械、电子、航空、航天、轻工、光学和建筑等部门，用以制备耐磨、耐蚀、耐热、超硬、导电、磁性和光电转换等镀层。说明：①离子镀是将镀层材料气化并电离成离子，通过扩散和电场作用，沉积于制件表面，形成与基体牢固结合的满足所需性能的镀覆层。②离子镀的种类很多。其绕射性均很好，能镀覆制件上各个方向的表面，可在金属或非金属表面上镀覆金属或合金，镀层厚度一般为2～3mm。六、激光表面强化②激光表面强化可分为激光相变强化处理、激光表面合金化处理和激光熔覆处理等。说明：①激光表面强化是用聚焦的激光束射向钢件表面，在极短时间内将工件表层极薄的材料加热到相变温度或熔点以上的温度，又在极短时间内冷却，使工件表面淬硬强化。③激光表面强化的热影响区小，变形小，工件表面清洁，操作方便。⑤激光表面强化主要用于局部强化的零件，如冲裁模、曲轴、凸轮、凸轮轴、花键轴、精密仪器导轨、高速钢刀具、齿轮及内燃机缸套等。④激光表面强化的设备昂贵，硬化层深度较浅，一般为0.3～0.5mm。七、抛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，随预加工状况不同，抛光后的Ra值可达1.6～0.008m。抛光的分类：电化学抛光化学抛光振动抛光滚筒抛光轮式抛光机械抛光1．机械抛光用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。1)轮式抛光2)滚筒抛光和振动抛光将工件、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。用于细小而量大零件的抛光，后者比前者生产率高，抛光效果更好。将金属零件浸入特制的化学溶液中，利用金属表面凸起部位比凹洼部位溶解速度快的现象实现零件表面的抛光。电化学抛光与化学抛光类似，不同点是还要通以直流电，工件接阳报，产生阳极溶解，也是利用金属表面凸起部位比凹洼部位溶解速度快的现象进行抛光的。2．化学抛光3．电化学抛光八、电镀电镀是一种电化学和氧化还原过程。以镀镍为例；将金属制件浸在金属盐(NiSO4)的溶液中作为阴极，金属镍板作为阳极，接通直流电源后在制件上就会沉积出金属镀镍层。②在阳极上的反应为：Ni－2e→Ni2+(阴极溶解)4OH－－4e→2H2O+O2↑2Ni＋3[O]→Ni2O32Cl-’－2e→Cl2↑电镀有槽镀(普通电镀)和特种电镀等。1．电镀原理①在阴极上的反应为：Ni2++2e→Ni(形成镀层)2H++2e→H2↑2．槽镀钢铁零件上镀锌主要作用是防腐蚀，用量占全部电镀零件的1/3至1/2，是所有电镀品种中产量最大的一个镀种。镀锌具有成本低、抗蚀性好、美观和耐贮存等优点，在轻工、机电、农机和国防等工业中得到广泛应用。钢铁零件上镀镉，在海洋和湿热大气环境中，其保护性能比锌好，航空、航海及电子工业中的零件大多采用镀镉。但镉盐有毒，且对环境污染严重，使镀镉的应用受到限制。锡的腐蚀产物对人类无害，且易于钎焊，镀锡广泛用于食品罐头包装制品、饮具、餐具及电子工业中很多需要钎焊的零件。1)镀锌2)镀镉3)镀锡4)镀铜铬在大气中能长久保持光泽，在碱液、硝酸、硫酸及许多有机酸中不发生反应，镀铬层有很高的硬度和优良的耐磨性及较低的摩擦系数，故镀铬常用于防护装饰性镀层，防止基体金属生锈和美化外观，也常用于提高制品的耐磨性或修复磨损。镀铜常作为其他镀层的中间层，以提高表面镀层和基体金属的结合力。在电力工业中，也可用铁丝镀厚铜来代替纯铜导线，以减少铜的耗用量。镀镍的应用面很广，可用于防护装饰性和功能性两方面。前者主要用于自行车、钟表、家用电器、五金产品、汽车、照相机等零件的防护装饰性镀层；后者主要用于易磨损产品的修复电镀。5)镀镍6)镀铬3．特种电镀刷镀不用镀槽，旋转的工件接直流电源的负极，镀笔接正极，镀笔前端用脱脂棉包住，浇注的镀液浸贮在脱脂棉套内，镀液中的金属正离子在电场力作用下在工件表面(阴极)获得电子而沉积于表面上，形成电镀层。④刷镀主要用于大型零件的局部电镀或大中型零件的局部修复。1)刷镀说明：①镀层厚度可达0.01～0.5mm，镀层质量好，结合强度高，速度比槽镀快。②刷镀设备简单，操作灵活，可进行局部电镀和野外作业。③对于大批量中小型零件或大面积镀覆的工件进行装饰性或尺寸电镀时，刷镀不如槽镀。2)非金属电镀④非金属电镀制品主要用于汽车、飞机某些装饰性零部件以及印刷线路板、电子仪器屏蔽和碳纤维等。说明：①非金属电镀是指对塑料、玻璃、陶瓷、纤维等非金属制品电镀。②非金属电镀的关键工艺是表面金属化，使非金属基体上生成导电层以便进行导电。表面金属化的方法有化学镀法、喷涂法、烧渗银法和涂刷法等。③塑料电镀是非金属电镀中应用最广泛的一种。通过电镀可提高塑料制品的强度，防止老化，使其具有导电性、电磁性、焊接性和装饰性的外观。九、钢铁发蓝与磷化③发蓝后呈蓝黑色和深黑色，可提高零件的耐蚀性、润滑性，可改善外观。1．钢铁发蓝说明：①发蓝是对钢铁零件进行的一种氧化处理，使其表面生成一层极薄的Fe304氧化膜。②常用碱性化学溶液氧化法：用氢氧化钠和亚硝酸纳的水溶液，在135～145℃温度下处理60～90min，再在肥皂液中浸泡3～5min，最后水洗、干燥及浸油。2．钢铁磷化③磷化后呈灰色或灰黑色，其耐蚀性比发蓝好，但外观不如发蓝。磷化主要用于钢铁制件(如枪炮)耐蚀防护和喷漆前处理，以增加漆膜与钢铁工件的附着力及防护性。说明：①磷化是钢铁零件在磷化液中处理，在表面沉积形成一层不溶于水结晶型磷酸盐膜。②常用磷化液由磷酸二氢锌或磷酸二氢铁、磷酸二氢锰组成的酸性稀水溶液。在90～98℃温度下处理8～20min。十、铝阳极氧化与着色处理④阳极氧化和着色处理常用于汽车、飞机的某些装饰性零件及工艺品和日用五金制品作装饰性处理。说明：①阳极氧化是将铝或铝合金制件浸沉于酸性电解液中，在外电流作用下作为阳极，在制件表面上形成与基体牢固结合的防蚀氧化膜层。②阳极氧化前要经抛光、除油、清洗等预处理，其后要进行冲洗、着色和封闭等处理。③阳极氧化的氧化膜可染成黑色、红色、蓝色、绿色、金黄色和茶色等。十一、涂装(喷漆与喷塑)④颜料：成膜物质一般为无色透明。颜料有遮盖、美观、增加漆膜强度等作用1．涂料(油漆)1)涂料组成①成膜物质：构成涂料的基础，是涂层的主要物质②溶剂：又称稀释剂，使涂料保持溶解状态，调整涂料粘度便于操作。不同涂料有不同溶剂。③助剂：改善涂料施工性能，有催干剂、增韧剂、固化剂等。2)常用涂料(油漆)④磁漆(树脂漆)：用清漆与着色颜料调配的色漆，有酚醛磁漆、醇酸磁漆等。①清漆：不含颜料的透明漆，由树脂、溶剂及催干剂制成的涂料。②厚漆：由干性油、颜料混合而成的涂料。使用时用清油调到合适粘度。该漆干燥慢、漆膜软，炎热潮湿天气有反粘现象③调合漆：已调制好，不用加任何材料即可使用的涂料，分油性调和漆和磁性调和漆两种。⑨腻子：由各种填料加入少量漆料配制的糊状物。主要用于底漆前，使基体表面平整。⑤烘漆(烤漆)：涂于基体后需经烘烤才能干燥成膜的漆。⑥水溶漆、乳胶漆：可用水作稀释剂的涂料。水溶漆是以水溶性树脂为主要成分的漆；乳胶漆是以乳胶(合成树脂)为主要成分的漆。⑦大漆(天然漆)：特点是漆膜耐久性、耐酸性、耐油性、耐水性、光泽性均较好。⑧底漆：直接涂于基体表面作为面漆基础的涂料，有环氧底漆、酚醛底漆等。2．常用涂装工艺几种常用涂装工艺传统涂装工艺方法有刷涂、喷涂、浸涂和淋涂等。序号涂漆方法内容特点使用范围1刷涂人工用各种毛刷涂刷省料费工体力劳动繁重任何形状工件，几乎任何涂料2自动浸涂工件在悬链上借链运动自动沉入漆槽中涂漆省工省料，生产效率高，但漆槽熔剂挥发量大，防火要求严大批量流水线生产3手工喷涂(含高压无气喷涂）利用压缩空气，喷枪将漆雾化喷到工件表面成膜漆膜均匀，质量好，但漆浪费大各种形状工件，尤适用于大面积工件4淋涂工件在工作台上，利用循环泵将漆液喷淋在工件上工效高，漆液损失少，便于流水作业大批单一工件底漆涂装5幕帘淋涂工件在连续不断往下流的漆液幕帘下通过而涂装工效高，漆液损失少，便于流水线作业，但不能对工件垂直面涂装适宜成批生产，且只需涂单面的大工件6流化床涂覆利用粉末涂料在一定风压下呈“沸腾”状态，在略高于其熔点的预热工件表面上融合冷却后成膜涂层厚度大，涂覆速度快适宜大型，形状不同工件7辊涂利用辊涂机械