第三章 表面工程技术的预处理工艺与作业环境1

重庆大学表面工程学讲稿杨大壮1第三章表面工程技术的预处理工艺与作业环境第一节表面预处理工艺常用的表面处理方法主要有机械处理法、脱脂处理法和化学处理法三大类。选择表面处理法应考虑多种因素，其中主要包括：（1）表面污染物的种类。如动物油、植物油、矿物油、润滑油、脏土、流体、无机盐、水份、指纹等。（2）污染物的物理特性。如污染物的厚度、紧密或疏松程度等。（3）工件材料的种类。如钢材料可用碱溶液，而处理黄铜、铝材料时应考虑选用腐蚀性较小的温和溶液。（4）需要清洁的程度。（5）清洗液的清洁能力和设备情况。（6）危险性和价格成本等。一、机械性清理1、机械磨光和抛光机械打磨法通常先用钢丝刷刷去工件表面松散的氧化层，然后用砂轮、砂布、砂纸或粗锉进行打磨加工，使工件表面得到一定的粗糙度。机械打磨法适用于大部分材料。表1-3分别示出了国产水砂纸、木砂纸和铁砂布的型号和粒度号数的对照情况，供使用时参考。机械打磨法简便易行，化费很省，但在实际操作时难以得到相同的重复结果，操作的重演性和均匀性较差，因此通常只在要求不高的场合使用。型号180220240280320400500600磨料粒度号数上海产品100120150180220240280320天津产品120150160180220260--表1国产水砂纸型号与粒度号数对照型号00013/225/234磨料粒度号数上海产品150120806046363020天津产品1601401008060463630表2国产木砂纸型号与粒度号数对照重庆大学表面工程学讲稿杨大壮2型号00000000001234磨料粒度号数上海产品220180150120100603624天津产品200180160140100603630表3国产铁砂布型号与粒度号数对照2、滚光和刷光(1)滚光、振动光饰滚光是将零件放入盛有磨料和化学溶液的滚筒中，借滚筒旋转使零件与磨料、零件与零件相互摩擦以达到清理零件表面的过程。振动光饰是在滚筒滚光基础上发展起来的较先进的光饰方法，它是通过振动电机等带动容器作上下、左右或旋转运动，从而使零件与磨料介质相互摩擦，以达到整平、修饰零件目的的过程。滚光的方法：普通滚光、离心滚光、化学加速离心滚光等，后二者是在前者的基础上发展起来的，均属利用滚动原理的高能光饰方法。振动光饰的方法：振动擦光、旋转擦光、离心盘擦光、往复式擦光等。第一种为普通振动光饰方法，后三种属高能光饰方法。无论是滚光，或是振动光饰，其采用的多为湿法加工，其介质包括磨料，化学促进剂和水。有时也只用一种磨料作干态加工。滚光和振动光饰均可达到清除少量油污和锈，去除毛刺、倒圆棱边、锐角，降低零件表面粗糙度等光饰目的。其主要特点是产量高，质量稳定，适用于多种形状的金属或非金属零件，特别是小零件。(2)刷光刷光是用金属丝、动物毛、天然或人造纤维制成的刷轮或刷子，在刷光机上或手工对零件表面进行加工的过程。刷光轮上的弹性金属丝，其端面侧锋具有很好的切刮能力，工作时就是利用这种金属丝侧锋除去金属表面的锈皮、污垢、棱角毛刺等；或对零件基层表面进行装饰性底层加工，如丝纹刷光、缎面修饰等。刷光可以湿刷，也可以干刷。刷光不会改变零件的几何形状。常用的刷轮一般由钢丝、黄铜丝等材料制成。有时为了特殊的目的，也用其材料。零件材料较硬时，应选择硬金属丝刷光轮；零件材料较软时，则选用软金属丝或人造纤刷光轮。重庆大学表面工程学讲稿杨大壮3刷光轮的旋转速度一般在1200～2800r/min之间。直径大的刷光轮，应采用较低的转速，硬质材料的零件，应选用较高的转速。进行湿法刷光时，一般都用水作刷光液，黑色金属的镀前刷光，除用水外，如需去污，则宜采用具有除油功能的清洗剂。刷光轮的种类很多，决定刷光性能的主要是材料及其形状。现就刷光轮的几种主要类型及如何根据零件材料、性质、要求选择合适的刷光轮简述如下：刷光轮的类型按其制作的材料可分金属丝刷光轮和非金属丝刷光轮两类。按其制作方法和形状分类，各种类型的刷光轮——（a）成组的辐射刷光轮；（b）波形辐射刷光轮；（c）短丝密排辐射刷光轮；（d）杯形刷光轮；（e）普通宽面刷；（f）条形宽面刷。表4不同类型刷光轮的特点与用途刷光轮类型特点主要用途射刷光轮用金属丝成组编织而成刚性大，切削力强，使用寿命长用作清除零件表面的锈皮、焊渣、旧漆层等，也用于除去网状传送带网孔中的残留物刷光轮用呈小波纹状的、较长金属丝编织而成刚性小，切削力不大一般污物或浸蚀后的残留浮灰，也用于缎面修饰、丝纹刷光和手工刷平零件表面短丝密排辐射刷光轮用较短的金属丝紧密编织而成刚性大，切削力强主要用于去毛刺杯形刷光轮用金属丝编织成杯形用于零件表面一般污物和浸蚀后残留物的清理，以及去毛刺，也用作丝纹刷光。还适于便携式电动工具上使用普通宽面刷用金属丝或猪鬃等编织而成用作表面清理，主要用于冶金工厂的板材电镀、涂漆等生产线上条形宽面刷用金属丝或猪鬃等间断编织而成用于用普通宽面刷会因受力刷光轮不稳定的场合小型刷光轮用金属丝或猪鬃等编织而成的不同形状的小型刷光轮用于对内型面的清理或去毛刺重庆大学表面工程学讲稿杨大壮4刷光轮与刷光参数的选择前面介绍了刷光轮的类型及一般使用范围，但在具体加工时，对刷光轮及刷光参数的选择还要视零件的材料、性质和具体的技术指标要求而定。现以零件的刷光要求进行分述。（1）表面清理清理零件表面的锈皮、焊渣、旧漆层时，需要高的切削力，常选用刚性大的钢丝刷光轮。同时选用比较高的转速进行干刷清理，其刷轮旋转速度在2000r/min以上。清除零件表面的一般污物或侵蚀后残留的浮灰时，则选用切削力低的，刚性小的黄铜丝、猪鬃或纤维丝刷光轮。其旋转速度与压力要适中，一般控制在1800～2000r/min之间。这种刷光可采用干刷，也可用湿刷，对去浮灰的湿刷，刷光液用自来水即可，如需去污，则采用有除油功能的清洗剂。（2）去毛刺去毛刺需要刷光轮具有相当高的切削力。对于外表面棱边的毛刺，常采用直径为0.3mm的短丝密排辐射刷光轮，刷光轮的线速度一般为33m/s。对于圆孔棱边的毛刺常采用杯形刷光轮，其线速度一般为22～33m/s。对于内螺纹的毛刺，则要用小型刷轮。（3）丝纹刷光丝纹刷光要根据零件材料、形状和装饰要求的不同，选用不同类型和材料的刷光轮。对于较软的金属材料（铜、黄铜、铝、银等）刷光应选用黄铜丝或镍银丝刷光轮，钢质等硬金属材料则选用钢丝刷光轮。铝铭牌、面板则常用含细磨料的织物（俗称百洁布）作刷光工具。刷光轮的类型则以愈求丝纹纹路选定，比如要得到圆弧形的丝纹，采用环形刷光轮；要求表面呈直线丝纹时，则选用辐射刷光轮。进行丝纹刷光时，压力不能太大，否则刷丝侧面与零件接触，便产生不了丝纹效果。丝纹刷光的速度也不宜太大，一般控制在刷光速度范围的中下限，具体因被刷光基材而定。丝纹刷光可以干刷，也可以湿刷。当零件表面洁净无锈蚀、油污时，可进行干刷，湿刷时，刷光液采用无腐蚀作用的清洗剂。（4）缎面修饰所谓缎面修饰，就是使用软而细的刷轮，将零件表面刷成无光缎面的加工。通常使用的是刚性小的波形刷光轮，采用细而软的金属丝，有时也用猪鬃或纤维刷光轮。刷光速度要小，一般在15～25m/s之间。缎面刷光压力要低，掌握在使金属丝轻轻擦过零件表面，刷痕应均匀一致，要与零件的轮廓线平行。湿法缎面刷光时，用浮石粉和水作刷光剂。3、喷砂或喷丸喷砂法通常，不会因机械喷砂而影响装配尺寸和光洁度的工件，以及在使用中耐磨蚀性要求不高的工件，均可采用机械喷砂法。重庆大学表面工程学讲稿杨大壮5喷砂是用机械或净化的压缩空气，将砂流强烈地喷向金属制品表面，利用磨料强力的撞击作用，打掉其上的污垢物，达到清理或修饰目的的过程。喷砂的主要用途（1）除掉零件表面的锈蚀、焊渣、积碳、旧油漆层和其它干燥了的油污；（2）除去铸件、锻件或热处理后零件表面的型砂及氧化皮；（3）除去零件表面的毛刺或方向性磨痕；（4）降低零件表面的粗糙度，以提高油漆和其它涂层的附着力；（5）使零件呈漫反射的消光状态。喷砂分干喷砂和湿喷砂干喷砂加工的表面比较粗糙，湿喷砂的应用与干喷砂相似，但主要用于较精密的加工。湿喷砂的优点是污染小。（1）干喷砂干喷砂又分机械喷砂与空气压力喷砂两种类型。每一类型又可分为手工、半自动或连续自动等多种方式。采用的喷砂机有自流式、离心式、吸入式和压力式等。生产上常用的是吸入式和压力式。吸入式设备简单，但效率低，适用于小零件。压力式主要用于大、中型零件的大批量生产，适用性广，效率高。国内广泛使用的是手工空气压力喷砂室，适用于各种形状复杂的中、小型零件。干喷砂常用的砂料是氧化铝砂（含天然和人造两种）、石英砂（二氧化硅）、碳化硅（人造金钢砂）等。以采用铝钡土（氧化铝砂）为最好。因其不易粉化，劳动条件好，砂料还可以循环使用。碳化硅砂虽也有上述优点，但因过于昂贵，很少使用。国内应用最多的还是石英砂。它虽易粉化，但有不污染零件的优点。根据零件材料、表面状态和加工要求来选择砂料粒度和其它工艺条件，可按表5进行。表5零件、砂粒与压缩空气压力的关系零件类型石英砂粒尺寸/mm压缩空气压力/kPa①厚度＞3mm的大型钢铁件2.5～3.5250～400厚度≤3mm的中型钢铁件1.0～2.0150～250小型、薄壁零件、黄铜件0.5～1.0100～150厚1mm以下的钢铁钣金件0.5以下50～100铝及铝合金零件0.5以下50～100①1工业大气压=1kg/cm2=105Pa=100kPa。（2）湿喷砂是在砂料中加入定量的水，使之成为砂水混合物，以减少砂料对零件表面的冲击作用，从而减少金属材料的去除量，使零件表面更光洁。湿喷砂通常有雾化喷砂、水——气喷砂和水喷砂三种类型，喷砂方式和喷砂机的结构各不相同。生产上最适用的是水——气喷砂。各种湿喷砂方式的工作原理和特点见表6。重庆大学表面工程学讲稿杨大壮6表6各种湿喷砂机工作原理和特点种类工作原理特点雾化喷砂：低压喷砂砂料从装有文氏管的压缩空气系统送至喷头，以雾化水-砂流冲击零件表面只有通过改变砂料粒度才能改变被喷砂表面的粗糙度值水-气喷砂由泥砂泵以高压将水-砂料经软管输送到喷头，并在喷头通入压缩空气，以喷出的高速水砂流冲击零件表面改变压缩空气压力，就能改变喷砂表面粗糙度值水喷砂，不使用压缩空气的水砂流喷砂水、砂分装，在流向喷嘴前混合后喷向零件表面只能通过改变水压，才能改变喷砂表面的粗糙度值湿喷砂所用的砂料与干喷砂相同。湿喷砂的水砂比值，一般控制在7：3为宜。320～400目的水砂粒中，应加入10%的膨润土作为悬浮剂，防止砂粒沉入贮存箱底。钢铁件湿喷砂时，水中可加入0.5%碳酸钠和0.5%的重铬酸钠作缓蚀剂。双层壁的钣金焊接件，因难防腐蚀，不宜采用湿喷砂。薄截面零件，因湿喷砂工作压力比干喷砂大，水的冲击易使其变形，故也不宜采用湿喷砂。（3）喷砂后零件的处理经喷砂的零件，应尽量减少触摸，并及时进行表面处理，如处理不完，钢铁零件可浸入50g/L的碳酸钠溶液中贮存防锈。湿喷砂后的钢铁件，应浸入含苯甲酸钠8.66g/L、亚硝酸钠4.33g/L的热（＞70℃）防锈溶液中处理。奥氏体不锈钢和耐热钢喷砂后，应在含HNO3250～300g/L的室温溶液中钝化2h以上，然后用冷流动水清洗，热压缩空气吹干。（4）喷嘴与非喷砂部位的保护喷砂用的喷嘴一般用铸铁和陶瓷材料制成。喷砂时砂粒与压缩空气的消耗与喷嘴口径、压缩空气压力。工作时间成正比。有些零件的特殊部位不允许喷砂，必须进行适当地保护。比如：曲齿、内外螺旋齿、花键、大型内外螺纹；鉴别标记；精密尺寸；光表面等。这些非喷砂表面可采用机械夹具、胶带、纸带、橡胶堵头等保护。机械喷砂法能使工件表面产生圆的或凹凸不平的形状，其深度与工件材料的性质，磨料的特性、大小以及所用的喷砂压力等有关。其中，磨料的特性和大小是最重要的因素。例如，用尖锐的切割式磨料时，喷砂效果最好。这类磨料包括刚玉砂、金刚砂、石英砂等。而圆球形磨料，如玻璃珠、金属弹等的效果较差。因为圆球形磨料将使表面产生交叠的金属粒子层，这些疏松的金属粒子层依附在金属基体上，使表面性能不佳。表7列举了这两种磨料表面性能的比较。表8是几种金属喷砂处理