金屬表面處理技術(shù)

金屬表面處理是依靠機械表面加工、化學處理，表面熱處理，噴涂等方法，在材料表面上形成一層與原有基底材料機械、物理和化學性能不同的表層的工藝方法。之所以要對材料表面進行技術(shù)處理，其目的是提高材料表面的力學性能、化學性能或其他特殊功能要求。

金屬表面處理現(xiàn)狀

　　金屬表面處理是一個與各行業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)的工藝技術(shù)，在過去幾十年里，關(guān)于金屬表面處理的技術(shù)發(fā)展速度飛快，出現(xiàn)了化學鍍、電鍍、表面清洗、磷化、噴涂等高科技工藝。

　　目前金屬表面技術(shù)門類繁多，有表面覆蓋技術(shù)如電鍍、化學鍍、熱噴涂等，表面改性技術(shù)如噴丸強化、激光表面處理等，復合表面技術(shù)如熱噴涂與噴丸復合等。表面技術(shù)在冶金、機械、電子、軍事等各行業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钪斜粡V泛應用,很多歐美發(fā)達國家在表面技術(shù)的開發(fā)應用上也越來越重視。

　　然而在發(fā)展技術(shù)的同時，很多的科研機構(gòu)和廠家都忽略了處理工藝的環(huán)境保護，使得在金屬表面處理作業(yè)中產(chǎn)生的環(huán)境污染問題不能得到預防，無法做到事前控制，而是出現(xiàn)對環(huán)境、人體的危害之后采取事后的補救措施。一方面容易造成不良的社會影響，另一方面對企業(yè)來說也不經(jīng)濟，因此在提倡綠色生產(chǎn)以及循環(huán)經(jīng)濟的今天，發(fā)展環(huán)保型金屬表面處理工藝無疑具有重大的現(xiàn)實意義。

金屬表面處理技術(shù)

　　一、鋁及鋁合金表面處理技術(shù)

　　1、鍍層技術(shù)

　　鋁及鋁合金可以采取鍍層技術(shù)，進行表面處理。鍍層技術(shù)就是通過電鍍(常選用Zn、Cr涂層)、化學鍍(Ni、Ni-P合金層)等方法在材料表面獲得金屬或復合金屬鍍層。電鍍時，一般要先經(jīng)過預處理，先在鋁基底上鍍上一層銅，之后再在銅上電鍍上所需金屬鍍層。

　　電鍍后，表層細膩光滑度高，但是對環(huán)境有一定的污染。化學鍍是利用氧化還原的反應機理，鎳離子通過還原劑次磷酸鹽的作用，被還原為金屬鎳，沉積在金屬表面并直至所需厚度。

　　2、轉(zhuǎn)化膜技術(shù)

　　鋁及鋁合金還可以采用轉(zhuǎn)化膜技術(shù)。轉(zhuǎn)化膜處理就是通過鋁及鋁合金的外層原子與腐蝕液中的介質(zhì)在特定條件下發(fā)生化學或電化學作用，從而在金屬表面形成一層比原有氧化膜層附著力更好的膜層。轉(zhuǎn)化膜處理方法常見的有化學氧化法、陽極氧化處理、稀土轉(zhuǎn)化膜等。

　　化學氧化處理后金屬新的膜層在耐磨性表現(xiàn)上差強人意，厚度較薄、承載能力不大。采用陽極氧化法在生成新的膜層的過程中耗時較長，但是若采取脈沖電流與直流電流相疊加的方法可使得膜層性能得到一定改觀。采用稀土轉(zhuǎn)化膜的方法，無污染性，操作簡便，成本低。

　　3、高能束表面強化

　　鋁及鋁合金也可采用高能束表面強化的方法。主要包括微弧氧化、等離子注入、激光強化三種。微弧氧化法可以在鋁合金表面形成一層氧化陶瓷轉(zhuǎn)化膜，此法無污染，膜層致密度高，與基底材料結(jié)合力強。

　　等離子注入法是一種新興的表面改性方法，可用于表面形狀不規(guī)則的工件，生產(chǎn)效率較高，還可批量生產(chǎn)。激光表面強化法使得金屬表面的強化層更加致密，力學性能和化學性能更為優(yōu)越。

　　二、鎂及鎂合金表面處理技術(shù)

　　鎂及鎂合金材料目前常用的表面處理方法主要有表面改性和表面涂層技術(shù)。

　　1、表面改性技術(shù)

　　(1)EB-PVD技術(shù)：即為電子束氣相沉積技術(shù)。針對鎂合金表面處理，EB-PVD技術(shù)是一種較為成熟的技術(shù),但也存在一些缺陷。一方面,EB-PVD技術(shù)對真空設(shè)備要求極高;另一方面,針對一些外形較為復雜的工件難以實現(xiàn)理想的處理效果;Z后,此項處理技術(shù)不能夠大批量應用。

　　(2)化學轉(zhuǎn)化膜技術(shù)：鎂合金用到的化學轉(zhuǎn)化膜基本上是含鉻轉(zhuǎn)化膜。這種轉(zhuǎn)化膜有較強的防腐蝕效果，但是毒性較大。因此,尋找一種無鉻化學轉(zhuǎn)化膜處理工藝,是今后表面處理的研究重點。通過化學轉(zhuǎn)化膜表面處理得到的轉(zhuǎn)化膜厚度相對較薄、韌性不足孔洞較多,因此不能用作長期保護膜。

　　(3)陽極氧化技術(shù)：鎂合金的陽極氧化膜的外層孔洞較多，內(nèi)層致密但厚度較差。鎂合金陽極氧化膜必須經(jīng)過封閉,否則耐腐性差。

　　(4)加弧輝光等離子表面處理技術(shù)：加弧輝光等離子表面處理技術(shù)是在雙輝離子處理技術(shù)基礎(chǔ)上通過引入冷陰極電弧源而研制出的一種新型離子滲金屬技術(shù)。該方法的優(yōu)點是處理速度快、滲層均勻、成分可控、成本低等。缺陷是難于大批量生產(chǎn)，設(shè)備維護復雜。

　　2、表面涂層處理

　　(1)合金表面噴涂納米和陶瓷涂層材料：與傳統(tǒng)涂層相比,納米結(jié)構(gòu)涂層在強度、韌性、耐腐蝕性、耐磨、抗熱疲勞等方面均有顯著提高。在鎂合金表面進行等離子弧噴涂,形成的陶瓷涂層可以提高表面的硬度、耐磨性及耐腐蝕性能。

　　(2)激光輔助熱噴涂工藝：激光輔助熱噴涂工藝即Protal技術(shù)。Protal技術(shù)應用非常廣泛，不管是在機械行業(yè)還是航空工業(yè)和能源業(yè)，都可得到充分的應用。但是該種方法也存在一些缺陷,如Protal工藝是如何讓涂層和基體間產(chǎn)生高結(jié)合強度，尚未得出一個全面的結(jié)論;Protal工藝成本高，設(shè)備維護代價大;Protal工藝處理的零部件外形不能過于復雜，否則處理起來有難度。

　　(3)表面電鍍：利用電鍍進行表面處理是目前是鎂合金表面處理的一種較為成熟的方法,操作簡便，推廣性強。但電鍍也有缺陷,例如若鍍件的外形不規(guī)則，則容易導致鍍層厚度不均勻;另外,在浸鋅、氰化物鍍銅的過程中，會產(chǎn)生毒性。

　　三、鈦及鈦合金表面處理技術(shù)

　　(1)電鍍：鈦合金基體上有一層致密的氧化物薄膜,電鍍不易進行,所以電鍍前必須對鈦合金表面進行預處理。

　　(2)交流微弧氧化：針對鈦合金表面，經(jīng)過交流微弧氧化技術(shù)獲得的氧化膜耐磨性較好、結(jié)合度良好。

　　(3)表面氧化處理：表面氧化處理后的氧化膜硬度較大。

　　(4)離子注入：離子注入法的優(yōu)勢是：結(jié)合度高，強度較大;可以較大程度保證工件的精度;工藝重復性好等。

　　(5)涂層技術(shù)：在鈦合金基體上加一種均勻的銅合金涂層，可以有效改善鈦合金表面的抗氧化性。

金屬表面處理工藝

　　1、VC塑化學馕鑲銅新工藝

　　近幾十年來，國內(nèi)外先后推出過焦磷酸鍍銅、乙二胺鍍銅、三乙醇胺鍍銅、檸檬酸鍍銅、HEEDP鍍銅等工藝，但由于各種原因，一直未能在大生產(chǎn)中應用。為了實現(xiàn)無氰化電鍍，減少氰化物使用，經(jīng)過多年研究開發(fā)成功了VC型化學預鍍銅工藝。其配方及操作條件如下：VC化學鍍銅劑200-250ml/L;硫酸30-35ml/L(55-70g/L)純凈水余量;pH值<1;室溫1-3min。

　　滾鍍工藝流程如下：滾光→清洗→稀硫酸活化→清洗→浸VC銅→清洗→鍍亮鎳。

　　掛鍍工藝流程：化學去油→清洗→強酸洗→清洗→電解去油→清洗→稀硫酸活化→清洗→浸VC銅→酸銅→清洗→鍍亮鎳。

　　實踐證明：該工藝具有鍍層細致、結(jié)合力好、操作方便快捷、低污染等特點。

　　2、水性防腐涂層

　　在金屬表面進行涂刷溶劑型涂料可以獲得較為致密的涂層，但由于溶劑揮發(fā)會導致VOC超標，不符合環(huán)保的要求，因此應當取代。

　　在實際工作中，用粉末涂料涂裝的方式可以有效降低有機溶劑的含量，并且成本較低，但是涂層的致密度不夠，因此限制了其實際應用效果。近年來，水性涂料用在金屬表面防腐涂層成為一種趨勢，由于水性涂料不含對人體有害的溶劑，并且成膜性好，施工簡單，對設(shè)備和工藝條件要求不高，因此可廣泛推廣。

　　目前較為成功的成膜配方有水性丙烯酸氨基固化體系，固含量為40%的羥基乳液以及全甲醚化水性氨基樹脂。對于水性涂層的制備，可以采用手工涂刷的方式，也可采用噴涂工藝，其中手工涂刷的均勻性略差，但能保證不漏涂，因此可用在結(jié)構(gòu)較復雜的金屬工件中。噴涂較為均勻，但是對拐角等隱蔽部位的處理效果不好，因此比較適合工件結(jié)構(gòu)簡單的場合。

　　3、金屬表面硅烷化處理

　　硅烷化處理是一種在傳統(tǒng)磷化的基礎(chǔ)上改進后形成的一種無污染的表面處理工藝，其主要原料為有機硅烷，可廣泛用于各種金屬的表面處理，當前關(guān)于金屬表面硅烷化處理工藝的研究較多，發(fā)展速度很快。

　　與磷化工藝相比，硅烷化處理在過程中不需要加熱，只需常溫即可進行，因此節(jié)省了燃料，與此同時也就間接降低了燃料燃燒過程產(chǎn)生的空氣污染，并且在整個工藝過程中沒有重金屬離子的參與，也不產(chǎn)生沉渣，因此對環(huán)境和人體無害，工藝成本較低，是普通磷化處理成本的20%以下。因此在世界各國已經(jīng)普遍認為硅烷化處理是代替?zhèn)鹘y(tǒng)磷化處理的重要技術(shù)之一。

　　在用硅烷化工藝進行金屬表面處理時，可以在金屬表面形成一層致密的保護膜，并且與金屬表面之間的附著力也較強。這主要是因為硅烷含有兩種不同的官能團，其中一個官能管可與金屬等無機物表面的羥基發(fā)生反應形成共價鍵，因此結(jié)合力較大，而另一個官能團能與樹脂形成共價鍵，因此使樹脂與金屬表面能夠緊密結(jié)合，再加上合理的涂裝工藝(如噴涂、刷涂、滾涂、浸泡等)就使得在金屬表面能夠形成一層均勻、致密并牢固的保護膜，達到耐腐蝕、氧化的目的。

　　4、無氰化鍍銅工藝

　　電鍍銅一般用于鑄模、鍍鎳、鍍鉻、鍍銀和鍍金的打底，在對金屬表面鍍銅時，一般傳統(tǒng)的鍍液內(nèi)都要含有氰化物，而氰化物對人體來說是有劇毒的物質(zhì)，一旦泄露到環(huán)境中也會對環(huán)境造成嚴重的污染，因此，國內(nèi)外一直在致力于尋求一種無氰化鍍銅工藝，使鍍銅的過程能夠達到無害化、環(huán)保的要求。

　　按照CuCl₂與H₂O質(zhì)量比為28:100配制氯化銅溶液，并經(jīng)活性炭處理，然后在70℃，600mL水中加入250g的 NCBC990U(粉體)，充分攪拌后加入 100mL NCBC990M(淺黃色液體)，然后用KOH調(diào)節(jié)pH值至6～8，將兩種溶液混合均勻并加入去離子水至溶液總體積達到1000mL后加熱到80℃，然后自然降溫到50℃，待鍍液澄清透明后經(jīng)過濾，電鍍時，將鍍液加熱至反應溫度，電解15～30min后可作為電鍍液使用，進行電鍍操作。

　　實驗證明這種無氰化電鍍的鍍層較為均勻，并且達到整個工藝過程的無害化。

　　5、銅材無黃煙光亮清洗工藝

　　目前鎘材光亮清洗常用配方為：硫酸750g/L，鹽酸4g/L且硝酸100-150g/L適用于銅、黃銅。對用于低錫青銅、磷青銅等，硝酸含量還要加大，硫酸700g/L，鹽酸3-5g/L，硝酸350g/L。

　　對銅鋅鎳合金類應用如下：磷酸500ml/L。硝酸130ml/L，HAC360ml/L，配方多且復雜，操作時產(chǎn)生大量氮氧化合物?！皾鉄煗L滾”毒性大又難處理。

　　杭州吉力達表面處理材料廠的工藝配方如下：硫酸40ml/L，硝酸鈉70g/L(或硝酸30ml/L)，D-9105：10g/L，產(chǎn)生的氮氧化合物很少，無需專門處理廢氣裝置，同時不會產(chǎn)生脫鋅腐蝕和過腐蝕，銅件油光閃亮，在生產(chǎn)上得到了很廣泛的應用。

　　6、鋁材無黃煙光亮清洗工藝

　　在鋁材的光亮清洗工藝中一般是采用磷酸、硫酸、硝酸的混合酸液中，加熱至一定的溫度后進行的，因此在清洗的過程中會產(chǎn)生大量的酸霧、黃煙。黃煙的成分為氨氧化物，對環(huán)境造成一定的污染，并且對操作人員的身體健康也有害，隨著科技的發(fā)展。目前人們普遍采用不加硝酸，而添加一種特殊的添加劑的方式。

　　國內(nèi)目前生產(chǎn)這種添加劑的廠商有黃巖精細化工廠和佛山吉力達表面處理材料廠等，添加劑的成分未知，但已經(jīng)證實這種工藝在清洗過程中無黃煙產(chǎn)生，更加環(huán)保。

　　7、不銹鋼表面清洗除銹

　　不銹鋼清洗一般使用“硝酸。硫酸，鹽酸”體系，但如果對表面質(zhì)量要求高一些的清洗中，就必定大量使用耶.環(huán)保同題十分嚴重。目前太原鋼鐵公司從國外引進了使用硫酸鈉處理的設(shè)備和工藝，使不銹鋼表面清洗除銹方式得到一次重大進步。

　　8、除油清洗

　　用表面活性劑去油和無磷洗衣粉去油(分子篩去油)已是盡人皆知的事。但美國的藍金產(chǎn)品卻有獨到之處。它已通過美國的勞工部職工安全保健局、環(huán)保局、保護臭氧層工業(yè)協(xié)會、能源部、導dan太空公司、農(nóng)業(yè)部、壓縮氣體協(xié)會等部門鑒定，認為該產(chǎn)品無毒，無污染，且可以循環(huán)使用.油水會自動分離。帶出液只需pH中和即可排放。

　　產(chǎn)品已在世界各國的一些大公司使用。杭州近江金屬材料有限公司目前經(jīng)銷的KL-3系列多功能表面處理劑，是新型的高科技產(chǎn)品，具有不含強酸、強堿.而除油去銹徹底，時間短，有較強的抑制酸霧功能。使工作環(huán)境更符合環(huán)保要求，并能大大提高處理質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，是鋁、銅、鋼鐵、鋅合金表面處理的環(huán)保型綠色產(chǎn)品。

　　9、鋼鐵件酸洗鈍化

　　比較有代表性的是高科技產(chǎn)品KL-3，可與皮膚接觸，無害，不產(chǎn)生有毒氣體，不需排放，而且酸洗鈍化在同一槽液進行，產(chǎn)品可操作性強;價格便宜，操作和管理均簡單。