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常见工业金属表面处理技术有哪些?

常见工业金属表面处理技术有哪些?

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金属表面处理工艺简介

金属表面处理,是在基材表面利用物理、化学、金属学和热处理等学科的技术来改变工件表面的状况和性质,以达到预定性能要求的工艺方法。

表面处理的作用:

  • 提高金属表面硬度、耐蚀性、耐磨性和减小摩擦系数;
  • 减缓、消除和修复材料表面的变化及损伤;
  • 节约能源、降低成本、改善环境;
  • 改善外观等装饰作用;
  • 其它特殊功能需求;

金属表面处理工艺分类

金属表面处理 改性处理 -通过物理、化学方法,改变基材的表面状态;基材化学成分不变
合金化处理 -通过物理方法,使添加材料进入基体,形成合金化层
转化膜处理 -通过化学方法,使添加材料和基材发生化学反应,形成转化膜
覆膜处理 -在基材表面增加一层膜,基材不参与膜的形成

 

一、表面改性技术

1.1、表面淬火

表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下,利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。表面淬火的主要方法有火焰淬火和感应加热,常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰等。

1.2、激光表面强化

激光表面强化是用聚焦的激光束射向工件表面,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。激光表面强化可以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。

激光表面强化的热影响区小,变形小,操作方便,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。

作用:

  • 提高零件机械强度以及耐磨性、抗疲劳和耐蚀性等;
  • 用于表面消光、去氧化皮;
  • 消除铸、锻、焊件的残余应力等。

1.3、抛光

抛光是指利用机械、化学或电化学等作用,使工件表面粗糙度降低,以获得光亮(也可以用于消除光泽)、平整表面的加工方法。目前大量应用在各个行业,如手机等消费电子、家电、汽车等。

工艺流程

抛光工艺分很多种,有机械抛光、电解抛光、化学抛光及纳米抛光等,其中机械抛光应用比较广泛,工艺流程主要包括:局部研磨、整体研磨、粗抛、精抛、清洁及检验等。

各种抛光工艺对比

1.4、其它技术表明改性技术

喷丸——将大量高速运动的弹丸喷射到零件表面上,犹如无数个小锤锤击金属表面,使零件表层和次表层发生一定的塑性变形而实现强化的一种技术。

滚压——是在常温下用硬质滚柱或滚轮施压于旋转的工件表面,并沿母线方向移动,使工件表面塑性变形、硬化,以获得准确、光洁和强化的表面或者特定花纹的表面处理工艺。

拉丝——是指在外力作用下使金属强行通过模具,金属横截面积被压缩,并获得所要求的横截面积形状和尺寸的表面处理方法称为金属拉丝工艺。

二、合金化技术

2.1 渗碳和渗氮

将工件置于特定介质中加热保温,使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。

与表面淬火相比,化学表面热处理不仅改变钢的表层组织,还改变其化学成分。根据渗入的元素不同,化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。 化学热处理过程包括分解、吸收、扩散三个基本过程。

化学表面热处理最主要的两种方式就是渗碳和渗氮。

对比 渗碳 氮化
目的 提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度,同时保持基材内部良好的韧性。 提高工件表面硬度、耐磨性及疲芳强度,提高耐蚀性。
材料 含0.1-0.25%C的低碳钢,碳高则心部韧性降低 为含Cr, Mo,Al,Ti, V的中碳钢
方法  气体涉碳法、国体渗碳法、真空渗碳法 气体氨化法、离子氢化法
温度 900-950℃ 500 – 570℃
膜厚 0.5 – 2毫米 不超过0.6-0.7mm
用途 广泛用于飞机、汽车和拖拉机等的机械零件,如齿轮、轴、凸轮轴等。 用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等

三、金属表面转化膜技术

3.1 发黑与磷化

  • 发黑:
    钢材或钢件在空气-水蒸气或化学药物中加热到适当温度使其表面形成一层蓝色或黑色氧化膜的工艺。也称为发蓝。
  • 磷化:
    工件(钢铁或铝、锌件)浸入磷化液(某些酸式磷酸盐为主的溶液),在表面沉积形成一层不溶于水的结晶型磷酸盐转换膜的过程,称之为磷化。
名称 处理条件 颜色 膜特性 耐腐蚀性 应用
发黑 浓碱溶液中煮沸,生成四氧化三铁氧化膜 蓝黑色 膜厚0.5-1.6微米,吸附性好,可浸油或填充处理 膜薄,不影响零件的装备尺寸;对表面光洁要求高叫抛光的精密零件,发黑后表面既亮又黑,可防护和装饰
磷化 磷酸盐溶液中化学处理,生成结晶型磷酸盐膜 灰色或灰黑色 膜厚3-20微米,吸附性好,可浸油或填充处理 一般 主要用于钢铁制件(枪炮等)耐蚀防护和喷漆前处理,以增加油漆与钢铁工件的附着力及防护性

3.2、阳极氧化

主要是指铝及铝合金的阳极氧化。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Al2O3(氧化铝)膜层。这层氧化膜具有防护性、装饰性、绝缘性、耐磨性等特殊特性。

工艺流程:

单色、渐变色:抛光/喷砂/拉丝→除油→清洗等预处理→阳极氧化→中和→染色→封孔→烘干

双色:

①抛光/喷砂/拉丝→除油→清洗等预处理→遮蔽→阳极氧化1→阳极氧化2 →封孔→烘干

②抛光/喷砂/拉丝→除油→清洗等预处理→阳极氧化1 →镭雕→阳极氧化2 →封孔→烘干

技术特点:

  • 提升强度;
  • 实现除白色外任何颜色;
  • 实现无镍封孔,满足欧、美等国家对无镍的要求。

技术难点及改善关键点:

阳极氧化的良率水平关系到最终产品的成本,提升氧化良率的重点在于适合的氧化剂用量、适合的温度及电流密度,这需要结构件厂商在生产过程中不断探索,寻求突破。

应用:

常用于汽车、飞机的某些特殊部件的防护处理以及工艺品和日用五金制品的装饰性处理。

四、表面覆膜技术

4.1、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。

利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。

应用:航空航天、原子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。

粉末喷涂:

是用喷粉设备(静电喷塑机)把粉末涂料喷涂到工件的表面,在静电作用下,粉末会均匀的吸附于工件表面,形成粉状的涂层;粉状涂层经过高温烘烤流平固化,变成效果各异(粉末涂料的不同种类效果)的最终涂层。

工艺流程:

上件→静电除尘→喷涂→低温流平→烘烤

技术特点:

优点:

1、颜色丰富,高光、哑光可选;

2、成本较低,适用于建筑家具产品和散热片的外壳等;

3、利用率高,100%利用,环保;

4、遮蔽缺陷能力强;

5、可仿制木纹效果。

4.2、真空镀,气相沉积

气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质,通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。

根据沉积过程的原理不同,气相沉积技术可分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类。

物理气相沉积(PVD)

物理气相沉积是指在真空条件下,用物理的方法,使材料气化成原子、分子或电离成离子,并通过气相过程,在材料表面沉积一层薄膜的技术。

物理沉积技术主要包括真空蒸镀、溅射镀、离子镀三种基本方法。

物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛;工艺简单、省材料、无污染;获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。

广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。

化学气相沉积(CVD)

化学气相沉积是指在一定温度下,混合气体与基体表面相互作用而在基体表面形成金属或化合物薄膜的方法。

由于化学气相沉积膜层具有良好的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能,已被广泛用于机械制造、航空航天、交通运输、煤化工等工业领域。

4.3、电镀

电镀是一种电化学和氧化还原的过程。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,接通直流电源后再制件上就会沉积出金属镀镍层。

电镀方法分为普通电镀和特种电镀。

普通电镀 镀锌 主要用于钢铁零件上的防腐蚀用,是产量最大的镀种。成本低、抗蚀性好、耐贮存,在轻工、机电、农机和国防等广泛应用。
镀镉 钢铁零件上镀镉,在海洋和湿热大气环境种,其保护性能比镀锌好,多用于航空、航海及电子工业中的零件防护.
镀锡 锡的腐蚀产物对人类无害,且易于钎焊,镀锡广泛用于食品耀头包装制品、饮具、餐具及电子工业中很多需要钎焊的零件。
镀铜 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
镀镍 应用广泛,可用于防护装饰性和功能性两方面。前者主要用于电器、五金、汽车等;后者用于易磨损产品的修复。
镀铬 镀铬层有很高的硬度和优良的耐磨性及较低的摩擦系数,用于防护装饰性镀层,防止生锈和美化外观。
特种电镀 刷镀 刷镀不用镀槽,旋转的工件接直流电源的负极,镀笔接正极,镀笔前段用脱脂棉包住,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。
优点:设备简单、操作灵活,可以进行局部电镀和野外作业。
滚镀 滚镀是将一定数量的小零件置于专用滚筒内,在滚动状态下以间接导电的方式使零件表面沉积上各种金属或合金镀层,以达到表面防护装饰及各种功能性目的 一种电镀加工方式。
优点:节省劳动力、表面质量好、镀层厚度波动性小等。
挂镀 挂镀也叫吊镀,是将零件装在挂具上进行镀层沉积处理的一种电镀方式, 般用于大尺寸零件(如车轮教)的电镀。

工艺流程:

前处理→无氰碱铜→无氰白铜锡→镀铬

技术特点:

优点:

1、镀层光泽度高,高品质金属外观;

2、基材为SUS、Al、Zn、Mg等;成本相对PVD低。

缺点:

环境保护较差,环境污染风险较大。

常用材料常用表面处理工艺种类汇总(更新中)

  • 金属:电泳,喷砂,喷丸,抛光,蚀刻,电镀,拉丝,微弧氧化,热喷涂,阳极氧化,PVD、CVD真空镀
  • 塑料:喷涂,电镀,印刷,镭雕,咬花,IMD,OMD, NCVM
  • 玻璃:玻璃钢化,抛光,印刷,镀膜,彩绘,雕刻和蚀刻,AF coating
  • 陶瓷:研磨,抛光,AF处理,激光加工,PVD真空镀,超声波加工

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