金属材料表面处理工艺

2022-01-05 15:15:41 0

(来源:新材料在线)


利用现代物理、化学、金属学和热处理等学科的技术来改变零件表面的状况和性质,形成一层具有某种或多种特殊性质的表层,使之与心部材料作优化组合,以达到预定性能要求(如提升产品外观、质感、功能等多个方面的性能)的工艺方法,称为表面处理工艺。

GRISH


表面处理的作用:

提高表面耐蚀性和耐磨性,减缓、消除和修复材料表面的变化及损伤;

使普通材料获得具有特殊功能的表面;

节约能源、降低成本、改善环境。


金属表面处理工艺分类

GRISH


总共可以分为4大类:表面改性技术、表面合金化技术、表面转化膜技术和表面覆膜技术。


一、表面改性技术


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。

GRISH

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。


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。

GRISH

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。

GRISH

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。


3、喷丸

喷丸强化是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。

喷丸(shot peening)用喷丸进行表面处理,打击力大,清理效果明显。但喷丸对薄板工件的处理,容易使工件变形,且钢丸打击到工件表面(无论抛丸或喷丸)使金属基材产生变形,由于Fe3O4和Fe2O3没有塑性,破碎后剥离,而油膜与基材一同变形,所以对带有油污的工件,抛丸、喷丸无法彻底清除油污。

在现有的工件表面处理方法中,清理效果最佳的还数喷砂清理。喷砂适用于工件表面要求较高的清理。但是我国目前通用喷砂设备中多由铰龙、刮板、斗式提升机等原始笨重输砂机械组成。

GRISH

喷丸作用:

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。

喷丸的特点:

(1)清理的灵活性大,容易清理复杂工件的内外表面和管件的内壁;并且不受场地的限制,可以将其移至到特大型工件附近进行清理;

(2)设备结构简单,整机投资少,易损件少,维修费用低;

(3消耗能量大,必须配备大功率的空压站;

(4清理表面易有潮气,容易生绣;

(5清理效率低,操作人员多,劳动强度大。

喷丸与抛丸的区别:

喷丸使用高压风或压缩空气作动力,而抛丸一般为高速旋转的飞轮将钢砂高速抛射出去。抛丸效率高,但会有死角,而喷丸比较灵活,但动力消耗大。

两种工艺虽喷射动力和方式不同,但都是高速冲击工件为目的,其效果也基本相同,相比而言,喷丸比较精细,容易控制精度,但效率不及抛丸之高,适宜形状复杂的小型工件,抛丸比较经济实用,容易控制效率和成本,可以控制丸料的粒度来控制喷射效果,但会有死角,适合于形面单一的工件批量加工。

两种工艺的选用主要取决工件的形状和加工效率。


抛丸的原理是用电动机带动叶轮体旋转(直接带动或用V型皮带传动),靠离心力的作用,将直径约在0.2~3.0的弹丸(有铸钢丸、钢丝切丸、不锈钢丸等不同类型)抛向工件的表面,使工件的表面达到一定的粗糙度,使工件变得美观,或者改变工件的焊接拉应力为压应力,提高工件的使用寿命。通过提高工件表面的粗糙度,也提高了工件后续喷漆的漆膜附着力。其寓意即为抛丸处理可以为喷漆工艺的前道工序。

抛丸的特点:

(1)灵活性差。受场地的限制,清理工件有些盲目性,在工件内卫表面易产生清理不到的死角;

(2)不用压缩空气加速弹丸,不必设置大功率的空压站;

(3清理表面不易有潮气,不容易生绣;

(4设备结构比较复杂,易损件多,特别是叶片等零件,维修工时多,费用高;

(5清理效率高,费用低,操作人员少,容易实现自动化控制,适用于大批量生产。


喷丸与喷砂的区别:

喷丸与喷砂都是使用高压风或压缩空气作动力,将其高速的吹出去冲击工件表面达到清理效果,但选择的介质不同,效果也不相同。

喷砂处理后,工件表面污物被清除掉,工件表面被微量破坏,表面积大幅增加,从而增加了工件与涂/镀层的结合强度。

经过喷砂处理的工件表面为金属本色,但是由于表面为毛糙面,光线被折射掉,故没有金属光泽,为发暗表面。

喷丸处理后,工件表面污物被清除掉,工件表面被微量而不被破坏,表面积有所增加。由于加工过程中,工件表面没有被破坏,加工时产生的多余能量就会引会工件基体的表面强化。

经过喷丸处理的工件表面也为金属本色,但是由于表面为球状面,光线部分被折射掉,故工件加工为亚光效果。


喷砂是采用压缩空气为动力,以形成高速喷射束将喷料(铜矿砂、石英砂、金刚砂 、铁砂、海南砂)高速喷射到需要处理的工件表面,使工件表面的外表面的外表或形状发生变化,获得一定的清洁度和不同的粗糙度的一种工艺。

由于磨料对工件表面的冲击和切削作用,使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度,使工件表面的机械性能得到改善,因此提高了工件的抗疲劳性,增加了它和涂层之间的附着力,延长了涂膜的耐久性,也有利于涂料的流平和装饰。

喷砂工艺与其它清理工艺(如酸洗,工具清理)相比有以下特点:

(1喷砂处理是最彻底、最通用、最迅速、效率最高的清理方法

(2喷砂处理可以在不同粗糙度之间任意选择,而其它工艺是没办法实现这一点的。手工打磨可以打出毛面但速度太慢,化学溶剂清理则清理表面过于光滑不利于涂层粘接。

GRISH

技术特点:

(1实现不同的反光或亚光。


(2能清理工件表面的微小毛刺,并使工件表面更加平整,消除了毛刺的危害,提高了工件的档次。


(3清楚前处理时遗留的残污,提高工件的光洁度,能使工件露出均匀一致的金属本色,使工件外表更美观,好看。



4、滚压

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。

GRISH

应用:圆柱面、锥面、平面等形状比较简单的零件。


5、拉丝

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。

GRISH

根据拉丝后纹路的不同可分为:直纹拉丝、乱纹拉丝、波纹、旋纹。

GRISH

技术特点:

拉丝处理可使金属表面获得非镜面般金属光泽,同时拉丝处理也可以消除金属表面细微的瑕疵。


6.抛光

利用柔性抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行的修饰加工。


抛光不以提高工件的尺寸精度或几何形状精度为主要目的,而是以得到光滑表面或镜面光泽为目的,有时也用以消除光泽(消光)。


通常以抛光轮作为抛光工具。抛光轮一般用多层帆布、毛毡或皮革叠制而成,两侧用金属圆板夹紧,其轮缘涂敷由微粉磨料和油脂等均匀混合而成的抛光剂。

GRISH



抛光时,高速旋转的抛光轮(圆周速度在20米/秒以上)压向工件,使磨料对工件表面产生滚压和微量切削,从而获得光亮的加工表面,表面粗糙度一般可达Ra0.63~0.01微米;


当采用非油脂性的消光抛光剂时,可对光亮表面消光以改善外观。


对产品表面要求稍低时,常采用滚筒抛光的方法。


粗抛时将大量磨料和产品放在罐状滚筒中,滚筒转动时,使产品与磨料等在筒内随机地滚动碰撞以达到去除表面凸锋而减小表面粗糙度的目的。


粗抛(基础抛光过程),中抛(精加工过程)和精抛(上光过程),选用合适的抛光耗材可以达到最佳抛光效果,同时提高抛光效率。

工艺流程:

GRISH

二、表面合金化技术


化学表面热处理

表面合金化技术的典型工艺就是化学表面热处理。

是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。

GRISH

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

三、表面转化膜技术

1、发黑与磷化

GRISH

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。也成为发蓝。

钢制件的表面发黑处理,也有被称之为发蓝的。其原理是将钢铁制品表面迅速氧化,使之形成致密的氧化膜保护层,提高钢件的防锈能力。

发黑处理现在常用的方法有传统的碱性加温发黑和出现较晚的常温发黑两种。但常温发黑工艺对于低碳钢的效果不太好。A3钢用碱性发黑好一些。

在高温下(约550℃)氧化成的四氧化三铁呈天蓝色,故称发蓝处理。在低温下(约350℃)形成的四氧化三铁呈暗黑色,故称发黑处理。在兵器制造中,常用的是发蓝处理;在工业生产中,常用的是发黑处理。

采用碱性氧化法或酸性氧化法;使金属表面形成一层氧化膜,以防止金属表面被腐蚀,此处理过程称为“发蓝”。黑色金属表面经“发蓝”处理后所形成的氧化膜,其外层主要是四氧化三铁,内层为氧化亚铁。

发蓝(发黑)的操作流程:

工件装夹→去油→清洗→酸洗→清洗→氧化→清洗→皂化→热水煮洗→检查。

所谓皂化,是用肥皂水溶液在一定温度下浸泡工件。目的是形成一层硬脂酸铁薄膜,以提高工件的抗腐蚀能力。


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。

磷化的目的主要是:给基体金属提供保护,在一定程度上防止金属被腐蚀;用于涂漆前打底,提高漆膜层的附着力与防腐蚀能力;在金属冷加工工艺中起减摩润滑使用。

GRISH


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氧化膜层。


这层氧化膜具有防护性、装饰性、绝缘性、耐磨性等特殊特性。

图片

阳极氧化前要经过抛光、除油、清洗等预处理,其后要进行冲洗、着色和封闭等处理。

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。

工艺流程:

单色、渐变色:

抛光/喷砂/拉丝→除油→阳极氧化→中和→染色→封孔→烘干

双色:

①抛光/喷砂/拉丝→除油→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→阳极氧化1 →镭雕→阳极氧化2 →封孔→烘干


技术特点:

(1)提升强度

(2实现除白色外任何颜色

(3)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。



微弧氧化在电解质溶液中(一般是弱碱性溶液)施加高电压生成陶瓷化表面膜层的过程,该过程是物理放电与电化学氧化协同作用的结果。

GRISH

工艺流程:

前处理→ 热水洗→ MAO →  烘干


优点:

1、陶瓷质感,外观暗哑,没有高光产品,手感细腻,防指纹;

2、基材广泛:Al, Ti, Zn, Zr, Mg, Nb, 及其 合金等;

3、前处理简单,产品耐腐蚀性、耐候性极佳,散热性能佳。


缺点:

目前颜色受限制,只有黑色、灰色等较成熟,鲜艳颜色目前难以实现;成本主要受高耗电影响,是表面处理中成本最高的其中之一。



四、表面覆膜技术


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。

GRISH

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。


2.真空镀

真空镀,就是在真空条件下,通过蒸馏或溅射等方式在金属表面沉积各种金属和非金属薄膜的表面处理工艺。


通过真空镀的方式可以得到非常薄的表面镀层,同时具有速度快、附着力好、污染物少等优点。

真空溅射镀原理

GRISH

按照工艺不同,真空镀可以分为真空蒸镀、真空溅射镀、真空离子镀。

GRISH


3.电镀

电镀是利用电解作用使金属的表面附着一层金属膜的工艺从而起到防止腐蚀,提高耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用的一种技术。

GRISH

镀层金属或其他不溶性材料做阳极,待镀的工件做阴极,镀层金属的阳离子在待镀工件表面被还原形成镀层。


为排除其它阳离子的干扰,且使镀层均匀、牢固,需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液,以保持镀层金属阳离子的浓度不变。


电镀的目的是在基材上镀上金属镀层,改变基材表面性质或尺寸。


电镀能增强金属的抗腐蚀性(镀层金属多采用耐腐蚀的金属)、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、润滑性、耐热性、和表面美观。

GRISH

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。

工艺流程:

前处理→无氰碱铜→无氰白铜锡→镀铬


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。


4.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,使材料汽化成原子、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。

GRISH

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。

PVD工艺流程:

PVD前清洗→进炉抽真空→洗靶及离子清洗→镀膜→镀膜结束,冷却出炉→后处理(抛光、AFP)


PVD技术特点:

PVD(Physical Vapor Deposition,物理气相沉积) 可以在金属表面镀覆高硬镀、高耐磨性的金属陶瓷装饰镀层


五、其他

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。

GRISH

工艺流程:

上件→静电除尘→喷涂→低温流平→烘烤


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。


缺点:

目前用于电子产品比较少。



蚀刻通常所指蚀刻也称光化学蚀刻,指通过曝光制版、显影后,将要蚀刻区域的保护膜去除,在蚀刻时接触化学溶液,达到溶解腐蚀的作用,形成凹凸或者镂空成型的效果。

GRISH

工艺流程:

曝光法:

工程根据图形开出备料尺寸-材料准备-材料清洗-烘干→贴膜或涂布→烘干→曝光→显影→烘干-蚀刻→脱膜→OK

网印法:

开料→清洗板材(不锈钢其它金属材料)→丝网印→蚀刻→脱膜→OK


优点:

1、可进行金属表面细微加工;

2、赋予金属表面特殊的效果;


缺点:

蚀刻时采用的腐蚀液体(酸、碱等)大多对环境具有危害。



电泳用于不锈钢、铝合金等,可使产品呈现各种颜色,并保持金属光泽,同时增强表面性能,具有较好的防腐性能。

电泳是电泳涂料在阴阳两极,施加于电压作用下,带电荷涂料离子移动到阴极,并与阴极表面所产生之碱性作用形成不溶解物,沉积于工件表面。

电泳表面处理工艺的特点:

电泳漆膜具有涂层丰满、均匀、平整、光滑的优点,电泳漆膜的硬度、附着力、耐腐、冲击性能、渗透性能明显优于其它涂装工艺。电泳工艺优于其他涂装工艺。

电镀与电泳的区别:

电镀是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程。

电泳是溶液中带电粒子(离子)在电场中移动的现象。溶液中带电粒子(离子)在电场中移动的现象。利用带电粒子在电场中移动速度不同而达到分离的技术称为电泳技术。

电泳又名——电着 (著),泳漆,电沉积。

GRISH

工艺流程:

前处理→电泳→烘干


优点:

1、颜色丰富;

2、无金属质感,可配合喷砂、抛光、拉丝等;

3、液体环境中加工,可实现复杂结构的表面处理;

4、工艺成熟、可量产。


缺点:

掩盖缺陷能力一般,压铸件做电泳对前处理要求较高。


钝化

钝化的机理可用薄膜理论来解释,即认为钝化是由于金属与氧化性质作用,作用时在金属表面生成一种非常薄的、致密的、覆盖性能良好的、牢固地吸附在金属表面上的钝化膜。这层膜成独立相存在,通常是氧化金属的化合物

它起着把金属与腐蚀介质完全隔开的作用,防止金属与腐蚀介质接触,从而使金属基本停止溶解形成钝态达到防腐蚀的作用。

钝化的优点:

1、与传统的物理封闭法相比,钝化处理后具有绝对不增加工件厚度和改变颜色的特点、提高了产品的精密度和附加值,使操作更方便;

2、由于钝化的过程属于无反应状态进行,钝化剂可反复添加使用,因此寿命更长、成本更经济;

3、钝化促使金属表面形成的氧分子结构钝化膜、膜层致密、性能稳定,并且在空气中同时具有自行修复作用,因此与传统的涂防锈油的方法相比,钝化形成的钝化膜更稳定、更具耐蚀性。

金属或合金受一些因素影响,化学稳定性明显增强的现象,称为钝化。由某些钝化剂(化学药品)所引起的金属钝化现象,称为化学钝化。如浓HNO3、浓H2SO4、HClO3、K2Cr2O7、KMnO4等氧化剂都可使金属钝化。

金属钝化后,其电极电势向正方向移动,使其失去了原有的特性,如钝化了的铁在铜盐中不能将铜置换出。

此外,用电化学方法也可使金属钝化,如将Fe置于H2SO4溶液中作为阳极,用外加电流使阳极极化,采用一定仪器使铁电位升高一定程度,Fe就钝化了。由阳极极化引起的金属钝化现象,叫阳极钝化或电化学钝化。

GRISH
GRISH


更多产品信息欢迎您进店选购!

https://bjgrish1.1688.com

关于国瑞升GRISH®--精密抛光材料专家&专注精密抛光20年

北京国瑞升科技股份有限公司成立于2001年6月,是国内专业从事研发、生产、经营超精密研磨抛光材料的国家级高新技术企业,是具有多项国际国内自主知识产权、多年产品技术研发经验和众多客户应用实践沉淀的业界先驱。

( https://www.bjgrish.com 010-51653168


国瑞升GRISH®以精准服务为客户提供专业化、定制化的研磨抛光解决方案,以及多种配套化、系列化的精密研磨抛光材料产品、工艺和设备,专注解决客户超精密研磨抛光的高端需求,助力客户成功!


其中国瑞升GRISH®研发生产的超精密抛光膜&抛光带、静电植砂研磨带&抛光带、3D立体凹凸磨料、单晶&多晶&类多晶--金刚石微粉及对应研磨液、CMP抛光液、研磨助剂等多种超精密抛光耗材,广泛应用于光通信、汽车、半导体、LED、蓝宝石、精密陶瓷、LCD、3C电子、辊轴、口腔医疗等多个行业,并已出口至美国、英国、德国、俄罗斯、日本、韩国、印度、巴西等多个国家和地区。

GRISH

欢迎您关注

GRISH

国瑞升GRISH®

以专业化、系列化、

配套化、定制化的产品,

精准服务,助客户成功!


电话
产品中心
应用行业
样品索取