表面处理工艺(前处理)工艺概述

表面处理工艺(前处理)工艺概述
在对材料或制品进行表面处理之前,应有前处理或预处理工序,以使材料或制品的表面达到可以给以表面处理的状态。前处理的质量好 坏是能否获得优质表面处理效果的重要环节。实践证明,经过表面处理获得的镀层、涂层或化学处理膜,有时会出现防蚀性差、结合力 低、耐用寿命短、表面不平滑光亮、起泡或剥落等现象,这常常是由于前处理不当而造成的后果。因此,在表面处理前,必须有保证质 量的前处理工序。从通用材料或一般制品使用的材质来看,前处理可分为金属表面的前处理、塑料表面的前处理和木材表面的前处理等。 一、金属制品的表面前处理 金属制品的材料品种繁多,它们的原始表面状态各不相同,而且不同的表面处理对其前处理的要求也不一样,因此金属制品表面的 前处理工艺和方法很多。其中主要包括有金属表面的机械处理、化学处理和电化学处理等。由于机械处理方法在概述中已有介绍,因此 本节仅讨论黑色金属的一般化学处理和电化学处理,以及铝和铝合金制品的化学处理等。化学处理的作用主要是清理制品表面的油污、 锈蚀及氧化皮等。其中包括制品在有机溶剂和无机试剂中的除油,在适当的化学试剂中的化学强浸蚀和化学弱浸蚀。电化学处理则主要 用以强化学除油和浸蚀的过程,有时也可用于弱浸蚀时活化金属制品的表面状态。 1.黑色金属制品的除油 由于金属制品在机械加工和中间过程防锈的需要,一般其表面上都黏附或涂有各种压延油、切削油、抛光膏和防锈油等油脂性物质, 在进行各种表面处理之前,应将这些油污清洗干净,以免影响表面处理的效果。 油污按其性质可分为皂化油和非皂化油两类。皂化油是来源于动植物的油脂,能与碱液起化学反应生成皂,非皂化油是不与碱液起 化学反应的矿物油脂,如凡士林、润滑油和石蜡等。两类油脂都不溶解于水,因此无法直接用水把它们清洗干净,一般是采用有机溶剂 处理、碱液处理或电化学处理的方法除油或脱脂。 (1)有机溶剂除油。使用有机溶剂除油可同时除去皂化油和非皂化油。对于溶剂要求其溶解力强,不易燃易爆,毒性小,挥发较慢, 且价格低廉。实际上使用的有机溶剂很难全面满足上述要求。生产中常用的有机溶剂有汽油、溶剂汽油、松节油、甲苯、二甲苯、二氯 乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯等。其中应用较广的是氯化烃,它的优点是溶解力强,不易燃易爆,缺点是有毒,成本高,在有水存在下能 分解出氯化氢,有腐蚀作用,在使用时要注意防潮防湿。 用有机溶剂除油, 最简单的方法是用棉纱蘸有机溶剂对金属表面进行擦洗(适用于大型工件)。 也可将制品浸入盛有有机溶剂的槽中, 通过浸渍来除油,这种方法可在专用的脱脂机中进行。在脱脂机内放有若干个槽子,分别都装有有机溶剂,用机械传送的方式,使工件 依次浸入其中脱脂。 在脱脂机中脱脂,溶剂多用三氯乙烯,因为它在低温时具有很强的脱脂能力,并且能随温度的升高使脱脂能力剧增。另外,由于它 的沸点低,已含有大量油污的三氯乙烯可通过分馏提纯后重新被利用,使脱脂处理的成本降低。石油溶剂中最常用的是 200 号溶剂汽油, 一般用浸洗或擦洗的方法脱脂。使用有机溶剂脱脂,在溶剂挥发后,制品表面往往还留有一薄层油膜,所以还要把工件浸入碱液中作补 充处理。 用有机溶剂除油的优点是效率高。在使用脱脂机的情况下,溶剂消耗少,因而成本并不高。若不使用脱脂机,则溶剂消耗大,成本 增加,且易燃并有毒。由于有机溶剂除油有这些缺点,在不使用脱脂机的情况下,应尽量不用有机溶剂的方法除油。 (2)碱液除油。碱液除油是由碱液的皂化和乳化作用来完成的,皂化可除去制品表面的动植物油,乳化可除去制品表面的矿物油。 由于碱液本身的乳化作用较弱,乳化除油的时间较长,因经常在碱液中加入各种乳化剂,如肥皂、水玻璃、OP 乳化剂等,用以提高乳化 除油的效率。 当碱液除油的配方和工艺条件选择适当时,皂化油和非皂化油都可顺利地从制品表面清洗干净。碱液除油时碱的浓度不宜偏高,因 为浓度偏高,会使肥皂的溶解度和乳液的稳定性下降,一般用 5%10%的苛性钠溶液较适宜。碱液除油的配方包括以下组分:氢氧化钠、 碳酸钠、磷酸三钠、水玻璃和肥皂等,其中氢氧化钠起皂化作用,碳酸钠和磷酸三钠维持溶液一定的碱度,水玻璃和肥皂主要起乳化作 用。 鉴别金属表面油污除净与否,可视表面被水润湿的情况而定。当金属表面油污被除净时,则有一层连续的水膜存在,否则水将聚集 成滴状。目前金属表面前处理除油工艺中,普遍使用的方法是碱性溶液化学除油。生产实践证明,采用这种除油方法是合理的,虽然应 用这一除油工艺,在时间上要比用有机溶剂除油长一些,但无毒和不易燃却是它的一大优点,其所用的生产设备较简单,且经济。 (3)电化学除油。电化学除油是将制品放在碱性溶液中作为阴极或阳极而进行电解除油。一般采用的方法是阴极除油或先在阴极上 除油,尔后再在阳极上除油。所用除油的碱液含有氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠及硅酸钠等组分。 电化学除油的第二电极最好用镀镍钢板或镍板。在阴极除油时,如用铁板作阳极,铁会出现溶解而脏污溶液,并在阴极上产生沉积 物。 电化除油的原理是:阴极上析出的氢气或阳极上析出的氧气,对金属表面的溶液产生搅动作用,促进油污脱离金属表面,同时 金属表面的溶液不断更新,加速了皂化和乳化作用。电极上析出的气体,把附着于表面的油膜薄层破坏。小气泡从油滴附近的电极上脱 离而滞留于油滴的表面上,并停留在油与溶液的界面上。由于新的气泡不断析出,小气泡逐渐变大,使油滴在气泡的影响下脱离金属表 面,而被气泡带到溶液表面上来。因此电化学除油比碱液除油的效果要好。电化学除油时,提高溶液的温度和提高电流密度都能提高除 油的效果。 阴极除油的缺点是阴极上析出的氢气会渗到金属内部而引起金属变脆。因此,对于硬质高碳钢制件, 如弹簧、弹性薄片等,可利用阳极除油,但阳极除油速度比阴极除油慢。这是因为: ①阳极附近的碱度较低,减弱了皂化作用; ②阳极上析出的氧气较少; ③由于氧气泡较大,滞留于液滴表面上的能力小,对油滴的作用弱于氢气泡的作用。根据阳极除油和阴极除油的特点,在生产上可 采用先在阴极上除油,然后再在阳极上除油。在这种情况下,渗入表面的氢几乎在很短的时间内就能完全除去而恢复制品的弹性。 2.黑色金属制品的浸蚀 钢铁制品与大气长期接触或进行热处理时,其表面会覆盖上一层锈蚀物或黑色氧化皮,其化学组成是各种铁的氧化物。在进行各种 表面处理时,必须预先除去这些氧化物。其方法有手工除锈、机械除锈和喷砂除锈等,而最通用的方法是采用各种酸类试剂处理来除锈。

这种处理的实质是通过酸类对锈蚀物的溶解作用,以及在处理过程中酸类与金属基体反应产生的氢气对锈蚀物的机械剥离作用而从金属 表面将锈蚀物清洗干净。用酸类清除表面大量氧化物的过程称为强浸蚀,或称为酸洗,清除表面上肉眼不易觉察的薄氧化膜的过程称为 弱浸蚀。有时在浸蚀过程中也通以电流,则称为电化学浸蚀,电化学浸蚀既用于强浸蚀,也用于弱浸蚀,弱浸蚀一般是在强浸蚀后进入 电镀槽之前进行的,该工序之后就不允许金属制品在大气中停留太久,特别是金属制品表面不应处于干燥状态。为保证浸蚀过程顺利进 行,在浸蚀之前须先行除油,否则酸与金属氧化物不能充分接触,会使化学溶解反应受到抑制。 (1)化学强浸蚀。在黑色金属强浸蚀中,常用的酸有硫酸、盐酸,或两者按一定比例混合的“混酸”。 根据钢铁制品表面氧化物的组成和结构,当金属制品表面只带有疏松的锈蚀物时(其中主要是 Fe2O3),可单独用盐酸来浸蚀,因为 盐酸对制品的浸蚀速度快,基体溶解少,渗氢程度也小些,当金属制品表面为紧密的氧化皮时,使用硫酸浸蚀比单独用盐酸时的酸耗量 要小些,成本也低,这是因为硫酸浸蚀时的机械剥离作用要比盐酸的强,当金属表面的锈和氧化皮含高价铁的氧化物多时,可采用混合 酸进行浸蚀,这样既可发挥氢对氧化皮的撕裂作用,又可加速 Fe2O3 和 Fe3O4 的化学溶解,加速洗净表面锈蚀物。影响强化学浸蚀效 果的因素很多,其中主要是浓度、浸蚀温度等对于清洗效果的影响。 实践证明对应于最大浸蚀速度有一个最适宜的硫酸浓度,此值约为 25%(重量)。为了减少铁基体的损失,生产中一般使用的浓度 为 20


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