第3教学单元金属表面预处理.doc

冶金与建筑工程系 教 案第 3 教学单元课 题：金属表面预处理教学目标知识目标1 了解金属表面整平、脱脂、除锈和活化等金属表面预处理工艺的原理；2 熟悉上述金属表面预处理工艺的特点和应用。能力目标能够通过查阅相关的技术手册，针对不同的金属工件选择和制订适当的表面预处理工艺方法。职业素质目标自主创新教学重点金属表面预处理工艺的特点和应用教学难点脱脂、除锈工艺的特点和应用辅助教学手段采用实物、标本、模型、图表、幻灯和录像等手段教学准备准备教学目标、准备学生情况、准备教学材料、准备教学心理、准备教学过程、准备教学评价授课班级授课日期月 日月 日月 日月 日月 日教 学 进 程教学方法及时间分配复习提问：金属耐磨性的影响因素？ 金属腐蚀的防护措施？采用任务教学法、案例教学法、引导文教学法、现场教学法，通过教师讲解、示范，引导学生学习。6学时导 言：教学内容：金属材料或工件在运输、加工、存放过程中，表面往往带有氧化皮、铁锈、残留的型砂、尘土以及油脂等污物。这些污物如不能很好去除，将直接影响表面涂覆层与基体的结合力和耐腐蚀性能，将无法得到与基体结合牢固、致密、外观平整光滑的涂覆层，影响材料或工件的力学性能和使用寿命。金属表面状态和清洁程度是保证表面处理效果的先决条件。金属表面预处理同时是焊接生产及压力加工的准备工序，在工厂中常采用预处理生产线来完成。金属表面预处理一般包括表面整平、脱脂、除锈和活化等工序。一、表面整平所有的金属材料都不可避免与环境相接触,而与环境真正接触的是金属的表面，如各种机械零件和工程构件。金属表面发生破坏或失效，进而引起整个设备或零（构）件的破坏或失效。发展金属表面防护和强化技术， 是各国普遍关心的重大课题。 金属材料表面整平包括： 机械整平 化学处理方法1. 机械整平借助手工工具、动力工具或喷、抛丸（粒）等机械力去除材料表面的腐蚀产物、油污及其他杂物，以获得清洁表面的过程，称为机械整平。机械整平方法包括喷砂、喷丸、磨光、抛光和滚光等。其中喷丸同时也是一种金属表面形变强化手段，将在第三单元介绍。1.1 喷砂喷砂是利用压缩空气把磨料高速喷射到零件表面，对其进行清理的一种方法。工厂里也叫吹砂，常用的磨料有钢砂、石英砂、氧化铝、碳化硅等，最常用的是石英砂，砂粒的尺寸一般为2.53.5mm。喷砂的应用范围： 清除热处理件、锻件、铸件以及轧制板材表面的氧化皮或型砂。 清除工件表面的锈蚀、毛刺或油脂。 对于一些不能用酸浸蚀去除的氧化皮，或在去除氧化皮时容易引起过度浸蚀的情况下，对工件的表面进行预处理。 在进行特殊无光泽电镀前，获得均匀无光泽表面的零件。喷砂的分类： 喷砂分干喷砂和湿喷砂两种。有些零件的特殊部位不允许喷砂，必须进行适当地保护。例如内外螺旋齿、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。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。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。为防止钢铁件锈蚀，水中可加入亚硝酸钠、碳酸钠、重铬酸钠等作缓蚀剂。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。湿喷砂的应用与干喷砂相似，但主要用于较精密的加工，其优点是污染小。喷砂房系统项目：1、室体除尘器2、分选除尘器3、砂(丸)料斗4、斗式提升机5、一级分离器6、AC型喷砂机7、输送机构8、吸尘口9、蜂窝地板料斗10、大型风机11、消音器12、进风口13、地轨台车14、二级分离器 1.2 磨光 什么是磨光？磨光是借助粘有磨料的特制磨光轮的旋转，以切削金属零件表面的过程。磨光可去掉零件表面的毛刺、锈蚀、划痕、焊瘤、焊缝、砂眼、氧化皮等各咱宏观缺陷，以提高材料或零件的平整度。 磨光可根据零件表面状态和质量要求进行一次磨光和几次（磨料粒度逐渐减小）磨光，磨光后零件表面粗糙度Ra值可达0.4m，油磨效果更好。磨光适用于加工全部金属材料和部分非金属材料。磨光效果主要取决于磨料的特性、磨光轮的刚性和轮轴的旋转速度。 魔光轮磨光轮是用棉布、特种纸、毛毡、呢绒或皮革制成的圆片叠在一起，外面包上皮革心再经压粘或缝合而成，表面用骨胶或皮胶粘结适宜的磨料。磨光轮分为软轮和硬轮，材料硬、形状简单的工件用硬轮；材料软、形状复杂的工件用软轮磨光。 磨光带磨光带是由安装在电动机轴的接触轮带动，调整另一从动轮使其具有一定的张力，以便对零件进行磨光。磨光带由衬底、粘结剂和磨料三部分组成。衬底用13层不同类型的纸、布制成，粘结剂用合成树脂、骨胶或皮胶。 常见磨料的特性和用途： 磨光速度的选择磨光的效果除取决于磨料的种类和粒度外，还与磨光轮或磨光带的刚性和磨光速度有关。应根据工件材料的不同，选择适宜的磨轮转速。生产实践表明，磨光时磨轮的转速一般应控制在12002800转/分。零件形状简单或钢铁件粗磨时，可用较大的转速，而零件形状复杂或磨光非铁金属(铜、锌、铝)以及其合金的，要采用较小的速度。但过大的圆周速度会使磨光轮的使用寿命降低；而磨光速度太小时，生产效率低，表面质量差。不同金属材料磨光时磨料线速度与磨轮转速的关系：1.3 机械抛光抛光通常都在表面处理后进行，对表面涂镀层进行精加工；也可用于表面前对基体表面进行预加工。机械抛光是用涂有抛光膏的抛光轮对工件表面进行加工，其目的是去除金属表面的细微划痕, 降低工件的表面粗糙度值，使工件获得装饰性外观。抛光轮有布轮和毡轮等，轮的大小视生产零件的特征和要求而定，抛光轮的圆周速度一般为2035 m/s。 抛光分类依据抛光后表面质量的不同，机械抛光可分为粗抛、中抛与精抛三类。粗抛是用硬轮对经过或未经过磨光的表面进行抛光，有一定的磨削作用，能除去粗的磨痕。中抛是用较硬的抛光轮对经过粗抛的表面做进一步的加工，能除去粗抛留下的划痕，产生中等光亮的表面。精抛是用软轮抛光获得镜面光亮的表面，磨削作用很小，可使金属表面获得镜面光泽。 抛光膏的类型与用途：1.4 滚光和刷光滚光是将零件放入盛有磨料和滚光溶液的滚筒中，借助滚筒的旋转，使零件与磨料、零件与零件相互摩擦达到清理零件表面的目的。滚光可以除去零件表面的油污和氧化皮，使零件表面光泽。滚光可以全部或部分代替磨光、抛光，但只适用于大批量且表面粗糙度要求不高的零件。 离心滚光： 滚光有干法和湿法之分： 干法滚光时使用砂子、金刚砂、碎玻璃及皮革等作磨料。湿法滚光时使用钢球、碎石块、锯末、碱液、茶仔粉等作磨料。滚光时的转速，视零件的特征、滚筒的结构而定，一般在1550 r/min。转速太高时由于离心力大，零件随滚筒转动而不能互相摩擦，起不到滚光作用，转速低了效率低。 滚光时，如零件表面有大量的油污和锈蚀，应先进行脱脂和浸蚀。当油污较少时，可加入碳酸钠、肥皂、皂荚粉等少量碱性物质或乳化剂一起进行滚光；零件表面有锈时可加入稀硫酸或稀盐酸。当零件在酸性介质中滚光结束后，应立即将酸性液冲洗干净。 刷光是使用金属丝动物毛天然或人造纤维制成的刷光轮对工件表面进行加工的方法，主要用于除去工件表面的氧化皮锈蚀焊渣旧油漆及其他污物；也用于除去零件机加工后留在表面棱边的毛刺。常用刷光轮一般由钢丝和黄铜丝等材料制成。零件材质较硬者，应采用钢性大的钢丝刷轮，同时采用较大的转速；反之，采用黄铜丝的刷轮。刷光可分为机械刷光和手工刷光。两者多采用湿法，即用水或溶液保证刷光进行，一般都采用水做刷光液，对钢铁材料的刷光也有采用3%5%磷酸钠溶液的。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。2. 化学处理2.1 电解抛光电解抛光是将工件置于阳极，在特定的溶液中进行电解。工件表面微观凸出部分电流密度较高，溶解较快，而微观凹入处电流密度较低，溶解较慢，从而达到平整和光亮的目的。 电解抛光常用于碳素钢、不锈钢、铝、铜等零件或铜、镍等镀层的装饰性精加工，某些工具的表面精加工，或用于制取高度反光的表面以及用来制造金相试样等。 电解抛光与机械抛光相比，由于是通过电化学溶解使被抛光表面得到整平的，所以表面没有变形层产生，也不会夹杂外来物质；同时因电解过程中有氧析出，会使被抛光表面形成一层氧化膜，有利于提高其耐蚀性。 此外，对于形状复杂的零件、线材、薄板和细小的零件，机械抛光有困难，可采用电解抛光。 电抛光除有整平作用外，还能除去表面夹杂物，显示零件表面的裂纹、砂眼、夹杂等缺陷。2.2 化学抛光 化学抛光是在合适的溶液和工艺条件下，利用溶液对工件表面的浸蚀作用，使工件表面整平，获得比较光亮的表面。化学抛光可用于仪器、铝质反光镜的表面精饰，以及零件或镀层的装饰性加工。 同电解抛光比较，化学抛光的优点是不需外加电源和导电挂具，可以处理形状更为复杂的零件，生产效率高等。但是化学抛光的表面质量一般略低于电解抛光，溶液的调整和再生也比较困难，往往抛光过程中会析出二氧化氮等有害气体。二、表面脱脂表面油污是影响金属表面处理质量的重要因素，油污的存在会使表面涂层与基体的结合力下降,甚至使涂层起皮、脱落。为此，在进行表面处理前要进行脱脂，彻底去除油污。脱脂方法按脱脂剂不同可分为有机溶剂脱脂、化学脱脂、电化学脱脂、乳化清洗脱脂和超声波脱脂等；按操作方法可分为擦拭法、浸渍法和电解法等。油脂可分为皂化性油脂和非皂化性油脂两类。皂化性油脂是不同脂肪酸的甘油脂，它们能与碱发生皂化反应，生成可溶于水的肥皂和甘油，如各种动植物油脂；非皂化性油脂是各种碳氢化合物，它们不能与碱发生皂化反应，故不溶于各种碱溶液，如机油、柴油、凡士林等矿物油。1. 化学脱脂化学脱脂就是利用碱溶液对皂化性油脂的皂化作用或表面活性物质对非皂化性油脂的乳化作用，除去工件表面上各种油污的过程。 所以，其脱脂液中一般都含有碱性物质和表面活性物质。碱液除油的优点是成本低、无毒、不会燃烧；缺点是生产效率低（除油时间长）。1.1 化学脱脂剂 氢氧化钠 呈强碱性，具有很强的皂化作用，但对金属有一定的氧化和腐蚀作用。 碳酸钠 呈弱碱性，皂化作用弱，但对油脂层有缓慢湿润和分散的作用，且对金属无腐蚀作用。 磷酸三钠 呈弱碱性，有一定的皂化能力和缓冲pH值的作用，它又是一种良好的乳化剂，但对环境有污染。 硅酸钠 俗称水玻璃或泡花碱，呈弱碱性，有较好的活化作用、较强的乳化能力和一定的皂化能力。 乳化剂 凡是能促进乳化作用的物质都可作为乳化剂。常用的乳化剂有OP-10、6501、6503洗净剂、三乙醇胺油酸皂、TX-10等，它们中都含有一种或几种表面活性物质，故也称为表面活性剂。钢铁件化学脱脂液组成及工艺条件：溶液组成/(g/L) 及工艺条件配方1配方2配方3配方4氢氧化钠1015204020碳酸钠2030203020磷酸三钠50705102070100水玻璃51051530510OP-10乳化剂1312130温度/8090809070908090时间至油除净1.2有机溶剂脱脂有机溶剂脱脂是一种比较常用的金属材料脱脂方法，它是利用有机溶剂对两类油脂均有的物理溶解作用脱脂。常用的脱脂剂包括汽油、煤油、酒精、丙酮、二甲苯、三氯乙稀、四氯化碳等，其中汽油、煤油价格便宜，溶解油污能力较强，毒性小，是一种用量大、应用普遍的有机溶剂。有机溶剂脱脂的特点是不需要加温、脱脂速度快、对金属表面无腐蚀，特别适合那些用碱液难以除净的高粘度、高熔点的矿物油，因此适合几乎所有表面处理技术的预处理，尤其是油污严重的零件或易被碱性脱脂液腐蚀的金属零件初步脱脂。但这种脱脂不彻底，需要用化学法或电化学法再补充脱脂；而且大部分有机溶剂易燃、有毒、成本较高，故操作时要注意安全，加强防护，保持良好的通风换气。 有机溶剂脱脂的方法有： 浸洗法 喷洗法 蒸汽洗法 联合处理法1.3 电化学脱脂 电化学脱脂在工厂中又称为电解脱脂或电净, 脱脂速度和效果都远好于化学脱脂,是生产中最常用的脱脂方法。它是将挂在阴极或阳极的金属工件浸到电解液中，并通以直流电，使油脂与工件分离的工艺过程。当金属受直流电的作用发生极化作用，使金属溶液界面张力降低，溶液易于润湿并渗入油膜下的工件表面。同时，析出大量氢或氧对油膜猛烈地撞击和撕裂，对溶液产生强烈搅拌，加强油膜表面溶液的更新，油膜被分散成细小油珠，脱离工件表面而进入溶液中形成乳浊液。根据工件的极性，电化学脱脂分阴极脱脂、阳极脱脂和阴-阳极联合脱脂。 阴极脱脂的效果好、效率高，基体不受腐蚀；但容易造成工件渗氢，造成氢脆和杂质在阴极析出的现象，适用于非铁金属及其合金。 阳极脱脂虽然没有这些缺点，效率较低，对基体腐蚀大，适用于高碳钢、弹性材料等。 联合电化学脱脂法即先阴极脱脂，然后短时间阳极脱脂；或先阳极脱脂，然后短时间阴极脱脂，兼有前二者的优点，是最有效的电化学脱脂方法。 三、表面除锈 除锈就是除去金属表面的氧化皮和锈迹，常用的方法有机械法、化学法和电化学法。其中机械法就是利用机械的方法使工件表面达到整平的同时除去表面锈层，如喷砂、磨光、滚光等，请参阅第一模块。1. 化学除锈1.1什么是化学除锈？化学除锈法是利用酸或碱溶液对工件表面进行浸蚀处理,使表面的锈层通过化学作用和浸蚀过程中所产生的氢气泡的机械剥离作用而被除去。化学除锈多采用酸性溶液，故又称为酸洗或浸蚀。按浸蚀程度不同又分为强浸蚀、光亮浸蚀和弱浸蚀；其中弱浸蚀又称为活化。1.2 常用浸蚀剂的选择 硫酸室温下，硫酸溶液对金属氧化物的溶解能力较弱，提高溶液浓度，也不能显著提高硫酸的浸蚀能力，当硫酸浓度为25%30%时，活性最大，酸洗速度最快。酸浓度超过30%时，酸洗速度随浓度的增加而降低，当浓度达到60%时钢铁发生钝化现象，酸洗根本不能进行。因此，钢铁件除锈时，硫酸浸蚀液的浓度一般控制在10%20%（体积比）或100250g/L。 盐酸 常温下，盐酸对金属氧化物具有较强的化学溶解作用，能有效地浸蚀多种金属。但在室温下对钢铁基体的溶解却比较缓慢，因此，使用盐酸浸蚀钢铁零件不易发生过腐蚀和氢脆现象，浸蚀后的零件表面残渣也较少，质量较高。在相同的浓度和温度下，盐酸的酸洗速度比硫酸快1.52倍 。盐酸的去锈能力几乎与浓度成正比，但如果浓度高达20%以上时，基体的溶解速度比氧化物的溶解速度要大得多，因此，生产上很少使用浓盐酸，其适宜浓度一般在15% 左右。盐酸挥发性较大（尤其是加热时），容易腐蚀设备，污染环境，故多数为室温下进行操作，最高使用温度不超过40。除此之外，还有硝酸、磷酸、氢氟酸等。1.3 活化工件在经过脱脂和除锈后，在进行表面处理之前，要进行活化处理，其实质就是弱浸蚀。目的是经过在弱浸蚀液中短