第3章 表面工程技术预处理工艺

1、洛阳理工学院材料成型与控制工程洛阳理工学院材料成型与控制工程第第3 3章章 表面工程技术预处理工艺表面工程技术预处理工艺教材： 材料表面工程技术李慕勤 化学工业出版社3.1表面预处理的目的 表面预处理的目的 表面预处理的指标3.2表面预处理工艺 机械清理 除油 浸蚀 除油-浸蚀联合处理 化学抛光和电抛光3.1.1表面预处理的目的 纯净清洁的表面是很难制备的 表面预处理n用机械、物理或化学等方法清除表面原始覆盖层，改善基体的表面原始状态，为后续加工提供良好地基础表面n包括n表面整平n除油n浸蚀3.1.2表面预处理的指标 表面清洁度n过低，影响覆盖层的附着力、完整性、耐蚀性、装饰性、功能薄膜的连续

2、性，甚至不能实施表面技术 表面粗糙度n不同表面技术对零件和制品的表面粗糙度要求不一选择表面处理法应考虑多种因素，其中主要包括：（1）表面污染物的种类。如动物油、植物油、矿物油、润滑油、脏土、流体、无机盐、水份、指纹等。（2）污染物的物理特性。如污染物的厚度、紧密或疏松程度等（3）工件材料的种类。如钢材料可用碱溶液，而处理黄铜、铝材料时应考虑选用腐蚀性较小的温和溶液（4）需要清洁的程度（5）清洗液的清洁能力和设备情况（6）危险性和价格成本等。3.2.1机械清理3.2.2除油3.2.3浸蚀3.2.4除油-浸蚀联合处理3.2.5化学抛光和电抛光借助机械力除去材料表面上的腐蚀产物、油污及其他各种杂物工

3、艺简单，适应性强，清理效果好适于除锈、除油、除型砂、去泥土、表面粗化方法 磨光 抛光 滚光 光饰 喷砂目的：得到一定的粗糙度；去除毛刺、氧化皮、锈蚀、砂眼、焊渣、气泡、沟纹等宏观缺陷通常先用钢丝刷刷去工件表面松散的氧化层，然后用砂轮、砂布、砂纸或粗锉进行打磨加工，使工件表面得到一定的粗糙度。简便易行，花费很省，但在实际操作时难以得到相同的重复结果，操作的重演性和均匀性较差，因此通常只在要求不高的场合使用。消除金属部件表面的微观不平，使表面具有镜面般的外观，提高耐蚀性利用装在抛光机上的抛光轮来实现表3-2将零件放入盛有磨料和化学溶液的滚筒中，借滚筒旋转使零件与磨料、零件与零件相互摩擦以达到清理零

4、件表面的过程滚光的方法滚光的方法：普通滚光、离心滚光、化学加速离心滚光等，后二者是在前者的基础上发展起来的，均属利用滚动原理的高能光饰方法。制备平整而光洁的表面振动光饰振动光饰 是在滚筒滚光基础上发展起来的较先进的光饰方法，它是通过振动电机等带动容器作上下、左右或旋转运动，从而使零件与磨料介质相互摩擦，以达到整平、修饰零件目的的过程。 振动光饰的方法振动光饰的方法：n振动擦光、旋转擦光、离心盘擦光、往复式擦光等。n第一种为普通振动光饰方法，后三种属高能光饰方法。离心光饰离心光饰无论是滚光，或是振动光饰，其采用的多为湿法加工，其介质包括磨料，化学促进剂和水。有时也只用一种磨料作干态加工。滚光和振

5、动光饰均可达到清除少量油污和锈，去除毛刺、倒圆棱边、锐角，降低零件表面粗糙度等光饰目的。其主要特点是产量高，质量稳定，适用于多种形状的金属或非金属零件，特别是小零件。通常，不会因机械喷砂而影响装配尺寸和光洁度的工件，以及在使用中耐磨蚀性要求不高的工件，均可采用机械喷砂法。是用机械或净化的压缩空气，将砂流强烈地喷向金属制品表面，利用磨料强力的撞击作用，打掉其上的污垢物，达到清理或修饰目的的过程。喷砂的主要用途喷砂的主要用途 （1）除掉零件表面的锈蚀、焊渣、积碳、旧油漆层和其它干燥了的油污； （2）除去铸件、锻件或热处理后零件表面的型砂及氧化皮； （3）除去零件表面的毛刺或方向性磨痕； （4）降低

6、零件表面的粗糙度，以提高油漆和其它涂层的附着力； （5）使零件呈漫反射的消光状态。喷砂分干喷砂和湿喷砂喷砂分干喷砂和湿喷砂干喷砂加工的表面比较粗糙，湿喷砂的应用与干喷砂相似，但主要用于较精密的加工。湿喷砂的优点是污染小。喷丸的原理和设备与喷砂相似，只是采用的磨料不同。它是用钢铁丸、玻璃或陶瓷取代砂子。喷丸能使零件产生压应力，而且没有含硅的粉尘污染，主要用于： （1）使零件产生压应力，从而提高零件的疲劳强度和抗应力及抗腐蚀能力； （2）代替一般冷热成型工艺，可对大型薄壁铝制零件进行成型加工，这样可避免零件表面残留的张应力而形成有利的压应力。 （3）对扭曲的薄壁零件进行校正。经喷丸后的零件使用温度

7、不能太高，以防消除喷丸产生的压应力，使用温度范围因材料而定，一般钢铁件为260290，铝零件为170。丸的种类及性质丸的种类及性质（1）铸铁丸铸铁丸：质脆而易碎，其硬度为HRC5865。使用寿命短，用途不广，主要用于喷丸强度高的场合。（2）铸钢丸铸钢丸：韧性较好，其硬度一般为HRC4050，加工硬金属时，可把硬度提高到HRC5762。这种丸使用广泛，使用寿命为铸铁丸的几倍。（3）玻璃丸、陶瓷丸玻璃丸、陶瓷丸：硬度较前两种都低，主要用于不锈钢、钛、铝、镁及其它不允许铁杂质污染的材料。也可用于钢铁丸喷丸后的二次加工，以除去铁质污染和降低零件的表面粗糙度。钢材及其零件在储运过程中要用防锈油脂保护，一

8、般合金在压力加工时要用到拉延油，零件在切削加工时要接触乳化液，热处理时可能接触冷却油，零件上还经常有操作者手上的油迹和汗迹，零件上的油脂还总是和灰尘等杂质掺和在一起的。零件上的油脂不仅阻碍了磷化膜的形成，而且在磷化后进行涂装时会影响涂层的结合力、干燥性能、装饰性能和耐蚀性。在选择脱脂方法和脱脂剂时，首先要了解金属表面所带的油污的性质和组成，只有这样，才能进行正确的选择，达到满意去油效果。油污的组成油污的组成 （1）矿物油、凡士林：他们是防锈油、防锈脂、润滑油、润滑脂及乳化液的主要成分。 （2）皂类动植物油脂、脂肪酸等：他们是拉延油的主要成分。 （3）防锈添加剂 他们是防锈油和防锈脂的主要成分。

9、 此外，金属屑、灰尘及汗渍等污物也会混杂在上述的油污中。油污的性质油污的性质 （1 1）化学性质化学性质：根据油污能否与脱脂剂发生化学反应而分为可皂化油污和不可皂化油污。 植物油脂和动物油脂是可皂化的，他们可以依靠皂化、乳化和溶解的作用脱除。矿物油和凡士林是不可皂化的，他们只能依靠乳化或溶解的作用来脱除。 （2 2）物理性质物理性质：根据油污黏度或滴落点的不同，其形态有液体和半固体。黏度越大或滴落点越高，清洗越困难。根据油污对基体金属的吸附作用，可分为极性油污和非极性油污。极性油污，如含有脂肪酸和极性添加剂的油污，有强烈的吸附在基体金属上的倾向，清洗较困难，要靠化学作用或较强的机械作用力来脱除

10、。 此外，某些油污，如含有不饱和脂肪酸的拉延油，长期存放后，氧化聚集形成薄膜，含有固体粉料的拉延油，细微的粉料吸附在基体金属表面上，还有当油污和金属腐蚀物等混合在一起，都会极大的增加清洗的难度。脱脂是依靠脱脂剂对污物的溶解作用，皂化作用，依靠表面活性剂对污物的润湿、渗透、分散等物理作用等等，使污物成为可溶解的或可分散的但还必须使污物离开金属表面，而让新的清洗剂占据表面，这样金属表面才能达到清洁。因固体表面有相对稳定的液膜，溶解后的污物自动离开金属表面以及表面上清洗剂的更新等都不是很容易的。这就要求加以搅拌、擦拭等方式，以完成清洗过程或提高清洗效果等。清洗的方式清洗的方式（1） 机械搅拌。在液体

11、中加以机械搅拌，使固体表面之液膜减薄。搅拌越强，液膜越薄，但其作用有一定限度。（2） 擦洗。（3） 加温清洗，增加热运动。（4） 喷洗。用高压喷洗。（5） 蒸气清洗。用溶剂蒸气清洗，溶剂在金属表面上冷凝成液体，液体流淌时带下 污物。（6）超声波辅助清洗。利用超声波振荡作用，使固体表面被冲击震动，促使污物离开金属表面。（7） 电解清洗。利用金属表面电化学反应生成气体。气体自表面诣出时，使污物析出，自表面剥离。清洗用材料清洗用材料 清洗用材料有几类：石油系溶剂，卤代烃溶剂，碱性化学水溶液，乳化液等。简单的说就是溶剂清洗和碱液清洗俩种。常见的有机溶剂常见的有机溶剂石油系溶剂有溶剂汽油、煤油、正己烷等

12、；芳香族溶剂有甲苯、二甲苯等；氯系溶剂有三氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯、二氯甲烷等。有机溶剂的特点是脱脂效率高，特别是清除那些高黏度、高滴落点的油脂具有特殊的效果，而且可以在常温下用简单的器具和石油系溶剂进行手工清洗，对于各种金属、各种尺寸和形状的零件都适用，一在产量不大、机械化水平不高及有特殊要求的工厂中仍然采用。碱性水基清洗碱性水基清洗 以碱性清洗剂为主的水溶液，对动植物油脂通过皂化作用使之成为可溶于水的皂类。此皂为表面活性剂，对非极性的矿物油有乳化作用，使之“增溶”于水相中碱性清洗剂的水溶液也可溶解汗迹等无机污物，故也能将其洗去。加入合成洗涤剂的清洗液，对油脂的清洗作用更有效。 碱性化学水

13、溶液能清洗各种污物，在下一工序要求亲水表面时特别适用。他有较溶剂经济、清洗液能用水洗净，有不燃性，无毒性。电化学除油电化学除油 靠电解作用除油 将工件挂在阴极或阳极上，浸没在碱性电解液中，通电后，由于电极的极化作用，使油膜破裂， 电化学除油效果远大于化学除油方法 阴极除油 阳极除油 联合除油超声波脱脂超声波脱脂 通常的表面处理方法很难将杂质从复杂结构部件的细缝、低洼等死角处清除出来。在这种场合，超声波可较理想地解决问题 超声波是通过高频发生器与换能器的结合而由电振动能转变来的机械振动能。 采用超声波脱脂时，流体进行翻动，同时在表面相的界面上产生很大的机械冲刷力将杂质从壁上撕掉或冲击出来，大大加

14、快了清扫污物的速度。 适用于小型的复杂部件。 使用液体要经常更换，以免在清洁的部件表面上形成污染膜。 利用化学或电化学方法来除去工件表面的锈皮和氧化膜，使工件表面处于活化状态的加工方法叫浸蚀浸蚀是将工件置于腐蚀溶液（酸或碱）中进行的。浸蚀分为化学浸蚀和电化学浸蚀两种。具有浸蚀速度快，生产效率高，不受工件形状限制，浸蚀彻底，劳动强度低，操作方便，易于实现机械化、自动化生产等优点。化学浸蚀化学浸蚀 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。n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，n清除表面上肉眼

15、不易觉察的薄氧化膜的过程称为弱浸蚀。n有时在浸蚀过程中也通以电流，则称为电化学浸蚀，n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。金属件的浸蚀液主要由各种酸组成。而锌、铝等两性金属件的浸蚀液主要由碱液组成。电镀生产中一般常用的浸蚀剂重要有硫酸、盐酸、硝酸、铬酸、磷酸、氢氟酸，以及氰化钠、硫酸钠等。 钢铁件在硫酸浸蚀液中的反应式如下：FeO+H2SO4=FeSO4+H2OFe

16、2O3+3H2SO4=Fe2(SO4)3+3H2OFe3O4+4H2SO4=Fe2(SO4)3+4H2OFe+H2SO4=FeSO4+H2电化学浸蚀电化学浸蚀 金属制品可以在阳极上处理，也可以在阴极上处理。清除锈蚀物的处理效果，主要视金属表面上锈蚀物的组织和种类而定。 对具有厚而平整的致密氧化皮的工件，直接用电化学强浸蚀，其效果是不理想的，最好先经过硫酸溶液化学强浸蚀，待氧化皮疏松之后再进行电化学处理。 当氧化物是多孔且疏松时，电化学浸蚀的效率是很高的。其优点是浸蚀速度快，酸液消耗少，且制件使用寿命长，其缺点是耗费电能。弱浸蚀弱浸蚀 弱浸蚀是金属制品进行电镀前的最后一道预处理工序。 目的是除去

17、制品表面上极薄的一层氧化膜，使表面呈现出金属的晶体组织， 实质是金属表面活化的过程这个常被人们忽视的操作工序，对基体金属与镀层间的良好结合起着极为重要的作用。弱浸蚀处理的特点是浸蚀介质的浓度低，处理时间短，并多在室温下进行。对于黑色金属的弱浸蚀，可用化学法，也可用电化学法。为了简化步骤、提高工效，当零件表面油污和锈蚀均不大严重的情况下，可在加有乳化剂的酸液中，将除油、浸蚀两道工序合并在一起进行又称除油-浸蚀“一步法”或“二合一”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能提高工件的尺寸精度或几何形状精度，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电化学抛光电化学抛光 以被抛工件为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选择性的阳极溶解，从而达到工件表面光亮度增大的效果。 电解原理电解原理 电解原理