金属表面处理汇总

金属表面处理汇总

金属表面处理在金属表面处理过程中，通常会附有一些不良物质，例如尘埃、油污、氧化皮、锈蚀层、污染物、盐份或松脱的旧漆膜。其中，氧化皮是比较常见但最容易被忽略的部分。氧化皮是在钢铁高温锻压成型时所产生的一层致密氧化层，通常附着比较牢固，但相比钢铁本身则较脆，并且其本身为阴极，会加速金属腐蚀。如果不清除这些物质，直接涂装，势必会影响整个涂层的附着力及防腐能力。因此，合适的表面处理方法是至关重要的，主要有人工、机械、喷射、化学方法。钢材表面的锈蚀等级分为A、B、C和D四个等级。其中，A级是全面地覆盖着氧化皮而几乎没有铁锈的钢材表面；B级已发生锈蚀，并且部分氧化皮已经剥落；C级氧化皮已因锈蚀而剥落，或者可以刮除，并且有少量点蚀；D级氧化皮已因锈蚀而全面剥离，并且已普遍发生点蚀。清理等级也即清洁度是金属表面处理过程中重要的一环。国际标准代表性的有两种：一种是美国85年制订的“SSPC-”，第二种是瑞典76年制订的“Sa-”，它分为四个等级分别为Sa1、Sa2、Sa2.5、Sa3，为国际惯常通用标准。其中，Sa1级采用一般简单的手工刷除、砂布打磨方法，对涂层的保护仅仅略好于未采用处理的工件；Sa2级采用喷砂清理方法，对于涂层的保护要比手工刷除清理要提高许多。在处理过程中，工件表面应不可见油污、油脂、残留氧化皮、锈斑、和残留油漆等污物。Sa1级也叫做手工刷除清理级（或清扫级）；Sa2级也叫商品清理级（或工业级）。Sa2.5级是一种工业上常用的验收技术要求和标准级别，也称为近白清理级。其技术标准要求与Sa2级相同，但疵点限定为不超过每平方米表面的5%，可包括轻微暗影、少量因疵点、锈蚀引起的轻微脱色、氧化皮及油漆疵点。Sa3级是工业上的最高处理级别，相当于美国SSPC-SP5级，也称为白色清理级。其技术标准与Sa2.5级相同，但5%的阴影、疵点、锈蚀等疵点不得存在。国家标准GB/T8923.1-2011、GB/T8923.2-2008、GB/T8923.3-2009、GB/T8923.4-2013规定了除锈等级和质量等级。喷砂是一种采用压缩空气为动力形成高速喷射束，将喷料（如铜矿砂、石英砂、铁砂、海砂、金刚砂等）等高速喷射到需处理工件表面的方法。磨料对工件表面的冲击和切削作用可以使工件表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，从而提高工件表面的机械性能、附着力和涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰。与其他前处理工艺（如酸洗、工具清理）相比，喷砂处理是最彻底、最通用、最迅速、效率最高的清理方法。喷砂处理可以在不同粗糙度之间任意选择，而其他工艺无法实现这一点。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。喷砂的作用包括：1）作为工件涂镀、粘接前的处理方法，能清除工件表面的锈皮等污物，并建立起重要的基础图式（即毛面），通过调换不同粒度的磨料，可以达到不同程度的粗糙度，提高工件与涂料、镀料的结合力，或使粘接件粘接更牢固，质量更好；2）清理铸锻件、热处理后工件表面的污物（如氧化皮、油污等残留物），并将工件表面抛光提高工件的光洁度，起到美化工件的作用；3）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。喷砂还能在工件表面交界处打出很小的圆角，使工件显得更加美观、更加精密；4）改善零件的机械性能。碱性物质是清洗过程中不可或缺的一部分。常用的碱性物质包括氢氧化钠、碳酸钠和硅酸钠等。氢氧化钠主要起到皂化作用，碳酸钠可以调节pH值，硅酸钠则起到润湿和乳化作用。磷酸三钠是一种软化水的物质，它可以与硬水中的钙镁盐反应生成不溶解的磷酸钙盐和镁盐，这些盐会在溶液静置后沉到底部。在清洗液中，水、肥皂和少量的重铬酸钾或亚硝酸钠也是常用的成分。常用的碱性物质包括NaOH、Na2CO3、Na2SiO3和磷酸盐等。NaOH是强碱，皂化能力较强，但润湿作用和乳化作用较差，水洗性也差，对有色金属有腐蚀性，适用于黑色金属。Na2CO3水解后呈现碱性，有缓冲作用，易润湿金属，对硬水有软化作用，但皂化力较弱，水洗性差，可用于黑色金属和有色金属。Na2SiO3水解力强，水解后提供的碱性略低于NaOH，但远强于Na2CO3，皂化力强，同时水解生成的胶体对污物分散性好，与表面活性剂配合使用时，是所有强碱中最佳的润湿剂、乳化剂和抗絮凝剂，是碱液清洗中去污力强、作用全面的组分，广泛用于有色金属和黑色金属清洗，但硅酸易沉于金属表面，不易清洗，影响到以后的磷化质量。磷酸盐有Na3PO4、焦磷酸钠、三聚磷酸钠等，其作用机理类似于硅酸盐，但含磷废水难处理，所以目前在清洗液中使用受到限制。除油能力随着碱性溶液的pH值升高而增强。使用的碱液浓度与施工工艺也有关联。比如，采用浸泡法，溶液浓度控制在3%～6%；采用喷淋法时，溶液浓度可控制在0.5%～3%。但去油用碱的浓度不宜过高，因为碱的浓度过高，皂类的溶解度和乳化液的稳定性下降，易对有色金属产生腐蚀。碱性过强，对磷化膜质量有较大的影响，尤其对常（低）温磷化影响更大。因为高温强碱对钢铁表面有侵蚀和钝化作用，在钢铁表面形成氧化膜和氢氧化物，导致成膜时晶核的生长速度小于晶粒长大的速度，从而在数目不多的活性点上晶粒长得粗大，降低磷化质量和涂层的防护性能。此外，脱脂液碱性强，清洗效果不佳。因此，在常（低）温磷化中应选用中低温弱碱性脱脂剂。温度对除油速度也有影响。一般来说，温度越高，除油速度越快。但温度太高会使表面活性剂分解，反而影响除油效果。碱性溶液除油一般在钢铁槽中进行，温度为50～100℃之间。除油次数取决于产量和油污程度，一般为1～2次。对于大批量的零件，可以采用压力喷射的施工工艺。不同金属需要选择不同的处理工艺和碱液配方。在工业上，很少使用单一碱液清洗剂，而是采用多组分混合液，如碱类、表面活性剂和多种螯合剂等多种助剂混合组成，通常称为复合碱性清洗剂。复合清洗剂能发挥各种洗净剂特性，显著提高洗净效率，尤其是添加少量的表面活性剂后，能成倍的提高洗净效率。碱液清洗剂配方可根据清洗的油污种类、被清洗物的材质、清洗方式等因素通过实验确定。表2-9展示了适用于钢铁的常用除油液配方及工作条件。简单鉴别油污去除效果的方法是观察工件表面的亲水情况。当金属表面完全无油时，表面有一层连续的水膜存在，反之则有水聚集成滴。碱液去油是除油处理采用的主要方法，成本低，介质无毒，不燃不爆，去油彻底，操作简单。但碱液去油一般需加热至45℃以上，能耗大而且不适于常（低）温磷化要求。对要求高度光亮及不影响精密度的器材，不宜采用碱液清洗法。如果采用此法，清洗完毕后必须彻底用水把碱液冲洗干净，必要时可进行中和洗涤，以免影响涂膜对金属的附着力。磷化是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。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作用。防锈磷化主要分为铁系磷化、锌系磷化、锰系磷化。磷化主要应用于钢铁表面，但也可应用于有色金属（如铝、锌）件。钝化是化学清洗中最后一个工艺步骤，是关键一步，其目的是为了材料的防腐蚀。金属经氧化性介质处理后，其腐蚀速度比原来未处理前有显著下降的现象称金属的钝化。其钝化机理主要可用薄膜理论来解释，即认为钝化是由于金属与氧化性介质作用，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、能坚固地附在金属表面上的钝化膜。这层膜成独立相存在，通常是氧和金属的化合物。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直接接触，从而使金属基本停止溶解形成钝态达到防止腐蚀的效果。热喷锌是一种防腐工艺，其原理是利用高压空气和管道将砂粒吹到工件表面，除去金属表面锈和氧化皮，同时增加表面粗糙度，为热喷涂层增加吸附力。然后利用氧气、乙炔或电热源通过压缩空气和专用工具将锌雾化超高速喷到金属表面。由于喷砂的增麻使涂层有效附着，防腐效果可达20年以上免维护。喷砂完成后，喷锌工作应在2-3小时内完成。热喷锌工艺有以下优点：首先，其喷涂时的温度很低，工件表面温度<80℃，不会导致钢材工件变形。其次，现场可采用喷锌的方法进行修补，避免产生工艺突破口。再次，采用喷砂预处理，工件表面有粗糙度，涂层结合力较好，抗拉强度≥6Mpa。最后，热喷锌采用的是纯锌热喷涂，防腐蚀效果更加优异，可以达到20年长效防腐的目的。热喷锌主要用于大型钢结构、桥梁、建筑等喷涂，应用于重防腐、海洋工程、长效保护等项目。冷喷锌工艺是一种油漆喷涂工艺，干膜中锌含量达到96%以上，具有阴极保护电化学防腐作用，适合高压无气喷涂。冷喷锌漆含有高性能导电树脂、超细锌粉、溶剂和助剂，主要适用于钢结构、电力设施、电厂、变电站的防腐保护。其主要特点包括阴极保护作用、屏障式保护