表面處理工藝概述――前處理工藝篇

1、表面處理工藝概述前處理工藝篇 在對(duì)材料或制品進(jìn)行表面處理之前，應(yīng)有前處理或預(yù)處理工序，以使材料或制品的表面達(dá)到可以給以表面處理的狀態(tài)。前處理的質(zhì)量好壞是能否獲得優(yōu)質(zhì)表面處理效果的重要環(huán)節(jié)。實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)表面處理獲得的鍍層、涂層或化學(xué)處理膜，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)防蝕性差、結(jié)合力低、耐用壽命短、表面不平滑光亮、起泡或剝落等現(xiàn)象，這常常是由于前處理不當(dāng)而造成的后果。因此，在表面處理前，必須有保證質(zhì)量的前處理工序。從通用材料或一般制品使用的材質(zhì)來(lái)看，前處理可分為金屬表面的前處理、塑料表面的前處理和木材表面的前處理等。 一、金屬制品的表面前處理 金屬制品的材料品種繁多，它們的原始表面狀態(tài)各不相同，而且不同的表面處

2、理對(duì)其前處理的要求也不一樣，因此金屬制品表面的前處理工藝和方法很多。其中主要包括有金屬表面的機(jī)械處理、化學(xué)處理和電化學(xué)處理等。由于機(jī)械處理方法在概述中已有介紹，因此本節(jié)僅討論黑色金屬的一般化學(xué)處理和電化學(xué)處理，以及鋁和鋁合金制品的化學(xué)處理等?；瘜W(xué)處理的作用主要是清理制品表面的油污、銹蝕及氧化皮等。其中包括制品在有機(jī)溶劑和無(wú)機(jī)試劑中的除油，在適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)試劑中的化學(xué)強(qiáng)浸蝕和化學(xué)弱浸蝕。電化學(xué)處理則主要用以強(qiáng)化學(xué)除油和浸蝕的過(guò)程，有時(shí)也可用于弱浸蝕時(shí)活化金屬制品的表面狀態(tài)。 1黑色金屬制品的除油 由于金屬制品在機(jī)械加工和中間過(guò)程防銹的需要，一般其表面上都黏附或涂有各種壓延油、切削油、拋光膏和防銹油等

3、油脂性物質(zhì)，在進(jìn)行各種表面處理之前，應(yīng)將這些油污清洗干凈，以免影響表面處理的效果。 油污按其性質(zhì)可分為皂化油和非皂化油兩類(lèi)。皂化油是來(lái)源于動(dòng)植物的油脂，能與堿液起化學(xué)反應(yīng)生成皂，非皂化油是不與堿液起化學(xué)反應(yīng)的礦物油脂，如凡士林、潤(rùn)滑油和石蠟等。兩類(lèi)油脂都不溶解于水，因此無(wú)法直接用水把它們清洗干凈，一般是采用有機(jī)溶劑處理、堿液處理或電化學(xué)處理的方法除油或脫脂。 (1有機(jī)溶劑除油。使用有機(jī)溶劑除油可同時(shí)除去皂化油和非皂化油。對(duì)于溶劑要求其溶解力強(qiáng)，不易燃易爆，毒性小，揮發(fā)較慢，且價(jià)格低廉。實(shí)際上使用的有機(jī)溶劑很難全面滿(mǎn)足上述要求。生產(chǎn)中常用的有機(jī)溶劑有汽油、溶劑汽油、松節(jié)油、甲苯、二甲苯、二氯乙烷

4、、三氯乙烯、四氯乙烯等。其中應(yīng)用較廣的是氯化烴，它的優(yōu)點(diǎn)是溶解力強(qiáng)，不易燃易爆，缺點(diǎn)是有毒，成本高，在有水存在下能分解出氯化氫，有腐蝕作用，在使用時(shí)要注意防潮防濕。 用有機(jī)溶劑除油，最簡(jiǎn)單的方法是用棉紗蘸有機(jī)溶劑對(duì)金屬表面進(jìn)行擦洗(適用于大型工件。也可將制品浸入盛有有機(jī)溶劑的槽中，通過(guò)浸漬來(lái)除油，這種方法可在專(zhuān)用的脫脂機(jī)中進(jìn)行。在脫脂機(jī)內(nèi)放有若干個(gè)槽子，分別都裝有有機(jī)溶劑，用機(jī)械傳送的方式，使工件依次浸入其中脫脂。 在脫脂機(jī)中脫脂，溶劑多用三氯乙烯，因?yàn)樗诘蜏貢r(shí)具有很強(qiáng)的脫脂能力，并且能隨溫度的升高使脫脂能力劇增。另外，由于它的沸點(diǎn)低，已含有大量油污的三氯乙烯可通過(guò)分餾提純后重新被利用，使脫

5、脂處理的成本降低。石油溶劑中最常用的是200號(hào)溶劑汽油，一般用浸洗或擦洗的方法脫脂。使用有機(jī)溶劑脫脂，在溶劑揮發(fā)后，制品表面往往還留有一薄層油膜，所以還要把工件浸入堿液中作補(bǔ)充處理。 用有機(jī)溶劑除油的優(yōu)點(diǎn)是效率高。在使用脫脂機(jī)的情況下，溶劑消耗少，因而成本并不高。若不使用脫脂機(jī)，則溶劑消耗大，成本增加，且易燃并有毒。由于有機(jī)溶劑除油有這些缺點(diǎn)，在不使用脫脂機(jī)的情況下，應(yīng)盡量不用有機(jī)溶劑的方法除油。 (2堿液除油。堿液除油是由堿液的皂化和乳化作用來(lái)完成的，皂化可除去制品表面的動(dòng)植物油，乳化可除去制品表面的礦物油。由于堿液本身的乳化作用較弱，乳化除油的時(shí)間較長(zhǎng)，因經(jīng)常在堿液中加入各種乳化劑，如肥皂

6、、水玻璃、OP乳化劑等，用以提高乳化除油的效率。 當(dāng)堿液除油的配方和工藝條件選擇適當(dāng)時(shí)，皂化油和非皂化油都可順利地從制品表面清洗干凈。堿液除油時(shí)堿的濃度不宜偏高，因?yàn)闈舛绕?，?huì)使肥皂的溶解度和乳液的穩(wěn)定性下降，一般用5%10%的苛性鈉溶液較適宜。堿液除油的配方包括以下組分：氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸三鈉、水玻璃和肥皂等，其中氫氧化鈉起皂化作用，碳酸鈉和磷酸三鈉維持溶液一定的堿度，水玻璃和肥皂主要起乳化作用。 鑒別金屬表面油污除凈與否，可視表面被水潤(rùn)濕的情況而定。當(dāng)金屬表面油污被除凈時(shí)，則有一層連續(xù)的水膜存在，否則水將聚集成滴狀。目前金屬表面前處理除油工藝中，普遍使用的方法是堿性溶液化學(xué)除油。生產(chǎn)

7、實(shí)踐證明，采用這種除油方法是合理的，雖然應(yīng)用這一除油工藝，在時(shí)間上要比用有機(jī)溶劑除油長(zhǎng)一些，但無(wú)毒和不易燃卻是它的一大優(yōu)點(diǎn)，其所用的生產(chǎn)設(shè)備較簡(jiǎn)單，且經(jīng)濟(jì)。 (3電化學(xué)除油。電化學(xué)除油是將制品放在堿性溶液中作為陰極或陽(yáng)極而進(jìn)行電解除油。一般采用的方法是陰極除油 或先在陰極上除油，爾后再在陽(yáng)極上除油。所用除油的堿液含有氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸鈉及硅酸鈉等組分。 電化學(xué)除油的第二電極最好用鍍鎳鋼板或鎳板。在陰極除油時(shí)，如用鐵板作陽(yáng)極，鐵會(huì)出現(xiàn)溶解而臟污溶液，并在陰極上產(chǎn)生沉積物。 電化學(xué)除油的原理是：陰極上析出的氫氣或陽(yáng)極上析出的氧氣，對(duì)金屬表面的溶液產(chǎn)生攪動(dòng)作用，促進(jìn)油污脫離金屬表面，同時(shí)金屬表面

8、的溶液不斷更新，加速了皂化和乳化作用。電極上析出的氣體，把附著于表面的油膜薄層破壞。小氣泡從油滴附近的電極上脫離而滯留于油滴的表面上，并停留在油與溶液的界面上。由于新的氣泡不斷析出，小氣泡逐漸變大，使油滴在氣泡的影響下脫離金屬表面，而被氣泡帶到溶液表面上來(lái)。因此電化學(xué)除油比堿液除油的效果要好。電化學(xué)除油時(shí)，提高溶液的溫度和提高電流密度都能提高除油的效果。 陰極除油的缺點(diǎn)是陰極上析出的氫氣會(huì)滲到金屬內(nèi)部而引起金屬變脆。因此，對(duì)于硬質(zhì)高碳鋼制件，如彈簧、彈性薄片等，可利用陽(yáng)極除油，但陽(yáng)極除油速度比陰極除油慢。這是因?yàn)椋?陽(yáng)極附近的堿度較低，減弱了皂化作用； 陽(yáng)極上析出的氧氣較少； 由于氧氣泡較大，

9、滯留于液滴表面上的能力小，對(duì)油滴的作用弱于氫氣泡的作用。根據(jù)陽(yáng)極除油和陰極除油的特點(diǎn)，在生產(chǎn)上可采用先在陰極上除油，然后再在陽(yáng)極上除油。在這種情況下，滲入表面的氫幾乎在很短的時(shí)間內(nèi)就能完全除去而恢復(fù)制品的彈性。 2黑色金屬制品的浸蝕 鋼鐵制品與大氣長(zhǎng)期接觸或進(jìn)行熱處理時(shí)，其表面會(huì)覆蓋上一層銹蝕物或黑色氧化皮，其化學(xué)組成是各種鐵的氧化物。在進(jìn)行各種表面處理時(shí)，必須預(yù)先除去這些氧化物。其方法有手工除銹、機(jī)械除銹和噴砂除銹等，而最通用的方法是采用各種酸類(lèi)試劑處理來(lái)除銹。這種處理的實(shí)質(zhì)是通過(guò)酸類(lèi)對(duì)銹蝕物的溶解作用，以及在處理過(guò)程中酸類(lèi)與金屬基體反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣對(duì)銹蝕物的機(jī)械剝離作用而從金屬表面將銹蝕物清

10、洗干凈。用酸類(lèi)清除表面大量氧化物的過(guò)程稱(chēng)為強(qiáng)浸蝕，或稱(chēng)為酸洗，清除表面上肉眼不易覺(jué)察的薄氧化膜的過(guò)程稱(chēng)為弱浸蝕。有時(shí)在浸蝕過(guò)程中也通以電流，則稱(chēng)為電化學(xué)浸蝕，電化學(xué)浸蝕既用于強(qiáng)浸蝕，也用于弱浸蝕，弱浸蝕一般是在強(qiáng)浸蝕后進(jìn)入電鍍槽之前進(jìn)行的，該工序之后就不允許金屬制品在大氣中停留太久，特別是金屬制品表面不應(yīng)處于干燥狀態(tài)。為保證浸蝕過(guò)程順利進(jìn)行，在浸蝕之前須先行除油，否則酸與金屬氧化物不能充分接觸，會(huì)使化學(xué)溶解反應(yīng)受到抑制。 (1化學(xué)強(qiáng)浸蝕。在黑色金屬?gòu)?qiáng)浸蝕中，常用的酸有硫酸、鹽酸，或兩者按一定比例混合的“混酸”。 根據(jù)鋼鐵制品表面氧化物的組成和結(jié)構(gòu)，當(dāng)金屬制品表面只帶有疏松的銹蝕物時(shí)(其中主要是

11、Fe2O3，可單獨(dú)用鹽酸來(lái)浸蝕，因?yàn)辂}酸對(duì)制品的浸蝕速度快，基體溶解少，滲氫程度也小些，當(dāng)金屬制品表面為緊密的氧化皮時(shí)，使用硫酸浸蝕比單獨(dú)用鹽酸時(shí)的酸耗量要小些，成本也低，這是因?yàn)榱蛩峤g時(shí)的機(jī)械剝離作用要比鹽酸的強(qiáng)，當(dāng)金屬表面的銹和氧化皮含高價(jià)鐵的氧化物多時(shí)，可采用混合酸進(jìn)行浸蝕，這樣既可發(fā)揮氫對(duì)氧化皮的撕裂作用，又可加速Fe2O3和Fe3O4的化學(xué)溶解，加速洗凈表面銹蝕物。影響強(qiáng)化學(xué)浸蝕效果的因素很多，其中主要是濃度、浸蝕溫度等對(duì)于清洗效果的影響。 實(shí)踐證明對(duì)應(yīng)于最大浸蝕速度有一個(gè)最適宜的硫酸濃度，此值約為25(重量。為了減少鐵基體的損失，生產(chǎn)中一般使用的濃度為20。就鹽酸而言，雖然隨著濃

12、度增高浸蝕速度一直增加，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鹽酸的濃度在20以上時(shí)，基體的溶解速度比氧化物的溶解速度的增加要快得多，因此生產(chǎn)中很少使用濃鹽酸。為了避免鹽酸揮發(fā)損失，減少氯化氫毒氣的析出量，鹽酸濃度應(yīng)控制在15以下。當(dāng)使用混酸時(shí)，多采用含10H2SO4和10HCl的混合液，這個(gè)比例可根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)整。溫度對(duì)化學(xué)浸蝕速度也有較大影響，溫度升高，浸蝕速度大幅度增加。為了減少基體金屬的損耗，防止酸霧的逸出，并延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，一般都不采用高溫浸蝕。當(dāng)采用硫酸浸蝕時(shí)，溫度最高不超過(guò)60。當(dāng)采用鹽酸或混酸浸蝕時(shí)，溫度一般不超過(guò)40。 在10%20的上述酸液中進(jìn)行浸蝕，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，浸蝕溶液的效力將逐

13、漸降低。這是由于酸液中酸的濃度減小和溶解了的鐵的濃度增高的緣故。當(dāng)溶液中剩余酸的濃度為3%5以及鐵的含量達(dá)90g/L時(shí)，浸蝕液應(yīng)予以更換。 為了減輕浸蝕過(guò)程中基體金屬的溶解，確保金屬制品的幾何尺寸和減少滲氫現(xiàn)象，在浸蝕液中應(yīng)加入緩蝕劑。如在硫酸溶液中加入磷二甲苯硫脲和在鹽酸溶液中加入烏洛托品，其緩蝕效果都不錯(cuò)。 (2電化學(xué)強(qiáng)浸蝕。黑色金屬的電化學(xué)強(qiáng)浸蝕是借助于直流電進(jìn)行的。金屬制品可以在陽(yáng)極上處理，也可以在陰極上處理。清除銹蝕物的處理效果，主要視金屬表面上銹蝕物的組織和種類(lèi)而定。對(duì)具有厚而平整的致密氧化皮的工件，直接用電化學(xué)強(qiáng)浸蝕，其效果是不理想的，最好先經(jīng)過(guò)硫酸溶液化學(xué)強(qiáng)浸蝕，待氧化皮疏松之

14、后再進(jìn)行電化學(xué)處理。當(dāng)氧化物是多孔且疏松時(shí)，電化學(xué)浸蝕的效率是很高的。其優(yōu)點(diǎn)是浸蝕速度快，酸液消耗少，且制件使用壽命長(zhǎng)，其缺點(diǎn)是耗費(fèi)電能。 目前在大量生產(chǎn)中多采用陽(yáng)極浸蝕。對(duì)于形狀較復(fù)雜而幾何尺寸要求嚴(yán)格的制件，為了防止陽(yáng)極浸蝕容易出現(xiàn)的過(guò)浸蝕缺陷，則可采用聯(lián)合電化學(xué)浸蝕，即先用陰極進(jìn)行浸蝕，而后轉(zhuǎn)為陽(yáng)極浸蝕。陽(yáng)極浸蝕可除去陰極浸蝕附著于制件表面的污物。這種聯(lián)合工藝的另一優(yōu)點(diǎn)是可以減輕滲氫現(xiàn)象。黑色金屬陽(yáng)極浸蝕時(shí)，常用的電解液是15%20H2SO4溶液，陽(yáng)極電流密度為510A/dm2，操作多在室溫下進(jìn)行。 (3弱浸蝕。弱浸蝕是金屬制品進(jìn)行電鍍前的最后一道預(yù)處理工序。其目的是除去制品表面上極薄的

15、一層氧化膜，使表面呈現(xiàn)出金屬的晶體組織，其實(shí)質(zhì)是金屬表面活化的過(guò)程。這個(gè)常被人們忽視的操作工序，對(duì)基體金屬與鍍層間的良好結(jié)合起著極為重要的作用。通常在金屬制品經(jīng)過(guò)弱浸蝕后，應(yīng)立即予以清洗，并轉(zhuǎn)入鍍槽中電鍍。所以電鍍總是在經(jīng)過(guò)除油和弱浸蝕后才進(jìn)行的。弱浸蝕處理的特點(diǎn)是浸蝕介質(zhì)的濃度低，處理時(shí)間短，并多在室溫下進(jìn)行。對(duì)于黑色金屬的弱浸蝕，可用化學(xué)法，也可用電化學(xué)法。采用化學(xué)法時(shí)，多使用含3%5H2SO4或HCl的稀溶液，浸蝕0.51分鐘。采用電化學(xué)法弱浸蝕時(shí)，多用陽(yáng)極處理，使用1%3稀硫酸溶液，陽(yáng)極電流密度為510A/dm2。 3鋁及鋁合金制品的除油 鋁是兩性金屬，既能溶于酸，也能溶于堿。它在強(qiáng)堿

16、性溶液中，會(huì)遭到劇烈浸蝕而生成鋁酸鹽；因此對(duì)這類(lèi)金屬制品的除油，不采用強(qiáng)堿性溶液。通常根據(jù)其表面黏附油污的程度，可采用不同的除油工藝。若表面油污嚴(yán)重，應(yīng)先選用有機(jī)溶劑除油，然后再用堿性鹽溶液化學(xué)除油。若表面油污較少時(shí)，可直接選用含少量苛性堿的除油液，或用堿性鹽溶液處理。 有機(jī)溶劑除油常用三氯乙烯或三氯乙烯與四氯乙烯的混合有機(jī)溶劑。如無(wú)這種高效能有機(jī)溶劑，且制品表面又黏附大量油污時(shí)，也可采用乳化除油法。這種方法是把除油能力低的有機(jī)溶劑，如煤油、二甲苯等與乳化劑，以及如弱堿性肥皂或三乙醇胺與油酸等形成的皂類(lèi)進(jìn)行必要的組合，使油污在有機(jī)溶劑溶解和乳化的雙重作用下被清洗。 4鋁及其鋁合金制品的浸蝕 輕

17、金屬制品的浸蝕可以用酸液，也可以用堿液。在堿溶液中浸蝕的工藝是廣泛采用的方法，此法浸蝕速度較快，在表面油污較少時(shí)，甚至可以不經(jīng)過(guò)除油而直接進(jìn)行堿液浸蝕。 浸蝕一般在5080下于10%20%的苛性鈉溶液中進(jìn)行，浸蝕時(shí)間約為兩分鐘，其作用是由于氫的強(qiáng)烈析出而促使非溶性污物離開(kāi)金屬表面。 5黑色金屬制品的磷化 黑色金屬表面通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成一層非金屬的、不導(dǎo)電的、多孔的磷酸鹽膜的處理過(guò)程稱(chēng)為磷化或磷化處理，形成的磷酸鹽膜稱(chēng)為轉(zhuǎn)化膜。磷化處理廣泛用于金屬加工成形以及防銹封存等工序中，其中作為涂層被覆表面處理的基底或前處理應(yīng)用最為普遍。磷化膜具有多孔性，涂料可滲入到這些孔隙中，因而能顯著地提高涂層的附著力

18、。此外，磷化膜又能使金屬表面由優(yōu)良導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)椴涣紝?dǎo)體，從而抑制了金屬表面微電池的形成，有效地阻礙了金屬的腐蝕，可成倍地提高涂層的耐蝕性和耐水性，所以磷化膜已被公認(rèn)為涂層被覆最好的基底。對(duì)薄板金屬制品的涂層被覆要求在被覆前100%地進(jìn)行磷化處理。 按形成磷化處理劑的組成可分為，以鐵鹽為主的磷化處理，以鋅鹽為主的磷化處理及以錳鹽為主的磷化處理。作為涂層被覆表面處理的前處理，最廣泛應(yīng)用的是用鋅鹽為主的磷化處理，這種處理速度快，形成的磷化膜厚度適當(dāng)(13m，是涂層被覆的良好基底。鋅鹽磷化處理劑的主要組分是磷酸二氫鋅(可用氧化鋅與磷酸配制、氧化劑(常用硝酸鹽、催化劑(常用亞硝酸鈉、氯酸鈉和過(guò)氧化氫等強(qiáng)氧化劑和一些添加劑(如三聚磷酸鈉、氟化鈉等。以下列舉兩種磷化液的配方及工藝規(guī)范供參考。 配方一 氧化鋅 工業(yè)用 純度98以上 25g 磷酸 工業(yè)用 含量83 23ml 硝酸 工業(yè)用 含量65 45ml 碳酸鈉 工業(yè)用 16g 自來(lái)水 70ml 此配方所制得的濃磷化液，總酸度接近500點(diǎn)，總酸度與游離酸度之比為71101。將此濃磷化液稀釋至磷化工藝所規(guī)定的總酸度(噴射法采用1216點(diǎn)，另外補(bǔ)充添加亞硝酸鈉0.20.3g/L，在6065下噴射處理l1.5分鐘，即可在除油和酸洗后的潔凈的鋼鐵表面上獲得結(jié)晶細(xì)致的磷