金属表面处理总汇
一、预处理1、表面处理通常金属表面会附有尘埃、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。金属表面预处理方法主要有人工、机械、喷射、化学方法。据统计，大约有70%以上的油漆问题是由于不适当的表面处理所引起的。因此，对于一个金属防腐涂装油漆系统的性能体现，合适的表面处理是至关重要的。2、钢材锈蚀等级 钢材表面的四个锈蚀等级分别以A、B、C和D表示。A：全面地覆盖着氧化皮而几乎没有铁锈的钢材表面；B：已发生锈蚀，并且部分氧化皮已经剥落的钢材表面； C：氧化皮已因锈蚀而剥落，或者可以刮除，并且有少量点蚀的钢材表面； D：氧化皮已因锈蚀而全面剥离，并且已普遍发生点蚀的钢材表面。3、清理等级 也即清洁度国际标准代表性的有两种：一种是美国85年制订“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，详细介绍如下： Sa1级——相当于美国SSPC—SP7级。采用一般简单的手工刷除、砂布打磨方法，这是四种清洁度中度最低的一级，对涂层的保护仅仅略好于未采用处理的工件。Sa1级处理的技术标准：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——相当于美国SSPC—SP6级。采用喷砂清理方法，这是喷砂处理中最低的一级，即一般的要求，但对于涂层的保护要比手工刷除清理要提高许多。Sa2级处理的技术标准：工件表面应不可见油腻、污垢、氧化皮、锈皮、油漆、氧化物、腐蚀物、和其它外来物质（疵点除外），但疵点限定为不超过每平方米表面的33%，可包括轻微阴影；少量因疵点、锈蚀引起的轻微脱色；氧化皮及油漆疵点。如果工件原表面有凹痕，则轻微的锈蚀和油漆还会残留在凹痕底部。Sa2级也叫商品清理级（或工业级）。Sa2.5级——是工业上普遍使用的并可以作为验收技术要求及标准的级别。Sa2.5级也叫近白清理级（近白级或出白级）。Sa2.5级处理的技术标准：同Sa2要求前半部一样，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——级相当于美国SSPC—SP5级，是工业上的最高处理级别，也叫做白色清理级（或白色级）。Sa3级处理的技术标准：与Sa2.5级一样，但5%的阴影、疵点、锈蚀等疵点不得存在了。国家标准GB/T 8923.1-2011、GB/T 8923.2-2008、GB/T 8923.3-2009、GB/T 8923.4-2013规定了除锈等级和质量等级。4、喷砂喷砂是采用压缩空气为动力形成高速喷射束，将喷料（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，使工件外表面的外表发生变化，由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的搞疲劳性，增加了它和涂层之间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰。 （1）与其它前处理工艺（如酸洗、工具清理）对比 1 ) 喷砂处理是最彻底、最通用、最迅速、效率最高的清理方法。 2 ) 喷砂处理可以在不同粗糙度之间任意选择，而其它工艺是没办法实现这一点的，手工打磨可以打出毛面但速度太慢动作，化学溶剂清理则清理表面过于光滑不利于涂层粘接。（2）作用1）工件涂镀、工件粘接前处理喷砂能把工件表面的锈皮等一切污物清除，并在工件表面建立起十分重要的基础图式（即通常所谓的毛面），而且可以通过调换不同粒度的磨料，达到不同程度的粗糙度，大大提高工件与涂料、镀料的结合力。或使粘接件粘接更牢固，质量更好。2）铸锻件毛面、热处理后工件的清理与抛光喷砂能清理铸锻件、热处理后工件表面的一切污物（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。喷砂清理能使工件露出均匀一致的金属本色，使工件外表更美观，达到美化装饰的作用。3）机加工件毛刺清理与表面美化喷砂能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。并且喷砂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机械零件经喷砂后，能在零件表面产生均匀细微的凹凸面（基础图式），使润滑油得到存储，从而使润滑条件改善，并减少噪声提高机械使用寿命。5）光饰作用对各种工件表面抛光，使工件表面更美观；使工件达到光滑又不反光要求；对于某些特殊用途工件，喷砂可随意实现不同的反光或亚光。如不锈钢工件、木制家具表面亚光化，磨砂玻璃表面的花纹图案, 以及布料表面的毛化加工等。6）消除应力及表面强化通过砂丸敲击工件表面，消除应力，增加工件表面强度，如弹簧、机加工刀具和飞机叶片等工件的表面处理。（3）工艺1）前期控制喷砂前，依据《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》规定，对金属结构基体表面锈蚀等级进行评定。仔细检查，清除焊渣、飞溅等附着物，并清洗表面油脂及可溶污物，对无用的焊接体或联接物也应作妥善处理。2） 磨料控制喷砂除锈用的砂，要求颗粒坚硬、有棱角、干燥（含水量< 2 %）、无泥土及其他杂质；以石英砂为好，粗河砂也可；同时，应考虑砂料运输条件，单价高低，回收能力等因素；砂料粒径以0.5 ～1.5mm 为宜，筛选前须晒干，存储于棚内、室内，筛孔大小为：粗筛40～48孔/cm2（粒径1.2mm）、细筛372～476孔/cm2（粒径0.3mm）。 除锈方案确定后，磨料可选河砂、石英砂或二者混合。3）工具控制喷砂操作时，空压机气压为0.6MPa～0.65MPa，气压变幅为0.05MPa～0.1MPa，一般砂桶气压为0.4MPa～0.55MPa，不得小于0.4MPa。喷砂前应检查压力容器的生产厂家是否持有有关部门颁发的生产许可证、喷砂工佩戴的防护工具、安全带（绳）和供氧装置是否安全可靠，以及喷嘴磨损情况，当孔口直径增大2 5 %时宜更换喷嘴。4）环境控制鉴于水工金属结构喷砂除锈为露天作业，施工时除应注意防尘和环境保护，还必须每日检测施工现场环境温度、湿度和金属表面的温度，计算当日露点，做好施工记录。当空气相对湿度大于85%、金属表面温度低于露点以上3 ℃时不得施工。 5）工艺控制喷砂用的压缩空气必须经冷却装置及油水分离器处理，以保证干燥、无油；油水分离器必须定期清理。 喷嘴到基体钢材表面距离以100～300 mm 为宜，喷砂前对非喷砂部位应遮蔽保护。喷射方向与基体钢材表面法线夹角以15°～30°为宜。 喷砂除锈后、进行下一道工序前，如遇下雨或其他造成基体钢材表面潮湿的情况时，要待环境达到施工条件后，用干燥的压缩空气吹干表面水分后施工，如须重新喷砂，不可降低磨料要求，以免降低粗糙度。 喷砂时喷嘴不要长时间停留在某处，喷砂作业应避免零星作业，但也不能一次喷射面积过大，要考虑涂装或热喷涂工序与表面预处理工序间的时间间隔要求。对喷枪无法喷射的部位要采取手工或动力工具除锈。喷砂后严禁用手触摸。5、酸洗 利用酸溶液去除钢铁表面上的氧化皮和锈蚀物的方法称为酸洗。是清洁金属表面的一种方法，通常与预膜一起进行，一般将制件浸入硫酸等的水溶液，以除去金属表面的氧化物等薄膜。是电镀、搪瓷、轧制等工艺的前处理或中间处理。（1）原理氧化皮、铁锈等铁的氧化物(Fe3O4，Fe2O3，FeO等)与酸溶液发生化学反应，形成盐类溶于酸溶液中而被除去。（2）常用酸酸洗用酸有硫酸、盐酸、磷酸、硝酸、铬酸、氢氟酸和混合酸等无机酸和柠檬酸、EDTA 等有机酸。最常用的是硫酸和盐酸，酸洗工艺的酸洗液一般为多种酸的混合物。酸洗工艺主要有浸渍酸洗法、喷射酸洗法和酸膏除锈法。一般多用浸渍酸洗法，大批量生产中可采用喷射法。市面上出售的工业浓硫酸通常含H2SO475%~97% (质量分数)，也可以选用褐色工业硫酸溶液，它含H2SO475%~78%(质量分数)。6、碱洗碱液除油主要是依靠碱与油污的皂化反应，形成可溶性皂，在碱性介质中皂化或乳化作用来达到清除油污的目的。碱液能使动、植物油起皂化反应，但汽车上的油污以不可皂化的矿物油为多，这类油在碱液中不易溶解，但可借助于硅酸钠、多聚磷酸盐等无机表面活性剂的表面活性作用，使非皂化油形成乳化液而除去。碱液除油一般适用于不受碱液腐蚀的金属，如钢铁、铸铜、铜等。在铝金属上除油时，为防止氢氧化钠对铝的腐蚀，一般采用易水解的碱盐，如碳酸钠、硅酸钠。碱洗后热水洗，然后冷水洗。 常用清洗碱液组成如下。 (1)乳化剂。主要起到降低油和水的表面张力，达到乳化作用。 (2)碱性物质。有氢氧化钠、碳酸钠、硅酸钠等。氢氧化钠起到皂化作用，碳酸钠起到调节pH值作用，硅酸钠起到润湿和乳化作用。 (3)磷酸三钠。主要起到软化水的作用，它可与硬水中的钙镁盐反应生成不溶解的磷酸钙盐和镁盐，在溶液静置后沉在底部。 (4)水、肥皂及少量重铬酸钾或亚硝酸钠（可防止金属除油后生锈）。常用的碱有NaOH、Na2CO3、Na2SiO3、磷酸盐等。NaOH是强碱，皂化能力较强，但润湿作用和乳化作用很差，水洗性也差，对有色金属有腐蚀性，适用于黑色金属；Na2CO3水解显碱性，有缓冲作用，易润湿金属，对硬水有软化作用，但皂化力弱．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，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。碱性溶液的除油能力随pH值的升高而增强，见表2-8。使用的碱液浓度与施工工艺也有关联，比如，采用浸渍法，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%。 表2-8 pH值对除油能力的影响 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，对有色金属易产生腐蚀。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。而且脱脂液碱性强，清洗效果不佳。所以对常（低）温磷化应选用中低温弱碱性脱脂剂。温度对除油速度也有影响，一般来讲温度高能加快除油速度，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采用压力喷射的施工工艺。对于不同的金属，不同的处理工艺应选择不同的碱液配方。实际上，单一碱液清洗的配方和工艺工业上很少单独使用，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，通常称这种清洗剂为复合碱性清洗剂。因为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。碱溶液的表面张力非常大，添加表面活性剂可改善渗透性。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。适用于钢铁的常用除油液配方见表2-9。 表2-9 钢铁上常用除油碱液及工作条件简单地鉴别油污去除效果，可视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。碱液去油成本低，介质无毒，不燃不爆，生产效率高，去油彻底，操作简单，因此碱液去油是除油处理采用的主要方法。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。7、磷化磷化（phosphorization）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。主要应用于钢铁表面磷化，有色金属（如铝、锌）件也可应用磷化。8、钝化 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。钝化处理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。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 对不锈钢全面酸洗钝化处理，清除各类油污、锈、氧化皮、焊斑等污垢，处理后表面变成均匀银白色，大大提高不锈钢抗腐蚀性能，适用于各种型号不锈钢零件、板材及其设备。处理完成后取出，用清水冲洗干净，最好再用碱水或石灰水冲洗中和。9、脱脂 金属脱脂是涂装前处理的基本工序之一，它利用高效液体脱脂剂对油脂和污物的皂化、润湿、乳化、渗透、卷离、分散和增溶等作用把工件表面的各种油脂、灰尘泥沙、金属粉末、手汗及其工件在加工过程中所粘附的油性脏物高效的去除脱离彻底。脱脂六大常用方法： （1）有机溶剂脱脂 特点：皂化油脂和非油脂均能溶解，一般不腐蚀零件。脱脂快，但不彻底，需用化学或电化学方法补充脱脂。有机溶剂易燃;有毒、成本较高。 适用范围：可对形状复杂(接缝、盲孔状)的小零件、有色金属件、油污严重的零件及易被碱溶液腐蚀的零件初步脱脂。 （2）化学脱脂 特点：方法简便，设备简单，成本低，但脱脂时间长。 适用范围：一般零件脱脂。 （3）电化学脱脂 特点：脱脂效率高，能除去零件表面的浮灰，浸湿残渣等机械杂质，但阴极电解脱脂零件易渗氢，深孔内油污去除较慢，且需有直流电源。 适用范围：一般零件的脱脂或阳极去除浸湿残渣。 （4）擦拭脱脂 特点：操作灵活方便，不受零件限制，但劳动强度大工效低。 适用范围：大、中型零件或不宜用其他方法脱脂的零件。 （5）滚筒脱脂 特点：功效高，质量好，但不适应于大零件和易变形的零件。 适用范围：精度不太高的小型零件。 （6）超声波脱脂 特点：对基体腐蚀小、脱脂效率高、净化效果好。复杂零件边角、细孔、盲孔以及空腔内壁等都能彻底脱脂。 适用范围：形状复杂特殊零件脱脂二、发黑（发蓝、煮黑）将钢材或钢件在空气-水蒸气或化学药物中加热到适当温度使其表面形成一层蓝色或黑色氧化膜的工艺。也称发黑。黑色金属表面经“发蓝bluing”处理后所形成的氧化膜，其外层主要是四氧化三铁，内层为氧化亚铁。钢铁零件的发蓝可在亚硝酸钠和硝酸钠的熔融盐中进行，也可在高温热空气及500℃以上的过热蒸气中进行，更常用的是在加有亚硝酸钠的浓苛性钠中加热。发蓝主要用于钢件防锈，使表面生成致密氧化膜，还有装饰作用，特别适合黑色精密件。发黑处理属于表面氧化处理的一种方法。主要有：碱性发蓝、酸性发蓝、常温发蓝。发黑时的溶液成分、反应温度和时间依钢铁基体的成分而定。发蓝膜的成分为磁性氧化铁，厚度为0.5～1.5微米，颜色与材料成分和工艺条件有关，有灰黑、深黑、亮蓝等。单独的发蓝膜抗腐蚀性较差，但经涂油涂蜡或涂清漆后，抗蚀性和抗摩擦性都有所改善。金属“发蓝”处理后，最好用热肥皂水漂洗数分钟，再用冷水冲洗。然后,又用热水冲洗，吹干。碱性发蓝最常见到，碱性法兰就是将工件放在一定的温度的碱性溶液中进行氧化，使工件的表面生成一种氧化膜（四氧化三铁），这层膜比较的致密，能牢固的和金属表面结合.依照处理的条件的不同该氧化膜可呈现亮蓝色直到亮黑色。碱性发黑细分出来，又有一次发黑和两次发黑的区别。发黑液的主要成分是氢氧化钠和亚硝酸钠，发黑时所需温度的宽容度较大，大概在135摄氏度到155摄氏度之间都可以得到不错的表面，只是所需时间有些长短而已。关于发黑的颜色碳素钢以及一般的合金钢：黑色铬硅钢：红棕色-黑棕色高速钢：黑褐色弹簧钢：棕红色的。45#钢：黑色；30CrMnSi：棕色。Si元素的氧化物是褐色的Cr元素的氧化物是绿色的工件发黑后要进行皂化和浸油处理。皂化是因为发黑后氧化膜具有孔隙的显微结构，皂化可以使这些空隙被填满，在零件表面生成一层封闭薄膜，以提高发蓝膜的抗蚀性。浸油可以生成一层油膜，阻止潮气侵入，排出膜层内的水分，增加抗蚀性和光泽。发黑处理不会改变外形尺寸。因为发黑处理只是对钢材实施的一种表面化学防腐处理的方法，只有千分之三至四的厚度。发黑时，工件的尺寸和光洁度对质量影响不大。故常用于精密仪器、光学仪器、工具、硬度块等。三、喷涂 喷涂通过喷枪或碟式雾化器，借助于压力或离心力，分散成均匀而微细的雾滴，施涂于被涂物表面的涂装方法。利用喷涂技术，可以在各种基体上获得具有耐磨、耐蚀、隔热、导电、绝缘、密封、润滑以及其他特殊机械的物理、化学性能的涂层。可分为空气喷涂、无空气喷涂、静电喷涂以及上述基本喷涂形式的各种派生的方式，如大流量低压力雾化喷涂、热喷涂、自动喷涂、多组喷涂等。1、喷漆2、喷塑3、热喷锌热喷锌原理概括说就是先利用高压空气和管道将砂粒吹到工件表面除掉金属表面锈和氧化皮，同时对表面增麻为热喷涂层增加吸附力，然后利用氧气、乙炔或电热源（大型工件采用电加热，中小型采用氧气、乙炔加热）通过压缩空气和专用工具（喷枪）将锌雾化超高速喷到金属表面。由于有喷砂的增麻使涂层有效附着作保障，防腐效果20年以上免维护。喷砂完成2－3小时之内就应完成喷锌工作。热喷锌的优点1、热喷锌工艺喷涂时的温度很低，工件表面温度<80℃，钢材工件不变形。2、采用热喷锌工艺，现场可采用喷锌的方法进行修补，避免产生工艺突破口。 3、热喷锌工艺的预处理采用喷砂，故工件表面有粗糙度，涂层结合力较好，抗拉强度≥6Mpa。 4、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。 热喷锌工艺的应用于冷喷锌工艺不同，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。4、冷喷锌冷喷锌工艺是油漆喷涂的一种，指的是冷喷锌漆涂装工艺。冷喷锌漆是由高性能导电树脂、超细锌粉、溶剂和助剂组成，适合高压无气喷涂，具有阴极保护电化学防腐作用，干膜中锌含量达到96%，冷喷锌漆主要适用于钢结构、电力设施、电厂、变电站的防腐保护。 冷喷锌漆主要特性 1、阴极保护作用：冷喷锌不同于一般的涂料, 其干膜含有96%以上的纯锌，能够为钢铁提供很好的阴极保护。即使在很苛刻的环境中，仍能长效保护钢铁表面。防腐性能可以与热镀锌相媲美，甚至优于热镀锌。 2、屏障式保护作用：当冷喷锌涂料被氧化时，会在涂料表面产生一层锌盐层来提供屏障保护。同时冷喷锌涂料中的粘合剂也提供一层附加的屏障保护，从而减缓锌的氧化。 3、操作简单、使用方便：冷喷锌漆是单组分富锌涂料， 与双组分、三组分的涂料相比不存在使用前繁琐的混合工序和涂料使用时间的限制。操作简便， 不需要特别的技术，只需要搅拌均匀，保证必须的涂膜厚度。 4、耐盐雾性强：冷喷锌漆经过严格检测，耐盐雾性能达到3000小时，在重防腐领域能够表现出超强的防护性能，漆膜可有效屏蔽水汽和腐蚀介质。 5、导电性：冷喷锌具有导静电作用，但是，不具有导电油漆同等的导电性。冷喷锌和热喷锌二者的防腐蚀原理是一样的，都是应用锌粉的阴极保护作用，且喷涂前表面处理都需要进行除油和喷砂，最大的区别一个是油漆喷涂，一个是金属锌喷涂。根据应用领域、设计要求以及涂装效果可以合理的选择最适合的方法。
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