緊固件表面處理知識你了解多少？

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表面處理，是一門涉及電化學(xué)，機(jī)械學(xué)，物理學(xué)等多門學(xué)課的學(xué)科，在很多企業(yè)里包括操作工人，技術(shù)員部長，技術(shù)員（只會機(jī)械制圖）都了解不深，導(dǎo)致在質(zhì)量體系的FMEA里分析的失效模式牛頭不對馬嘴，CP的控制上更是空洞無物。

　　
　　一、電鍍原理與基礎(chǔ)

　　1、電鍍的定義：

　　電鍍是鍍液中主鹽金屬離子，在直流電場作用下，因擴(kuò)散、對流、電遷移等傳質(zhì)手段到達(dá)作為陰極工作表面，得到電子而還原為金屬原子，并進(jìn)一步結(jié)晶排列為金屬層的過程。（狹義）

　　2、電鍍原理：

　　電鍍裝置示意圖﹐被鍍的零件為陰極﹐與直流電源的負(fù)極相連﹐金屬陽極與直流電源的正極聯(lián)結(jié)﹐陽極與陰均浸入鍍液中。當(dāng)在陰陽兩極間施加一定電位時(shí)﹐則在陰極發(fā)生如下反應(yīng)﹕從鍍液內(nèi)部擴(kuò)散到電極和鍍液界面的金屬離子Mn+從陰極上獲得n個(gè)電子﹐還原成金屬M(fèi)；另一方面﹐在陽極則發(fā)生與陰極完全相反的反應(yīng)﹐即陽極界面上發(fā)生金屬M(fèi)的溶解﹐釋放n個(gè)電子生成金屬離子M n+。

　　3、電鍍液成分簡介
　　
　　1）主鹽

　　主鹽是指鍍液中能在陰極上沉積出所要求鍍層金屬的鹽﹐用于提供金屬離子。鍍液中主鹽濃度必須在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶o在其它條件不變時(shí)，主鹽濃度增加或減少﹐都會對電沉積過程及最后的鍍層組織有影響。比如﹐主鹽濃度升高﹐電流效率提高﹐金屬沉積速度加快﹐鍍層晶粒較粗﹐溶液分散能力下降。（氯化鋅）

　　2）洛合劑

　　有些情況下﹐若鍍液中主鹽的金屬離子為簡單離子時(shí)﹐則鍍層晶粒粗大﹐因此﹐要采用絡(luò)合離子的鍍液。獲得絡(luò)合離子的方法是加入絡(luò)合劑﹐即能絡(luò)合主鹽的金屬離子形成絡(luò)合物的物質(zhì)。絡(luò)合物是一種由簡單化合物相互作用而形成的“分子化合物”。在含絡(luò)合物的鍍液中﹐影響電鍍效果的主要是主鹽與絡(luò)合劑的相對含量﹐即絡(luò)合劑的游離量﹐而不是絕對含量。（在堿性條件下電鍍，由于絕大多數(shù)金屬離子都會呈氫氧化物沉淀，因而必須采用配合物電鍍，此時(shí)洛合劑是鍍液的必備成份。鋅酸鹽鍍鋅液中的氫氧化鈉和三乙醇胺。）

　　3）附加鹽

　　附加鹽是電鍍中除主要鹽外的某些堿金屬或堿土金屬鹽類﹐主要用于提高電鍍液的導(dǎo)電性﹐對主鹽中的金屬離子不起絡(luò)合作用。有些附加鹽還能改善鍍液的深鍍能力﹐分散能力﹐產(chǎn)生細(xì)致的鍍層。（氯化鉀、氯化鈉質(zhì)量不太好）

　　4）緩沖劑

　　緩沖劑是指用來穩(wěn)定溶液酸堿度的物質(zhì)。這類物質(zhì)一般是由弱酸和弱酸鹽或弱堿和弱堿鹽組成的﹐能使溶液遇到堿或酸時(shí)﹐溶液的pH值變化幅度縮少。（硼酸）

　　5）陽極活化劑

　　鍍液中能促進(jìn)陽極活化的物質(zhì)稱陽極活化劑。陽極活化劑的作用是提高陽極開始鈍化的電流密度﹐從而保證陽極處于活化狀態(tài)而能正常地溶解。陽極活化劑含量不足時(shí)陽極溶解不正常﹐主鹽的含量下降較快影響鍍液的穩(wěn)定。（氰化鍍銅時(shí)用）

　　6）添加劑

　　添加劑是指不會明顯改變鍍層導(dǎo)電性﹐而能顯著改善鍍層性能的物質(zhì)。根據(jù)在鍍液中所起的作用﹐添加劑可分為﹕光亮劑﹐整平劑﹐和抑霧劑等。

　　4、影響電鍍質(zhì)量的因素

　　影響電鍍質(zhì)量的因素很多﹐包括鍍液的各種成分以及各種電鍍工藝參數(shù)。下面就其中某些主要因素進(jìn)行說明。

　　1）pH值的影響

　　鍍液中的pH值可以影響氫的放電電位﹐堿性夾雜物的沉淀﹐還可以影響絡(luò)合物或水化物的組成以及添加劑的吸附程度。但是﹐對各種因素的影響程度一般不可預(yù)見。最佳的pH值往往要通過試驗(yàn)決定。在含有絡(luò)合劑離子的鍍液中﹐pH值可能影響存在的的各種絡(luò)合物的平衡﹐因而必須根據(jù)濃度來考慮。電鍍過程中﹐若pH值增大﹐則陰極效率比陽極效率高﹐pH值減少則反之。通過加入緩沖劑可以將pH值穩(wěn)定在一定范圍。

　　2）添加劑的影響

　　鍍液中的光亮劑﹐整平劑﹐潤濕劑等添加劑能明顯改善鍍層組織。對此添加劑有無機(jī)和有機(jī)之分。無機(jī)添加劑起作用的原因是由于它們在電解液中形成高分散度的氫氧化物或硫化物膠體﹐吸附在陰極表面阻礙金屬析出﹐提高陰極極化作用。有機(jī)添加劑起作用的原因是這類添加劑多為表面活性物質(zhì)﹐它們會吸附在陰極表面形成一層附膜﹐阻礙金屬析出﹐因而提高陰極極化作用。另外﹐某些有機(jī)添加劑在電解液中形成膠體﹐會與金屬離子絡(luò)合形成膠體-金屬離子型絡(luò)合物﹐阻礙金屬離子放電而提高陰極極化作用。

　　3）電流密度的影響

　　任何電鍍都必須有一個(gè)能產(chǎn)生正常鍍層的電流密度范圍。當(dāng)電流密度過低時(shí)﹐陰極極化作用較小﹐鍍層桔晶粗大﹐甚至沒有鍍層。隨著電流密度的增加﹐陰極極化作用隨著增加﹐鍍層晶粒越來越細(xì)。當(dāng)電流密度過高﹐超過極限電流密度時(shí)﹐鍍層質(zhì)量開始惡化﹐甚至出現(xiàn)海綿體﹐枝晶狀﹐燒焦及發(fā)黑等。電流密度的變化的上限和下限是由電鍍液的本性﹐濃度﹐溫度和攪拌等因素決定的。一般情況下﹐主鹽濃度增大﹐鍍層溫度升高﹐以及有攪拌的條件下﹐可以允許采用較大的電流密度。

　　4）電流波形的影響

　　電流波形的影響是通過陰極電位和電流密度的變化來影響陰極沉積過程的﹐它進(jìn)而影響鍍層的組織結(jié)構(gòu)﹐甚至成分﹐使鍍層性能和外觀發(fā)生變化。實(shí)踐證明﹐三相全波整流和穩(wěn)壓直流相當(dāng)﹐對鍍層組織幾乎沒有什么影響﹐而其它波形則影響較大。

　　5）溫度的影響

　　鍍液溫度的升高能擴(kuò)散加快﹐降低濃差極化﹐此外﹐升溫還能使離子的脫水過程加快。離子和陰極表面活性增強(qiáng)﹐也降低了電化學(xué)極化﹐導(dǎo)致結(jié)晶變粗。另一方面﹐溫度升高能增加鹽類的溶解度﹐從而增加導(dǎo)電和分散能力﹔還可以提高電流密度上限﹐從而提高生產(chǎn)效率。

　　6）攪拌的影響

　　攪拌可降低陰極極化﹐使晶粒變粗﹐但可提高電流密度﹐從而提高生產(chǎn)率。此外攪拌還可增強(qiáng)整平劑的效果。

　　產(chǎn)品表面狀態(tài)的清潔、平整的基件表面鍍層效果越好，產(chǎn)品形狀也影響電流分布，位置定位等。

　　二、電鍍的分類與作用

　　1、按使用方法大致可分成五類

　　電化學(xué)方法：這種方法的特點(diǎn)是利用電極反應(yīng)，在零件表面上形成鍍覆層，其中應(yīng)用最廣的是：電鍍與陽極氧化。

　　化學(xué)鍍方法：這種方法的特點(diǎn)是在沒有電流通過的情況下，利用物質(zhì)互相作用，在零件表面上形成鍍覆層，主要工藝過程有：化學(xué)鍍（化學(xué)鍍鎳、化學(xué)鍍銅）；化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理（鋅的鉻酸鹽鈍化、鋼鐵的磷化、氧化）。

　　熱加工方法：以熱鍍鋅為主。

　　高真空方法。

　　其他物理方法。

　　2、按作用可以分五類

　　提高零件的耐蝕性能：例如鋼鐵產(chǎn)品表面鍍鋅、鋅鋁等。

　　提高零件的耐磨性能：例如鍍鉻、鍍鎳提高耐磨性，陽極氧化提高鋁制品的耐磨性。

　　提高零件的防護(hù)和裝飾性能：例如鍍鉻、鍍鎳、鍍銅、金屬表面著色等。

　　修復(fù)零件尺寸：例如軸、齒輪、花鍵等重要機(jī)械零部件使用后磨損，可采用鍍鐵、鍍鉻修復(fù)尺寸。

　　賦予某些零件特殊的功能：例如鍍銅鍍銀可以提高導(dǎo)電性能；鍍鎳-鈷、鎳-鐵提高導(dǎo)磁性；鍍錫可提高其耐酸性。

　　3、按加工方式可以分四類
　　4、鍍鋅溶液的分類



　　氰化物鍍鋅：鍍層結(jié)晶細(xì)致，除氫后不會發(fā)黑、鍍液分散能力好、溫度范圍較寬及廢水治量簡便；電流效率低，不宜鍍鑄鐵件，毒性大，易分解，使操作有不安全感。

　　鋅酸鹽鍍鋅：對鋼鐵備無腐蝕作用，可用氰化物鍍鋅液轉(zhuǎn)換，維護(hù)費(fèi)底，鍍層晶細(xì)致，對盡可能質(zhì)敏感性底，廢水處理方便；缺點(diǎn)是電流效率低，電鍍時(shí)氣體刺激性都較大，需裝抽風(fēng)設(shè)備。

　　氯化物鍍鋅：電流效率高（95%）鍍層質(zhì)量好，電鍍過程滲氫少，可鍍彈性件，能在鑄件或高碳鋼上直接電鍍，鍍液對操作工員影響小，不需抽風(fēng)裝置，管理維護(hù)也方便；缺點(diǎn)是對鋼件設(shè)備有較大腐蝕性，鈍化膜會發(fā)生“變色”現(xiàn)象，氯化氨廢水難處理。采用無氨鍍可改善。

　　硫酸鹽鍍鋅：鍍液簡單，成本低，電流效率高，沉積速度快，適合在線材、帶材上高速電鍍。與其他類型鍍液相比，它的陰極極化小，鍍層結(jié)晶粗，分散覆蓋能力差，只適用外形簡單的零件。

　　三、緊固件表面處理工藝選擇與簡介
　　1、緊固件表面處理工藝選擇

　　選擇何種表面處理，是每一個(gè)設(shè)計(jì)者都面臨的問題?？蛇x擇的表面處理類型很多，但原則只有一個(gè)”經(jīng)濟(jì)、實(shí)用”。

　　由于幾乎所有商業(yè)緊固件都是由碳鋼、合金鋼制成，一般的緊固件都希望能防止腐蝕，此外，表面處理的鍍層必須附著牢固，不能在安裝和卸下的過程中脫落，對螺紋緊固件，鍍層還需足夠薄，使得鍍后螺紋仍能旋合。一般鍍層的溫度限制比緊固件材料要低，因此還需考慮緊固件所處的工作溫度要求。

　　對于表面處理，人們一般關(guān)注的是美觀和防腐，但緊固件的主要功能是緊固零部件，而表面處理對緊固件的緊固性能也有很大的影響，所以，選擇表面處理時(shí)，也應(yīng)考慮緊固性能的因素，即安裝扭矩—預(yù)緊力的一致性。

　　一名高水平的設(shè)計(jì)者，不僅應(yīng)考慮設(shè)計(jì)，還因注意到裝配的工藝性，甚至環(huán)保要求。

　　下面根據(jù)上述因素簡要介紹一些緊固件常用的鍍層，以供緊固件從業(yè)人員參考。

　　電鍍鋅

　　電鍍鋅是商業(yè)緊固件最常用的鍍層。它比較便宜，外觀也較好看，可以有黑色、軍綠色。然而，它的防腐性能一般，其防腐性能是鋅鍍（涂）層中最低的。一般電鍍鋅中性鹽霧試驗(yàn)在72小時(shí)之內(nèi)，也有采用特殊封閉劑，使得中性鹽霧試驗(yàn)達(dá)200小時(shí)以上，但價(jià)格貴，是一般鍍鋅的5~8倍。

　　電鍍鋅加工過程易產(chǎn)生氫脆，所以10.9級以上的螺栓一般不采用鍍鋅的處理.雖然鍍后可以用烘箱去氫，但因鈍化膜在60℃以上時(shí)將遭破壞，因此去氫必須在電鍍后鈍化前進(jìn)行。如此可操作性差，加工成本高。在現(xiàn)實(shí)中，一般生產(chǎn)廠不會主動(dòng)去氫，除非特定客戶的強(qiáng)制要求。

　　電鍍鋅的緊固件扭矩—預(yù)緊力一致性較差，且不穩(wěn)定，一般不用于于重要部位的連接。為了改善扭矩—預(yù)緊力一致性，也可采用鍍后涂覆潤滑物質(zhì)的方法改善和提高扭矩—預(yù)緊力一致性。 　　磷化

　　一項(xiàng)基本原則磷化相對鍍鋅便宜，耐腐蝕性能比鍍鋅差。磷化后應(yīng)涂油，其耐腐蝕性能的高低與所涂油的性能有很大的關(guān)系。例如，磷化后涂一般的防銹油，中性鹽霧試驗(yàn)也只有10~20小時(shí)。涂高檔的防銹油，則可達(dá)72~96小時(shí)。但其價(jià)格是一般磷化涂油的2~3倍。

　　緊固件磷化常用的兩種，鋅系磷化和錳系磷化。鋅系磷化潤滑性能比錳系磷化好，錳系磷化抗腐蝕性，耐磨性較鍍鋅好。它的使用溫度可達(dá)華氏225度到400度（107~204℃）。

　　特別是一些重要零部件的連接。如，發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿螺栓、螺母，缸蓋、主軸承、飛輪螺栓，車輪螺栓螺母等。

　　高強(qiáng)度螺栓采用磷化，還可以避免氫脆問題，所以在工業(yè)領(lǐng)域10.9級以上的螺栓一般采用磷化表面處理。

　　氧化（發(fā)黑）

發(fā)黑+涂油是工業(yè)緊固件很流行的鍍層，因?yàn)樗畋阋耍⑶以谟秃谋M之前看起來不錯(cuò)。由于發(fā)黑幾乎無防銹能力，所以無油后它很快就會生銹。就是在有油狀態(tài)下，其中性鹽霧試驗(yàn)也只能達(dá)到3~5小時(shí)。
　　電鍍鎘

　　鎘鍍層耐腐蝕性能很好，特別是在海洋性大氣環(huán)境下的耐腐蝕性較其他表面處理好。電鍍鎘的加工過程中的廢液處理費(fèi)用大，成本高，其價(jià)格約是電鍍鋅的15~20倍。所以在一般行業(yè)不使用，只用于一些特定的環(huán)境。如，用于石油鉆井平臺和海航飛機(jī)用緊固件。

　　電鍍鉻

　　鉻鍍層在大氣中很穩(wěn)定，不易變色和失去光澤，硬度高耐磨性好。在緊固件上用鉻鍍層一般是作為裝飾作用。在防腐性要求較高的工業(yè)領(lǐng)域很少使用，因?yàn)楹玫你t電鍍緊固件與不銹鋼同樣昂貴，只是使用不銹鋼強(qiáng)度不夠時(shí)，才用鍍鉻緊固件代替。

　　為了防止腐蝕，鍍鉻前應(yīng)首先鍍銅和鎳。鉻鍍層可以承受華氏1200度（650℃）的高溫。但也與電鍍鋅一樣存在氫脆問題。

　　鍍鎳

　　主要用于既要防腐，又要導(dǎo)電性好的地方。如車輛電瓶的引出端子等。

　　熱浸鋅

　　熱浸鋅為鋅加熱到液體下熱擴(kuò)散涂層。其鍍層厚度在15~100μm，并且不易控制，但耐腐蝕性好，多用于工程中。熱浸鋅加工過程中污染嚴(yán)重，有鋅廢料和鋅蒸汽等。

　　由于鍍層厚，在緊固件中引發(fā)了內(nèi)外螺紋難以旋合的問題。

　　因熱浸鋅加工的溫度原因，（340-500C）它不能用于10.9級以上的緊固件。

　　滲鋅

　　滲鋅為鋅粉固態(tài)冶金熱擴(kuò)散涂層。其均勻性好，螺紋、盲孔內(nèi)都能獲得均勻?qū)印ｅ儗雍穸葹?0~110μm，并且誤差可控制在10%。它與基體的結(jié)合強(qiáng)度和防腐性能在鋅涂層中（電鍍鋅、熱浸鋅、達(dá)克羅）是最好的。其加工過程無污染，最環(huán)保。

　　達(dá)克羅

　　不存在氫脆問題，并且扭矩—預(yù)緊力一致性能很好。如不考慮六價(jià)鉻的環(huán)保問題，它實(shí)際上最適用于高防腐要求的高強(qiáng)度緊固件。

　　緊固件表面處理常用工藝簡介---電鍍鋅

　　1. 鍍前處理分類

　　電化學(xué)除油：也叫電解除油，將零件置于陰極或陽極上，通以直流電在電流的作用下，使油與溶液界面的表面張力大大的降低，并且產(chǎn)生的氧氣對表面的附著物具有強(qiáng)烈的撕裂作用。

　　電化學(xué)除油按工件性分陰極法與陽極法，還有陰陽極聯(lián)合法，陰極法除油效果效率比陽極法高，基體不受腐蝕，但容易滲氫，適用于鋁鋅錫鉛銅等有色金屬及合金件除油，陽極除油效率比陰極低，對有色金屬腐蝕大，適用于高碳鋼、彈性材料零件。

　　化學(xué)除銹：化學(xué)除銹多采用酸性溶液，因而又叫酸洗，又稱為侵蝕，分強(qiáng)侵蝕，弱侵蝕（活化）

　　2. 鍍前處理流程

　　3. 鍍鋅工藝簡介

　　氯化鉀鍍鋅的工藝特點(diǎn)：

　　氯化鉀鍍鋅對零件材料的適鍍性鉸廣，電流效率高，很適宜于緊固件的滾鍍生產(chǎn)。另外，氯化鉀鍍鋅可允許較寬的電流密度，并且鍍液穩(wěn)定，不含絡(luò)合物，廢水處理簡單。因此大部廠家都采用氯化鉀鍍鋅工藝。

　　4. 操作要點(diǎn)

　　1）零件的裝載量及電流的控制：

　　產(chǎn)品的大小、長短各異，而且相差較大，為了便于操作，適應(yīng)工藝要求，特別規(guī)定了產(chǎn)品裝載量：各種規(guī)格產(chǎn)品都以上圓為30厘米，下圓為25厘米，高25厘米的錐形水桶，裝滿4桶為一個(gè)電鍍槽（即3個(gè)滾桶）的裝載量。再根據(jù)此量計(jì)算得出各種零件的總表面積，然后乘以工藝要求的電流密度，確定零件鍍鋅的電流范圍，各規(guī)格產(chǎn)品的電流控制詳見附表，以供參考。

　　參考附件：標(biāo)準(zhǔn)件鍍鋅電流對照表
　　2）鍍層厚度與電鍍時(shí)間的控制

　　在產(chǎn)品的裝載量和電流大小都控制在一定值時(shí)，鍍層厚度只取決于電鍍時(shí)間的長短。時(shí)間越長鍍層厚度越厚。鍍層厚度要求與時(shí)間的控制如下表：
　　3）光亮劑的添加

　　為了獲得光亮的鍍層，在每班要加入光亮劑和柔軟劑。添加時(shí)以5-10倍的水稀釋加入。光亮劑加入太少會得不到光亮、理想的鍍層；如果加入過多，就會引起鍍層發(fā)脆、疏松，甚至因光亮過量而析出有機(jī)雜物，夾附于鍍層，導(dǎo)致鍍層起泡、脫皮。光亮劑添加量與通電時(shí)間、電流大小成正比，以消耗量60-120ml/KAh的范圍內(nèi)適量添加。每班以4小時(shí)計(jì)：加柔軟劑200ml，光亮劑1000ml。

　　5. 鍍液的維護(hù)

　　a) 氯化鉀鍍液較穩(wěn)定，槽液成份單班生產(chǎn)時(shí)每周化驗(yàn)一次，兩班生產(chǎn)時(shí)三天分析一次，根據(jù)分析結(jié)果作必要的補(bǔ)充。并作好鍍液工藝檢查記錄。

　　b) 每班測量一次鍍液的PH值，PH上升可用稀鹽酸調(diào)整至5-6，并檢查鋅板消耗情況，并及時(shí)補(bǔ)充。

　　c) 每天下班前都要吸撈槽底的金屬物，防止金屬溶于溶液影響其性能和鍍層的質(zhì)量。

　　d) 定期進(jìn)行大處理，一般規(guī)定為1-2個(gè)月處理一次，并作好鍍液工藝檢查記錄。

　　6. 鍍（鋅）后工藝簡介

　　零件在酸洗、陰極電解除油及電鍍過程中都有可能在鍍層和基體金屬的晶格中滲氫，造成晶格扭曲，內(nèi)應(yīng)力增大，產(chǎn)生脆性稱為氫脆。

　　除氫處理

　　為了消除氫脆，一般采用鍍后熱處理，使氫逸出。溫度越高時(shí)間越長，除氫越徹底，但超過250℃鋅結(jié)晶組織將變形，發(fā)脆，耐蝕性明顯下降。實(shí)踐溫度：200±10℃，不同標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)品除氫工藝見下表：

　　*注意：鍍后四小內(nèi)進(jìn)行，爐溫均勻一致

　　鈍化處理

　　a. 鋅的化性質(zhì)活潑，在空氣中很容易氧化變暗，生成“白銹”腐蝕。鍍鋅后經(jīng)鉻酸鹽處理，可以在鋅層上生成一層化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，使活潑的金屬鋅處于鈍態(tài)，這層厚度小于0.5UM的鉻酸薄膜，能使鍍鋅層的耐腐蝕能力提高6-8陪。并賦予美麗的裝飾外觀和抗污染能力。

　　b. 鈍化液深度分三種：高中低，為滿足不同客戶的要求，鈍花色澤分為蘭白、五彩、黑色、軍綠色、金黃色、三價(jià)蘭白和三價(jià)五彩等。

　　鉻酸純化鹽三要素

　　鈍化配方雖然很多，但任何有實(shí)用價(jià)值的配方必須包括主鹽、活化劑和一定的氫離子濃度。

　　注意事項(xiàng)

　　(1)鍍層質(zhì)量要求細(xì)致、光澤較好。因低濃度鈍化液無化學(xué)拋光能力，故必須保持鋅鍍層的質(zhì)量一致。

　　(2)鈍化溫度以15℃～35℃最好。溫度低，成膜慢，色淡膜??；溫度高，膜厚而疏松，附著不