详细讲解金属表面处理的办法

时间:2015-01-16 浏览次数:
  
 
  金属表面处理的办法多种多样,常见的主要有机械处理处、脱脂处理法以及化学处理三类,进行对金属表面处理时,应当考虑到以下几点问题及因素,主要包括有:
 
  (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)胶接材料的种类。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。
 
  现对常用的金属表面处理方法介绍如下。
 
  一、脱脂处理法
 
  (一)溶剂脱脂法
 
  有机溶剂能有效地除去表面上的油污。对于清洗脱脂所用的有机溶剂要求能具有如下的性能:
 
  (1)溶解污物的能力强;(2)比热或潜热低;(3)不燃;(4)无毒;
 
  (5)化学性能稳定,对处理表面呈惰性;(6)沸点较低;
 
  (7)在气态时比空气重,在液态时也有较大的密度;(8)具有低表面张力等。
 
  能满足上述所要求的有机溶剂事实上并不存在。因此必须按照具体情况,选择较为合适的溶剂种类。通常采用的有机溶剂有:丙酮、苯、甲苯、二甲苯、三氯乙烯、四氯化碳、醋酸乙酯、香蕉水、汽油等。对于大批量的连续生产的胶接件,最好采用三氯乙烯蒸汽浴除油脂。采用溶剂脱脂也容易出现部分污染物凭借溶剂全面扩散的现象。在这种场合,应经常更换溶剂并反复清洗。一般应采用少量多次的方法去除油脂。
 
  另外,采用溶剂脱脂时,一定要有必要的晾干时间,否则由于溶剂残留在胶接件表面上而使其 胶接强度下降。对于大面积的胶接件表面,可采用从上至下或从左到右一个方向擦拭,反复进行,直至无油污为止。也有一些采用溶剂除油脂后,再用除垢剂进行冲洗。
 
  由于许多有机溶剂均为易燃物质,因此在用这些溶剂去除油脂时,必须遵守易燃易爆物操作的有关规定。如果把溶剂脱脂与超声波脱脂合并使用,则其处理效果更好。钢的溶剂脱脂处理及与超声波脱脂处理并用的效果。
 
  溶剂脱脂的处理效果
 
  处理方法抗剪强度比较值(%)未处理28
 
  甲苯脱脂93
 
  庚烷脱脂93
 
  丁酮脱脂94
 
  醋酸乙酯脱脂100
 
  三氯乙烯脱脂100
 
  甲基三氯甲烷,超声波5min
 
  脱脂110
 
  甲基三氯甲烷,超声波13 min
 
  脱脂113甲基三氯甲烷,
 
  超声波20min脱脂114
 
  (二)高温脱脂及除积炭
 
  此方法一般用于使用过的胶接件脱脂除油处理。由于胶接件长期使用,表面容易吸附或沉积油污,在胶接前如不除尽油污,在胶粘剂与胶接件表面之间便会形成一个油膜隔离层,从而严重影响胶接强度。
 
  对于这些胶接件,如允许采用高温处理时,可将它们置于200-250°C 的电热鼓风干燥箱中。如胶接件太大,无法加入电热鼓风干燥箱,则可采用几个红灯或喷灯局部加热,使胶接件表面及周围的油脂渗出,然后用干净棉纱揩擦,再用溶剂除油。必须指出,在用溶剂除油时,溶剂一定要与火源隔开,以防发生意外。
 
  对于返修的旧制件,如果上面沉积有坚韧的积炭薄层,则在胶接修补前必须将积炭仔细除去。
 
  积炭一般由燃烧产物、金属氧化物、尘埃、油脂及其胶质油泥沉积物等复杂成份组成。清除积炭的方法可分为机械处理和化学处理两种。但无论使用什么方法,都需事先除油脱脂。
 
  机械处理主要用手工工具刮除,如用钢丝刷、铜丝刷、刮刀、风动工具等清除。必要时先将制件在煤油中浸泡一段时间,然后用磨料等清除。
 
  化学处理又分为碱性熔盐浴法和溶液处理法两种。
 
  碱性熔盐浴的配方如下:
 
  氯化钠  5  氢氧化钠   6.5  硝酸钠  30
 
  将上述混合物熔融,再将制件在250°C 下置于上述熔融浴中处理,处理时间视具体情况而定。
 
  溶液处理法清除积炭的配方及工艺条件如下:
 
  [配方1]
 
  氢氧化钠  2.5  碳酸钠 3.5  水玻璃 0.15  软皂 2.5  水 100
 
  处理条件:80-95°C ,1-2h 。处理对象:钢、铸铁。
 
  [配方2]
 
  碳酸钠  2 磷酸钠 1 水玻璃 0.8 软皂 1  水 100 重铬酸钾 0.3 表面活性剂 0.5
 
  处理条件:80-95°C ,1-2h 。处理对象:钢、铝。
 
  [配方3]
 
  氢氧化钠 10   水 40   二甲酚皂液 50
 
  处理条件:室温,24h ,或60-85°C ,4 。处理对象:钢。
 
  [配方4]
 
  碳酸钠  1.9   水玻璃  0.9  软皂  1  水  100
 
  处理条件:90-95°C ,2-4h 。处理对象:铝。
 
  (三)化学脱脂
 
  如果条件许可,对胶接件最好采用化学脱脂法。在化学脱脂法以及在后面所述的化学处理法的配方中所用的水,均为软水或纯水,即用一般容易得到的蒸馏水来配制处理溶液。洗涤用水采用自来水。
 
  钢材的化学脱脂法所用的溶液配方如下:
 
  [配方1]
 
  硅酸钠 10  重铬酸钠 30   磷酸钠 30  氢氧化钠 30  水 1000
 
  将胶接件在上述溶液中于80-100°C 下处理10-15min ,然后水洗、干燥。
 
  [配方2]
 
  氢氧化钠 10   碳酸钠 50   硅酸钠 50    水 1000
 
  将胶接件在上述溶液中于80-100°C 下处理30min ,然后水洗、干燥。
 
  水洗时必须要多次充分冲洗,将胶接件表面上残留的碱液洗涤干净,否则将会影响胶接强度。另外,对铝合金及巴氏合金等胶接材料,严禁用氢氧化钠溶液水煮脱脂去油。
 
  (四)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,在干净的液体中放入换能器,又在它的附近放入处理的制件。当超声波的频率为20-5000Hz时,已有足够高的能量对流体进行翻动,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,因此大大加快了清扫污物的速度。此法比较适用于小型的复杂部件。如果净化的部件较大,则频率就应相应降低。在大多数情况下,一般部件放在功率为20W/cm2的超声波中处理20-60s 后,就能得到足够清洁的表面。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。
 
  二、机械处理法
 
  机械处理法是工业上常用的处理方法之一。主要有机械打磨和机械喷砂两种方法。
 
  (一)机械打磨法
 
  通常先用钢丝刷刷去胶接表面松散的氧化层,然后用砂轮、砂布、砂纸或粗锉进行打磨加工,使胶接表面得到一定的粗糙度。
 
  机械打磨法适用于大部分材料。表3-5分别示出了国产水砂纸、木砂纸和铁砂布的型号和粒度号数的对照情况,供使用时参考。机械打磨法简便易行,化费很省,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。
 
  表3 国产水砂纸型号与粒度号数对照
 
  型 号180220240280320400500600磨料粒度号数上海产品100120150180220240280320天津产品120150160180220260--
 
  表4 国产木砂纸型号与粒度号数对照
 
  型 号00013/225/234磨料粒度号数上海产品150120806046363020天津产品1601401008060463630
 
  表5 国产铁砂布型号与粒度号数对照
 
  型 号00000000001234磨料粒度号数上海产品220180150120100603624天津产品200180160140100603630
 
  (二)机械喷砂法
 
  通常,不会因机械喷砂而影响装配尺寸和光洁度的胶接件,以及在使用中耐磨蚀性要求不高的胶接件,均可采用机械喷砂法。
 
  在进行喷砂前,最好先用溶剂去除油污,这样喷砂后胶接表面特别干净。机械喷砂法既快又好,胶接强度均匀稳定,操作也很简单,其中特别对铜合金、铝合金和钢材的胶接效果最佳。但机械喷砂法也有一定的局限性。例如,对于薄膜材料、软质多孔材料、电镀后的零件、精密零件及大型零件等都不宜采用。一般,机械喷砂法用于中等或稍小的一些胶接件以及较粗糙的胶接件等。另外,喷干砂粉时的粉尘较大,对操作工人的身体健康会造成危害,因此必须注意劳动保护。
 
  机械喷砂法又可分为干法和湿法两种。
 
  干法是单纯用磨料进行喷砂,一般用于化学处理法难以处理的合金,以及在表面上有较多鳞片和氧化物的场合。干法喷砂后残留在表面上的细粉磨料应用干净的压缩空气或氮气吹净。
 
  湿法是将磨料、液体和空气混合在一起使用。它的主要优点是能控制和减少粉尘飞扬,并且可以用喷雾淋洗的方法除去喷砂表面上的残留物。
 
  机械喷砂法能使胶接表面产生圆的或凹凸不平的形状,其深度与胶接材料的性质,磨料的特性、大小以及所用的喷砂压力等有关。其中,磨料的特性和大小是最重要的因素。例如,用尖锐的切割式磨料时,喷砂效果最好。这类磨料包括刚玉砂、金刚砂、石英砂等。而圆球形磨料,如玻璃珠、金属弹等的效果较差。因为圆球形磨料将使表面产生交叠的金属粒子层,这些疏松的金属粒子层依附在金属基体上,使胶接性能不佳。表6列举了这两种磨料胶接性能的比较。表7是几种金属喷砂处理时的磨料大小范围。
 
  为了简便,除铝材之外的所有金属表面,均可用干净的、尺寸为0.25-0.40mm 大小的钢砾或铁砾磨料喷砂0.5min 左右,即可完成喷砂处理。对铝材,只能用砂子或刚玉磨料作喷砂处理。用喷砂处理非金属材料时,较软的非金属材料(如某些热塑性塑料)不适宜用粗磨料去增加它的胶接强度,因为在软质材料表面上的凹凸和容易产生内聚性破坏,以致辞大大降低胶接强度。
 
  表6 玻璃珠与石英磨料胶接效果的比较
 
  被胶接件材料胶粘剂磨 料剥离强度(N/cm )铝合金醛酚-橡胶玻璃珠18-54石英砂108-162改性环氧玻璃珠0-27石英砂180-270表7 喷砂磨料大小范围
 
  胶接材料方 法磨料大小(号数)钢干 法80-100铝湿 法140-325黄铜干 法80-100黄铜湿 法140-325不锈钢湿 法140-325三、化学处理法
 
  化学处理法是将胶接件在室温或更高温度下浸入碱液、酸液或某些无机盐溶液,除去其表面疏松氧化物和其他污物。对于某些较活泼的金属,在处理后还需适当“钝化”处理,以获得牢固和稳定的胶接表面。
 
  化学处理法具有高效、经济、质量稳定和能大面积使用的特点。它除能粗化、清洁表面,还可以产生一种耐化学反应的表面层,提高胶接件使用的耐久性。对于一些易氧化的金属和诸如聚四氟乙烯之类的非极性材料,从快速、可靠和提高胶接强度的角度考虑,化学处理法尤其是一种最为简便的方法。
 
  表8列举了铝合金材料用不同金属表面处理方法处理后胶接强度的比较情况。从表中可知,化学处理可以获得最高的胶接强度。
 
  表8 铝合金表面处理与胶接强度的关系
 
  处 理 方 法抗剪强度(MPa )未处理3.1脱脂处理5.9脱脂,喷砂处理9.3阳极化处理13.6脱脂、重铬酸钠、硫酸处理19.3脱脂、喷砂、重铬酸钠、硫酸处理21.7(注)胶粘剂为含有填料的双组份环氧树脂胶
 
  必须根据不同的胶接材料采用不同的化学处理方法。处理时间、处理温度不同,得到的胶接强度也不同。化学处理法的不足之处在于大部分处理液具有一定的腐蚀作用,并可能产生有害气体,因此在操作时必须注意通风和劳动保护.
 
  四、涂底胶法
 
  在胶接表面涂底胶有以下几种作用:
 
  1、保护作用 使胶接面保持清洁,防止受腐蚀或污染,延长已处理好的表面的存放时间。
 
  2、改善胶接性能 如弹性底胶与环氧树脂胶配合,就能改善脆性。环氧树脂胶所用的弹性底胶有氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚硫橡胶等。
 
  3、固定胶膜或工件定位
 
  4、改善表面的粘附性 这里主要是指涂布一层偶联剂。偶联剂能使胶液与胶接材料这间形成化学键,从而使胶接强度和对环境作用的抵抗能力大大提高。但使用不宜用得太多,因为不仅偶联剂一般较为昂贵,而且太多了会导致辞整个胶层的耐热性会有所下降。
 
  表9示出了偶联剂对胶接强度的影响情况,从表中所列的情况来看,偶联剂可使胶接强度提高1 倍之多。目前,常用的偶联剂主要是各类硅氧烷,除此以外还有铬的络合物、磷酸酯、有机酸类及有机胺类等。
 
  表9 偶联剂对胶接强度的影响
 
  胶粘剂类型偶联剂类型与未用偶联相比强度提高倍数聚氨酯KH-5502.8-7.5环氧树脂KH-5701.6酚醛-丁腈KH-5802.1-3.3
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