緊固件表面處理知識你了解多少？

點擊數：38342021-08-06 16:51:06　

表面處理，是一門涉及電化學，機械學，物理學等多門學課的學科，在很多企業里包括操作工人，技術員部長，技術員（只會機械制圖）都了解不深，導致在質量體系的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

　　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，因擴散、對流、電遷移等傳質手段到達作為陰極工作表面，得到電子而還原為金屬原子，并進一步結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﹐與直流電源的負極相連﹐金屬陽極與直流電源的正極聯結﹐陽極與陰均浸入鍍液中。當在陰陽兩極間施加一定電位時﹐則在陰極發生如下反應﹕從鍍液內部擴散到電極和鍍液界面的金屬離子Mn+從陰極上獲得n個電子﹐還原成金屬M；另一方面﹐在陽極則發生與陰極完全相反的反應﹐即陽極界面上發生金屬M的溶解﹐釋放n個電子生成金屬離子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適當的范圍﹐在其它條件不變時，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﹐則鍍層晶粒粗大﹐因此﹐要采用絡合離子的鍍液。獲得絡合離子的方法是加入絡合劑﹐即能絡合主鹽的金屬離子形成絡合物的物質。絡合物是一種由簡單化合物相互作用而形成的“分子化合物”。在含絡合物的鍍液中﹐影響電鍍效果的主要是主鹽與絡合劑的相對含量﹐即絡合劑的游離量﹐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電性﹐對主鹽中的金屬離子不起絡合作用。有些附加鹽還能改善鍍液的深鍍能力﹐分散能力﹐產生細致的鍍層。（氯化鉀、氯化鈉質量不太好）

　　4）緩沖劑

　　緩沖劑是指用來穩定溶液酸堿度的物質。這類物質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﹐溶液的pH值變化幅度縮少。（硼酸）

　　5）陽極活化劑

　　鍍液中能促進陽極活化的物質稱陽極活化劑。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而能正常地溶解。陽極活化劑含量不足時陽極溶解不正常﹐主鹽的含量下降較快影響鍍液的穩定。（氰化鍍銅時用）

　　6）添加劑

　　添加劑是指不會明顯改變鍍層導電性﹐而能顯著改善鍍層性能的物質。根據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、影響電鍍質量的因素

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

　　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見。最佳的pH值往往要通過試驗決定。在含有絡合劑離子的鍍液中﹐pH值可能影響存在的的各種絡合物的平衡﹐因而必須根據濃度來考慮。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。對此添加劑有無機和有機之分。無機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。有機添加劑起作用的原因是這類添加劑多為表面活性物質﹐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﹐某些有機添加劑在電解液中形成膠體﹐會與金屬離子絡合形成膠體-金屬離子型絡合物﹐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能產生正常鍍層的電流密度范圍。當電流密度過低時﹐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。當電流密度過高﹐超過極限電流密度時﹐鍍層質量開始惡化﹐甚至出現海綿體﹐枝晶狀﹐燒焦及發黑等。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﹐它進而影響鍍層的組織結構﹐甚至成分﹐使鍍層性能和外觀發生變化。實踐證明﹐三相全波整流和穩壓直流相當﹐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﹐也降低了電化學極化﹐導致結晶變粗。另一方面﹐溫度升高能增加鹽類的溶解度﹐從而增加導電和分散能力﹔還可以提高電流密度上限﹐從而提高生產效率。

　　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﹐從而提高生產率。此外攪拌還可增強整平劑的效果。

　　產品表面狀態的清潔、平整的基件表面鍍層效果越好，產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

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

　　化學鍍方法：這種方法的特點是在沒有電流通過的情況下，利用物質互相作用，在零件表面上形成鍍覆層，主要工藝過程有：化學鍍（化學鍍鎳、化學鍍銅）；化學轉化膜處理（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。

　　提高零件的防護和裝飾性能：例如鍍鉻、鍍鎳、鍍銅、金屬表面著色等。

　　修復零件尺寸：例如軸、齒輪、花鍵等重要機械零部件使用后磨損，可采用鍍鐵、鍍鉻修復尺寸。

　　賦予某些零件特殊的功能：例如鍍銅鍍銀可以提高導電性能；鍍鎳-鈷、鎳-鐵提高導磁性；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：鍍層結晶細致，除氫后不會發黑、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換，維護費底，鍍層晶細致，對盡可能質敏感性底，廢水處理方便；缺點是電流效率低，電鍍時氣體刺激性都較大，需裝抽風設備。

　　氯化物鍍鋅：電流效率高（95%）鍍層質量好，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，不需抽風裝置，管理維護也方便；缺點是對鋼件設備有較大腐蝕性，鈍化膜會發生“變色”現象，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，是每一個設計者都面臨的問題?？蛇x擇的表面處理類型很多，但原則只有一個”經濟、實用”。

　　由于幾乎所有商業緊固件都是由碳鋼、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，也應考慮緊固性能的因素，即安裝扭矩—預緊力的一致性。

　　一名高水平的設計者，不僅應考慮設計，還因注意到裝配的工藝性，甚至環保要求。

　　下面根據上述因素簡要介紹一些緊固件常用的鍍層，以供緊固件從業人員參考。

　　電鍍鋅

　　電鍍鋅是商業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在72小時之內，也有采用特殊封閉劑，使得中性鹽霧試驗達200小時以上，但價格貴，是一般鍍鋅的5~8倍。

　　電鍍鋅加工過程易產生氫脆，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℃以上時將遭破壞，因此去氫必須在電鍍后鈍化前進行。如此可操作性差，加工成本高。在現實中，一般生產廠不會主動去氫，除非特定客戶的強制要求。

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

　　一項基本原則磷化相對鍍鋅便宜，耐腐蝕性能比鍍鋅差。磷化后應涂油，其耐腐蝕性能的高低與所涂油的性能有很大的關系。例如，磷化后涂一般的防銹油，中性鹽霧試驗也只有10~20小時。涂高檔的防銹油，則可達72~96小時。但其價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。它的使用溫度可達華氏225度到400度（107~204℃）。

　　特別是一些重要零部件的連接。如，發動機的連桿螺栓、螺母，缸蓋、主軸承、飛輪螺栓，車輪螺栓螺母等。

　　高強度螺栓采用磷化，還可以避免氫脆問題，所以在工業領域10.9級以上的螺栓一般采用磷化表面處理。

　　氧化（發黑）

發黑+涂油是工業緊固件很流行的鍍層，因為它最便宜，并且在油耗盡之前看起來不錯。由于發黑幾乎無防銹能力，所以無油后它很快就會生銹。就是在有油狀態下，其中性鹽霧試驗也只能達到3~5小時。
　　電鍍鎘

　　鎘鍍層耐腐蝕性能很好，特別是在海洋性大氣環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用大，成本高，其價格約是電鍍鋅的15~20倍。所以在一般行業不使用，只用于一些特定的環境。如，用于石油鉆井平臺和海航飛機用緊固件。

　　電鍍鉻

　　鉻鍍層在大氣中很穩定，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領域很少使用，因為好的鉻電鍍緊固件與不銹鋼同樣昂貴，只是使用不銹鋼強度不夠時，才用鍍鉻緊固件代替。

　　為了防止腐蝕，鍍鉻前應首先鍍銅和鎳。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重，有鋅廢料和鋅蒸汽等。

　　由于鍍層厚，在緊固件中引發了內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

　　滲鋅為鋅粉固態冶金熱擴散涂層。其均勻性好，螺紋、盲孔內都能獲得均勻層。鍍層厚度為10~110μm，并且誤差可控制在10%。它與基體的結合強度和防腐性能在鋅涂層中（電鍍鋅、熱浸鋅、達克羅）是最好的。其加工過程無污染，最環保。

　　達克羅

　　不存在氫脆問題，并且扭矩—預緊力一致性能很好。如不考慮六價鉻的環保問題，它實際上最適用于高防腐要求的高強度緊固件。

　　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，并且產生的氧氣對表面的附著物具有強烈的撕裂作用。

　　電化學除油按工件性分陰極法與陽極法，還有陰陽極聯合法，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。

　　化學除銹：化學除銹多采用酸性溶液，因而又叫酸洗，又稱為侵蝕，分強侵蝕，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：

　　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。另外，氯化鉀鍍鋅可允許較寬的電流密度，并且鍍液穩定，不含絡合物，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

　　1）零件的裝載量及電流的控制：

　　產品的大小、長短各異，而且相差較大，為了便于操作，適應工藝要求，特別規定了產品裝載量：各種規格產品都以上圓為30厘米，下圓為25厘米，高25厘米的錐形水桶，裝滿4桶為一個電鍍槽（即3個滾桶）的裝載量。再根據此量計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，各規格產品的電流控制詳見附表，以供參考。

　　參考附件：標準件鍍鋅電流對照表
　　2）鍍層厚度與電鍍時間的控制

　　在產品的裝載量和電流大小都控制在一定值時，鍍層厚度只取決于電鍍時間的長短。時間越長鍍層厚度越厚。鍍層厚度要求與時間的控制如下表：
　　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，就會引起鍍層發脆、疏松，甚至因光亮過量而析出有機雜物，夾附于鍍層，導致鍍層起泡、脫皮。光亮劑添加量與通電時間、電流大小成正比，以消耗量60-120ml/KAh的范圍內適量添加。每班以4小時計：加柔軟劑200ml，光亮劑1000ml。

　　5. 鍍液的維護

　　a) 氯化鉀鍍液較穩定，槽液成份單班生產時每周化驗一次，兩班生產時三天分析一次，根據分析結果作必要的補充。并作好鍍液工藝檢查記錄。

　　b) 每班測量一次鍍液的PH值，PH上升可用稀鹽酸調整至5-6，并檢查鋅板消耗情況，并及時補充。

　　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量。

　　d) 定期進行大處理，一般規定為1-2個月處理一次，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，內應力增大，產生脆性稱為氫脆。

　　除氫處理

　　為了消除氫脆，一般采用鍍后熱處理，使氫逸出。溫度越高時間越長，除氫越徹底，但超過250℃鋅結晶組織將變形，發脆，耐蝕性明顯下降。實踐溫度：200±10℃，不同標準件產品除氫工藝見下表：

　　*注意：鍍后四小內進行，爐溫均勻一致

　　鈍化處理

　　a. 鋅的化性質活潑，在空氣中很容易氧化變暗，生成“白銹”腐蝕。鍍鋅后經鉻酸鹽處理，可以在鋅層上生成一層化學轉化膜，使活潑的金屬鋅處于鈍態，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、三價蘭白和三價五彩等。

　　鉻酸純化鹽三要素

　　鈍化配方雖然很多，但任何有實用價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

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

　　(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