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热处理在表面处理工艺中的应用

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-18  浏览次数:738

 吴双成

(甘肃皋兰胜利机械有限公司,甘肃皋兰730200)

摘要:综述了表面处理工艺中需要用到的热处理方法。介绍了将热处理方法用于消除材料应力、粉末冶金工件和钕铁硼工件除油、阳极氧化前铝合金件固溶处理、钢铁件回火着色、达克罗涂层烧结、电镀后除氢处理及提高镀层硬度等。

关键词:热处理;消除应力;除氢;除油

中图分类号:TG174.4文献标识码:A

文章编号:1001-3849(2011)05-0022-04

引言

电镀和热处理都是机械加工的一种手段,两者联系较为密切。在有些工厂将电镀与热处理合为一个车间(一般称为热表车间),由于热处理行业离不开机械油,而工件表面处理往往需要除油,一般来说是不能安排在同一工房内的,最好电镀与热处理工房各自设立。本文综合已公开文献,介绍一些表面处理工艺中需要用到的热处理方法。

1·镀前热处理

1.1消除基体的内应力

镀前基体内应力对氢脆的影响及消除[1],室温时氢在钢中的溶解度几乎为零,随着温度的升高,氢在钢中的溶解度增加。升高到一定温度,氢不再从钢中逸出反而达不到除氢目的。镀前工件消除内应力的温度美国军标规定为(190±14)℃,ISO规定为200~230℃,除镀铬件为(210±10)℃外,其它表面处理件为(190±10)℃,渗碳、表面淬火件为150℃。

碱性镀锡电流效率比较低,内应力大的钢丝镀锡后,用手一折就断。将钢丝在烘箱中退火1h后,再镀锡[2],钢丝再也折不断了。

铸钢件有内应力,未进行热处理的铸钢件酸性镀锌后易开裂。只要在烘箱中200℃烘1h,然后进行电镀[2],即可解决此问题。

1.2粉末冶金零件的除油

粉末冶金零件具有多孔隙特点,在其机械加工及防锈过程中,油脂及其它有机物必然会渗入孔隙内部,在进行表面处理时,不断有油污从内部渗出,造成镀层不均匀、发花、起泡或起皮等缺陷。粉末冶金零件的除油有一定难度,也不易清洗干净。所以电镀前先用汽油浸泡,将孔隙中的机油溶解下来,然后在空气中晾干使汽油挥发。为了进一步使孔隙中的油污挥发干净,杨旭江[3]采用了中温回火的方法,通过烘烤使渗入物碳化挥发,除油比较彻底。烘烤θ在250~300℃,时间为油烟除尽为止。这种方法既简单,又迅速彻底,即使在镀后烘干时,也无油从孔内流出。在早期资料中,高温除油需要800℃,实际上250~300℃就足以把机械油烧掉[4]。

1.3钕铁硼在电镀前的烘烤除油

烧结型NdFeB永磁体是通过粉末冶金方法成型的,表面存在大量孔隙,吸附的油污难以用常规方法除净。可将NdFeB磁体放入恒温干燥箱内,在200℃恒温下烘烤1h,使其中的油脂碳化成灰烬[5-6],这样从根本上解决零件在镀覆过程中油污易从微孔渗出,避免镀后发生泛点、鼓泡和粉化等。

1.4碳纤维的去胶方法

张积桥等[7]研究了碳纤维表面的化学镀镍,其前处理方法是先去胶,去胶是在400℃下灼烧30min,去掉碳纤维表面的有机粘接剂,然后除油。董艳晖等[8]研究了质量损失率与灼烧温度的关系以及400℃下灼烧质量损失率与时间的关系,结果表明,当灼烧θ低于400℃时,质量损失率很小,胶膜没有被灼烧掉。随着灼烧温度的提高,碳纤维质量损失率增大;当θ高于420℃时,碳纤维质量损失率过大,碳纤维本身的结构有可能被损伤,所以选择灼烧θ为400℃。

1.5塑料件除内应力

ABS塑料件内应力的检查方法是将零件完全浸入21~27℃的冰醋酸中30~60s,取出后立即清洗、晾干,用30~50倍放大镜检查,若表面有细小密集的裂纹,说明此处有内应力存在。裂纹越多,内应力越大,若有深入塑料内部的裂纹,说明此处有很高的内应力。

去除内应力的目的是用于弥补压塑质量的缺陷,使树脂分子排列均匀,避免应力集中。内应力的去除方法[9],是将有应力的塑料件在烘箱中θ为60~75℃下,保温2~4h。

其它塑料件除内应力温度为:聚丙烯80~100℃,聚甲醛90~120℃,聚砜110~120℃,聚碳酸酯110~130℃,改性聚苯乙烯50~60℃[6]。

1.6银阳极的热处理

镀银工艺中使用的阳极板最好选用w(银)为99.99%的一号银,但是一号银价格昂贵且难于买到,所以均采用w(银)为99.95%的二号压延板。二号银压延板有0.05%的金、铜、铁、锑、铋、碳和硫等杂质,其中铅、铜等重金属杂质会引起镀银过程中银阳极氧化发黑,因为钝化而溶解不良,电流效率下降,银阳极钝化膜剥落的微粒,沉积在零件表面造成镀银层粗糙。

为了消除银阳极中重金属杂质对镀银的影响,可以用扩散退火的办法,来改变银阳极中杂质的存在状态[10]。银阳极和其它金属一样,符合金属结晶过程的规律,杂质在晶界析出。即使进行了压延,杂质只是在压延方向延伸,仍然存在于晶界。扩散退火能使杂质溶于银的晶格中。

银阳极的扩散退火,与原子扩散能力和退火温度有关,在低温时主要是晶界的扩散,晶体间迁移是主要过程,由于晶界多路程长,所以扩散速度慢;在高温时杂质金属有足够的能量,可以迅速直接穿过晶体,晶体内迁移是主要过程,扩散路程大大地缩短了,所以扩散速度要快得多。因此,应采用尽可能高的温度来退火。在不熔融的前提下用最高温度,银的熔点是960.5℃,但是二号银含有低熔点元素,有些杂质元素虽比银的熔点高,但形成合金时都会降低银的溶化温度,所以银合金的扩散退火温度要低于银的熔点,一般采用850~880℃,保温1.5~2h,空气中冷却。

扩散退火温度不可过高,否则会造成局部熔融。银的导热性好,最好是达到退火温度时装炉,出炉迅速,尽快浸入水中。银合金板在高温下与其它金属接触会相互扩散而增加杂质含量,不能直接放在热处理炉底板上,应该放在焙烧过的石棉板上。为了防止银的熔融相互粘连,可用焙烧过的石棉板间隔开来。

1.7铝合金阳极氧化前的固溶处理

铝合金的成分和热处理状态对其表面生成的阳极氧化膜外观和性能影响很大。热处理是通过对铝合金内部晶格组成、排列顺序及晶粒大小等的变化来影响氧化膜的结构和性能。例如经回火的铝合金材料,消除了零件的内应力,使晶格组成更稳定、排列更有序,未回火的铝合金材料零件,硬质氧化后颜色较浅,而经过回火的铝合金材料,硬质氧化膜颜色较深。铝合金零件通过加热到临界温度以上,然后在空气中冷却,使晶粒细化。细小的晶粒在阳极氧化过程中反应均匀,外观色泽一致,粗大的晶粒在阳极氧化过程中反应不均匀,容易出现橘皮外观[11]。文献[11]还详细列出了几种常见铝合金材料固溶处理、人工时效温度。

经过热处理(包括锻造)的铝合金材料表面有一层厚厚的氧化皮,由于颜色不明显常常被忽视,在阳极氧化前应采用机械或化学方法处理干净。

1.8消除镀硬铬粗糙毛刺缺陷

钢铁零件在镀硬铬后表面毛刺粗糙是常见故障,原因多种多样,其中,钢铁零件在磨光过程中被磁化或在电镀时受直流电的影响被磁化是个重要原因[12]。零件镀铬前先经过热处理调质,成为回火索氏体组织,属于珠光体类型,是软磁性的,再进行局部高频淬火及低温回火,该表面获得淬硬层,成为马氏体组织,是硬磁性的。在高频磁场作用下,整个零件被磁化,当脱离高频磁场后,淬硬部分仍带磁性,而未淬硬部分没有磁性。此后在磨削过程中,磨削下来的金属微粒被磁性吸在淬硬部分的表面,未淬硬部分则不吸附金属微粒。而被磁性吸附的微粒不易漂洗掉,当零件进入镀铬槽后,淬硬部分的表面还吸附镀液中的磁性微粒,由于尺寸镀铬一般很厚,需要电镀时间长,被磁吸的微粒是电力线集中之处,比基体镀速快得多,最后在淬硬层部位布满粗糙铬粒,而未淬硬部位铬层表面光洁平滑。利用热处理方法可以消除磁性。加热使分子热运动加剧,因分子电流方向不一致而失去磁性。

2·热处理在表面处理工艺中的应用

2.1钢铁件回火着色

钢铁件回火着色方法简单易行,传统碱性发黑法总是得到黑色发蓝膜,某些产品要求蓝色外观,碱性发黑法达不到此要求,奚兵介绍[13]把钢铁件放进热处理电炉中,加热到295℃就能形成蓝色氧化膜。钢铁件蒸汽处理也是一种表面氧化处理。它是将钢铁件置于540~560℃的蒸汽中,使其表面生成一层蓝色的四氧化三铁薄膜,其δ为4~6μm。

这种氧化膜的组织细密,能牢固地附在金属的表面上。

处理方法是将工件放入夹具内,在炉温350~370℃时装入炉中。10~15min后(估计工件的θ在150℃以上,以避免蒸汽凝结)通电加热,随即通入蒸汽,打开排气阀,进气压保持在0.02~0.03MPa,以便排除炉膛中的空气。排气10~15min,调节排气阀,提高炉膛蒸汽压力到0.03~0.05MPa,进气压力相应地提高到0.04~0.06MPa。直接升温到540~560℃,保温60~90min,保温时间根据工件装炉量而定。保温时蒸汽压力保持不变,保温完毕,应立即打开排气阀,进气压力可适当加大,断电,炉温降到300℃,停止输入蒸汽,工件出炉后在空气中冷却。 如果装炉量较大,一次处理出来的氧化膜颜色较浅,可采取两次蒸汽处理,以加深颜色,提高表面质量。零件第二次蒸汽处理结束后,取出工件,在空气中冷却到100℃左右,浸入L-AN15机油(或变压器油、锭子油、防锈油等),浸油时间3~4min。

2.2达克罗涂层的烧结

达克罗涂层的固化工艺一般θ为70~80℃,挥发水分8~10min,以9~13℃/min的速度升温至(300±10)℃,固化30min。

锌铝涂层的烧结还原机理[14],在300℃以下烧结时,Cr(Ⅵ)与锌粉表面反应生成的ZnCrO4被高沸点有机物还原,在300℃烧结30min生成CrO3·nCr2 O3。

2.3镀件的烘干

热处理的基本特征是有组织转变,镀件的烘干温度太低,不会发生组织变化,不应该属于热处理范围。但是有加热工序,如果烘干温度控制不好的话,往往前功尽弃,所以在此也探讨一下。

在高温下,铜原子会扩散渗透到银镀层表面,使得银层发黄[15]。镀银件工作θ超过150℃时,由于铜基体与银镀层之间形成脆性银铜共晶体,使镀层结合力下降,镀层脱落[16]。在铜零件上镀银,随着镀银层厚度的增加,其抗高温能力不断提高,但是增加镀银层厚度会使生产成本增大。可以采用具有很强隔离金属扩散作用的镍中间层,对提高银镀层结合力、导电性及抗变色性都有益。金镀层主要镀在低内应力光亮镍上,3~5μm的镍层做为金铜之间的阻挡层,防止Au、Cu相互扩散[17](形成铜金共晶体),同时提高底金属硬度和光亮度。

仿金镀层在烘干工序中比较容易出现的问题是变色和鼓泡。主要因素是镀镍时为了节约成本,见亮即止,时间太短,有的连1min都不到,造成镍镀层防扩散能力弱;其次是烘干温度过高,塑料件宜在70~80℃、铜件、锌合金件宜在80~100℃、铁件宜在100~120℃烘干,否则容易出现变色或鼓泡。

3·镀后热处理

电镀过程中,基材和镀层都存在不同程度的吸氢现象,影响镀层结合强度和镀层本身强度,采用镀后除氢是提高镀层结合力的手段。

3.1镀硬铬后的热处理

镀硬铬时由于电流效率只有13%~18%,大部分电流消耗在氢的析出上,氢易扩散到镀层和基体金属的晶格中,渗氢较为严重,引起疲劳强度的降低,影响动、静负载强度,故镀铬后应该驱氢处理。方法是在200~300℃条件下保温2~3h,可驱除渗入镀层和基体中60%~70%的氢,大大减轻脆性又不会降低硬度。

北京航空航天大学研究了热处理温度对有机添加剂硬铬镀层性能的影响[18],经过200~300℃条件下保温1h后,其硬度和耐磨性明显提高,这是由于镀层中铬的碳化物在此温度热处理时析出所致。随着热处理温度的进一步提高,由于晶粒长大等原因使镀层硬度与耐磨性再次下降。热处理前后镀层均为体心立方结构。

3.2电镀镍、铁、镍-钨、镍-磷合金镀层的热处理镍、铁、镍-钨、镍-磷合金镀层经150℃加热,并冷却到室温后,硬度提高,内应力增加。超过这个温度,镀层的硬度和内应力都开始降低。对于某些镀层,由于相互扩散,会在镀层与基体结合处形成硬化层,内应力和硬度则增加[19]。将镀有镍-磷合金和镍-磷-硼合金的低碳钢放入充满氩气的马弗炉中,在400℃热处理30min,再在200℃条件下保温2h消除镍-磷-硼合金镀层的内应力,镍-磷合金的硬度热处理后从360HV增加到850HV、镍-磷-硼合金的硬度热处理后从1 200HV增加到1 465HV[20]。

3.3化学镀镍层的回火

化学镀镍层回火的目的是消除基体金属中的氢脆,提高镀层硬度和耐磨性,提高耐蚀性或耐变色性,提高某些基体材料的结合强度。李雪松等[21]研究了热处理对化学镀Ni-P合金耐蚀性及晶体结构的影响,对于w(P)为8.3%的镍-磷非晶态合金镀层,经200℃热处理,可改善其耐蚀性;300℃开始晶化,析出Ni3P相,合金耐蚀性下降;400℃热处理,Ni3 P相析出量增大,完全晶化,镍-磷合金镀层耐蚀性下降较快。

w(P)为8%以上的Ni-P合金是非晶态镀层,经过300~400℃热处理变成非晶态与晶态的混合物,硬度高达1 155HV,化学复合镀层硬度更高,如Ni-P-SiC复合镀层镀态硬度只有700HV,350℃热处理后硬度可达1 300HV[9]。

3.4弹性零件、高强度零件的镀后除氢

氢在金属内部使晶格扭曲,产生很大的内应力,金属韧性大大降低,导致氢脆而使零件断裂。为此,除了不采用阴极电解除油、避免强酸酸洗、采用瞬间冲击电流电镀等措施外,镀后除氢是必要的[22],除氢θ在180~200℃,t为2~4h。

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