紧固件表面处理知识你了解多少？

点击数：30492021-08-06 16:51:06　

表面处理，是一门涉及电化学，机械学，物理学等多门学课的学科，在很多企业里包括操作工人，技术员部长，技术员（只会机械制图）都了解不深，导致在质量体系的FMEA里分析的失效模式牛头不对马嘴，CP的控制上更是空洞无物。

　　
　　一、电镀原理与基础

　　1、电镀的定义：

　　电镀是镀液中主盐金属离子，在直流电场作用下，因扩散、对流、电迁移等传质手段到达作为阴极工作表面，得到电子而还原为金属原子，并进一步结晶排列为金属层的过程。（狭义）

　　2、电镀原理：

　　电镀装置示意图﹐被镀的零件为阴极﹐与直流电源的负极相连﹐金属阳极与直流电源的正极联结﹐阳极与阴均浸入镀液中。当在阴阳两极间施加一定电位时﹐则在阴极发生如下反应﹕从镀液内部扩散到电极和镀液界面的金属离子Mn+从阴极上获得n个电子﹐还原成金属M；另一方面﹐在阳极则发生与阴极完全相反的反应﹐即阳极界面上发生金属M的溶解﹐释放n个电子生成金属离子M n+。

　　3、电镀液成分简介
　　
　　1）主盐

　　主盐是指镀液中能在阴极上沉积出所要求镀层金属的盐﹐用于提供金属离子。镀液中主盐浓度必须在一个适当的范围﹐在其它条件不变时，主盐浓度增加或减少﹐都会对电沉积过程及最后的镀层组织有影响。比如﹐主盐浓度升高﹐电流效率提高﹐金属沉积速度加快﹐镀层晶粒较粗﹐溶液分散能力下降。（氯化锌）

　　2）洛合剂

　　有些情况下﹐若镀液中主盐的金属离子为简单离子时﹐则镀层晶粒粗大﹐因此﹐要采用络合离子的镀液。获得络合离子的方法是加入络合剂﹐即能络合主盐的金属离子形成络合物的物质。络合物是一种由简单化合物相互作用而形成的“分子化合物”。在含络合物的镀液中﹐影响电镀效果的主要是主盐与络合剂的相对含量﹐即络合剂的游离量﹐而不是绝对含量。（在碱性条件下电镀，由于绝大多数金属离子都会呈氢氧化物沉淀，因而必须采用配合物电镀，此时洛合剂是镀液的必备成份。锌酸盐镀锌液中的氢氧化钠和三乙醇胺。）

　　3）附加盐

　　附加盐是电镀中除主要盐外的某些碱金属或碱土金属盐类﹐主要用于提高电镀液的导电性﹐对主盐中的金属离子不起络合作用。有些附加盐还能改善镀液的深镀能力﹐分散能力﹐产生细致的镀层。（氯化钾、氯化钠质量不太好）

　　4）缓冲剂

　　缓冲剂是指用来稳定溶液酸碱度的物质。这类物质一般是由弱酸和弱酸盐或弱碱和弱碱盐组成的﹐能使溶液遇到碱或酸时﹐溶液的pH值变化幅度缩少。（硼酸）

　　5）阳极活化剂

　　镀液中能促进阳极活化的物质称阳极活化剂。阳极活化剂的作用是提高阳极开始钝化的电流密度﹐从而保证阳极处于活化状态而能正常地溶解。阳极活化剂含量不足时阳极溶解不正常﹐主盐的含量下降较快影响镀液的稳定。（氰化镀铜时用）

　　6）添加剂

　　添加剂是指不会明显改变镀层导电性﹐而能显著改善镀层性能的物质。根据在镀液中所起的作用﹐添加剂可分为﹕光亮剂﹐整平剂﹐和抑雾剂等。

　　4、影响电镀质量的因素

　　影响电镀质量的因素很多﹐包括镀液的各种成分以及各种电镀工艺参数。下面就其中某些主要因素进行说明。

　　1）pH值的影响

　　镀液中的pH值可以影响氢的放电电位﹐碱性夹杂物的沉淀﹐还可以影响络合物或水化物的组成以及添加剂的吸附程度。但是﹐对各种因素的影响程度一般不可预见。最佳的pH值往往要通过试验决定。在含有络合剂离子的镀液中﹐pH值可能影响存在的的各种络合物的平衡﹐因而必须根据浓度来考虑。电镀过程中﹐若pH值增大﹐则阴极效率比阳极效率高﹐pH值减少则反之。通过加入缓冲剂可以将pH值稳定在一定范围。

　　2）添加剂的影响

　　镀液中的光亮剂﹐整平剂﹐润湿剂等添加剂能明显改善镀层组织。对此添加剂有无机和有机之分。无机添加剂起作用的原因是由于它们在电解液中形成高分散度的氢氧化物或硫化物胶体﹐吸附在阴极表面阻碍金属析出﹐提高阴极极化作用。有机添加剂起作用的原因是这类添加剂多为表面活性物质﹐它们会吸附在阴极表面形成一层附膜﹐阻碍金属析出﹐因而提高阴极极化作用。另外﹐某些有机添加剂在电解液中形成胶体﹐会与金属离子络合形成胶体-金属离子型络合物﹐阻碍金属离子放电而提高阴极极化作用。

　　3）电流密度的影响

　　任何电镀都必须有一个能产生正常镀层的电流密度范围。当电流密度过低时﹐阴极极化作用较小﹐镀层桔晶粗大﹐甚至没有镀层。随着电流密度的增加﹐阴极极化作用随着增加﹐镀层晶粒越来越细。当电流密度过高﹐超过极限电流密度时﹐镀层质量开始恶化﹐甚至出现海绵体﹐枝晶状﹐烧焦及发黑等。电流密度的变化的上限和下限是由电镀液的本性﹐浓度﹐温度和搅拌等因素决定的。一般情况下﹐主盐浓度增大﹐镀层温度升高﹐以及有搅拌的条件下﹐可以允许采用较大的电流密度。

　　4）电流波形的影响

　　电流波形的影响是通过阴极电位和电流密度的变化来影响阴极沉积过程的﹐它进而影响镀层的组织结构﹐甚至成分﹐使镀层性能和外观发生变化。实践证明﹐三相全波整流和稳压直流相当﹐对镀层组织几乎没有什么影响﹐而其它波形则影响较大。

　　5）温度的影响

　　镀液温度的升高能扩散加快﹐降低浓差极化﹐此外﹐升温还能使离子的脱水过程加快。离子和阴极表面活性增强﹐也降低了电化学极化﹐导致结晶变粗。另一方面﹐温度升高能增加盐类的溶解度﹐从而增加导电和分散能力﹔还可以提高电流密度上限﹐从而提高生产效率。

　　6）搅拌的影响

　　搅拌可降低阴极极化﹐使晶粒变粗﹐但可提高电流密度﹐从而提高生产率。此外搅拌还可增强整平剂的效果。

　　产品表面状态的清洁、平整的基件表面镀层效果越好，产品形状也影响电流分布，位置定位等。

　　二、电镀的分类与作用

　　1、按使用方法大致可分成五类

　　电化学方法：这种方法的特点是利用电极反应，在零件表面上形成镀覆层，其中应用最广的是：电镀与阳极氧化。

　　化学镀方法：这种方法的特点是在没有电流通过的情况下，利用物质互相作用，在零件表面上形成镀覆层，主要工艺过程有：化学镀（化学镀镍、化学镀铜）；化学转化膜处理（锌的铬酸盐钝化、钢铁的磷化、氧化）。

　　热加工方法：以热镀锌为主。

　　高真空方法。

　　其他物理方法。

　　2、按作用可以分五类

　　提高零件的耐蚀性能：例如钢铁产品表面镀锌、锌铝等。

　　提高零件的耐磨性能：例如镀铬、镀镍提高耐磨性，阳极氧化提高铝制品的耐磨性。

　　提高零件的防护和装饰性能：例如镀铬、镀镍、镀铜、金属表面着色等。

　　修复零件尺寸：例如轴、齿轮、花键等重要机械零部件使用后磨损，可采用镀铁、镀铬修复尺寸。

　　赋予某些零件特殊的功能：例如镀铜镀银可以提高导电性能；镀镍-钴、镍-铁提高导磁性；镀锡可提高其耐酸性。

　　3、按加工方式可以分四类
　　4、镀锌溶液的分类



　　氰化物镀锌：镀层结晶细致，除氢后不会发黑、镀液分散能力好、温度范围较宽及废水治量简便；电流效率低，不宜镀铸铁件，毒性大，易分解，使操作有不安全感。

　　锌酸盐镀锌：对钢铁备无腐蚀作用，可用氰化物镀锌液转换，维护费底，镀层晶细致，对尽可能质敏感性底，废水处理方便；缺点是电流效率低，电镀时气体刺激性都较大，需装抽风设备。

　　氯化物镀锌：电流效率高（95%）镀层质量好，电镀过程渗氢少，可镀弹性件，能在铸件或高碳钢上直接电镀，镀液对操作工员影响小，不需抽风装置，管理维护也方便；缺点是对钢件设备有较大腐蚀性，钝化膜会发生“变色”现象，氯化氨废水难处理。采用无氨镀可改善。

　　硫酸盐镀锌：镀液简单，成本低，电流效率高，沉积速度快，适合在线材、带材上高速电镀。与其他类型镀液相比，它的阴极极化小，镀层结晶粗，分散覆盖能力差，只适用外形简单的零件。

　　三、紧固件表面处理工艺选择与简介
　　1、紧固件表面处理工艺选择

　　选择何种表面处理，是每一个设计者都面临的问题。可选择的表面处理类型很多，但原则只有一个”经济、实用”。

　　由于几乎所有商业紧固件都是由碳钢、合金钢制成，一般的紧固件都希望能防止腐蚀，此外，表面处理的镀层必须附着牢固，不能在安装和卸下的过程中脱落，对螺纹紧固件，镀层还需足够薄，使得镀后螺纹仍能旋合。一般镀层的温度限制比紧固件材料要低，因此还需考虑紧固件所处的工作温度要求。

　　对于表面处理，人们一般关注的是美观和防腐，但紧固件的主要功能是紧固零部件，而表面处理对紧固件的紧固性能也有很大的影响，所以，选择表面处理时，也应考虑紧固性能的因素，即安装扭矩—预紧力的一致性。

　　一名高水平的设计者，不仅应考虑设计，还因注意到装配的工艺性，甚至环保要求。

　　下面根据上述因素简要介绍一些紧固件常用的镀层，以供紧固件从业人员参考。

　　电镀锌

　　电镀锌是商业紧固件最常用的镀层。它比较便宜，外观也较好看，可以有黑色、军绿色。然而，它的防腐性能一般，其防腐性能是锌镀（涂）层中最低的。一般电镀锌中性盐雾试验在72小时之内，也有采用特殊封闭剂，使得中性盐雾试验达200小时以上，但价格贵，是一般镀锌的5~8倍。

　　电镀锌加工过程易产生氢脆，所以10.9级以上的螺栓一般不采用镀锌的处理.虽然镀后可以用烘箱去氢，但因钝化膜在60℃以上时将遭破坏，因此去氢必须在电镀后钝化前进行。如此可操作性差，加工成本高。在现实中，一般生产厂不会主动去氢，除非特定客户的强制要求。

　　电镀锌的紧固件扭矩—预紧力一致性较差，且不稳定，一般不用于于重要部位的连接。为了改善扭矩—预紧力一致性，也可采用镀后涂覆润滑物质的方法改善和提高扭矩—预紧力一致性。 　　磷化

　　一项基本原则磷化相对镀锌便宜，耐腐蚀性能比镀锌差。磷化后应涂油，其耐腐蚀性能的高低与所涂油的性能有很大的关系。例如，磷化后涂一般的防锈油，中性盐雾试验也只有10~20小时。涂高档的防锈油，则可达72~96小时。但其价格是一般磷化涂油的2~3倍。

　　紧固件磷化常用的两种，锌系磷化和锰系磷化。锌系磷化润滑性能比锰系磷化好，锰系磷化抗腐蚀性，耐磨性较镀锌好。它的使用温度可达华氏225度到400度（107~204℃）。

　　特别是一些重要零部件的连接。如，发动机的连杆螺栓、螺母，缸盖、主轴承、飞轮螺栓，车轮螺栓螺母等。

　　高强度螺栓采用磷化，还可以避免氢脆问题，所以在工业领域10.9级以上的螺栓一般采用磷化表面处理。

　　氧化（发黑）

发黑+涂油是工业紧固件很流行的镀层，因为它最便宜，并且在油耗尽之前看起来不错。由于发黑几乎无防锈能力，所以无油后它很快就会生锈。就是在有油状态下，其中性盐雾试验也只能达到3~5小时。
　　电镀镉

　　镉镀层耐腐蚀性能很好，特别是在海洋性大气环境下的耐腐蚀性较其他表面处理好。电镀镉的加工过程中的废液处理费用大，成本高，其价格约是电镀锌的15~20倍。所以在一般行业不使用，只用于一些特定的环境。如，用于石油钻井平台和海航飞机用紧固件。

　　电镀铬

　　铬镀层在大气中很稳定，不易变色和失去光泽，硬度高耐磨性好。在紧固件上用铬镀层一般是作为装饰作用。在防腐性要求较高的工业领域很少使用，因为好的铬电镀紧固件与不锈钢同样昂贵，只是使用不锈钢强度不够时，才用镀铬紧固件代替。

　　为了防止腐蚀，镀铬前应首先镀铜和镍。铬镀层可以承受华氏1200度（650℃）的高温。但也与电镀锌一样存在氢脆问题。

　　镀镍

　　主要用于既要防腐，又要导电性好的地方。如车辆电瓶的引出端子等。

　　热浸锌

　　热浸锌为锌加热到液体下热扩散涂层。其镀层厚度在15~100μm，并且不易控制，但耐腐蚀性好，多用于工程中。热浸锌加工过程中污染严重，有锌废料和锌蒸汽等。

　　由于镀层厚，在紧固件中引发了内外螺纹难以旋合的问题。

　　因热浸锌加工的温度原因，（340-500C）它不能用于10.9级以上的紧固件。

　　渗锌

　　渗锌为锌粉固态冶金热扩散涂层。其均匀性好，螺纹、盲孔内都能获得均匀层。镀层厚度为10~110μm，并且误差可控制在10%。它与基体的结合强度和防腐性能在锌涂层中（电镀锌、热浸锌、达克罗）是最好的。其加工过程无污染，最环保。

　　达克罗

　　不存在氢脆问题，并且扭矩—预紧力一致性能很好。如不考虑六价铬的环保问题，它实际上最适用于高防腐要求的高强度紧固件。

　　紧固件表面处理常用工艺简介---电镀锌

　　1. 镀前处理分类

　　电化学除油：也叫电解除油，将零件置于阴极或阳极上，通以直流电在电流的作用下，使油与溶液界面的表面张力大大的降低，并且产生的氧气对表面的附着物具有强烈的撕裂作用。

　　电化学除油按工件性分阴极法与阳极法，还有阴阳极联合法，阴极法除油效果效率比阳极法高，基体不受腐蚀，但容易渗氢，适用于铝锌锡铅铜等有色金属及合金件除油，阳极除油效率比阴极低，对有色金属腐蚀大，适用于高碳钢、弹性材料零件。

　　化学除锈：化学除锈多采用酸性溶液，因而又叫酸洗，又称为侵蚀，分强侵蚀，弱侵蚀（活化）

　　2. 镀前处理流程

　　3. 镀锌工艺简介

　　氯化钾镀锌的工艺特点：

　　氯化钾镀锌对零件材料的适镀性铰广，电流效率高，很适宜于紧固件的滚镀生产。另外，氯化钾镀锌可允许较宽的电流密度，并且镀液稳定，不含络合物，废水处理简单。因此大部厂家都采用氯化钾镀锌工艺。

　　4. 操作要点

　　1）零件的装载量及电流的控制：

　　产品的大小、长短各异，而且相差较大，为了便于操作，适应工艺要求，特别规定了产品装载量：各种规格产品都以上圆为30厘米，下圆为25厘米，高25厘米的锥形水桶，装满4桶为一个电镀槽（即3个滚桶）的装载量。再根据此量计算得出各种零件的总表面积，然后乘以工艺要求的电流密度，确定零件镀锌的电流范围，各规格产品的电流控制详见附表，以供参考。

　　参考附件：标准件镀锌电流对照表
　　2）镀层厚度与电镀时间的控制

　　在产品的装载量和电流大小都控制在一定值时，镀层厚度只取决于电镀时间的长短。时间越长镀层厚度越厚。镀层厚度要求与时间的控制如下表：
　　3）光亮剂的添加

　　为了获得光亮的镀层，在每班要加入光亮剂和柔软剂。添加时以5-10倍的水稀释加入。光亮剂加入太少会得不到光亮、理想的镀层；如果加入过多，就会引起镀层发脆、疏松，甚至因光亮过量而析出有机杂物，夹附于镀层，导致镀层起泡、脱皮。光亮剂添加量与通电时间、电流大小成正比，以消耗量60-120ml/KAh的范围内适量添加。每班以4小时计：加柔软剂200ml，光亮剂1000ml。

　　5. 镀液的维护

　　a) 氯化钾镀液较稳定，槽液成份单班生产时每周化验一次，两班生产时三天分析一次，根据分析结果作必要的补充。并作好镀液工艺检查记录。

　　b) 每班测量一次镀液的PH值，PH上升可用稀盐酸调整至5-6，并检查锌板消耗情况，并及时补充。

　　c) 每天下班前都要吸捞槽底的金属物，防止金属溶于溶液影响其性能和镀层的质量。

　　d) 定期进行大处理，一般规定为1-2个月处理一次，并作好镀液工艺检查记录。

　　6. 镀（锌）后工艺简介

　　零件在酸洗、阴极电解除油及电镀过程中都有可能在镀层和基体金属的晶格中渗氢，造成晶格扭曲，内应力增大，产生脆性称为氢脆。

　　除氢处理

　　为了消除氢脆，一般采用镀后热处理，使氢逸出。温度越高时间越长，除氢越彻底，但超过250℃锌结晶组织将变形，发脆，耐蚀性明显下降。实践温度：200±10℃，不同标准件产品除氢工艺见下表：

　　*注意：镀后四小内进行，炉温均匀一致

　　钝化处理

　　a. 锌的化性质活泼，在空气中很容易氧化变暗，生成“白锈”腐蚀。镀锌后经铬酸盐处理，可以在锌层上生成一层化学转化膜，使活泼的金属锌处于钝态，这层厚度小于0.5UM的铬酸薄膜，能使镀锌层的耐腐蚀能力提高6-8陪。并赋予美丽的装饰外观和抗污染能力。

　　b. 钝化液深度分三种：高中低，为满足不同客户的要求，钝花色泽分为兰白、五彩、黑色、军绿色、金黄色、三价兰白和三价五彩等。

　　铬酸纯化盐三要素

　　钝化配方虽然很多，但任何有实用价值的配方必须包括主盐、活化剂和一定的氢离子浓度。

　　注意事项

　　(1)镀层质量要求细致、光泽较好。因低浓度钝化液无化学抛光能力，故必须保持锌镀层的质量一致。

　　(2)钝化温度以15℃～35℃最好。温度低，成膜慢，色淡膜薄；温度高，膜厚而疏松，附着不