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【簡介】
吳雙成
(甘肅皋蘭勝利機械有限公司，甘肅皋蘭730200)
摘要:綜述了表面處理工藝中需要用到的熱處理方法。介紹了將熱處理方法用于消除材料應(yīng)力、粉末冶金工件和釹鐵硼工件除油、陽極氧化前鋁合金件固溶處理、鋼鐵件回火著色、達克羅涂層燒結(jié)、電鍍后除氫處理及提高鍍層硬度等。
關(guān)鍵詞:熱處理;消除應(yīng)力;除氫;除油
中圖分類號:TG174．4文獻標(biāo)識碼:A
文章編號:1001-3849(2011)05-0022-04
引言
電鍍和熱處理都是機械加工的一種手段，兩者聯(lián)系較為密切。在有些工廠將電鍍與熱處理合為一個車間(一般稱為熱表車間)，由于熱處理行業(yè)離不開機械油，而工件表面處理往往需要除油，一般來說是不能安排在同一工房內(nèi)的，最好電鍍與熱處理工房各自設(shè)立。本文綜合已公開文獻，介紹一些表面處理工藝中需要用到的熱處理方法。
1·鍍前熱處理
1．1消除基體的內(nèi)應(yīng)力
鍍前基體內(nèi)應(yīng)力對氫脆的影響及消除［1］，室溫時氫在鋼中的溶解度幾乎為零，隨著溫度的升高，氫在鋼中的溶解度增加。升高到一定溫度，氫不再從鋼中逸出反而達不到除氫目的。鍍前工件消除內(nèi)應(yīng)力的溫度美國軍標(biāo)規(guī)定為(190±14)℃，ISO規(guī)定為200～230℃，除鍍鉻件為(210±10)℃外，其它表面處理件為(190±10)℃，滲碳、表面淬火件為150℃。
堿性鍍錫電流效率比較低，內(nèi)應(yīng)力大的鋼絲鍍錫后，用手一折就斷。將鋼絲在烘箱中退火1h后，再鍍錫［2］，鋼絲再也折不斷了。
鑄鋼件有內(nèi)應(yīng)力，未進行熱處理的鑄鋼件酸性鍍鋅后易開裂。只要在烘箱中200℃烘1h，然后進行電鍍［2］，即可解決此問題。
1．2粉末冶金零件的除油
粉末冶金零件具有多孔隙特點，在其機械加工及防銹過程中，油脂及其它有機物必然會滲入孔隙內(nèi)部，在進行表面處理時，不斷有油污從內(nèi)部滲出，造成鍍層不均勻、發(fā)花、起泡或起皮等缺陷。粉末冶金零件的除油有一定難度，也不易清洗干凈。所以電鍍前先用汽油浸泡，將孔隙中的機油溶解下來，然后在空氣中晾干使汽油揮發(fā)。為了進一步使孔隙中的油污揮發(fā)干凈，楊旭江［3］采用了中溫回火的方法，通過烘烤使?jié)B入物碳化揮發(fā)，除油比較徹底。烘烤θ在250～300℃，時間為油煙除盡為止。這種方法既簡單，又迅速徹底，即使在鍍后烘干時，也無油從孔內(nèi)流出。在早期資料中，高溫除油需要800℃，實際上250～300℃就足以把機械油燒掉［4］。
1．3釹鐵硼在電鍍前的烘烤除油
燒結(jié)型NdFeB永磁體是通過粉末冶金方法成型的，表面存在大量孔隙，吸附的油污難以用常規(guī)方法除凈。可將NdFeB磁體放入恒溫干燥箱內(nèi)，在200℃恒溫下烘烤1h，使其中的油脂碳化成灰燼［5-6］，這樣從根本上解決零件在鍍覆過程中油污易從微孔滲出，避免鍍后發(fā)生泛點、鼓泡和粉化等。
1．4碳纖維的去膠方法
張積橋等［7］研究了碳纖維表面的化學(xué)鍍鎳，其前處理方法是先去膠，去膠是在400℃下灼燒30min，去掉碳纖維表面的有機粘接劑，然后除油。董艷暉等［8］研究了質(zhì)量損失率與灼燒溫度的關(guān)系以及400℃下灼燒質(zhì)量損失率與時間的關(guān)系，結(jié)果表明，當(dāng)灼燒θ低于400℃時，質(zhì)量損失率很小，膠膜沒有被灼燒掉。隨著灼燒溫度的提高，碳纖維質(zhì)量損失率增大;當(dāng)θ高于420℃時，碳纖維質(zhì)量損失率過大，碳纖維本身的結(jié)構(gòu)有可能被損傷，所以選擇灼燒θ為400℃。
1．5塑料件除內(nèi)應(yīng)力
ABS塑料件內(nèi)應(yīng)力的檢查方法是將零件完全浸入21～27℃的冰醋酸中30～60s，取出后立即清洗、晾干，用30～50倍放大鏡檢查，若表面有細小密集的裂紋，說明此處有內(nèi)應(yīng)力存在。裂紋越多，內(nèi)應(yīng)力越大，若有深入塑料內(nèi)部的裂紋，說明此處有很高的內(nèi)應(yīng)力。
去除內(nèi)應(yīng)力的目的是用于彌補壓塑質(zhì)量的缺陷，使樹脂分子排列均勻，避免應(yīng)力集中。內(nèi)應(yīng)力的去除方法［9］，是將有應(yīng)力的塑料件在烘箱中θ為60～75℃下，保溫2～4h。
其它塑料件除內(nèi)應(yīng)力溫度為: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銀陽極的熱處理
鍍銀工藝中使用的陽極板最好選用w(銀)為99．99%的一號銀，但是一號銀價格昂貴且難于買到，所以均采用w(銀)為99．95%的二號壓延板。二號銀壓延板有0．05%的金、銅、鐵、銻、鉍、碳和硫等雜質(zhì)，其中鉛、銅等重金屬雜質(zhì)會引起鍍銀過程中銀陽極氧化發(fā)黑，因為鈍化而溶解不良，電流效率下降，銀陽極鈍化膜剝落的微粒，沉積在零件表面造成鍍銀層粗糙。
為了消除銀陽極中重金屬雜質(zhì)對鍍銀的影響，可以用擴散退火的辦法，來改變銀陽極中雜質(zhì)的存在狀態(tài)［10］。銀陽極和其它金屬一樣，符合金屬結(jié)晶過程的規(guī)律，雜質(zhì)在晶界析出。即使進行了壓延，雜質(zhì)只是在壓延方向延伸，仍然存在于晶界。擴散退火能使雜質(zhì)溶于銀的晶格中。
銀陽極的擴散退火，與原子擴散能力和退火溫度有關(guān)，在低溫時主要是晶界的擴散，晶體間遷移是主要過程，由于晶界多路程長，所以擴散速度慢;在高溫時雜質(zhì)金屬有足夠的能量，可以迅速直接穿過晶體，晶體內(nèi)遷移是主要過程，擴散路程大大地縮短了，所以擴散速度要快得多。因此，應(yīng)采用盡可能高的溫度來退火。在不熔融的前提下用最高溫度，銀的熔點是960．5℃，但是二號銀含有低熔點元素，有些雜質(zhì)元素雖比銀的熔點高，但形成合金時都會降低銀的溶化溫度，所以銀合金的擴散退火溫度要低于銀的熔點，一般采用850～880℃，保溫1．5～2h，空氣中冷卻。
擴散退火溫度不可過高，否則會造成局部熔融。銀的導(dǎo)熱性好，最好是達到退火溫度時裝爐，出爐迅速，盡快浸入水中。銀合金板在高溫下與其它金屬接觸會相互擴散而增加雜質(zhì)含量，不能直接放在熱處理爐底板上，應(yīng)該放在焙燒過的石棉板上。為了防止銀的熔融相互粘連，可用焙燒過的石棉板間隔開來。
1．7鋁合金陽極氧化前的固溶處理
鋁合金的成分和熱處理狀態(tài)對其表面生成的陽極氧化膜外觀和性能影響很大。熱處理是通過對鋁合金內(nèi)部晶格組成、排列順序及晶粒大小等的變化來影響氧化膜的結(jié)構(gòu)和性能。例如經(jīng)回火的鋁合金材料，消除了零件的內(nèi)應(yīng)力，使晶格組成更穩(wěn)定、排列更有序，未回火的鋁合金材料零件，硬質(zhì)氧化后顏色較淺，而經(jīng)過回火的鋁合金材料，硬質(zhì)氧化膜顏色較深。鋁合金零件通過加熱到臨界溫度以上，然后在空氣中冷卻，使晶粒細化。細小的晶粒在陽極氧化過程中反應(yīng)均勻，外觀色澤一致，粗大的晶粒在陽極氧化過程中反應(yīng)不均勻，容易出現(xiàn)橘皮外觀［11］。文獻［11］還詳細列出了幾種常見鋁合金材料固溶處理、人工時效溫度。
經(jīng)過熱處理(包括鍛造)的鋁合金材料表面有一層厚厚的氧化皮，由于顏色不明顯常常被忽視，在陽極氧化前應(yīng)采用機械或化學(xué)方法處理干凈。
1．8消除鍍硬鉻粗糙毛刺缺陷
鋼鐵零件在鍍硬鉻后表面毛刺粗糙是常見故障，原因多種多樣，其中，鋼鐵零件在磨光過程中被磁化或在電鍍時受直流電的影響被磁化是個重要原因［12］。零件鍍鉻前先經(jīng)過熱處理調(diào)質(zhì)，成為回火索氏體組織，屬于珠光體類型，是軟磁性的，再進行局部高頻淬火及低溫回火，該表面獲得淬硬層，成為馬氏體組織，是硬磁性的。在高頻磁場作用下，整個零件被磁化，當(dāng)脫離高頻磁場后，淬硬部分仍帶磁性，而未淬硬部分沒有磁性。此后在磨削過程中，磨削下來的金屬微粒被磁性吸在淬硬部分的表面，未淬硬部分則不吸附金屬微粒。而被磁性吸附的微粒不易漂洗掉，當(dāng)零件進入鍍鉻槽后，淬硬部分的表面還吸附鍍液中的磁性微粒，由于尺寸鍍鉻一般很厚，需要電鍍時間長，被磁吸的微粒是電力線集中之處，比基體鍍速快得多，最后在淬硬層部位布滿粗糙鉻粒，而未淬硬部位鉻層表面光潔平滑。利用熱處理方法可以消除磁性。加熱使分子熱運動加劇，因分子電流方向不一致而失去磁性。
2·熱處理在表面處理工藝中的應(yīng)用
2．1鋼鐵件回火著色
鋼鐵件回火著色方法簡單易行，傳統(tǒng)堿性發(fā)黑法總是得到黑色發(fā)藍膜，某些產(chǎn)品要求藍色外觀，堿性發(fā)黑法達不到此要求，奚兵介紹［13］把鋼鐵件放進熱處理電爐中，加熱到295℃就能形成藍色氧化膜。鋼鐵件蒸汽處理也是一種表面氧化處理。它是將鋼鐵件置于540～560℃的蒸汽中，使其表面生成一層藍色的四氧化三鐵薄膜，其δ為4～6μm。
這種氧化膜的組織細密，能牢固地附在金屬的表面上。
處理方法是將工件放入夾具內(nèi)，在爐溫350～370℃時裝入爐中。10～15min后(估計工件的θ在150℃以上，以避免蒸汽凝結(jié))通電加熱，隨即通入蒸汽，打開排氣閥，進氣壓保持在0．02～0．03MPa，以便排除爐膛中的空氣。排氣10～15min，調(diào)節(jié)排氣閥，提高爐膛蒸汽壓力到0．03～0．05MPa，進氣壓力相應(yīng)地提高到0．04～0．06MPa。直接升溫到540～560℃，保溫60～90min，保溫時間根據(jù)工件裝爐量而定。保溫時蒸汽壓力保持不變，保溫完畢，應(yīng)立即打開排氣閥，進氣壓力可適當(dāng)加大，斷電，爐溫降到300℃，停止輸入蒸汽，工件出爐后在空氣中冷卻。 如果裝爐量較大，一次處理出來的氧化膜顏色較淺，可采取兩次蒸汽處理，以加深顏色，提高表面質(zhì)量。零件第二次蒸汽處理結(jié)束后，取出工件，在空氣中冷卻到100℃左右，浸入L-AN15機油(或變壓器油、錠子油、防銹油等)，浸油時間3～4min。
2．2達克羅涂層的燒結(jié)
達克羅涂層的固化工藝一般θ為70～80℃，揮發(fā)水分8～10min，以9～13℃/min的速度升溫至(300±10)℃，固化30min。
鋅鋁涂層的燒結(jié)還原機理［14］，在300℃以下燒結(jié)時，Cr(Ⅵ)與鋅粉表面反應(yīng)生成的ZnCrO4被高沸點有機物還原，在300℃燒結(jié)30min生成CrO3·nCr2 O3。
2．3鍍件的烘干
熱處理的基本特征是有組織轉(zhuǎn)變，鍍件的烘干溫度太低，不會發(fā)生組織變化，不應(yīng)該屬于熱處理范圍。但是有加熱工序，如果烘干溫度控制不好的話，往往前功盡棄，所以在此也探討一下。
在高溫下，銅原子會擴散滲透到銀鍍層表面，使得銀層發(fā)黃［15］。鍍銀件工作θ超過150℃時，由于銅基體與銀鍍層之間形成脆性銀銅共晶體，使鍍層結(jié)合力下降，鍍層脫落［16］。在銅零件上鍍銀，隨著鍍銀層厚度的增加，其抗高溫能力不斷提高，但是增加鍍銀層厚度會使生產(chǎn)成本增大。可以采用具有很強隔離金屬擴散作用的鎳中間層，對提高銀鍍層結(jié)合力、導(dǎo)電性及抗變色性都有益。金鍍層主要鍍在低內(nèi)應(yīng)力光亮鎳上，3～5μm的鎳層做為金銅之間的阻擋層，防止Au、Cu相互擴散［17］(形成銅金共晶體)，同時提高底金屬硬度和光亮度。
仿金鍍層在烘干工序中比較容易出現(xiàn)的問題是變色和鼓泡。主要因素是鍍鎳時為了節(jié)約成本，見亮即止，時間太短，有的連1min都不到，造成鎳鍍層防擴散能力弱;其次是烘干溫度過高，塑料件宜在70～80℃、銅件、鋅合金件宜在80～100℃、鐵件宜在100～120℃烘干，否則容易出現(xiàn)變色或鼓泡。
3·鍍后熱處理
電鍍過程中，基材和鍍層都存在不同程度的吸氫現(xiàn)象，影響鍍層結(jié)合強度和鍍層本身強度，采用鍍后除氫是提高鍍層結(jié)合力的手段。
3．1鍍硬鉻后的熱處理
鍍硬鉻時由于電流效率只有13%～18%，大部分電流消耗在氫的析出上，氫易擴散到鍍層和基體金屬的晶格中，滲氫較為嚴(yán)重，引起疲勞強度的降低，影響動、靜負載強度，故鍍鉻后應(yīng)該驅(qū)氫處理。方法是在200～300℃條件下保溫2～3h，可驅(qū)除滲入鍍層和基體中60%～70%的氫，大大減輕脆性又不會降低硬度。
北京航空航天大學(xué)研究了熱處理溫度對有機添加劑硬鉻鍍層性能的影響［18］，經(jīng)過200～300℃條件下保溫1h后，其硬度和耐磨性明顯提高，這是由于鍍層中鉻的碳化物在此溫度熱處理時析出所致。隨著熱處理溫度的進一步提高，由于晶粒長大等原因使鍍層硬度與耐磨性再次下降。熱處理前后鍍層均為體心立方結(jié)構(gòu)。
3．2電鍍鎳、鐵、鎳-鎢、鎳-磷合金鍍層的熱處理鎳、鐵、鎳-鎢、鎳-磷合金鍍層經(jīng)150℃加熱，并冷卻到室溫后，硬度提高，內(nèi)應(yīng)力增加。超過這個溫度，鍍層的硬度和內(nèi)應(yīng)力都開始降低。對于某些鍍層，由于相互擴散，會在鍍層與基體結(jié)合處形成硬化層，內(nèi)應(yīng)力和硬度則增加［19］。將鍍有鎳-磷合金和鎳-磷-硼合金的低碳鋼放入充滿氬氣的馬弗爐中，在400℃熱處理30min，再在200℃條件下保溫2h消除鎳-磷-硼合金鍍層的內(nèi)應(yīng)力，鎳-磷合金的硬度熱處理后從360HV增加到850HV、鎳-磷-硼合金的硬度熱處理后從1 200HV增加到1 465HV［20］。
3．3化學(xué)鍍鎳層的回火
化學(xué)鍍鎳層回火的目的是消除基體金屬中的氫脆，提高鍍層硬度和耐磨性，提高耐蝕性或耐變色性，提高某些基體材料的結(jié)合強度。李雪松等［21］研究了熱處理對化學(xué)鍍Ni-P合金耐蝕性及晶體結(jié)構(gòu)的影響，對于w(P)為8．3%的鎳-磷非晶態(tài)合金鍍層，經(jīng)200℃熱處理，可改善其耐蝕性;300℃開始晶化，析出Ni3P相，合金耐蝕性下降;400℃熱處理，Ni3 P相析出量增大，完全晶化，鎳-磷合金鍍層耐蝕性下降較快。
w(P)為8%以上的Ni-P合金是非晶態(tài)鍍層，經(jīng)過300～400℃熱處理變成非晶態(tài)與晶態(tài)的混合物，硬度高達1 155HV，化學(xué)復(fù)合鍍層硬度更高，如Ni-P-SiC復(fù)合鍍層鍍態(tài)硬度只有700HV，350℃熱處理后硬度可達1 300HV［9］。
3．4彈性零件、高強度零件的鍍后除氫
氫在金屬內(nèi)部使晶格扭曲，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，金屬韌性大大降低，導(dǎo)致氫脆而使零件斷裂。為此，除了不采用陰極電解除油、避免強酸酸洗、采用瞬間沖擊電流電鍍等措施外，鍍后除氫是必要的［22］，除氫θ在180～200℃，t為2～4h。
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