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钢材酸洗的一点小知识,望君一览表面处理工艺 的14项经典技术,看看你都了解哪些方法?

更新时间:2021-11-25 06:11:04点击:

表面处理工艺也是一项很重要的技术。

热轧厂生产的热轧带钢板卷,是轧制和卷取的,带钢表面在相应的条件下生成的氧化铁皮,能够很牢固地覆盖在带钢的表面上,并掩盖着带钢表面的缺陷。

从轧钢的角度来讲,若将这些带氧化铁皮的带钢直接送到冷轧机去轧制将会带来许多问题:一是在大量下压的条件下进行轧制,会将氧化铁皮压入带钢的基体,影响冷轧板的表面质量及加工性能,甚至造成废品;二是氧化铁皮破碎后进入冷却润滑轧辊的乳化液系统会损坏循环设备,缩短乳化液的使用寿命;三是损坏了表面光洁度和加工精度都很高并且价格昂贵的冷轧辊。因此,带钢在冷轧之前,必须清除其表面氧化铁皮,以保证所生产的冷轧带钢的表面质量。

文章来源:工业设计ID:DesignTop作者:工业设计编辑:卝生

01

真空电镀

从生产热镀锌钢板的角度来讲,采用热轧带钢直接进行热浸镀锌,也要同采用冷轧钢板一样,在镀锌前要使带钢具有洁净并有活性的表面。为了获得这样的表面,需要对热轧带钢进行处理以除去表面的氧化铁皮,通常的做法是进行酸洗处理。

真空电镀(Vacuum Metalizing):一种物理沉积现象。即在真空状态下注入氩气,氩气撞击靶材,靶材分离成分子被导电的货品吸附形成一层均匀光滑的仿金属表面层。

表面处理工艺 的14项经典技术,看看你都了解哪些方法?

典型产品:反射涂层,消费电子产品和隔热板的表面处理

钢管氧化铁皮一般有两种:一种是在常温下、在潮湿的环境中,并且有SO2,CO2溶解于水分中起催化作用所生成的氧化物——铁锈。这种锈层呈红褐色,是由两价和三价的铁与氧的化合物以及结晶水构成的;另一种是在高温下生成的氧化物铁皮,俗称铁鳞,是暗黑色或黑褐色。它是在两种情况下生成的:一是在轧制或焊接时生成的轧制铁皮,另一是在热处理过程中由于氧分压大于铁的平衡氧分压所生成的氧化铁皮 (在保护气氛或还原气氛下退火时除外)。

产量适合:单件到大批量皆可

在生产热镀锌钢管、电镀镀锌钢管、涂层钢管或塑料覆层钢管时,这层铁皮必须加以清除,否则会对产品质量造成严重影响,甚至不能生产出合格的产品。在镀锌前即使很薄的铁皮存在,也不可能镀上完整、连续的锌层。在进行涂层或复层处理时,如果不将表面氧化物清除,会引起鼓泡和降低涂复层的耐腐蚀性能。

其它最常见的钢铁型材的酸洗是热轧的角钢(如输电铁塔用)在镀锌前也必须进行的酸洗处理。

质量:高质量,高亮和产品表面保护层

速度:中等的生产速度,6小时/周期(包括喷漆)

表面处理工艺 的14项经典技术,看看你都了解哪些方法?

适用材料:

对于线材,无论是热轧线材或经热处理后的半成品钢丝,其表面均有一层硬而脆的氧化铁皮层。这些氧化铁皮一方面影响以后的加工工序,使润滑涂层不能牢固地和钢材基体结合;另一方面,在拉拔时,因为氧化铁皮硬度很高而且比较脆,这样会刮伤模具和钢丝表面;再则氧化铁皮夹在模具与钢丝之间,不仅会增大钢丝与模具的摩擦,增大了摩擦力,在严重时会引起断丝;有时氧化铁皮可能被压入钢丝基体中,造成镀层时产生“翅皮”等缺陷。因此,必需在钢丝拉拔前去除这些氧化铁皮层。

1、很多材料可以进行真空电镀,包括金属,软硬塑料,复合材料,陶瓷和玻璃。其中最常见用于电镀表面处理的是铝材,其次是银和铜。

2、自然材料不适合进行真空电镀处理,因为自然材料本身的水分会影响真空环境。

热轧钢材的可酸洗性和氧化铁皮的形成一样与很多因素有关,如氧化铁皮的粘附强度、钢的成分、机械变形的种类和程度、氧化铁皮的结构及厚度、表面污染(例如油脂引起的污染)、表面缺陷、酸洗剂的种类和成分以及酸洗时的工作条件等。下面仅就氧化铁皮的结构、耐酸性进行分析。

工艺成本:

真空电镀非常依赖人工操作,真空电镀过程中,工件需要喷涂,装载,卸载和再喷涂,所以人力成本相当高,但是也取决于工件的复杂度和数量。

在氧化铁皮中,富氏体只是在靠近钢板的表面上存在,而铁皮外层的Fe3O4和Fe2O3,在酸溶液中是比较难于溶解的。但由于铁皮层存在着裂缝和气孔(特别是通过破鳞或拉矫之后),酸溶液便能通过这些裂缝、气孔到达金属表面和富氏体层;金属铁和富氏体的溶解,减少了铁皮与金属之间的附着力,并在酸液与金属铁反应过程中生成的氢气的作用下,氧化铁皮便从基体上脱落。与此同时,难溶的Fe3O4及Fe2O3,也被还原成容易溶解的FeO,从而使氧化铁皮从钢材表面上剥离下来。

影响酸洗性的另一个重要因素是铁皮的致密度。富氏体具有天然的最大孔隙率,而Fe2O3层及Fe3O4层是致密的,它们会把铁皮中其他氧化层内的气孔全部堵死;从而阻碍了酸液的渗入;带钢在冷却过程中虽然会形成一些裂纹,但也不能保证酸液渗入氧化铁皮的深处。特别是现代化轧机生产的热轧带钢,铁皮的厚度是稳定的,致密度是比较高的,因此,为了提高氧化铁皮的可酸洗性,采用破鳞设备增加裂纹仍然是十分必要的。

在酸洗带钢时会发现,带钢尾部(酸洗卷头部)表面上的氧化铁皮较容易洗掉。这是因为带钢尾部的轧制温度一般比中部和头部低30~50℃,并在卷取时受到从卷取机上落下来的水的强化冷却,因此,带钢尾部铁皮形成的过程结束得较早,氧化铁皮较薄,而且FeO来不及转化。

最难酸洗的是带钢头部(酸洗带卷尾部)的氧化铁皮。这是因为带钢头部氧化铁皮的形成过程比尾部结束得缓慢,而使氧化铁皮层加厚的缘故。此外,氧化铁皮的缓冷促使FeO分解成Fe3O4或Fe2O3,也是造成酸洗困难洗的原因。

环境影响:

真空电镀对环境污染很小,类似于喷涂对环境的影响。

实例展示:

在带钢酸洗时还会发现,带钢的边缘上会出现未洗掉的黑边,这是因为在带钢长度的中部边缘上,氧化铁皮冷却的比较缓慢,而周围的氧气到带钢表面上的通路较通畅,使这里的氧化铁皮中Fe203层明显增加所致。

同样对于不锈钢材和特殊钢热轧材来说,在进行冷轧或冷拔工艺处理之前,都要进行酸洗处理。钢铁零件、金属制品,在进行表面处理如电镀、磷化、涂层前也都需要进行酸洗处理。

如前所述,在钢铁表面生成的锈层中,不仅羟基氧化铁比较疏松,容易溶解,而且锈层中的Fe还会进一步氧化。

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02

在工业区的钢铁锈层中已确认有着FeSO4·7H2O、FeSO4·H2O 和 Fe2(SO4)3的存在。

氧化铁皮的主要成分是铁的三种氧化物(FeO、Fe3O4、Fe2O3)。它们都是难溶于水的两性氧化物,它们可以在适当的条件下,与强碱和酸进行复分解反应,生成能溶于水的盐。

通过复分解反应,钢铁表面的氧化铁皮就可经从钢材表面除去。但是在工业上,除了对不锈钢表面进行处理时使用强碱除去表面的铁、铬和硅的氧化物外,都是使用强酸的水溶液对钢材进行化学处理以除去钢材表面的氧化铁皮。

电解抛光

在工业生产中进行酸洗化学处理时,还有的将钢材作为电极,通以电流来提高酸洗的质量和酸洗的速度,即所谓的电解酸洗方法。

目前在钢铁的酸洗上主要使用的硫酸酸洗和盐酸酸洗的方法。

电解抛光(Electropolishing):以被抛光工件为阳极,不溶性金属为阴极,两极同时浸入到电解槽中,通以直流电离反应而产生有选择性的阳极溶解,从而达到工件表面除去细微毛刺和光亮度增大的效果。

钢钢材表面上的氧化铁皮(FeO、Fe3O4、Fe2O3)都是不溶解于水的氧化物,当把它们浸泡在酸液里时,这些氧化物就分别与酸发生一系列化学反应。

表面处理工艺 的14项经典技术,看看你都了解哪些方法?

典型产品:建筑结构,食物处理储存和医疗制药

由于碳素结构钢或低合金钢钢材表面上的氧化铁皮具有疏松、多孔和裂纹的结构,加之氧化铁皮在酸洗时随同钢材一起经过矫直、拉矫、传送的反复弯曲,使这些孔隙裂缝进一步增加和扩大。所以,酸溶液在与氧化铁皮起化学反应的同时,也可以通过裂缝和孔隙渗透而与钢铁基体的铁起化学反应。也就是说,在酸洗一开始就同时进行着所有3种氧化物和金属铁与酸溶液之间的化学反应,所以,酸洗的过程包括了以下3个方面的作用:

产量适合:单件到大批量皆可

质量:表面高亮,光滑且卫生

速度:中等的生产速度,5-30分钟/周期

(1)溶解作用

钢材表面氧化铁皮中各种铁的氧化物与酸发生化学反应,生成溶于水的铁盐而溶解于酸溶液内。若用盐酸或硫酸进行酸洗时,生成可溶解于酸液的正铁及亚铁氯化物或硫酸盐,从而把氧化铁皮从带钢表面除去。这种作用,—般称作溶解作用。

(2)机械剥离作用

适用材料:

1.大多数金属都可以被电解抛光,其中最常用于不锈钢的表面抛光(尤其适用于奥氏体核级不锈钢)。

2.不同材料不可同时进行电解抛光,甚至不可以放在同一个电解溶剂里。

钢材表面氧化铁皮中除铁的各种氧化物之外,还夹杂着部分的金属铁,而且氧化铁皮又具有多孔性,那么酸溶液就可以通过氧化铁皮的孔隙和裂缝与氧化铁皮中的铁或基体铁作用,并相应产生大量的氢气。由这部分氢气产生的膨胀压力,就可以把氧化铁皮从钢材表面上剥离下来。这种通过反应中产生氢气的膨胀压力把氧化铁皮剥离下来的作用,一般把它叫做机械剥离作用。

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工艺成本:

电解抛光整个过程基本由自动化完成,所以人工费用很低。

环境影响:

电解抛光采用危害较小的化学物质,整个过程需要少量的水且操作简单,另外可以延长不锈钢的属性,起到让不锈钢延缓腐蚀的作用。

(3)还原作用

实例展示:

金属铁与酸作用时,首先产生氢原子。一部分氢原子相互结合成为氢分子,促使氧化铁皮的剥离。另一部分氢原子靠其化学活泼性及很强的还原能力,将高价铁的氧化物和高价铁盐还原成易溶于酸溶液的低价铁氧化物及低价铁盐。

钢材的酸洗处理广泛地应用于冷轧板材坯料即热轧板材的表面氧化铁皮的去除,如热轧型钢需进行磷化或镀层等表面处理加工前去除氧化铁皮;焊接管材在镀锌或进行其它热浸镀、电镀加工前的表面预处理;退火处理后的钢材如管材、型材、线材等冷拔加工前的表面处理;钢铁加工件进行电镀、电刷镀前的除锈处理以及不锈钢和特殊钢生产过程中的类似处理。目前酸洗仍是钢铁生产和钢铁表面处理时不可或缺的工艺过程。但是,钢材酸洗处理工艺的采用也带来如下的一些问题:

(1)大量消耗钢铁材料和酸

在酸洗的过程中,有的主要通过酸与铁皮的化学反应,溶解相应的金属氧化物的溶解作用来除去铁皮。有的,如使用硫酸进行钢材酸洗时,还要借助于酸与钢铁发生化学反应产生的氢气泡的剥离作用来除去氧化铁皮。因此在酸洗过程中,大量消耗酸是必然的。虽然在酸洗中使用酸洗缓蚀剂可以降低钢铁的金属消耗,但是仍有相当量的金属铁损失掉。

(2)可能降低钢材的物理性能

在酸洗过程中,金属铁和酸之间发生化学反应并产生氢气。由于酸洗液中的氢的化学位高于被酸洗的钢材中氢的化学位,生成的氢会渗入钢中并积存起来造成 氢脆,从而影响钢材的机械性能或以后的加工处理。

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03

(3)会带来一系列的环境污染问题

采用酸洗工艺对钢材或零件进行表面处理,由于钢材的品种、产品的规格和生产的规模各不相同,从而造成了在生产装备和生产环境方面有着很大差别。如酸洗槽体的密封、对生产设备的腐蚀、酸洗车间的通风排风、酸雾的排出和处理以及污水的处理和排放等方面,处理方法和处理水平相差悬殊。从而会带来许多环境保护方面的问题,而需要一一加以处理和解决。

(4)废酸和铁盐的处理问题

光蚀刻表面处理

光蚀刻表面处理(Photo Etching):简称光刻,利用照相手段制作抗蚀膜像,用来保护表面,在金属、塑料等上面,借助化学腐蚀剂进行腐蚀产生表面纹理的方法。

表面处理工艺 的14项经典技术,看看你都了解哪些方法?

典型产品:用于珠宝首饰,铭牌和奖杯的表面处理

产量适合:单件到大批量皆可

钢铁的酸洗在消耗大量金属铁的同时还产生大量的废酸液与相应的酸和氧化铁或生成的铁盐溶液。为了回收和利用这些废酸液和铁盐,需要较大的投资来建设相应的回收和处理设备。特别是对于一些小型的、小批量的钢铁件进行酸洗处理时,往往会出现酸洗废液难以集中进行处理的情况,一旦发生直接排放的情况,就会对对环境造成严重污染。

质量:延长曝光和化学物质都可以实现光蚀刻表面处理

速度:中等的生产速度(50-100微米/5分钟)

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适用材料:

钢材酸洗的一点小知识,望君一览

1.大多是金属都适合光蚀刻表面处理,最常见的有不锈钢,软钢,铝,黄铜,镍,锡,铜和银。其中铝材的光蚀刻速度最快,而不锈钢的光蚀刻速度最 慢。

2.玻璃,陶瓷也适合光蚀刻表面处理,只是需要不同的光阻蚀剂和化学物质。

表面处理工艺 的14项经典技术,看看你都了解哪些方法?

工艺成本:

1.模具费用低

2.人力成本中等

环境影响:

光蚀刻产生的金属废屑须做可控回收;用于光蚀刻的化学物质还有三分之一的氯化铁,而且也会用苛性钠(火碱)来处理废弃的感光胶片,这两种化学物质都是有害的,所以操作人员在处理时需要穿防护服。

实例展示:

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04

移印工艺

移印工艺(Pad Printing):能够在不规则异形对象表面上印刷文字、图形和图象,现在正成为一种重要的特种印刷。

表面处理工艺 的14项经典技术,看看你都了解哪些方法?

典型产品:用于交通工具内饰,电子消费产品和体育器材的表面印刷

产量适合:单件到大批量皆可

质量:能达到清晰的印刷细节,即使在起伏不平的表面上

速度:单个印刷时间(1-5秒)

适用材料:

几乎所有的材料都可以使用移印工艺,除了比硅胶垫还软的材质,例如PTFE等。

表面处理工艺 的14项经典技术,看看你都了解哪些方法?

工艺成本;

1.模具费用低

2.人力成本低,因为大多工序由机加工完成

环境影响:

由于此工艺只局限于溶解性油墨(其中含有害化学物质),所以对环境影响很大。

实例展示:

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镀锌工艺

镀锌工艺(Galvanizing):在钢铁合金材料的表面镀一层锌以起美观、防锈等作用的表面处理技术,表面的锌层是一种电化学保护层,可以防止金属腐坏,主要采用的方法是热镀锌和电镀锌。

表面处理工艺 的14项经典技术,看看你都了解哪些方法?

典型产品:建筑,桥梁,交通工具和家具的表面处理等

产量适合:单件到大批量皆可

质量:完美的保护层,外观很大程度取决钢材的质量

速度:快速,基本10分钟/周期

表面处理工艺 的14项经典技术,看看你都了解哪些方法?

适用材料:

由于镀锌工艺依赖于冶金结合技术,所以只适合钢和铁的表面处理

工艺成本:

1.无模具费用,周期短,成本较低

2.人力成本中等,因为工件的表面质量很大程度上取决于镀锌前的人工表面处理

表面处理工艺 的14项经典技术,看看你都了解哪些方法?

环境影响:

由于镀锌工艺增长了钢铁件40-100年的使用寿命,很好的防止了工件的生锈和腐坏,所以对保护坏境有积极的作用。另外,镀过锌的工件在使用寿命到期后,可以重新送返镀锌槽,对液态锌的反复利用不会产生化学了物理废料。

实例展示:

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电镀工艺

电镀工艺(Electroplating):利用电解作用使零件表面附着一层金属膜的工艺,从而起到防止金属氧化,提高耐磨性、导电性、反光性、抗腐蚀性及增进美观等作用,不少硬币的外层亦为电镀。

表面处理工艺 的14项经典技术,看看你都了解哪些方法?

典型产品:交通工具,消费电子产品,家具,珠宝和银器的表面处理等

产量适合:单件到大批量皆可

质量:光泽度极高,抗氧化腐蚀

速度:速度中等,具体取决于材料种类和涂层厚度

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适用材料:

1.大多数金属可以进行电镀,但是不同的金属具有不同等级的纯度和电镀效率。其中最常见的有:锡,铬,镍,银,金和铑(铑:白金的一种,极其昂贵且能长久保持高亮度,可以对抗大多数化学物质和酸。最常用于对产品表面光泽度要求极高的产品,如奖杯和奖牌)。

2.最常用于电镀的塑料为ABS,因为ABS能承受60°C(140°F)的电镀高温,并且其电镀层和非电镀层结合强度高。

3.镍金属不可用于电镀接触皮肤的产品,因为镍对皮肤有刺激性且有毒性。

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工艺成本:

1.无模具费用,但需要夹具对零件进行固定

2.时间成本取决于温度和金属种类

3.人力成本(中-高),取决于具体电镀件的种类,例如银器和珠宝的电镀就需要极高的熟练工人进行操作,因为其对外观和耐久性的要求很高

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环境影响:

大量有毒物质会被用在电镀过程中,所以需要专业的分流和提取,以确保最小的环境影响。

实例展示:

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粉末喷涂

粉末喷涂(Powder Coating):是一种干喷法,通过喷涂或流化床用在一些金属工件上,粉末通过静电吸附在工件表面,等到完全干燥时,会在表面形成一层保护膜。

表面处理工艺 的14项经典技术,看看你都了解哪些方法?

典型产品:交通工具,建筑和白色家电产品的喷涂等

产量适合:单件到大批量皆可

质量:产品表面着色光滑均匀

速度:速度取决于工件尺寸和自动化程度,至少需要花费30分钟来干燥

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适用材料:

虽然适合一些金属件,塑料和玻璃的表面喷涂,但是粉末喷涂主要用于防护或着色铝材和钢材。

工艺成本:

1.无模具费用,但设备费用非常高

2.时间成本较短,但干燥时间至少需要半小时

3.时人力成本相当低

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环境影响:

相对于湿喷来说,粉末喷涂具有更高的材料利用率(由于静电吸附粉末粒子的原因),可达到95%的喷料利用率。

实例展示:

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08

水转印

水转印(Hydro Transfer Printing):是利用水压将转印纸上的彩色纹样印刷在三维产品表面的一种方式。 随着人们对产品包装与表面装饰要求的提高,水转印的用途越来越广泛。

表面处理工艺 的14项经典技术,看看你都了解哪些方法?

典型产品:交通工具,电子消费品和军工产品等

产量适合:小批量到大批量皆可

质量:产品表面纹理精确清晰,但是会有轻微的拉伸

速度:速度快,10-20周期/小时

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适用材料:

所有的硬材料都适合水转印,适合喷涂的材料也一定适用于水转印。最常见的为注塑件和金属件。

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工艺成本:

1.无模具费用,但需要利用夹具将多件产品同时进行水转印,从而降低时间成本

2.时间成本较短,一般每周期不会超过10分钟。

环境影响:

和产品喷涂比较而言,水转印更充分的应用了印刷涂料,减少了废料泄漏和材料浪费的可能。

实例展示:

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