西安大醫(yī)集團(tuán)有限公司 西安 710016

1 研究背景

精密金屬零件是精密設(shè)備、儀器中不可或缺的組成部分,在承載、傳遞運(yùn)動和精度,以及防護(hù)等方面起重要作用。零件具有優(yōu)良的機(jī)械性能是可靠工作的前提,但在工程應(yīng)用中,經(jīng)常可以看到金屬零件銹蝕、腐蝕等情況,這對零件的工作性能及外觀會產(chǎn)生嚴(yán)重影響,尤其是對精密金屬零件而言。

通常將金屬和周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的破壞稱為銹蝕,銹蝕會影響運(yùn)動副的運(yùn)動靈活性,加劇磨損,降低精度,嚴(yán)重時會使設(shè)備卡死,進(jìn)而造成損壞。銹蝕還會導(dǎo)致靜態(tài)配合副銹死,無法完整拆卸。外觀件銹蝕則會影響產(chǎn)品品質(zhì)。

為了獲得可靠的工作性能和完整的使用壽命,需要對精密金屬零件的銹蝕原因進(jìn)行分析,進(jìn)而提出防銹措施。

2 精密金屬零件銹蝕原因分析

精密金屬零件銹蝕的主要原因是化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕,以電化學(xué)腐蝕為主。電化學(xué)腐蝕指金屬表面與電解質(zhì)溶液接觸,發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),使金屬離子化,或生成氧化物、氫氧化物,從而導(dǎo)致材料變質(zhì)。電化學(xué)腐蝕的發(fā)生有三個必要條件。第一,金屬各部分存在電極電位差。第二,具有電極電位差的各部分金屬被導(dǎo)電體連接。第三,具有電極電位差的各部分金屬處于互相連通的電解液中[1]。

常用的金屬材料有Fe、Al、Cu、Mg、Ti及其合金等,其中Fe占比最大,其電化學(xué)腐蝕過程如圖1所示。電化學(xué)腐蝕過程由陽極反應(yīng)、電子流動、陰極反應(yīng)三個階段組成。Fe的電極電位低,通常構(gòu)成負(fù)極,在電化學(xué)反應(yīng)過程中不斷失去電子被氧化。促進(jìn)Fe銹蝕的主要原因如下:① 存在離子化合物NaCl;② 存在酸性污染物酸雨;③ 高溫加快化學(xué)反應(yīng);④ 刮擦或凹凸扭曲表面,增大接觸面積;⑤ Fe的純度高;⑥ 環(huán)境濕度大[2]。

圖1 Fe電化學(xué)腐蝕過程

3 精密金屬零件防銹措施

為使精密金屬零件在工作環(huán)境中保持穩(wěn)定的工作性能及表面質(zhì)量,對處于高溫、高濕、腐蝕性氣體或液體環(huán)境中的精密金屬零件,要采取可靠的防銹措施。在保證精密金屬零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等其它機(jī)械性能的前提下,優(yōu)先選用抗腐蝕性能強(qiáng)的材料。在進(jìn)行防銹處理前,需要加強(qiáng)預(yù)處理,如堿洗、酸洗、噴砂等,徹底除油,并去除氧化層,以增大防銹層的附著力。根據(jù)材質(zhì)、所處工作環(huán)境等選擇合理的表面處理措施。對于黑色金屬,常用的防銹措施有油漆、表面發(fā)黑、表面發(fā)藍(lán)、鍍有色金屬、鈍化等。對于有色金屬,常用的防銹措施是陽極氧化。

噴涂油漆是針對零件裸露外表面最為常用的防銹手段,常用的防銹油漆是富鋅環(huán)氧防銹漆。根據(jù)金屬腐蝕的電化學(xué)原理,富鋅環(huán)氧防銹漆選用化學(xué)活性顏料Zn粉。Zn的電極電位為0.762 3 V,Fe的電極電位為-0.409 V,在形成腐蝕原電池時,Zn的活動電位較低,充當(dāng)陽極犧牲,將Fe推到陰極的位置隱蔽起來,使其避免失去電子,從而達(dá)到防腐蝕的目的[3]。富鋅環(huán)氧防銹漆作為底漆噴涂在精密金屬零件表面。精密金屬零件經(jīng)過噴砂等除油、除銹工藝后,在規(guī)定的時間內(nèi)進(jìn)行底漆噴涂,一般要求間隔不長于4 h。最后進(jìn)行中間油漆及面漆噴涂。

表面發(fā)黑、發(fā)藍(lán)是黑色金屬最為簡單有效的表面處理工藝之一,是機(jī)械零件生產(chǎn)中不可缺少的防護(hù)技術(shù)。應(yīng)用這一技術(shù),可以在金屬表面生成一層極薄的致密氧化層,厚度一般為0.5～1.5 μm,不影響配合尺寸。表面發(fā)黑、發(fā)藍(lán)在精密配合面或尺寸偏差控制較為嚴(yán)格的精密金屬零件中使用較多。發(fā)黑或發(fā)藍(lán)具有防銹蝕、裝飾、潤滑及消除淬火應(yīng)力的作用。通常而言,在約550 ℃高溫下氧化成的Fe3O4呈天藍(lán)色,稱為發(fā)藍(lán),常應(yīng)用于兵器工業(yè);在約130 ℃溫度下氧化成的Fe3O4呈暗黑色,稱為發(fā)黑,常應(yīng)用于民用產(chǎn)業(yè)[4-5]。

鈍化指利用氧化介質(zhì)在金屬表面形成一層致密的金屬氧化層,以隔離外界腐蝕介質(zhì),起到防銹的目的[6]。鈍化是增強(qiáng)不銹鋼抗腐蝕性能的一個重要手段。鍍鉻和陽極氧化生成的保護(hù)膜層呈多孔型,鈍化后可以在多孔表面生成致密的保護(hù)層,防止腐蝕介質(zhì)穿過表面多孔結(jié)構(gòu)腐蝕基體[7]。

鍍有色金屬是一種常見的保護(hù)黑色金屬材料的表面處理手段,常用的鍍層材料有Cr、Zn、Ni、Cu、Ag及其合金等。其中,鍍鎳層、鍍鋅層、鍍鉻層是最常用的三大鍍層。對Fe、Zn合金等而言,Cr及其組合鍍層屬于陰極鍍層,對基體金屬材料僅起機(jī)械保護(hù)作用。這一原理類似于噴涂油漆,與發(fā)黑、發(fā)藍(lán)、陽極氧化等工藝不同。鍍鉻可以提高精密金屬零件表面硬度及耐磨性,同時也會產(chǎn)生孔系、裂紋等缺陷[8],這在多數(shù)鍍鉻零件中都應(yīng)極力避免。當(dāng)然,另一方面,產(chǎn)生孔系這一特性也可以在一些場合加以利用。如對于一些低應(yīng)力配合副,通常進(jìn)行擴(kuò)孔工藝,將鍍鉻零件置于電解液中進(jìn)行短時間陽極處理,使零件表面原有Cr層形成網(wǎng)狀溝紋或點(diǎn)狀孔隙,獲得均勻的孔系,以便于存儲潤滑油,提高耐磨性、耐久性,延長使用壽命[9]。

鍍鋅是保護(hù)黑色金屬材料的主要方法之一,包括熱鍍、電鍍、金屬噴鍍、機(jī)械鍍鋅等工藝。其中,熱鍍鋅是保護(hù)鋼材免受腐蝕最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法[10]。在全世界Zn需求總量中,40%～50%的Zn用于生產(chǎn)鍍鋅鋼。鍍鋅鋼成品中,約1/3用于熱鍍鋅。

陽極氧化生成的是一層多孔型氧化膜,其結(jié)構(gòu)由接觸金屬基體的阻擋層和表面的多孔層兩部分組成。不同于電鍍建立在金屬外表面,陽極氧化反應(yīng)在Al2O3和Al界面向Al的內(nèi)部生長,因此陽極氧化不會對精密金屬零件尺寸造成較大影響[11]。陽極氧化應(yīng)用最多的基體材料是Al合金、Ti合金等。隨著對不銹鋼防銹防蝕性能要求的提高,陽極氧化在不銹鋼表面處理中也得到了應(yīng)用[12]。

常用的精密金屬零件防銹措施比較見表1。

表1 精密金屬零件防銹措施比較

4 清潔裝配對防銹的意義

精密金屬零件雖然采取了防銹措施,但是在使用過程中仍會發(fā)生銹蝕,一個主要原因就是裝配環(huán)節(jié)不清潔,為精密金屬零件的電化學(xué)腐蝕創(chuàng)造了條件。裝配前零件未徹底清洗,存留切削液,裝配過程中汗液粘附在零件上,這些行為都會造成精密金屬零件在使用過程中快速銹蝕。由此可見,精密金屬零件在進(jìn)入裝配環(huán)節(jié)后,要保證零件自身的清潔及裝配過程的清潔。精密金屬零件裝配前的清洗介質(zhì)主要有無水酒精、汽油、煤油等,清洗方式有超聲清洗、清洗池手洗等。裝配過程中需要穿工作服,戴手套,避免汗液粘附在精密金屬零件上。

5 精密金屬零件防銹應(yīng)用實(shí)例

在一款放療設(shè)備中,鈷源匣是關(guān)鍵零部件,由兩部分組成,中部采用銷釘定位,螺釘連接。安裝鈷源需要在水下進(jìn)行,由于結(jié)構(gòu)密封,有殘留水汽無法排出,環(huán)境非常潮濕。鈷源具有持續(xù)放射能力,輻射熱使零件處于約70 ℃的工作環(huán)境中。鈷源匣長期處于潮濕、悶熱的工作環(huán)境中,極易銹蝕。鈷源匣銹蝕,會影響設(shè)備精度,加大拆卸維護(hù)的難度。一旦配合面銹蝕,將導(dǎo)致無法取出更換鈷源,進(jìn)而會使設(shè)備報(bào)廢,因此鈷源匣的防銹非常重要。

鈷源匣在工作中所受外載荷非常小,可以忽略,一般金屬結(jié)構(gòu)件便可滿足機(jī)械強(qiáng)度要求,因此選擇材料時重點(diǎn)考慮防銹問題。由于所處環(huán)境溫度達(dá)到70 ℃,因此不宜采用Al合金、Ti合金等熱膨脹系數(shù)大的材料,進(jìn)而避免溫升造成零件變形和配合脹緊。優(yōu)先選用不銹鋼作為鈷源匣的主體材料,并強(qiáng)化溫濕環(huán)境下不銹鋼的防銹能力。鈷源匣精加工完畢后,對鈷源匣進(jìn)行徹底清洗,要求采用超聲水洗,徹底清除孔系內(nèi)雜質(zhì)。對鈷源匣進(jìn)行酸洗鈍化,通過酸洗清除表面微觀毛刺及Fe類金屬微粒,增大表面附著力。對鈷源匣進(jìn)行陽極氧化處理,再進(jìn)行鈍化封孔[13-15]。通過以上防銹措施,不銹鋼基體有三層保護(hù)層,提高了鈷源匣的防銹蝕性能。

6 結(jié)束語

精密金屬零件的銹蝕問題需要引起重視,筆者對精密金屬零件的銹蝕原因進(jìn)行了分析,并提出了防銹措施。在滿足結(jié)構(gòu)機(jī)械性能的前提下,可以優(yōu)先采用抗腐蝕性能強(qiáng)的基材。

不同表面處理方法得到的保護(hù)膜層在硬度、厚度、附著力方面有差異,需要根據(jù)工況進(jìn)行選擇。通常對于精密配合面,可以優(yōu)先選擇表面發(fā)黑、鍍鉻等措施,并通過后續(xù)磨削加工獲得精密配合尺寸。對于在溫室環(huán)境下工作的精密金屬零件,采用不銹鋼材質(zhì)時需充分考慮不銹鋼表面的防銹能力,陽極氧化是保護(hù)不銹鋼不被銹蝕的一種有效手段。