精密金屬零件銹蝕原因與防銹措施*

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1 研究背景

精密金屬零件是精密設備、儀器中不可或缺的組成部分,在承載、傳遞運動和精度,以及防護等方面起重要作用。零件具有優良的機械性能是可靠工作的前提,但在工程應用中,經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生嚴重影響,尤其是對精密金屬零件而言。

通常將金屬和周圍介質發生化學或電化學反應而產生的破壞稱為銹蝕,銹蝕會影響運動副的運動靈活性,加劇磨損,降低精度,嚴重時會使設備卡死,進而造成損壞。銹蝕還會導致靜態配合副銹死,無法完整拆卸。外觀件銹蝕則會影響產品品質。

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行分析,進而提出防銹措施。

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腐蝕和電化學腐蝕,以電化學腐蝕為主。電化學腐蝕指金屬表面與電解質溶液接觸,發生電化學反應,使金屬離子化,或生成氧化物、氫氧化物,從而導致材料變質。電化學腐蝕的發生有三個必要條件。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,其電化學腐蝕過程如圖1所示。電化學腐蝕過程由陽極反應、電子流動、陰極反應三個階段組成。Fe的電極電位低,通常構成負極,在電化學反應過程中不斷失去電子被氧化。促進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 高溫加快化學反應;④ 刮擦或凹凸扭曲表面,增大接觸面積;⑤ Fe的純度高;⑥ 環境濕度大[2]。

圖1 Fe電化學腐蝕過程

3 精密金屬零件防銹措施

為使精密金屬零件在工作環境中保持穩定的工作性能及表面質量,對處于高溫、高濕、腐蝕性氣體或液體環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構強度等其它機械性能的前提下,優先選用抗腐蝕性能強的材料。在進行防銹處理前,需要加強預處理,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。根據材質、所處工作環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、表面發黑、表面發藍、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氧防銹漆。根據金屬腐蝕的電化學原理,富鋅環氧防銹漆選用化學活性顏料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,從而達到防腐蝕的目的[3]。富鋅環氧防銹漆作為底漆噴涂在精密金屬零件表面。精密金屬零件經過噴砂等除油、除銹工藝后,在規定的時間內進行底漆噴涂,一般要求間隔不長于4 h。最后進行中間油漆及面漆噴涂。

表面發黑、發藍是黑色金屬最為簡單有效的表面處理工藝之一,是機械零件生產中不可缺少的防護技術。應用這一技術,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。表面發黑、發藍在精密配合面或尺寸偏差控制較為嚴格的精密金屬零件中使用較多。發黑或發藍具有防銹蝕、裝飾、潤滑及消除淬火應力的作用。通常而言,在約550 ℃高溫下氧化成的Fe3O4呈天藍色,稱為發藍,常應用于兵器工業;在約130 ℃溫度下氧化成的Fe3O4呈暗黑色,稱為發黑,常應用于民用產業[4-5]。

鈍化指利用氧化介質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,起到防銹的目的[6]。鈍化是增強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膜層呈多孔型,鈍化后可以在多孔表面生成致密的保護層,防止腐蝕介質穿過表面多孔結構腐蝕基體[7]。

鍍有色金屬是一種常見的保護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械保護作用。這一原理類似于噴涂油漆,與發黑、發藍、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,同時也會產生孔系、裂紋等缺陷[8],這在多數鍍鉻零件中都應極力避免。當然,另一方面,產生孔系這一特性也可以在一些場合加以利用。如對于一些低應力配合副,通常進行擴孔工藝,將鍍鉻零件置于電解液中進行短時間陽極處理,使零件表面原有Cr層形成網狀溝紋或點狀孔隙,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]。

鍍鋅是保護黑色金屬材料的主要方法之一,包括熱鍍、電鍍、金屬噴鍍、機械鍍鋅等工藝。其中,熱鍍鋅是保護鋼材免受腐蝕最有效、最經濟的方法[10]。在全世界Zn需求總量中,40%～50%的Zn用于生產鍍鋅鋼。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,其結構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,陽極氧化反應在Al2O3和Al界面向Al的內部生長,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生銹蝕,一個主要原因就是裝配環節不清潔,為精密金屬零件的電化學腐蝕創造了條件。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,精密金屬零件在進入裝配環節后,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用實例

在一款放療設備中,鈷源匣是關鍵零部件,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行,由于結構密封,有殘留水汽無法排出,環境非常潮濕。鈷源具有持續放射能力,輻射熱使零件處于約70 ℃的工作環境中。鈷源匣長期處于潮濕、悶熱的工作環境中,極易銹蝕。鈷源匣銹蝕,會影響設備精度,加大拆卸維護的難度。一旦配合面銹蝕,將導致無法取出更換鈷源,進而會使設備報廢,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,一般金屬結構件便可滿足機械強度要求,因此選擇材料時重點考慮防銹問題。由于所處環境溫度達到70 ℃,因此不宜采用Al合金、Ti合金等熱膨脹系數大的材料,進而避免溫升造成零件變形和配合脹緊。優先選用不銹鋼作為鈷源匣的主體材料,并強化溫濕環境下不銹鋼的防銹能力。鈷源匣精加工完畢后,對鈷源匣進行徹底清洗,要求采用超聲水洗,徹底清除孔系內雜質。對鈷源匣進行酸洗鈍化,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。對鈷源匣進行陽極氧化處理,再進行鈍化封孔[13-15]。通過以上防銹措施,不銹鋼基體有三層保護層,提高了鈷源匣的防銹蝕性能。

6 結束語

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行了分析,并提出了防銹措施。在滿足結構機械性能的前提下,可以優先采用抗腐蝕性能強的基材。

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