弹簧的表面处理

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弹簧的腐蚀按其反应的类型可分为化学腐蚀及电化学腐蚀。它们都是弹簧表面金属原子的变化或电子得失变成离子状态的结果。

  　　如果弹簧表面金属只单纯与周围介质发生化学反应，而弹簧引起腐蚀称化学腐蚀。例如弹簧在特别干燥的大气中氧化生成氧化膜，以及弹簧在非电解质液体中与该液体或该液体中的杂质发生化学变化等，属于化学腐蚀。

  　　如果弹簧与电解质溶液接触，由于微电池的作用而产生的腐蚀叫电化学腐蚀。例如弹簧与酸性或盐类溶液接触，这类溶液都是电解质，由于弹簧表面的缺陷或杂质等原因而形成电位差不同的电极以致弹簧不断受到电解腐蚀；又例如弹簧处在潮湿大气中，由于大气中的水蒸气在弹簧表面上凝成水膜或水珠，加上大气中的腐蚀性气体(如工业废气中的二氧化硫和硫化氢或海洋大气中的盐雾等)溶解于水膜或水珠中形成电解质。再加上弹簧金属的杂质或缺陷亦可形成电位差不同的电极，弹簧亦产生电解腐蚀。这些都属电化学腐蚀。

  　　弹簧受化学腐蚀是少量的、缓慢的，而受电化学腐蚀是主要的、普遍的。但一般来讲化学腐蚀与电化学腐蚀是同时存在的。

  　　弹簧在制造、存放、使用等过程中，经常会遭受周围介质的腐蚀。由于弹簧在工作时是靠弹力发挥作用，弹簧被腐蚀后弹力会发生改变而丧失功能。所以防止弹簧的腐蚀可以保证弹簧的工作稳定，并延长其使用寿命。

  　　弹簧的防腐方法一般采用保护层，根据保护层的性质可分为：金属保护层、化学保护层、非金属保护层和暂时性保护层等，在此着重介绍前三种方法。

  　　不锈钢弹簧和铜线弹簧本身就具有一定防腐能力，所以一般不进行防腐处理。

  　　1、弹簧的金属保护层

  　　金属保护层种类很多，就弹簧而言，一般是用电镀金方法以获得金属保护层。电镀保护层不但可以保护不受腐蚀，同时能改善弹簧的外观。有些电镀金属还能改善弹簧的工作性能，例如提高表面硬度，增加抗磨损力，提高热稳定性，防止射线腐蚀等。但如果单纯为了弹簧的腐蚀，一般应选用电镀锌层与电镀镉层。

  　　锌在干燥的空气中较安定，几乎不发生变化，不易变色。在潮湿的空气中会生成一层氧化锌或碳式碳酸锌的白色薄膜。这层致密的薄膜可阻止继续遭受腐蚀。因此镀锌层用于弹簧在一般大气条件下防腐蚀保护层。凡与硫酸、盐酸、苛性钠等溶液相接触，以及在三氧化硫等气氛的潮湿空气中工作的弹簧，均不宜用锌镀层。

  　　一般镀锌层后经钝化处理，钝化可提高镀层的保护性能和增加表面美观。

  　　在海洋性或高温的大气中，以及与海水接触的弹簧，在70°C热水中使用的弹簧，镉比较安定，耐腐蚀性能较强。镉镀层比锌镀层光亮美观、质软、可塑性比锌好，镀层氢脆性小，最适宜于弹簧作保护层。但镉稀少、价昂贵、且镉盐毒性大，对环境污染很厉害。因此，在使用上受到限制。故大多数只在航空、航海及电子工业所用的弹簧才使用镉镀层作保护层。

  　　为了提高镉镀层的防蚀性能，可在镀后进行钝化处理。

  　　锌与镉镀层的厚度决定着保护能力的高低。厚度的大小一般应根据使用时工作环境来选择，镀锌层硬度推荐在6~24μm范围内选取；镀镉层厚度推荐在6~12μm范围内选取。

  　　弹簧的镀锌和镀镉是在氰化电解液中进行的。在电镀过程中，除镀上锌或镉外，还有一部分还原的氢渗透入到镀层和基体金属的晶格中去，造成内应力，使弹簧上的镀层和弹簧变脆，也叫氢脆。由于弹簧材料的强度很高，再加上弹簧成形时的变形很大，因此，对氢脆特别敏感，如不及时去氢，往往会造成弹簧的断裂。为了消除电镀过程中产生的一些缺陷，改善弹簧的物理化学性能，延长弹簧的使用寿命，提高镀层的抗蚀能力，必须进行镀后处理，即除氢处理。除氢处理是在电镀后，立即或者在几小时之内进行。将电镀后的弹簧在200~215°C的温度中，加热1~2h(或2h以上,如果时间过长容易产生铬脆)，即可达到除氢的目的。

  　　除氢一般在烘箱中进行。除氢效果与温度、时间、电镀后的停留时间等有关。一般来说，温度高、加热时间长，镀后停顿时间短，其除氢效果就好。故对弹簧除氢温度选择可高一些。

  　　金属保护层，除上述的镀锌和镀镉外，还有镀铜、镀铬、镀镍、镀锡、镀银、镀锌钛合金等，弹簧设计者可根据弹簧工作的场合选择镀层。

  　　2、弹簧的化学保护层

  　　利用化学反应的方法使弹簧表面生成一层致密的保护膜，以防止弹簧腐蚀。通常采用氧化处理与磷化处理。

  　　氧化处理与磷化处理，成本低、生产效率高，一般弹簧制造厂均采用氧化处理，作为防腐蚀性处理。

  　　(1)氧化处理 钢的氧化处理亦称发蓝、发黑、煮黑。氧化处理后，弹簧表面生成保护性的磁性氧化铁，此氧化膜一般呈蓝色或黑色，也有时呈黑褐色。其颜色决定于弹簧的表面状态、弹簧材料的化学成分和氧化处理工艺。

  　　氧化处理的方法有：咸性氧化法、无碱氧化法和电解氧化法。以采用碱性氧化法为多。

  　　碱性氧化法是将弹簧放入温度140°C左右，含有氧化剂的氢氧化钠溶液中浸泡一定时间，氧化剂和氢氧化钠与铁作用，生成亚铁酸钠和铁酸钠，再相互反应，生成磁性氧化铁。
氧化膜层的厚度约为0.6~2μm。氧化膜虽能提高弹簧的耐腐蚀性，但由于膜薄，而且有气孔，所以它的保护能力较差，只能用于在腐蚀性不强的介质中工作的弹簧。其防腐性能的高低取决于氧化膜的致密程度和它的厚度，因而也就是决定于氧化处理的氢氧化钠浓度、氧化剂浓度、溶液的温度等因素。

  　　为了提高氧化膜的防腐性和润滑能力，应该加强氧化处理前后的处理。氧化处理前须将弹簧表面的锈蚀、氧化皮、油污、热处理的盐渣、表面接触层等进行彻底的清除。氧化处理后，通常是将弹簧在肥皂溶液或重铬酸盐中进行填充处理，而后用流动温水洗净、吹干或烘干，最后再上水膜置换防锈油或上一定温度的机械油进行浸油处理。

  　　氧化处理对某些热轧弹簧材料的表面晶界有所浸蚀，这在一定程度上会降低疲劳强度，因而，在采作氧化处理时应慎重。

  　　传统的氧化处理是需要加温进行的。近几年来，国内也有些制造单位使用常温发黑剂，它克服了传统发黑工艺的缺陷，节约了大量的能源。

  　　发黑剂为蓝绿色浓缩液化，无杂质、无异味、不燃、不爆、不腐蚀，运输安全。

  　　发黑剂用水稀释，弹簧发黑时常用的稀释比约为1︰5左右。

  　　发黑剂的操作工艺较为简单，其工艺路线为：去油、漂洗、酸行、漂洗、发黑(在室温下2~5min)漂洗、水膜置换防锈油。要注意的是：一定要把弹簧工件上的油去尽，清洗干净后，才能放入常温剂中进行氧化处理。

  　　氧化处理成本低、工艺配方较简单、生产效率高、氧化膜有一定的弹性，基本上不影响弹簧的特性曲线，所以氧化处理较广泛地作为成形螺旋弹簧、弹簧垫圈及片弹簧等的防腐和装饰措施。

  　　弹簧经氧化处理后的质量检验包括外观检查和抗蚀性检查。

  　　(2)磷化处理 将弹簧放进含有锰、铁、锌的磷酸盐溶液中，在金属表面形成一层不溶于水的磷酸盐薄膜的方法叫做磷化。磷化膜的外观呈暗灰色、灰色或黑灰色、不具光泽。磷化膜的厚度一般在5~20μm。磷化膜在一般大气条件下较稳定，其抗蚀能力为发蓝膜的6~24倍。磷化膜具有显微孔隙结构，对漆类、油类有良好的吸附能力，因此磷化常与涂漆等涂覆方法配合使用。在磷化后进行重铬酸盐填充、浸油或涂漆，能进一步提高其耐腐蚀性。磷化膜在动物油、植物油、矿物油中均较稳定，在某些有机溶液(如苯、甲苯)中亦较稳定。

  　　磷化膜能耐 400~500°C的高温，因此，某些高温下工作的弹簧，例如炮弹发射部分的弹簧，常用磷化处理。

  　　弹簧在磷化前最好是采用喷砂处理。经喷砂处理后不能耽置太久，应随即进行磷化。若无喷砂设备，亦可采用化学去油及酸洗方法去除油污。弹簧在磷化过程中产生大量的氢气，因此经磷化后的弹簧具有氢脆现象。对于关键部位的弹簧，经磷化处理后应进行去氢处理。

  　　3、弹簧的非金属保护层

  　　非金属保护层是在弹簧表面上浸涂或喷涂一层有机物质，如油漆、沥青、塑料等，以保护弹簧免遭腐蚀。

  　　非金属保护层，膜层较厚，化学稳定性好，有较好的机械防腐蚀作用，但硬度较低，易于刮伤损坏，同时膜层有老化现象。

  　　用于弹簧油漆层的油漆通常有下列几种：

  　　a．沥青漆 沥青漆具有良好的耐水、防潮、耐蚀性，特别有优异是耐酸性和良好的耐碱性。但附着力、机械强度、装饰性差。

  　　b．酚醛漆 酚醛漆分为底漆与面漆两种，酚醛底漆附着力强，防锈性能好，但漆膜机械强度及光泽性差。酚醛面漆漆膜坚硬，光泽性好，但耐气候性较差，漆膜易变黄。

  　　c．醇酸漆 醇酸漆漆膜坚韧，附着力强，机械性能好，有极好的光泽，良好的耐久性并具有一定的耐油、绝缘性能。其缺点是表面干结快而粘手时间长，易起皱、不耐水、不耐碱。

  　　d．环氧漆 环氧漆附着力极强，硬度高，且韧性好，耐屈挠、耐冲击、硬而不脆，对水、酸、碱及许多有机溶剂都有极好的抵抗力，特别以耐碱更为突出。其缺点是表面粉化快，溶剂选择性大。水溶性环氧漆用于电泳涂漆。

  　　在一般情况下，油漆层既可以单独使用，又可以作为磷化后的着色剂。有时，有些弹簧为了按载荷分成等级，也涂喷不同颜色油漆来加以区别。具体选用何种类型及牌号的油漆，应根据工作环境而定。必要时，应在弹簧图样中注明。

  　　油漆的施工方法很多，用于弹簧的大都采用下列几种方法：

  　　a．浸涂法 浸涂法就是将弹簧放入油漆槽中浸渍，然后取出，让表面多余的油漆液自然滴落，经过干燥后在弹簧表面上被覆盖一层漆膜。

  　　浸涂法生产效率高，可适用于机械化、自动化生产。而且技术简单、操作方便。但油漆挥发较快，含有重质颜料的油漆以及双组份漆料(胺固化环氧漆、聚氨酯漆等)均不宜采用。浸涂法的漆膜不够平整，易产生上薄下厚，边缘流挂的现象。

  　　b．喷涂法 喷涂是利用喷枪将油漆喷成雾状微小颗粒在弹簧表面上均匀沉积一层漆膜。

  　　喷涂法工效高，施工方便，适应性强，而且漆膜厚薄比较均匀、平整、光滑。但喷涂法对油漆的有效利用率仅70%~80%左右，同时比其他方法需要更多的溶剂，这些溶剂又将全部挥发，而损耗太大。另外，由于油漆雾粒扩散弥漫及溶剂的挥发，造成环境污染，影响工人健康。

  　　c．静电喷涂法 将热固性粉末通过喷腔口时的一瞬间，感应上负电荷，在库仓与压缩空气的作用下，将塑粉均匀地敷于弹簧的表面。然后将喷涂好的弹簧经150~180°C的温度在烘箱中加热保温(塑化)，形成一种光洁牢固的表面保护层，一般保温时间为40~60min。

  　　这种工艺生产具有效率高，适宜流水作业生产，产品质量好，漆膜厚度均匀，附着力好等优点。目前该种方法在弹簧制造业中日趋广泛应用。

  　　d．其他 随着主机结构的变化和弹簧在工作时工况条件的日趋苛刻，为了提高弹簧的使用寿命，如气门弹簧等的表面防蚀处理改为在弹簧清洗后，上特殊防锈油(脂)来替代传统的氧化或镀层处理。

  　　近几年来，弹簧表面进行光饰(整)处理也被弹簧设计者有所认识。光饰(整)工艺是将弹簧直接放入倾斜离心式或者螺旋振动式、涡流式等系列的光饰机中，并加入适量的研磨料、研磨剂和水，进行光整加工。一般光整约20~30min，具体光整时间视弹簧形状和装置量多少而定。光整结束后取出弹簧，并且用自来水冲洗干净，然后浸入SM系列水膜置换防锈油中数分钟后取出。这时弹簧表面附上一层5μm防锈油膜，该油膜保护弹簧不受锈蚀。这种处理方法大大养活了传统繁的工序，如去油、清洗、酸洗、去氢等。目前采用光饰(整)工艺的弹簧有：油泵油嘴用柱塞弹簧和喷油器调压弹簧；冰箱压缩机用支承弹簧等。光饰(整)处理和常规的氧化或镀层处理的弹簧，两者之间的性能(寿命)以及抗蚀性等比较，不待进一步试验、实践后，作出较可靠的结论。