彈簧的表面處理
彈簧的表面處理
彈簧的腐蝕按其反應(yīng)的類型可分為化學(xué)腐蝕及電化學(xué)腐蝕。它們都是彈簧表面金屬原子的變化或電子得失變成離子狀態(tài)的結(jié)果。
如果彈簧表面金屬只單純與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而彈簧引起腐蝕稱化學(xué)腐蝕。例如彈簧在特別干燥的大氣中氧化生成氧化膜，以及彈簧在非電解質(zhì)液體中與該液體或該液體中的雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化等，屬于化學(xué)腐蝕。
如果彈簧與電解質(zhì)溶液接觸，由于微電池的作用而產(chǎn)生的腐蝕叫電化學(xué)腐蝕。例如彈簧與酸性或鹽類溶液接觸，這類溶液都是電解質(zhì)，由于彈簧表面的缺陷或雜質(zhì)等原因而形成電位差不同的電極以致彈簧不斷受到電解腐蝕；又例如彈簧處在潮濕大氣中，由于大氣中的水蒸氣在彈簧表面上凝成水膜或水珠，加上大氣中的腐蝕性氣體（如工業(yè)廢氣中的二氧化硫和硫化氫或海洋大氣中的鹽霧等）溶解于水膜或水珠中形成電解質(zhì)。再加上彈簧金屬的雜質(zhì)或缺陷亦可形成電位差不同的電極，彈簧亦產(chǎn)生電解腐蝕。這些都屬電化學(xué)腐蝕。
彈簧受化學(xué)腐蝕是少量的、緩慢的，而受電化學(xué)腐蝕是主要的、普遍的。但一般來講化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕是同時存在的。
彈簧在制造、存放、使用等過程中，經(jīng)常會遭受周圍介質(zhì)的腐蝕。由于彈簧在工作時是靠彈力發(fā)揮作用，彈簧被腐蝕后彈力會發(fā)生改變而喪失功能。所以防止彈簧的腐蝕可以保證彈簧的工作穩(wěn)定，并延長其使用壽命。
彈簧的防腐方法一般采用保護(hù)層，根據(jù)保護(hù)層的性質(zhì)可分為：金屬保護(hù)層、化學(xué)保護(hù)層、非金屬保護(hù)層和暫時性保護(hù)層等，在此著重介紹前三種方法。
不銹鋼彈簧和銅線彈簧本身就具有一定防腐能力，所以一般不進(jìn)行防腐處理。
1、 彈簧的金屬保護(hù)層
金屬保護(hù)層種類很多，就彈簧而言，一般是用電鍍金方法以獲得金屬保護(hù)層。電鍍保護(hù)層不但可以保護(hù)不受腐蝕，同時能改善彈簧的外觀。有些電鍍金屬還能改善彈簧的工作性能，例如提高表面硬度，增加抗磨損力，提高熱穩(wěn)定性，防止射線腐蝕等。但如果單純?yōu)榱藦椈傻母g，一般應(yīng)選用電鍍鋅層與電鍍鎘層。
鋅在干燥的空氣中較安定，幾乎不發(fā)生變化，不易變色。在潮濕的空氣中會生成一層氧化鋅或碳式碳酸鋅的白色薄膜。這層致密的薄膜可阻止繼續(xù)遭受腐蝕。因此鍍鋅層用于彈簧在一般大氣條件下防腐蝕保護(hù)層。凡與硫酸、鹽酸、苛性鈉等溶液相接觸，以及在三氧化硫等氣氛的潮濕空氣中工作的彈簧，均不宜用鋅鍍層。
一般鍍鋅層后經(jīng)鈍化處理，鈍化可提高鍍層的保護(hù)性能和增加表面美觀。
在海洋性或高溫的大氣中，以及與海水接觸的彈簧，在70°C熱水中使用的彈簧，鎘比較安定，耐腐蝕性能較強(qiáng)。鎘鍍層比鋅鍍層光亮美觀、質(zhì)軟、可塑性比鋅好，鍍層氫脆性小，最適宜于彈簧作保護(hù)層。但鎘稀少、價昂貴、且鎘鹽毒性大，對環(huán)境污染很厲害。因此，在使用上受到限制。故大多數(shù)只在航空、航海及電子工業(yè)所用的彈簧才使用鎘鍍層作保護(hù)層。
為了提高鎘鍍層的防蝕性能，可在鍍后進(jìn)行鈍化處理。
鋅與鎘鍍層的厚度決定著保護(hù)能力的高低。厚度的大小一般應(yīng)根據(jù)使用時工作環(huán)境來選擇，鍍鋅層硬度推薦在6~24μm范圍內(nèi)選??；鍍鎘層厚度推薦在6~12μm范圍內(nèi)選取。
彈簧的鍍鋅和鍍鎘是在氰化電解液中進(jìn)行的。在電鍍過程中，除鍍上鋅或鎘外，還有一部分還原的氫滲透入到鍍層和基體金屬的晶格中去，造成內(nèi)應(yīng)力，使彈簧上的鍍層和彈簧變脆，也叫氫脆。由于彈簧材料的強(qiáng)度很高，再加上彈簧成形時的變形很大，因此，對氫脆特別敏感，如不及時去氫，往往會造成彈簧的斷裂。為了消除電鍍過程中產(chǎn)生的一些缺陷，改善彈簧的物理化學(xué)性能，延長彈簧的使用壽命，提高鍍層的抗蝕能力，必須進(jìn)行鍍后處理，即除氫處理。除氫處理是在電鍍后，立即或者在幾小時之內(nèi)進(jìn)行。將電鍍后的彈簧在200~215°C的溫度中，加熱1~2h（或2h以上,如果時間過長容易產(chǎn)生鉻脆），即可達(dá)到除氫的目的。
除氫一般在烘箱中進(jìn)行。除氫效果與溫度、時間、電鍍后的停留時間等有關(guān)。一般來說，溫度高、加熱時間長，鍍后停頓時間短，其除氫效果就好。故對彈簧除氫溫度選擇可高一些。
金屬保護(hù)層，除上述的鍍鋅和鍍鎘外，還有鍍銅、鍍鉻、鍍鎳、鍍錫、鍍銀、鍍鋅鈦合金等，彈簧設(shè)計者可根據(jù)彈簧工作的場合選擇鍍層。
2、 彈簧的化學(xué)保護(hù)層
利用化學(xué)反應(yīng)的方法使彈簧表面生成一層致密的保護(hù)膜，以防止彈簧腐蝕。通常采用氧化處理與磷化處理。
氧化處理與磷化處理，成本低、生產(chǎn)效率高，一般彈簧制造廠均采用氧化處理，作為防腐蝕性處理。
（1） 氧化處理 鋼的氧化處理亦稱發(fā)藍(lán)、發(fā)黑、煮黑。氧化處理后，彈簧表面生成保護(hù)性的磁性氧化鐵，此氧化膜一般呈藍(lán)色或黑色，也有時呈黑褐色。其顏色決定于彈簧的表面狀態(tài)、彈簧材料的化學(xué)成分和氧化處理工藝。
氧化處理的方法有：咸性氧化法、無堿氧化法和電解氧化法。以采用堿性氧化法為多。
堿性氧化法是將彈簧放入溫度140°C左右，含有氧化劑的氫氧化鈉溶液中浸泡一定時間，氧化劑和氫氧化鈉與鐵作用，生成亞鐵酸鈉和鐵酸鈉，再相互反應(yīng)，生成磁性氧化鐵。
氧化膜層的厚度約為0.6~2μm。氧化膜雖能提高彈簧的耐腐蝕性，但由于膜薄，而且有氣孔，所以它的保護(hù)能力較差，只能用于在腐蝕性不強(qiáng)的介質(zhì)中工作的彈簧。其防腐性能的高低取決于氧化膜的致密程度和它的厚度，因而也就是決定于氧化處理的氫氧化鈉濃度、氧化劑濃度、溶液的溫度等因素。
為了提高氧化膜的防腐性和潤滑能力，應(yīng)該加強(qiáng)氧化處理前后的處理。氧化處理前須將彈簧表面的銹蝕、氧化皮、油污、熱處理的鹽渣、表面接觸層等進(jìn)行徹底的清除。氧化處理后，通常是將彈簧在肥皂溶液或重鉻酸鹽中進(jìn)行填充處理，而后用流動溫水洗凈、吹干或烘干，最后再上水膜置換防銹油或上一定溫度的機(jī)械油進(jìn)行浸油處理。
氧化處理對某些熱軋彈簧材料的表面晶界有所浸蝕，這在一定程度上會降低疲勞強(qiáng)度，因而，在采作氧化處理時應(yīng)慎重。
傳統(tǒng)的氧化處理是需要加溫進(jìn)行的。近幾年來，國內(nèi)也有些制造單位使用常溫發(fā)黑劑，它克服了傳統(tǒng)發(fā)黑工藝的缺陷，節(jié)約了大量的能源。
發(fā)黑劑為藍(lán)綠色濃縮液化，無雜質(zhì)、無異味、不燃、不爆、不腐蝕，運(yùn)輸安全。
發(fā)黑劑用水稀釋，彈簧發(fā)黑時常用的稀釋比約為1︰5左右。
發(fā)黑劑的操作工藝較為簡單，其工藝路線為：去油、漂洗、酸行、漂洗、發(fā)黑（在室溫下2~5min）漂洗、水膜置換防銹油。要注意的是：一定要把彈簧工件上的油去盡，清洗干凈后，才能放入常溫劑中進(jìn)行氧化處理。
氧化處理成本低、工藝配方較簡單、生產(chǎn)效率高、氧化膜有一定的彈性，基本上不影響彈簧的特性曲線，所以氧化處理較廣泛地作為成形螺旋彈簧、彈簧墊圈及片彈簧等的防腐和裝飾措施。
彈簧經(jīng)氧化處理后的質(zhì)量檢驗(yàn)包括外觀檢查和抗蝕性檢查。
（2）磷化處理 將彈簧放進(jìn)含有錳、鐵、鋅的磷酸鹽溶液中，在金屬表面形成一層不溶于水的磷酸鹽薄膜的方法叫做磷化。磷化膜的外觀呈暗灰色、灰色或黑灰色、不具光澤。磷化膜的厚度一般在5~20μm。磷化膜在一般大氣條件下較穩(wěn)定，其抗蝕能力為發(fā)藍(lán)膜的6~24倍。磷化膜具有顯微孔隙結(jié)構(gòu)，對漆類、油類有良好的吸附能力，因此磷化常與涂漆等涂覆方法配合使用。在磷化后進(jìn)行重鉻酸鹽填充、浸油或涂漆，能進(jìn)一步提高其耐腐蝕性。磷化膜在動物油、植物油、礦物油中均較穩(wěn)定，在某些有機(jī)溶液（如苯、甲苯）中亦較穩(wěn)定。
磷化膜能耐 400~500°C的高溫，因此，某些高溫下工作的彈簧，例如炮彈發(fā)射部分的彈簧，常用磷化處理。
彈簧在磷化前最好是采用噴砂處理。經(jīng)噴砂處理后不能耽置太久，應(yīng)隨即進(jìn)行磷化。若無噴砂設(shè)備，亦可采用化學(xué)去油及酸洗方法去除油污。彈簧在磷化過程中產(chǎn)生大量的氫氣，因此經(jīng)磷化后的彈簧具有氫脆現(xiàn)象。對于關(guān)鍵部位的彈簧，經(jīng)磷化處理后應(yīng)進(jìn)行去氫處理。
3、 彈簧的非金屬保護(hù)層
非金屬保護(hù)層是在彈簧表面上浸涂或噴涂一層有機(jī)物質(zhì)，如油漆、瀝青、塑料等，以保護(hù)彈簧免遭腐蝕。
非金屬保護(hù)層，膜層較厚，化學(xué)穩(wěn)定性好，有較好的機(jī)械防腐蝕作用，但硬度較低，易于刮傷損壞，同時膜層有老化現(xiàn)象。
用于彈簧油漆層的油漆通常有下列幾種：
a．瀝青漆 瀝青漆具有良好的耐水、防潮、耐蝕性，特別有優(yōu)異是耐酸性和良好的耐堿性。但附著力、機(jī)械強(qiáng)度、裝飾性差。
b．酚醛漆 酚醛漆分為底漆與面漆兩種，酚醛底漆附著力強(qiáng)，防銹性能好，但漆膜機(jī)械強(qiáng)度及光澤性差。酚醛面漆漆膜堅硬，光澤性好，但耐氣候性較差，漆膜易變黃。
c．醇酸漆 醇酸漆漆膜堅韌，附著力強(qiáng)，機(jī)械性能好，有極好的光澤，良好的耐久性并具有一定的耐油、絕緣性能。其缺點(diǎn)是表面干結(jié)快而粘手時間長，易起皺、不耐水、不耐堿。
d．環(huán)氧漆 環(huán)氧漆附著力極強(qiáng)，硬度高，且韌性好，耐屈撓、耐沖擊、硬而不脆，對水、酸、堿及許多有機(jī)溶劑都有極好的抵抗力，特別以耐堿更為突出。其缺點(diǎn)是表面粉化快，溶劑選擇性大。水溶性環(huán)氧漆用于電泳涂漆。
在一般情況下，油漆層既可以單獨(dú)使用，又可以作為磷化后的著色劑。有時，有些彈簧為了按載荷分成等級，也涂噴不同顏色油漆來加以區(qū)別。具體選用何種類型及牌號的油漆，應(yīng)根據(jù)工作環(huán)境而定。必要時，應(yīng)在彈簧圖樣中注明。
油漆的施工方法很多，用于彈簧的大都采用下列幾種方法：
a．浸涂法 浸涂法就是將彈簧放入油漆槽中浸漬，然后取出，讓表面多余的油漆液自然滴落，經(jīng)過干燥后在彈簧表面上被覆蓋一層漆膜。
浸涂法生產(chǎn)效率高，可適用于機(jī)械化、自動化生產(chǎn)。而且技術(shù)簡單、操作方便。但油漆揮發(fā)較快，含有重質(zhì)顏料的油漆以及雙組份漆料（胺固化環(huán)氧漆、聚氨酯漆等）均不宜采用。浸涂法的漆膜不夠平整，易產(chǎn)生上薄下厚，邊緣流掛的現(xiàn)象。
b．噴涂法 噴涂是利用噴槍將油漆噴成霧狀微小顆粒在彈簧表面上均勻沉積一層漆膜。
噴涂法工效高，施工方便，適應(yīng)性強(qiáng)，而且漆膜厚薄比較均勻、平整、光滑。但噴涂法對油漆的有效利用率僅70%~80%左右，同時比其他方法需要更多的溶劑，這些溶劑又將全部揮發(fā)，而損耗太大。另外，由于油漆霧粒擴(kuò)散彌漫及溶劑的揮發(fā)，造成環(huán)境污染，影響工人健康。
c．靜電噴涂法 將熱固性粉末通過噴腔口時的一瞬間，感應(yīng)上負(fù)電荷，在庫倉與壓縮空氣的作用下，將塑粉均勻地敷于精密彈簧的表面。然后將噴涂好的彈簧經(jīng)150~180°C的溫度在烘箱中加熱保溫（塑化），形成一種光潔牢固的表面保護(hù)層，一般保溫時間為40~60min。
這種工藝生產(chǎn)具有效率高，適宜流水作業(yè)生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量好，漆膜厚度均勻，附著力好等優(yōu)點(diǎn)。目前該種方法在彈簧制造業(yè)中日趨廣泛應(yīng)用。
d．其他 隨著主機(jī)結(jié)構(gòu)的變化和彈簧在工作時工況條件的日趨苛刻，為了提高彈簧的使用壽命，如氣門彈簧等的表面防蝕處理改為在彈簧清洗后，上特殊防銹油（脂）來替代傳統(tǒng)的氧化或鍍層處理。
近幾年來，彈簧表面進(jìn)行光飾（整）處理也被彈簧設(shè)計者有所認(rèn)識。光飾（整）工藝是將彈簧直接放入傾斜離心式或者螺旋振動式、渦流式等系列的光飾機(jī)中，并加入適量的研磨料、研磨劑和水，進(jìn)行光整加工。一般光整約20~30min，具體光整時間視彈簧形狀和裝置量多少而定。光整結(jié)束后取出彈簧，并且用自來水沖洗干凈，然后浸入SM系列水膜置換防銹油中數(shù)分鐘后取出。這時彈簧表面附上一層5μm防銹油膜，該油膜保護(hù)彈簧不受銹蝕。這種處理方法大大養(yǎng)活了傳統(tǒng)繁的工序，如去油、清洗、酸洗、去氫等。目前采用光飾（整）工藝的彈簧有：油泵油嘴用柱塞彈簧和噴油器調(diào)壓彈簧；冰箱壓縮機(jī)用支承彈簧等。光飾（整）處理和常規(guī)的氧化或鍍層處理的彈簧，兩者之間的性能（壽命）以及抗蝕性等比較，不待進(jìn)一步試驗(yàn)、實(shí)踐后，作出較可靠的結(jié)論。不銹鋼彈簧