金屬復合板表面處理技術綜述

金屬復合板是指以薄金屬復合層（基礎）為特征的薄金屬復合板。鋼板在復合之前,應進行表面處理,去掉表面沾附的污物、水氣、氧化膜等。復合板的結合強度是表征結合性能和復合質量的重要指標,而表面處理對界面結合最為關鍵,清潔的表面是達到高強度結合界面的一個重要前提。熱軋金屬復合板復層與基層的界面結合質量除了受表面清潔度的影響之外,還受如表面粗糙度、變形制度、冷卻制度及熱處理工藝等多因素的影響。1復合表面處理在金屬復合板的生產過程當中,表面狀態起著非常重要的作用。金屬表面從外到內依次存在四層物質,即吸附層、氧化層、過渡層和基體層。吸附層主要是由吸附的離子、氣體、灰塵、水和油脂等構成,氧化層由基體金屬的氧化物構成。吸附層和氧化層是影響金屬復合板界面復合的主要表面因素,如果在復合之前能夠將金屬表面的吸附層及氧化層清理掉,那么在隨后的復合過程中,復層與基層之間就可以直接接觸,通過變形可以形成牢固的冶金結合。所以表面清理主要就是去掉鋼板表面的吸附層和氧化層,得到干凈、清潔的待復合表面。表面處理方法很多,在金屬復合板的工業生產過程中,對金屬表面進行處理的方法有三類——機械法、化學法及其它方法。不同的方法對界面結合的影響和作用是不同的。各種材料都有適合其自身的表面處理方法。1.1薄鋼板的加工方法最傳統的機械處理是利用機床,如銑床、磨床等,對表面進行加工清理。該處理手段的優點是氧化皮清理徹底,加工的表面光潔度較高,表面較為平整;缺點是加工較為費時,效率低下,在處理大面積薄鋼板時存在很大的難度。另外,如果鋼板不平度較大時,加工量也會相應增加,金屬損耗大,因此一般僅在小件試驗中采用該處理方法。表1對各種機械處理方法的特點進行了對比,可根據具體情況進行選擇。1.1.1拋丸或噴丸技術拋丸主要是用電機帶動葉輪體旋轉,利用離心力的作用,使直徑0.2～3.0mm的丸子被拋擲出去并高速撞擊零件表面的清理方法。噴丸是利用壓縮空氣將金屬彈丸噴射到鋼板表面,以除去金屬氧化層的方法。從表1可以看出,拋丸或噴丸的主要優點是可去除表面氧化層,控制粗糙度,并能將工件表面的拉應力改為壓應力狀態。但利用拋丸或噴丸處理較薄的材料時,容易使金屬板發生變形,并產生較大的殘余應力;另外,拋丸或噴丸處理無法徹底清除油污。因此,這兩種處理方法常于鑄件表面的清理或者對零件表面進行強化處理,很少用于鋼板復合前的預處理。1.1.2復合板的復合材料噴砂清理技術起源于19世紀80年代,它是以壓縮空氣為動力,將石英砂、金剛砂等噴料高速噴射到待處理金屬板表面,使金屬表面發生變化,由于噴料對金屬板表面的沖擊和磨切作用,金屬表面可獲得一定的清潔度和不同的粗糙度。噴料的粒徑較大時,會對工件有一定的強化作用,不但能夠清除表面氧化皮,提高表面粗糙度,還可以去除金屬材料的內應力,提高金屬表面耐磨性、受壓能力等。噴砂可用作復合板復合工藝的前處理工序,以獲得活性表面,提高復合板之間的附著力。不過,噴砂清理的表面易有濕氣,容易再生銹,具有清理效率低、勞動強度大、自動化程度低、噴后的表面不易清理等缺點。1.1.3鋼絲刷復合薄帶的制備機械打磨就是利用砂帶機、砂輪機或鋼絲刷等機械設備對金屬表面進行打磨,除去金屬板表面的吸附層和氧化層等。砂帶機是通過高速旋轉的砂帶的研磨來清除氧化鐵皮的一種機械裝置。砂帶機主要使用布輪、麻輪、千葉輪、尼龍輪、砂帶等拋光材料,廣泛應用于各種金屬平面、端面的打磨等。砂帶機可通過步進電機和模擬測距儀的精確控制,確保精確的研磨深度。此外,把拋光膏涂在高速旋轉的砂帶上,利用劇烈摩擦,產生高溫,可使加工面上形成極薄熔流層,填平加工面上的微觀凹凸不平,從而降低鋼板表面的粗糙度,獲得光亮的鏡面。不過在對冷軋復合薄帶進行處理時,如果金屬表面復合前過于光滑,會導致兩表面硬化層的相對剪切變形降低,反而不利于界面的結合。鋼絲刷不但能清潔表面,還可以使金屬板的表面形成一定的粗糙度。粗糙的表面不僅接觸面積大,而且在復合變形過程中更易產生局部的剪切變形,從而使表面的硬化層和氧化膜破裂,并導致底層新鮮金屬暴露,界面兩側的新鮮金屬在正壓力作用下通過硬化層的裂縫擠出并互相接觸,使復合金屬表面間距在軋制復合時達到原子間距尺寸,產生足夠的結合力以克服金屬間的界面勢能,從而形成牢固的冶金結合。不過在鋼絲刷的處理過程中,也需要控制表面粗糙度,粗糙度太大時,結合強度不穩定。另外需控制鋼絲刷的速度和力量,以免由于速度過快,產生的熱量來不及散失,而使處理表面發生二次氧化。研究發現,利用機械清理能成功實現復合并不僅僅是因為清理了表面,還因為通過加工硬化在接觸面上制造了一層脆性覆膜。加工中,脆膜破裂,產生無污染的高真空間隙,從而保證了接觸面的活性和結合的牢固性。1.2種化學方法對比化學處理主要是利用溶液對金屬表面進行溶解,以達到去除金屬板表面吸附層及氧化層的目的。表2對三種化學處理方法進行了對比總結。對碳鋼進行酸洗,可除去表面的氧化層;不銹鋼則普遍采用先堿洗、后酸洗的工藝,先堿洗去除油污等吸附層,再酸洗去除表面氧化層。化學處理適用于薄板件的清理,但會留下液體和氣體組成的吸附層,若時間和溫度控制不當,會使鋼材產生過腐蝕現象,而且也會對環境造成污染。1.2.1酸液及酸液的選擇酸洗就是利用酸性溶液與氧化物發生化學反應,使之形成溶于酸溶液的鹽類而被除去。酸洗按工藝主要分浸漬酸洗法、噴射酸洗法和酸膏除銹法,其中浸漬酸洗法應用較為廣泛。酸洗法中,酸性溶液主要為鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、鉻酸、氫氟酸以及混合酸等。酸液的選擇可根據材料的特性及具體要求而定,例如,鉻酸化學處理結合電化學處理已經應用于航空航天材料Al/Mg合金復合板軋制前的表面處理上。酸洗可有效去除不銹鋼和碳鋼表面的氧化層,但是在去除厚氧化層時,除表2中提及的缺點外,在處理氧化層較厚的表面時易出現欠酸洗或過酸洗的情況;另外,酸洗后,需用丙酮、酒精和水等沖洗掉殘余酸液,后續處理比較繁瑣。不過日本JFE針對不銹鋼復合板軋制前的表面處理開發了一種專用的連續酸洗設備,并成功地用于了不銹鋼復合板的工業生產中。1.2.2金屬復合板的表面處理方法堿洗是利用氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸三鈉等配制成的高強度堿液對鋼板表面進行清理。為提高除油效率,一般處理需在70～90℃進行,除油后,表面需用60℃左右的熱水清洗,將皂化產物和多余乳化劑洗去。該方法主要是通過皂化和乳化作用去除油污,因此不能去除表面氧化皮,僅能在表面氧化皮對后續工藝無影響的情況下使用。表3總結了不同金屬材料軋制復合的表面處理方法,可以看出,在機械處理過程中,基本都結合了化學脫脂過程。機械處理結合化學脫脂處理,是提高金屬復合板界面結合力較為有效的方法。脫脂階段一般運用環保溶液,如乙烯、石油醚和乙醇,或者選擇未氯化的溶液,如苯或丙酮等。Zhang等研究了化學脫脂、鋼絲刷、化學鍍鎳、熱鍍鎳、鍍鉻等不同表面處理方法對結合強度的影響,并指出在復合時,粗糙的表面可以明顯提高復合能力并顯著降低軋制力。不過,不同的表面處理方法都存在一個優化的制度。例如,獲得小粗糙度表面的處理方法對鋁/鋁復合較為適用,獲得大粗糙度表面的鋼絲刷處理有利于鋁/銅復合和鋁/鋼復合。對鋁/鋁材料來說,鋼絲刷和鍍鎳處理比丙酮處理和陽極電鍍能獲得更高的結合強度。噴砂法處理的鉬/銅界面犬牙交錯,表面有起伏;鋼絲刷處理后的表面有微小突起,而化學方法處理的銅/鉬界面比較平直。因此,噴砂后的界面結合強度最高,鋼絲刷處理的次之,化學法處理的最低。1.3激光表面處理其它可用于金屬復合板表面預處理的方法有電化學處理和激光表面處理等。電化學處理是指在特定的電化學反應器內,通過設計的電極反應以及由此而引起的一系列化學反應、電化學過程或物理過程,達到污染物降解、轉化的目的。由于電化學處理后的表面容易產生孔洞和溝槽等刻蝕現象,可形成一定的粗糙度,從而增強了界面的結合能力。但是電化學處理需要電源及相應設備,金屬表面容易形成影響結合的膜層,處理的鋼板尺寸也受到限制,因此在金屬復合板的工業生產過程中一般不使用該技術。用激光照射工件表面,令金屬表面結構改變的過程,稱為激光表面處理。激光處理可以把碳化物、硼化物和氧化物之類的顆粒隨同金屬基體中的各種合金同時摻入熔化表面,以此獲得各種物理和化學性能,從而提高界面的結合強度。另外,激光處理后,表面易獲得極細或超細化的組織結構,可使表面成分偏析減少,表層的缺陷和微裂紋被熔合,對復層和基層金屬的復合較為有利。但在表面處理過程中,為了有效防止氧化及元素燒損,需利用惰性氣體進行保護,不易控制,因此一般也不用于金屬復合板的表面預處理中。2復合方法需要在金屬復合板生產過程中,表面處理至關重要,至于選擇什么樣的處理方法和手段,需根據具體材料和要求而定。無論是哪一種處理方法,都必須將金屬鋼板表面的吸附層、氧化層等去除干凈,直至表面露出新鮮金屬的光澤。電化學處理方法和激光處理法一般用于表面不易處理的金