表面处理工艺的技术进展
01.背景
大气腐蚀是紧固件腐蚀破坏的主要类型之一，其主要腐蚀产物为Fe的氢氧化物及其氧化物和少量其他铁化合物，常用的表面处理工艺是采用防护涂层通过阻断、抑制腐蚀介质的扩散和电化学保护等作用来延缓腐蚀。
传统的表面处理为各类紧固件产品提供了保护性、装饰性和功能性的涂层，在国民经济各行业中发挥着不可替代的作用。表面处理技术可使紧固件的局部或全部表面具有以下功能：
提高耐磨损、耐腐蚀、抗疲劳、抗氧化和抗辐射性能；
提高表面润滑性；
实现表面的自修复；
提高表面的传热效果；
提高表面的导电性或绝缘性；
提高表面附着力。
传统的表面处理在生产过程中不可避免地会产生污染物，在表面处理行业发展初期，由于对电镀废水、废气、废弃物的处理不够重视，电镀造成了很大的环境问题。
20世纪60年代，世界各国政府开始重视环境保护，大多数国家签署了《斯德哥尔摩公约》、《联合国气候公约》、《国际清洁生产宣言》，欧盟相继出台ROHS、WEEE、EUP指令及REAC H法规，严格限制或禁止在工业产品中使用某些污染物。
长期以来，推进节能减排、促进绿色发展一直是表面处理行业的重要任务。随着国家双碳战略的逐步实施和绿色发展理念的深入，绿色表面处理应运而生。随着《清洁生产法》、《电镀废水排放标准》等相关文件的出台，传统的表面处理行业正朝着节能环保的方向发展。表面处理行业迎来了新的机遇和挑战，必将走向绿色低碳、高质量发展的道路。
02.传统表面处理技术
2.1 电镀
电镀的方法是将金属紧固件浸入含有要沉积的金属化合物的水溶液中，并在镀液中通入电流，使电镀金属析出并沉积在紧固件上。一般电镀包括电镀锌、电镀铜等各种合金。电镀是在材料上镀上一层金属，以改变紧固件材料的尺寸、增加硬度、防止磨损、提高导电性、润滑性、耐热性和表面美观性。电镀锌是电镀中应用最广泛的电镀方法，因为它价格便宜，而且美观。但其表面性能相对较差，性能不稳定。
▲电镀锌紧固件
2.2 电泳
在电压作用下，镀层置于正负电极处，带电离子向阴极移动，在工件表面形成一层不溶性膜。这层不溶性膜均匀光滑地覆盖在工件表面，其光滑度、硬度、耐腐蚀性能、渗透性能都很好。在很多要求较高的汽车紧固件表面处理工况中，往往选用电泳工艺。
▲电泳汽车紧固件
2.3 磷化
磷化是通过化学和电化学反应生成磷酸盐化学转化膜的过程，所生成的磷酸盐转化膜称为磷化膜。磷化能为紧固件提供一定的表面保护，在螺纹连接中能起到润滑作用。
▲磷酸盐螺母
2.4 钝化
由于金属表面与氧分子形成一层覆盖在金属表面的薄膜，这层薄膜非常薄而且稳定，覆盖性能好，能把金属与腐蚀介质彻底隔离，阻止金属与腐蚀介质接触，从而防止腐蚀，因此可延长金属紧固件的寿命，大大降低经济成本。
▲钝化处理后的零件
2.5 渗锌
渗锌是一种化学表面处理，是将金属紧固件置于适当的介质中加热、扩散，改变其化学成分和组织结构，从而获得耐腐蚀性能的表面处理工艺。经热扩散渗锌处理的紧固件，不但可以增强其耐腐蚀性能，还可以提高工件表面的硬度和耐磨性。但热扩散渗锌也会对环境造成一定的影响。
▲表面镀锌处理的紧固件
2.6 达克罗处理
“达克罗”工艺由中性清洗剂除油、用抛丸机处理表面氧化层、多元合金共渗、冷却、抛丸、钝化、浸涂或喷洒达克罗溶液、烧结、固化、氧化还原、冷却组成，温度约为300℃。它是取代传统严重污染环境的电镀锌、热镀锌的最佳工艺。可加工钢、铁、铝及其合金、结构紧固件，既提高了产品质量，又保护了自然生态环境。经达克罗处理过的金属紧固件表面质量好，防腐效果好，能长期抗锈，但成本较其它防腐形式高。
▲达克罗处理过的金属紧固件
2.7 静电喷涂
静电喷涂是指利用电晕放电原理，使雾化涂料在高压直流电场作用下带负电，然后吸附在带正电的基体表面放电的涂装方法。静电喷涂涂装质量好，漆膜附着力强，喷涂后的金属紧固件表面质量好，可起到长期防腐的作用。但对于形状复杂或轮廓较深的异形紧固件，很难获得均匀的涂层。
2.8 抛光
紧固件表面处理采用各种抛光介质（如抛光轮）并添加不同的抛光剂，以提高工件的光泽度，使表面更加光滑，但抛光不能改变工件的尺寸和形状。抛光时，高速旋转的抛光轮（圆周速度在22m/s以上）移动到紧固件表面，使磨料与工件表面发生摩擦，使紧固件表面更加光亮、光滑。工件表面粗糙度一般可达Ra0.63~0.01μm。
2.9 喷丸
叶轮体由电动机带动旋转，依靠离心力将直径约0.2~3.0的不同类型的弹丸（包括铸钢丸、线切丸、不锈钢丸等）抛射到工件表面。与抛光不同，喷丸使紧固件表面变得粗糙而不是光滑。增加工件表面的粗糙度可以增加后续喷漆过程中漆膜的附着力，并可以增加紧固件的使用寿命。
2.10 喷砂
喷砂是利用压缩空气作为原始动力，形成高速喷射束，然后快速将材料（包括铁砂、刚玉、石英砂等）喷射到紧固件表面上。此过程改变了紧固件的外观和形状，可以提高紧固件表面的清洁度并获得不同的粗糙度，改善紧固件表面的机械性能，并提高紧固件与涂层之间的附着力。喷砂工艺可以选择不同的粗糙度，这是其他工艺无法达到的。对于表面处理要求较高的紧固件，我们仍然会选择喷砂工艺，因为它具有最佳的清洁效果。
2.11 喷丸处理
喷丸处理冲击力大，易使紧固件变形，但清理效果明显。喷丸处理的优点是灵活，不受场地限制，可轻松清理复杂紧固件内外表面及管道内壁，设备结构简单，维护成本低。喷丸处理的缺点是能耗大，清理后表面易受潮生锈，清理效率低。
03.电镀技术的发展
电镀锌是电镀行业中最大的镀种，镀锌后需进行钝化处理，以提高镀层的耐腐蚀性能。
长期以来，人们一直采用以六价铬为主要成分的钝化溶液进行钝化，六价铬钝化膜中六价铬含量高达0.5mg/dm2。六价铬是铬的常见氧化态之一，化学活性强，易通过呼吸、接触等途径被人体吸收。同时，六价铬具有很强的毒性，长期接触会对人体健康造成很大影响，短期接触还会带来潜在的致癌风险。自然界中，六价铬以溶液形式存在于自然水体中，主要来源是金属表面处理企业、皮革制造行业排放的工业废水，或发电站排放的冷凝水。六价铬废水易对环境内生态系统中的动物、植物、水体、土壤等造成严重污染，且造成的污染难以恢复。 六价铬污染是一种非常严重的生态灾难。
因此六价铬的检测与管控在环境保护、金属材料表面处理、汽车回收等领域都十分重要。目前欧盟ROHS指令和ELV指令均规定六价铬含量不能超过0.1%，目前出口的电子电气产品、汽车产品均必须符合该限值；GB/-2014《汽车禁用物质要求》也规定六价铬含量不能超过0.1%，汽车紧固件的选择和使用应按照此标准进行。
进入21世纪以来，表面处理行业六价铬替代工艺（锌电镀三价铬钝化替代六价铬钝化、三价铬电镀替代六价铬电镀）、合金电镀替代六价铬电镀、铝合金三价铬转化膜、无六价铬电解抛光工艺等表面处理技术与设备发展迅速，铬酸回收工艺、锌镍合金镀锌、机械镀锌等环保工艺材料得到广泛应用。
绿色表面处理兼顾环境影响和能源资源效率，通过科技创新和技术改进，解决传统表面处理资源消耗高、污染严重的问题。
第一代三价铬钝化工艺通过增加有效成分浓度、提高温度、结合多种缓蚀剂，再用硅酸盐、聚合物进行后处理等方式满足汽车制造的需要；第二代三价铬钝化工艺通过添加金属盐、弱有机酸等增加钝化膜厚度，大大提高钝化膜的耐腐蚀性能；第三代三价铬钝化工艺采用三价铬的氧化物与高性能表面活性抑制剂如二氧化硅、纳米粒子等有机结合，三价铬的沉积量达到0.3-3mg/dm2，二氧化硅的沉积量达到0.5-1mg/dm2，厚度可达400nm以上。铬的氧化物与胶体共同作用形成的三价铬钝化膜具有良好的耐腐蚀性能。
目前三价铬钝化工艺在国内已得到广泛应用，处理后的产品包括电器紧固件、汽车紧固件等，符合欧盟法规要求，并大量出口到欧洲、北美、日本等国家。
三价铬钝化工艺通过调整着色剂等方法，具有彩色钝化、蓝白钝化、金色钝化、军绿钝化、黑色钝化等多种钝化颜色，广泛应用于各种防护和装饰涂层。
①向低污染、无污染发展。减少或完全替代电镀行业对环境造成污染的六价铬、铅、镉、镍等重金属的使用。
②向节能、节材、节水方向发展。采用新型高压开关电源，可大大提高转换效率，降低耗电量；采用新型水处理技术，回收金属，节约用水；从电镀污泥中回收金属正在各电镀企业推广。
③亟待发展节能环保绿色电镀工艺技术。我国已出台新的电镀废水、废气、废弃物的处理和排放标准。因此，对节能环保绿色电镀工艺技术的需求就更加迫切。
当前，在国家绿色低碳发展战略的引领下，密切关注绿色清洁能源的发展趋势，不断加大绿色能源产品的研发力度，在表面处理研发和生产上取得重大突破。
04.确定螺栓表面处理要求
设计时如何确定表面处理工艺要求是影响螺栓质量的关键因素之一。确定螺栓的表面处理要求主要考虑两点。
①表面处理要求是否恰当，将直接影响到螺栓后期是否能适应实际工况。在潮湿或腐蚀环境下，螺栓是否经过表面处理是决定其寿命的关键因素。例如，对于海上平台、风力发电机组和核电机组上的螺栓，许多国际、国家和行业标准都对表面处理要求做出了明确的规定。
②某些表面处理工艺会引入有害的氢元素，造成氢脆断裂。热处理、气体渗碳、清洗、酸洗、磷化、电镀等工艺以及使用环境中的阴极保护或腐蚀反应都会引入氢元素。制造过程中，如辊轧成型、机械加工、焊接或钎焊操作等也会引入氢元素。大多数氢脆断裂都与表面处理工艺有关，如酸洗、电镀等，这些工艺导致氢元素侵入钢材。
为了解决螺栓的氢脆问题，世界各国采取了很多方法，主要有四种。一是螺栓电镀后要经过严格的处理，以驱除氢。二是螺栓电镀采用低氢脆电镀工艺。三是螺栓表面防护不需要电镀，采用无氢脆涂装方法。四是采用高强度耐候钢、耐腐蚀钢制造螺栓，表面不进行电镀。
螺丝君的经验与总结
LS 和
根据各种研究，影响高强度螺栓失效的因素主要有五个：
①设计力计算不合理；
②材料选择不当；
③热处理技术要求不合理；
④ 螺纹结构及尺寸精度设计不合理；
⑤螺栓表面处理要求不合理。
近年来，表面处理工艺层出不穷，紧固件的表面处理镀层按化学成分不同主要可分为有机镀层、无机镀层、金属镀层和复合镀层。但传统的表面处理工艺仍有较大的市场。螺栓表面处理要求不合理是造成高强度螺栓早期失效的原因之一。为了使大家有更系统、全面的认识，特提出以上建议，为改进工艺提供参考。