浅析金属表面处理与环境保护

摘　要：本文通过理论研究和对金属表面处理行业的调研、分析，阐述了各种主要金属表面处理方法的优缺点、镀涂层性能、外观效果以及各种处理方法对环境的影响。结合本人多年从事机械设计工作和表面处理工作方面的经验，给出了在机械设计中应采用的表面处理方法的建议。

关键词：金属表面处理；环境保护；镀涂层；装饰

一、金属表面处理概述
　　随着科学技术的进步，工业生产的发展和人民生活水平的提高，人们对生活用品及工业设备的制造质量也发生了改变，对其产品不仅要求耐蚀、耐用，也要求外观洁净、漂亮，能赏心悦目，甚至有一定的观赏价值。因此，目前表面处理技术已在各种制造业中得到广泛的应用。
　　表面处理技术始终在为金属材料的保驾护航、增值添彩发挥着巨大的作用。一方面，它能显著降低金属（特别是钢铁）的腐蚀速度，为社会节约大量的财富，并可通过处理使之获得亮丽的外观。另一方面，表面处理技术还能设法赋予金属各种与电、磁、光、声、化学、机械等有关的新功能。由于材料的功能多半都体现在其表面层上，因而有可能让一些低廉的金属材料经过表面处理而获得耐磨、减摩、磁化、导电、易焊接、化学催化等特殊功能，得以身价倍增。这就是说，金属表面处理技术既能为其它加工工艺提供平整、清洁、美观的表面，又能独立地形成具有重要价值的新型表面材料。它对制造业发展所起到的作用是不容忽视的。
　　金属表面处理技术涵盖面极广，涉及的学科也很多，而且这些学科彼此距离相当远，几乎没有谁能精通表面处理技术中的所有内容。此外，随着科学技术的进步和需求的增长，还会有更新的技术陆续不断地加入到此行列之中。不过，象这样一门庞杂而重要的综合性技术，在学术界却长期未获得应用的关注。本文所涉及的内容意在为各位同行提供一些在表面处理方面的选择方法、原则、应用实例等，希望对各位同行有借鉴的价值，并能起到抛砖引玉的作用。
二、金属表面处理在机械设计中的地位
      在机械设计中，设计者要考虑众多的设计要素，诸如：使用性能、机械原理、制造工艺
设备外观等。而在更多的情况下，考虑更多的是机械零件的功能，从而就涉及到了零件的热处理要求、表面涂、镀要求等表面处理要求。它们是保证金属零件的强度和表面硬度以及表面质量和外观的重要措施。因此，金属表面处理在机械设计中起着十分重要的作用。
三、金属表面处理的必要性
　　钢铁是全球产量最多的金属，钢铁的机械强度高，加工性能好，可以很容易加工成各种各样的制品而被广泛应用在各个方面，各种机械设备、建筑材料及日常生活用具的制造都离不开钢铁，最大的如数十万吨油轮，最小的如细钉都由钢铁制造，但钢铁易生锈腐蚀，所以很早就利用碱使钢铁表面氧化变色，使其变成枪黑色或蓝色，既耐腐蚀又有一定光泽的颜色，但是由于钢铁缺乏着色元素，除了用碱液氧化着色外，很难获得其他的颜色，从而影响了钢铁制品的美观及使用价值，特别是一些工艺品过去都用铜和其他有色金属制作。随后发现钢铁表面可以镀上各种颜色的金属镀层增加了装饰效果，特别是着色工艺技术的发展，钢铁可以先镀上其他金属镀层，如铜、镍、铬、锌等，然后再把镀层着色，使得钢铁的应用范围大大增加，近年来还利用浸渍技术使钢铁表面无需电镀就可沉积一层薄层并进行着色，降低了钢铁表面着色的成本，使钢铁可以做成各种需要着色或装饰美观的日用工艺品。其外形可以做成与铜或铝合金等其他制品一样，因此艺术装饰工艺在钢铁制品上得到广泛的应用，钢铁通过装饰处理也提高了产品的质量及实用价值。
　　不锈钢的特点是防腐性能好，根据使用环境和条件的不同，可选择不同类型的不锈钢材料。但由于不锈钢材料大都使用稀有金属，价格昂贵，差不多相当于普通碳钢的5～10倍。不锈钢和优质碳钢相比强度和硬度都较低，在很多方面不锈钢不能代替碳钢。而碳钢在加工成零件后就要进行必要的表面处理，因此钢铁零件的表面处理是不可缺少的。
四、金属表面处理的分类及其作用
　　金属表面处理分为功能性和装饰性表面处理。
（一） 功能性表面处理包括：
      1． 金属热处理，包括：淬火、正火、调质、碳、氮共渗等。其作用在于提高金属表面硬度、韧性、耐磨性能等。
      2． 功能性镀层，如：镀硬铬、化学镀镍等。其作用在于提高金属表面硬度、耐磨性、防腐及装饰功能。
      3． 其他表面处理方法，包括：机械滚压、等离子注入等，其作用在于提高金属零件表
面硬度和耐磨性。
（二） 装饰性表面处理包括：装饰镀铬、镀镍、镀锌、镀钛，还有磷化氧化、表面喷涂等。
其作用在于提高金属表面的防腐性能和装饰要求。
五、各种金属表面处理方法简介
　　1．电镀：众所周知，镀铜、镀锌、镀镍、镀铬等均属于电镀，在过去和现在的经济建设中，发挥了十分重要的作用。但是电镀中存在着氰化物，重金属离子是影响环境的致命因素。
　　2．化学镀：化学镀是近年来发展起来的一种不需要电极新型镀种，其镀层的综合性能明显优于电镀。该镀种中不含氰化物，重金属离子只要适当控制就可以达到环保排放标准，是国家支持的项目，很有发展前景，是未来取代电镀的环保镀种。
　　3．喷涂：喷涂的种类很多，有高温涂料和常温涂料；有金属涂料和非金属涂料；有有机涂料和无机涂料。用户可以根据产品的用途和使用环境选择不同的涂料。高温涂料如：静电环氧、聚脂等粉末涂料；无机涂料如：水性漆它是未来喷涂行业的发展趋势，其原因主要是考虑涂层的性能和环保方面的问题。
六、环保综述
　　所有金属的表面处理无一不涉及到对环境的影响，只是表面处理的方法不同，对环境的影响程度不同，经过相应的处理，有些方法可以达到国家的排放标准，而有些却很难达到国家的排放标准。
　　前处理工序一般都需要除油和除锈。除油是碱性的，除锈是酸性的，不论是残液还是漂洗水，中和后生成盐和水，经过适当处理即可达到排放标准。
　　在金属表面处理过程中，对环境和人类生存影响最大的是重金属离子，我国政府在多年以前已采取了多方面的措施限制电镀行业的发展，但就我国工业生产的现状，要实现预定的目标，达到发达国家的相关排放标准，还有大量的工作要做。近年来随着科学技术的发展，化学镍的出现，不仅在镀层的质量方面有所提高，而且在环境保护方面得以改善。水性漆的出现，使得喷涂行业

添加了一名很有潜力的成员，它避免了油漆涂料有机溶剂等有害易挥发物质的出现，使环境污染得以减轻。
六、结束语
　　我国现已成为制造业大国，金属表面处理是不可缺少的专业，而怎样选择表面处理既保证质量，又能在处理过程中的排放物对周边的环境污染小便成为我们的当务之急。化学镀的出现及发展为金属镀层提供了一种良好的思路；无溶剂涂料（包括环氧树脂、聚氨脂、水性漆等）的发展和技术进步，使得表面喷涂行业形成了百家争鸣的局面，而且有不断扩大之势。另外随着废水、废气处理技术的进步，使得处理成本也有所降低。总之设计人员在进行产品设计时应充分考虑涂镀层的外观、质量、使用性能等众多因素，同时还应兼顾处理过程对环境的影响，选择合适的表面处理方法。
　　
参考文献：
[1] 李宁等.化学镀镍基合金理论与技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000.
[2] 曾华梁等.电镀工艺手册.北京：机械工业出版社，1997.
[3] 程秀云等.电镀技术.北京：化学工业出版社，2003.
[4] 李异.金属表面艺术装饰处理.北京：化学工业出版社，2008.

作者简介：柴富俊（1958--），女，副教授，研究方向：机械设计及计算机图形学。

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