Повърхностна обработка на метали

Повърхностната обработка на метали обхваща широк кръг от индустриални процеси за предварително третиране на материала или крайно обработване на готовото изделие с цел постигане на даден ефект. Металните повърхности се подлагат на финишна обработка за подобряване на техния външен вид, адхезия или омокряемост, пригодност за спояване, корозионна устойчивост, устойчивост на замърсяване, химическа устойчивост, износоустойчивост, твърдост, промяна на електрическата проводимост, премахване на мустаци и други повърхностни недостатъци, както и с цел контрол на повърхностното триене. В редки случаи повърхностна обработка се използва за възстановяване на оригиналните размери на изделието или за неговото ремонтиране.

В процесите по предварителна и крайна обработка се използват различни материали за почистване, ецване или метализация (например нанасяне на галванично покритие) на повърхностите, за да се придадат дадени характеристики на материала или изделието. Нанасяне на електролитно покритие, безелектрично метализиране, химична и електрохимична конверсия са често използвани методи за извършване на предварителни или довършителни работи върху метални повърхности или изделия. Някои типични съпътстващи процедури включват обезмасляване, почистване, байцване, ецване и полиране. За обработка на метални повърхности, включително листов материал преди огъване, щанцоване, формоване, пробиване и т. н., се използват различни разтворители и повърхностноактивни вещества за почистване, киселини и основи за разяждане и разтвори на метални соли, нанасящи финишно покритие върху субстрата.

Обзор на методите

Независимо от търсените характеристики на готовата повърхност, финишната обработка изисква специфичен процес за постигането им, включващ съответните етапи, материали и оборудване. Крайният ефект зависи от приложението на изделието, материала, от който е изработено, както и от типа на прилагания метод и неговата ефективност. Основните типове методи, използвани за повърхностна/финишна обработка на метали включват третиране чрез промяна на формата и отнемане на материал, както и чрез добавяне на материал. Популярни са стратегиите за механична финишна обработка, които обикновено се поставят в една категория поради сходствата в крайния резултат.

Процесите, базирани на добавяне на материал и промяна на повърхностите, включват: почистване, полиране, каландроване, втвърдяване, нанасяне на керамично покритие, плакиране и др. Някои дифузионни процеси за целта са цементация и азотиране. В категорията спадат още: нанасяне на електролитно покритие, галванопластика, поцинковане, позлатяване, гланциране, назъбване, накатяване, набраздяване, боядисване и др. Т. нар. пасивни покрития на повърхностите включват анодиране, отлагане на хроматично или фосфатно конверсионно покритие, плазмено електролитно окисляване и др. В същия клас спадат и: безтоково третиране, включително повърхностно уякчаване чрез сачмоструйна (дробеструйна) обработка, както и лазерно уякчаване, ецване, байцване, плазмено пръскане и др. Важна група методи за повърхностна обработка на метали са праховото покриване и тънкослойното отлагане, което обхваща: отлагане на химически пари (CVD), галванопластика, електрофоретично отлагане (EPD), отлагане на покритие чрез катодно разпрашаване, физично отлагане на пари (PVD), вакуумно покритие и т. н.

Категорията методи, базирани на отнемане на материал и промяна на формата на изделието, обхващат абразивно бластиране (включително песъкоструйна обработка), полиране чрез валцоване на повърхностния слой, химико-механична планаризация, шлифоване, промишлено ецване и байцване, лазерна аблация, лазерно гравиране, довършителна обработка с магнитно поле, обработване във въртящ се барабан, вибрационна обработка, рифеловане, лепинговане, както и т. нар. свръхзаглаждане.

Някои от най-популярните механични стратегии за финишна обработка на метални повърхности, са абразивното бластиране, полирането, шлифоването, хонинговането, рифеловането, лепинговането, както и вибрационната и барабанна обработка.

Функции и приложения

Повърхностната обработка на металите обикновено е метод за предварителна подготовка на повърхностите или финален етап в производствения процес на едно изделие с цел подобряване на естетическите и функционалните му характеристики. Финишна обработка типично се прилага за намаляване грапавината на повърхности, претърпели груба механична обработка, които трябва да са в плътен контакт помежду си или с уплътнителен елемент.

В съвременните металообработващи цехове се използват широк набор от техники, оборудване и материали за почистване на метални повърхности, отстраняване на накип и котлен камък, почистване на мустаци и др. Сред основните ползи от осъществяването на финишна обработка на металните изделия са подобренията в тяхната издръжливост, естетика, електропроводимост, електросъпротивление, химическа устойчивост, устойчивост на захабяване и т. н. Повърхностна обработка на метали се прилага в редица модерни промишлени приложения, включително в автомобилостроенето, електрониката, космическата индустрия, производството на хардуерни компоненти, бижута, телекомуникационни системи, домакинска техника, тежко оборудване и др.

Без финишна обработка много повърхности биха имали много по-кратък експлоатационен цикъл вследствие на износване и корозия, характерни за голяма част от работните среди в индустрията. Важна е функцията на финишното третиране и за крайната форма на компонентите и изделията, както и за техните функционални характеристики като способност да задържат лакове, органични покрития, адхезиви и др. Повърхностната обработка може да има и чисто декоративна функция.
С прилагането на различни техники за третиране на металните повърхности може значително да се увеличи тяхната устойчивост на износване и корозия, да се повиши твърдостта им и толерантността им към въртящ момент, да се подобри тяхната гладкост, да им се придаде специфичен цвят или текстура, огледален финиш и т. н. Повърхностната обработка може да има за цел и постигането на висока устойчивост на оцветяване, по-добра пригодност за спояване, както и по-добра способност за свързване с каучук (например при вулканизиране).

Избор на процес

При избор на метод или техника за повърхностна обработка на даден метален материал или изделие е препоръчително да се вземат предвид някои основни съображения. В зависимост от функцията и приложението на изделието е добре да се отчетат: скоростта на изпълнение, т. е. колко бързо се третира повърхността чрез дадения метод; разходната ефективност или съотношението между стойността на инвестицията в по-скъпо оборудване (например вибрационни барабани) и повишената производителност; както и твърдостта на метала. Някои по-твърди материали обикновено налагат по-интензивна финишна обработка (шлифоване) или се нуждаят от по-твърди абразиви от прилаганите върху по-меките метали варианти.

Често срещан проблем при финишната обработка на неръждаема стомана например е обезцветяването. Този вид стомана не се отличава с висока топлопроводимост.

Ако шлифовъчната машина работи прекалено бързо, се генерира голямо количество отпадъчна топлина, която изгаря никела и хрома в стоманата. Това може да окаже крайно негативен ефект върху жизнения цикъл и качеството на крайното изделие. В резултат обикновено е налице дефект върху продукта във вида на жълтеникаво покритие, а стоманата губи функциите си на неръждаем материал. Специалистите препоръчват в такива сценарии абразивната обработка да се провежда със съответната по-ниска скорост с цел да се управлява процесът по генериране на топлина и последствията от него.

Преди да се подходи към избор на метод за финишна обработка на даден метал, е добре да се проучи неговата средна грапавост (Ra) и различните й стойности, които се изискват за постигане на даден клас повърхности. Уредите за измерване на грапавост показват измерената дълбочина на грапавостта (Rz), както и средната стойност на грапавостта (Ra) в mm. Използвайки устройство, наречено профилометър, със силно чувствителен диамантен накрайник (измервателен щифт), могат да бъдат измерени така наречените върхове и долини на готовата повърхност. Важно е да се има предвид, че полученото число всъщност е средна стойност от данните в различни точки, които профилометърът събира. Това означава, че е възможно да има силно непоследователни повърхностни покрития, които въпреки това да се отличават с желаните стойности на средна грапавост. Ето защо е важно да се разбират добре процесите по довършителни работи на метални изделия и винаги да се прилага подходящият и най-ефективен метод.

Типове повърхности

След рязането, фрезоването и другите операции по груба механична обработка идва ред на финишните работи, които целят постигане на съответното качество и функционални характеристики на повърхностите. В зависимост от приложението на изделието стандартно се обработват няколко основни типа повърхности – санитарни, фини и огледални. При огледалния финиш например средната грапавост e в диапазона 0,1-0,2 микрометра. Тези стойности обаче се различават от изискванията при санитарните и фини повърхности. Обикновено е трудно трите типа финиш да бъдат постигнати с един и същ процес, работни параметри и оборудване. Ето защо правилният избор на комбинация от инструменти, материали и стратегии за повърхностна обработка е ключов за безпроблемното постигане на желания резултат.

Санитарните или хигиенни повърхности (Ra=0,76-0,89 mm) обикновено са предназначени за експлоатация в досег с хранителни продукти. Предотвратяването на бактериален растеж върху повърхностите е ключова цел в такива приложения. Ето защо при изделията със санитарен дизайн не се допускат повърхностни драскотини или по-груби текстури, които биха могли да задържат замърсявания. Хигиенният завършек и ниската средна стойност на грапавостта позволяват ефективно почистване и промиване на металните изделия. За да се постигне санитарно качество на финишните повърхности, е необходимо да се приложи подходящ абразив със съответната скорост, така че текстурата да е равномерна и непрекъсната.

Т. нар. фини повърхности (Ra=0,3-0,4 mm) са подходящи за изделия, използвани в медицински и фармацевтични приложения, както и в космическата индустрия. Този клас качество предотвратява образуването на корозия и подобрява структурния интегритет и издръжливостта на изделието. Финият завършек позволява още санитарно почистване с помощта на по-дребни частици като пудри, които са характерни за такива среди. Огледалните повърхности са типично най-редки, но и най-трудни за постигане. Те се използват в архитектурни и декоративни приложения.

Популярни методи

Повърхностната обработка на металите посредством изчеткване е ефективен метод за премахване на различни несъвършенства. Машините за четкане създават равномерна, паралелно-зърнеста повърхностна текстура по външните части на изделията. Обикновено за целта се използва шлифовъчна лента или стоманена четка. В допълнение, движението на колана или четката в една единствена посока обикновено създава леко заоблени ръбове, перпендикулярни на зърнестата структура. Четкане се прилага и за отстраняване на шлаката, получена при някои заваръчни операции, както и за премахване на котлен камък и стружки от метални повърхности преди почистване. Химически и киселинни бани се използват за почистване на остатъци от масла, останали от механична обработка, формоване и други процеси преди метализация или нанасяне на покрития върху повърхността.

Полирането, шлифоването, хонинговането и лепинговането са абразивни методи за намаляване на грапавостта на повърхността в металите след механична обработка (Ra=0,4-3 mm). Прецизното или фино шлифоване може да намали грапавостта на повърхността до Ra=0,2-0,4 mm с помощта на абразивни колела. За по-нататъшна обработка (Ra=0,02-0,8) се използват абразивни прахове в комбинация с кожени или филцови колела за полиране. С фино шлифоване с пемза се постигат повърхности с Ra=0,01-0,4 mm.

Хонинговането и лепинговането използват абразивни съединения за намаляване на грапавостта на прилепващи една към друга повърхности на детайли, като ги разтриват една върху друга или детайлът се прокарва през кухина. Тези методи не само намаляват грапавостта на повърхността, но и увеличават блясъка на метала, тъй като отразената светлина се разсейва по-малко от по-гладките повърхности. Ето защо те често се използват и за подобряване на естетическите характеристики на повърхността.

Шлифовъчните машини използват абразивни колела за изглаждане на повърхностите. Различните типове шлифовъчни машини са предназначени да осигуряват и различни нива на крайна гладкост. Някои ръчни модели се използват за премахване на метални наслоявания, почистване на шлака и др. Специални шлайфмашини се използват за детайлна работа в проходите на всмукателни колектори, матрици и други подобни елементи. Те обикновено са снабдени със специално оформени за целта абразивни колела.

Вибрационните машини за финишна обработка на повърхности се използват за отстраняване на различни налепи, остри ръбове, леяци и др. При тях детайлите се поставят вътре в барабан, пълен с абразивни пелети. Машината прилага вибрации, за да създаде равномерна случайна текстура на повърхността. Скоростта на цикъла и силата на вибрациите обикновено са променливи, което позволява ефективно третиране на широк набор от детайли с малки или по-големи размери.
Машините за абразивно бластиране (например пясъкоструене) обикновено се използват за повърхности, изискващи равномерна матова текстура. При този тип обработка пясък, стоманени гранули, метални пелети или други абразивни материали с различна едрина на зърната се изстрелват към повърхността с висока скорост.

В резултат се получава гладка и равна текстура на изделието, особено при меките метали.

T. нар. безтоково нанасяне на метално покритие чрез ударно бластиране е метод за оказване на компресивен натиск върху повърхността на металите като начин за подобряване на устойчивостта им на умора, корозия, напукване, изтъркване и др. Студеният работен процес оказва сила на натиск върху повърхностите като средство за противодействие на напрежението на опън, индуцирано по време на производството на детайла.