第1章 基礎知識
1.1 表面預處理技術概述
1.1.1 表面預處理技術的發展
隨著表面處理的應用日益廣泛，預處理技術的發展也越來越迅速。預處理是材料進入表面處理工序前的重要步驟，它可以提高基體與涂層間的綜合耐久性并提高涂覆產品的質量。現在表面預處理不僅涉及金屬基體，而且也涉及日益被廣泛應用的大量塑料基體。
早期的預處理技術和設備簡單、粗糙，以手工為主。在20世紀40年代以前，表面預處理主要以簡單水洗、手工打磨、揩擦為主。40年代，傳統水劑及有機溶劑開始大量應用。50年代，超聲波清洗的出現，改進了預處理裝置。60年代，出現了高壓噴射槍，噴射壓力約為5MPa，大大改善了預處理的效果。70—80年代，提出了“以水代油”的口號，水基清洗劑迅速發展，各種金屬清洗劑大量出現；大量清洗設備向系列化、標準化、自動化方向發展；高清潔度、高生產率的自動預處理線出現。90年代以后，化學除銹、電化學除銹大量工業化應用；高效磷化液，多種二合一、三合一、四合一處理液出現，將脫脂、除銹、磷化結合起來高效處理；大型高壓自動化環保型干、濕噴砂機出現，實現除銹、粗化一次完成；高壓、超高壓噴射槍出現，壓力可達240MPa以上；由于環保法規日益嚴格，預處理及處理后的三廢治理引起重視，三廢利用技術開始出現，并快速發展；環保型預處理技術及設備，如無塵噴砂、環保型預處理劑、綠色噴涂技術也開始應用。預處理技術的發展，促進了清洗裝置的改進、新的磷化技術和后續處理工藝的應用。
1.1.2 表面預處理技術的含義及作用
在各種工件的加工生產中，表面預處理是工件制造或維修過程中的重要工序，是工件表面尺寸精度、幾何精度、表面粗糙度檢測，表面強化性能、力學性能檢測，表面腐蝕、磨損、疲勞、劃傷、黏著情況檢測的前提，也是保證工件表面處理質量的關鍵環節。工件表面預處理的質量，直接影響零件表面分析、表面測量、表面加工、表面處理及整機或部件的裝配質量，進而影響工件與整機的可靠性與壽命。隨著科學現代化的發展，機械設備日益復雜，對工件表面的質量要求也越來越高。因此，提高工件表面預處理質量、效率已成為提高產品質量、勞動生產率和降低生產成本的關鍵之一。
表面預處理是指用機械、物理或化學等方法清除原始覆蓋層，改善基體表面原始狀態，為后續加工提供良好的基礎表面。表面預處理又稱為表面清理、表面前處理、表面預加工等。按照操作方法，表面預處理可以分為機械處理和化學（或電化學）處理兩類。機械處理分為砂輪研磨、機械拋光、噴砂噴丸、其他拋光等。化學處理分為酸性脫脂、堿性脫脂、乳液脫脂、溶劑脫脂、電解脫脂、超聲波脫脂、電解拋光、化學拋光等。按照工藝過程，可分為表面凈化處理、表面粗化處理、表面活化處理、表面轉化膜處理（磷化、氧化、鈍化）等。
（1）表面凈化處理 表面凈化處理主要是指除去以表面塵埃、油脂、污垢等雜質為主要構成的表面物理性覆蓋層，使基體表面達到必要的潔凈度。在實際生產中，表面凈化處理主要是指表面脫脂處理和表面除銹處理。
（2）表面粗化處理 表面粗化處理能夠使基體表面達到所需的表面粗糙度，主要用于表面涂層工藝，以增加涂層與基體的接觸面積，減少涂層收縮應力，產生鎖扣效應，從而提高結合強度。
（3）表面活化處理 表面活化處理的目的是除去表面的氧化層、疲勞層，露出新鮮金屬，使基體表面活化，提高基體表面自由能。表面活化處理主要用于表面涂層工藝，以提高基體分子與涂層分子的結合力，提高涂層結合強度。表面活化處理一般需要首先進行表面凈化處理。
（4）表面轉化膜處理 表面轉化膜處理是通過化學或電化學方法，使基體和溶液的界面上發生化學反應，并在基體表面形成一層附著良好的保護膜，主要包括磷化、氧化、鈍化等。
基體預處理是為涂層工藝做準備的。涂層制備技術按原理分為電鍍、電鑄、氧化、化學鍍、化學轉化膜處理、熱浸鍍、熱噴涂、熱燙印、化學熱處理、堆焊、物理氣相沉積、化學氣相沉積、離子注入、涂裝、電泳、靜電噴涂、激光表面處理、形成超硬膜等。不同的涂層制備技術對預處理的要求也不一樣。例如，大型鋼結構熱噴涂鋅和鋁涂層時對預處理的要求是：噴砂處理，基體表面粗糙度Rz值為40～80μm，干燥、無灰塵、無油污、無氧化皮、無銹跡。而化學鍍鎳涂層制備對預處理的要求是：脫脂→除銹→水洗→閃鍍，基體表面無油污，無銹跡，無鉛、鋅等污染即可，沒有表面粗糙度的要求。
基體預處理質量直接影響涂層的制備和質量。例如，對有、無磷化處理的同一涂層進行鹽霧試驗，結果約相差1倍。由此可見，脫脂、磷化等預處理對涂層的耐蝕性起非常關鍵的作用。再如，在人工水晶鉆石表面鍍覆銀層的過程中，預處理中的敏化工序若不當，則易導致銀層泛黃。
基體表面預處理主要有兩個目的：一是提高涂層與基體的結合強度，二是增加涂層的功能（防腐蝕、防磨損及特殊功能）。涂層與基體的結合類型（附著力）主要有：冶金結合，機械結合，吸附結合（范德華力物理吸附和共價鍵化學吸附），擴散結合，化學結合。某種具體的涂層與基體的結合可能是一種或多種附著力共同作用的結果，但總有一種是占主導地位的。例如，某些涂料涂層及熱噴涂涂層與基體的結合以機械力為主，這就要求預處理不僅要脫脂、除銹，還要粗化基體表面。其目的是：增大涂層與基體的接觸面積；增強涂層材料與基體表面的嵌合作用，以提高涂層與基體的附著力。但電鍍層及有機涂料層的附著力則主要是化學吸附，所以基體表面越光滑越好。此時涂層與基體表面形成共價鍵而產生了吸附力，化學鍵合力比范德華作用力大100倍以上。其過程是涂料分子遷移至工件表面，涂料中大分子的極性基團向工件中的極性基團靠近，當距離小于0.5nm時能夠相互吸引，產生范德華作用力和氫鍵。這里良好結合的必要條件是基體表面干凈，無油、無銹，使涂料的大分子極性基團與工件中的極性基團充分“靠近”。若進一步通過磷化膜、鈍化膜加強這種“靠近”，則不僅會使涂料層與工件表面鍵合力加強，而且還會將磷化膜的耐蝕性與涂料層的耐蝕性聯合起來（不是簡單的疊加），從而大大提高涂料層的耐蝕性。
1.1.3 表面預處理技術的內容
目前，生產中常用的預處理技術及方法見表1-1。
表1-1 生產中常用的預處理技術及方法
1.1.4 表面預處理技術的應用
國內外表面預處理技術的工藝流程基本相同。如神龍富康汽車的預處理工藝流程是：預脫脂→脫脂→水洗Ⅰ→水洗Ⅱ→表面調整→磷化→水洗Ⅲ→水洗Ⅳ→鈍化→循環ID液洗→新鮮ID液洗→電泳。其他國內外廠家的工藝與上述大致相同，僅有一些步驟存在差異。
1.預處理材料
（1）脫脂劑、表面劑 在國外已全部液體化，以便于自動加料和減少粉塵污染。
（2）磷化液 無鎳、無亞硝酸鹽的環保型磷化液已在國外生產線上應用，加有六氟硅酸的磷化液用于鍍鋅板磷化，其耐蝕性已提高到12年。
（3）鈍化液 國外已廣泛采用無鉻鈍化液，大大減少了環境污染。
2.預處理設備
（1）油水分離設備 目前國內汽車涂裝采用熱分離和膜分離裝置較為普遍，吸附法裝置則較少，存在的問題是涂裝預處理線的設計有待改善。
（2）磷化除渣設備 對于板式過濾除渣系統、阿瑪過濾除渣系統及連續式自動除渣系統三種類型，應根據生產規模及磷化槽容積的大小正確選擇。從工藝及設備上看，國內預處理材料及設備水平均有待于提高。
3.磷化渣的處理
國外有些廠家已著手從磷化渣中提煉鋅，最后的廢渣用于修路。這實際上也是對三廢的一種開發利用，是循環經濟理念的一種實踐，而不單是環保問題。國內這方面的工作有待開展，有的廠家僅將磷化廢液過濾成渣后坑埋，既浪費了資源，又貽害自然、貽害后代。
4.生產研發機制
以往的模式是汽車廠向預處理材料生產廠家購買材料（如磷化液、脫脂劑及除銹液等），是單一的“你生產，我來用”的關系。而現在，國外不少汽車廠與預處理材料生產廠家進行協商，例如，預處理和電泳材料如何組合，磷化渣如何處理等。通常采用含鉻鈍化與無鉛電泳涂裝組合，只有個別廠家采用無鉻鈍化和無鉛電泳涂裝組合。
5.磷化管理制度
國內一般汽車廠家對預處理都有管理制度，如神龍公司對磷化有嚴格的規定并制定了相應措施，也取得了顯著的成效。但不少廠家缺乏行之有效的檢查監督，往往造成脫脂不徹底，磷化膜不穩定，導致涂層早期脫落和生銹。國內有些廠家生產的汽車在第2年漆膜就出現銹斑，而國外廠家如雪鐵龍公司涂層標準4M級面漆耐候性要求5年外觀無銹蝕，10年無穿孔銹蝕。這單純靠涂料當然是不行的，還與預處理、噴涂內腔保護蠟等密切相關。國外有些廠家[如奧地利斯太爾（Steyr）公司]，磷化工序每天要檢查磷化液的pH值、金屬離子含量，還要進行隨車掛片試驗，檢測實際生產的磷化膜的外觀及膜厚，出現問題及時調整，確保磷化膜的質量。
基體預處理技術隨著涂層技術的迅猛發展必然也要大大發展。例如汽車涂層的發展趨勢是“兩高”（高裝飾、高耐候）和“兩低”（低污染、低能耗），預處理技術將在預處理材料、預處理設備等方面不斷地革新發展。
從預處理材料的角度，一方面要高效，即高效脫脂劑、除銹劑的開發，高質量磷化液（例如六氟硅酸）及高效鈍化液的研制。另一方面要低污染，如各種脫脂劑、表面調整劑的低污染性；環保型磷化液[無鎳、無亞硝酸鹽及無鈍化液（無鉻）]的開發，東風汽車公司從20世紀80年代以來先后開發了中溫脫脂劑和低溫脫脂劑，表面調整劑，中溫薄膜鋅鹽磷化劑、低溫薄膜鋅鹽磷化劑和常溫薄膜鋅鹽磷化劑，低鋅三元（鋅、錳、鎳）強化鈍化液等十余種預處理材料。眾所周知，氮、磷等富營養化物質是造成水體富營養化和海洋赤潮的罪魁禍首，因此已開發出無磷洗滌用品，那么預處理所用的各種脫脂劑也應無磷、無氮，這對新型磷化工藝的研究是十分有價值的。
從預處理設備的角度，一方面要高效，如高效噴砂機（100m2·h-1以上），高效方便的預處理運輸設備，計算機控制的油-水分離及磷化除渣設備的研制，參數自動控制、自動檢測及自動調整系統。另一方面要低能耗，例如在預處理過程中，只要將各槽液溫度降低1～2℃，由節能帶來的經濟效益即十分可觀。
未來預處理技術將朝著高效、低污染（環保型）預處理材料及工藝和高效（高自動化）、低能耗預處理設備的研制方向發展。