汽车紧固件拋丸黑色磷化滚浸自动线的工艺改进

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汽车紧固件拋丸黑色磷化滚浸自动线的工艺改进
 
唐春华 泉州创达金属表面有限公司
金增锡 襄阳市襄玉机械有限公司
 
摘要：为解决汽车紧固件酸洗+高温锰系黑色磷化工艺污染大、能耗高的缺点，提出了以拋丸代替酸洗和以浸黑磷化代替高温锰系磷化的工艺改进举措。经过大批量生产应用，表明替代工艺具有拋丸除锈污染小、浸黑磷化节能明显的优点，同时磷化质量有很大提高。
关键词：汽车紧固件拋丸浸黑磷化环保工艺改进
中图分类号：TG178       文献标识码B
 
1问题提出
某汽配机械厂的汽车紧固件滚浸磷化龙门式自动线采用线上酸洗+高温黑色锰系磷化工艺，运行1年左右后发现原工艺存在几个问题：a.由于大量使用盐酸（该线每月消耗盐酸约3 t），酸洗去除热处理氧化皮时，酸雾气体太大，十分呛人，操作困难。虽然线上设置有抽风系统（风量1500m3/h），但抽酸雾效果甚微；b.自动线上机器设备（程控元件、电机等）腐蚀严重，停机、换件频繁，耽误生产，而且增加了设备维修费用；c.降低了工件的机械强度，如30Cr、40Cr等紧固件经盐酸酸洗吸氢产生氢脆，工件在使用过程中有断裂的危险性；d.高温锰系磷化工艺存在诸多弊端（如能耗高、槽液稳定性差、磷化膜挂灰严重且粗糙等），目前除了有特殊性能要求的工件以外，一般很少采用该工艺。
为解决上述问题，该厂采用分步工艺改进方案。首先选用浸黑磷化工艺代替高温锰系磷化工艺，在试用可行的情况下，再以抛丸除锈代替酸洗除锈。经反复试用、改进，最终获得良好结果，解决了困扰生产的难题。
2抛丸
2.1  机理与作用
抛丸除锈过程在清理室内完成。在清理室门关闭状态下，工件被正旋转履带（转速为3.6r/min）带动，弹丸以一定的线速度、呈扇形束均匀地打击基材表面，从而达到除去氧化皮和细化表面的目的。
钢材表面受弹丸冲击作用后，晶粒细化，疲劳强度、抗腐蚀能力较抛丸前分别提高约80%和约1倍（检测抛丸紧固件耐盐雾腐蚀3.5 h不锈）。
2.2  抛丸清理机
抛丸清理机由抛丸清理室、抛丸器、砂丸提升分离机构、除尘系统和电器控制系统等组成。紧固件抛丸清理机可选用小型机，如QPL1000A 型（清理室尺寸为φ600 mm×800 mm，装载量约200 kg）、Q326C型（装载量约150 kg）等。
2.3抛丸材料
2.3.1弹丸分类与作用
弹丸分为铸钢丸、铸钢砂和不锈钢丸等。铸钢丸具有细化基材表面的作用，钢砂具有除去氧化皮的作用，不锈钢丸则具有除去精磨表面氧化膜和调节抛丸效果的作用（使抛丸表面更白亮、更细化）。
当弹丸速率固定时，大弹丸用于打击除去大面积的杂质，小弹丸用于除去小面积的杂质，以获得满意的表面清洁度。如果使用的弹丸过大，虽然清除杂质效果好，但容易造成表面粗糙度过高；反之，弹丸过小，清除杂质效果不好。因此，应该根据基材表面的杂质状况而选择合适的弹丸尺寸等级。此外，弹丸材料质量的优劣既影响抛丸效果，又与弹丸的消耗量有关：质量越优越耐用、消耗量越少，反之则消耗多、成本高。某些表面加工精度高（工件有精磨面）的汽车配件不允许使用铸钢丸、和铸钢砂等，只能使用不锈钢丸以保证精磨面的光洁度。
2.3.2弹丸混合比
为了获得满意的抛丸质量和提高抛丸效率，通常将两种或两种以上的弹丸材料按一定比例混合使用。紧固件抛丸可使用的几种混合弹丸如下，紧固件厂家究竟采用哪种混合比的弹丸，需要通过生产试验确定。
a.（铸钢丸SS110/SS0.3）：（铸钢砂G40/G0.7）：（铸钢砂G50/G0.5） =2：2：1。
b.（铸钢丸SS110/SS0.3）：（铸钢砂G40/G0.7）：（铸钢砂G50/ G0.5） =1：1：1。
c.（铸钢丸SS110/SS0.3）：（铸钢砂 G50/G0.5）=1：1 。
d.（铸钢丸SS110/SS0.3）：（铸钢砂 G50/G0.5）：（不锈钢丸）=4：5：1。
2.3.3抛丸时间
一般抛丸时间越长，抛丸质量越好，磷化质量越优。但抛丸时间过长可能造成螺纹牙抛损过度，同时增加生产成本。根据螺栓、螺母不同的磷化质量要求，通常螺栓的抛丸时间为20〜40 min，螺母抛丸15〜20 min，以抛净锈物为准。为缩短抛丸时间，有的厂家采取先线外酸洗再抛丸，但酸洗会带来污染。
2.4抛丸后处理
2.4.1防锈
为了防止抛丸件在转运和顺牙过程中返锈，抛丸件应使用水基防锈液或煤油+少量防锈油进行防锈处理。
2.4.2 顺牙
为了保证螺栓、螺母的装配性，抛丸的螺栓（除小件的防松螺栓外）应顺牙后及时转入磷化工序。
2.5抛丸的操作程序
a.在抛丸清理室内加入规定的混合弹丸（75-125 kg）。
b.将工件装入清理室内（油污严重的工件需预除油），关闭清理室门。装载量按机器规定。
c.依次按下除尘、抛丸、提升和滚筒等按钮，此时抛丸机运转。观察工作电流是否正常，若工作电流<12A，表明弹丸量不足，应立即补加弹丸，使电流达到12-15A范围。事先设定抛丸时间，预定时间一到，自动停机。
d.卸件。停机后稍等片刻，打开清理室门，按下滚筒反转开关，自动卸料。
2.6抛丸清理机的维护
a.如在工件抛丸时发现有强烈振动或噪声，应立即停机并检査。
b.应该经常检査抛丸器易损件（包括分丸轮、定向套、叶片、端护板、侧护板和顶护板等）的磨损情况，当磨损至原厚度的1/5时要及时更换；同时还要检査履带使用过程中的涨紧状况。
c.定期清除积尘箱中落入的尘埃。
2.7抛丸故障处理
2.7.1抛丸量下降，抛丸时间长
a.弹丸量不足：应补充弹丸。
b.弹丸过小：更换合适弹丸。
c.弹丸流量小：调节电磁阀门，增大弹丸流量；若弹丸循环量不足，应加入弹丸。
d.输丸管被堵塞：清理堵塞物。
3.1  作用
将经过抛丸处理的铁基材工件浸入浸黑液中至规定时间，工件表面会形成均匀、疏松的黑膜，作为磷化处理的底层，继而形成黑色复合磷化膜（简称浸黑磷化）。浸黑磷化膜的构成为Fe/黑膜/磷化膜，该复合膜的耐蚀性更好。
3.2  工艺条件
3.2.1浸黑剂
浸黑剂可以购买或自行配制（由引黑剂、助溶剂和固膜剂等组分配制）。浸黑剂无毒，应选择使用方便、成膜快、溶液稳定、耗量少、成本低的浸黑剂并通过生产验证使用效果。
3.2.2浸黑剂的质量浓度
按规定配制工作液，控制pH值约为0.5。生产过程中根据浸黑效果（速度快慢和黑度深浅）调节溶液浓度。把握了调节方法，溶液稳定、使用寿命延长，可以达到两个星期换一次槽。以该线900L槽液为例，日处理工件约为5t，日补加浸黑剂7-8L。
3.2.3浸黑时间
浸黑时间不能太短或过长，一般为2~5 min。太短反应不完全，膜太薄且黑色浅；过长则膜疏松、太厚，磷化膜易脱落。为了方便掌握滚筒内工件的浸黑程度，可以在滚筒外系上相同工件，滚筒出槽后，直接观察挂件的浸黑程度。
4磷化
4.1工艺流程
装筒—预脱脂（连续滚动6 min， 2圈/min，下同，80¾ —脱脂（同前）—水洗1 （连续滚动1 min）—预处理（连续滚动6 min）—水洗2 （同水洗1）—浸黑（间断滚动2 min，入槽浸15s—滚45s—浸15s—滚45s，常温）—水洗3洞水洗1）—表调（连续滚动1 min）—磷化（静置浸泡12 min， 75℃）—水洗4 （同水洗1）—热水洗5 （同水洗1， 80℃）—油封（浸1 min， 80℃）—卸件—空滚筒除油（浸脱脂液2 min， 80℃）—返回装桶工序（该线有6个滚筒周转）。
注意：防松螺栓不允许油封，螺纹部位滚涂胶后自干。
4.2工艺说明
4.2.1滚筒装载量
滚筒装载工件约200kg （有孔眼六角形不锈钢滚筒长740mm），滚筒装滿工件并压实，以减少工件之间的滑动摩擦，避免后续的浸黑膜和磷化膜被擦伤、出现白点。
4.2.2滚筒的滚动方式
浸黑膜疏松、易脱落，为防止因滚动而擦伤，规定浸黑采取间断滚动方式（工件入槽片刻不能滚动）。而磷化则静置浸泡不滚动，曾一度进行间断滚动，但在其他条件不变情况下，磷化膜厚度偏薄，耐盐雾腐蚀60 h不合格，才取消滚动。
4.2.3预处理
预处理的作用是活化抛丸表面，为浸黑处理提供良好的基面。每天根据槽液日处理量补加1-2 L预处理剂，两个星期换1次槽。
4.2.4表调
表调是磷化不可缺少的工序，其作用是加快成膜速度、细化结晶、缩短磷化时间等。浸黑膜在磷化前同样也需要进行表调，在细化磷化膜的同时能防止浸黑残留液污染磷化液。控制胶体钛表调液的pH值为8.9~9.5，每曰补加0.5 kg表调剂，4天换1次槽。
4.2.5中温锌系磷化
a.酸度：TA （总酸度）为30〜40点，FA （游离勘为1〜2点，根据酸度变化补充磷化剂。为了维持酸度稳定，添加磷化剂时应分少量多次补充。
b.时间：控制时间3=10min，时间过短，不能完全覆盖浸黑膜，并且容易脱落。
c.采用间歇除渣法去除磷化沉渣：每曰生产结束后，将磷化液泵入高位沉淀槽，沉淀一夜；次日上班前将净化液泵回工作槽。每个星期清槽1次。
d抛丸至磷化的间隔时间：抛丸工件应在24 h 内磷化完毕。间隔时间过长，容易返锈；同时，间隔时间过长还导致螺母攻丝的润滑油易干涸，造成脱脂困难。
5注意事项
5.1提高磷化前处理质量
除严控抛丸质量外，保证脱脂质量也十分重要。虽然抛丸后的表面很干净，但经过顺牙处理后会增加油污。另外，如果脱脂槽油污较重（脱脂槽补料不足等原因），导致脱脂不干净，工件表面的残余油污就会被带入其他槽中滚筒卸件后未除去残余油污。滚筒表面油污靠其悬空2 min自由滴落至回收槽中，显然在2 min内油污很难滴净。当滚筒从卸件方向返回到装筒工序的运行过程中，滚筒表面的残余油污继续滴落到其他槽中，成为常态污染源。上述原因造成油污串槽污染严重，大大降低了槽液的清洁度和稳定性，直接降低工件的除油质量，进而影响磷化效果。为此，采取如下措施。
a.加强槽液管理：编制槽液管理规程，根据槽液曰消耗量来估算曰补加药剂量和更换周期（甚至包括水槽的换水周期）；保持脱脂槽的油-水分离器正常运转，最大限度地提高工件前处理质量。
b.排除油物的污染源：增加了对卸件滚筒进行除油的工序，将原来的回油槽改为脱脂槽，彻底除去滚筒携带的油污，减少卸件滚筒残留油污串槽现象。
5.2优化磷化膜的防护性
a.在原热水洗槽中加入适量无机防锈剂，磷化件经热水洗后，形成一层薄防锈膜，再油封，形成复合防锈层，防锈效果更好。
b.优选防锈油：油封原来采用混合水基防锈处理（乳化油+防锈油+水），该油膜无粘性，虽然能满足客户要求，但防锈性略低于防锈油；现选择优质防锈油，油膜较厚，防锈性更佳，与磷化膜匹配，大幅度提高了黑色磷化膜的综合防锈性能。
6应用效果
6.1磷化膜产品合格率高
6.1.1外观
膜层黑色均匀结晶细致，无挂灰。
6.1.2性能
a.结合力牢固，无脱落现象。
b.耐蚀性尚好。原水基乳化油油封耐中性盐雾试验48 h，现优质防锈油耐中性盐雾试验372 h，达到汽车紧固件功能磷化的耐蚀性要求。
6.2设备运行完好率提高
减轻了酸性气体对设备的腐蚀，设备故障少、正常运行率高、使用寿命延长、维修费用降低。
6.3有利于环境保护
大大减少了酸性废水的排放量，杜绝了酸性气体的挥发，降低了对周边环境的污染，改善了车间空气条件。