常用表面處理技術(shù)介紹.doc

常用表面處理技朮介紹陳懷超 電鍍(電沉積) 化學鍍 陽極氧化(鋁鎂鈦及它們的合金) 化學氧化(鋁及其合金鋼鐵等等) 電化學及化學轉(zhuǎn)化 鉻酸鹽處理(鋼鐵上的鋅鉻鍍層鋁鎂銅) 磷酸鹽處理(磷化) 熱浸鍍(常用的有熱浸鋅錫鋁鉛) 火焰噴涂 氣噴涂 爆炸噴涂 熱噴涂 電弧噴涂 電噴涂 等離子噴涂 高頻感應噴涂 橡膠涂層 非金屬涂覆 塑料涂層 油漆涂層 滲鍍 化學氣象沉積 擴散涂鍍 真空鍍膜 包鍍 達克羅(Dacromet浸入鋅鋁鋅鉻等漿液中形成涂層然后烘烤干燥成膜)1. 磷酸鹽皮膜處理大陸稱為磷化處理1.1 磷酸鹽皮膜機理 2H3PO4+MM(H2PO4)+H2 3M(H2PO4)24H3PO4+M3(PO4)2 M(H2PO4)2MHPO4+H3PO4生成的M3(H2PO4)2和MHPO4為磷酸鹽膜的主要成分1.2 磷酸鹽皮膜的性質(zhì)和用途(1) 耐蝕性在大氣條件下很穩(wěn)定在有機油類苯甲苯及各種氣體燃料中有很好的耐蝕性。但磷酸鹽皮膜不耐酸鹼氨海水及水蒸氣等。磷酸鹽膜經(jīng)過封閉處理后能大大提高其耐蝕性。 磷酸鹽皮膜的耐蝕性高于發(fā)藍膜。(2) 吸附性 磷酸鹽膜具有多孔構(gòu)有很好的吸附性因此常用作油漆的底層和吸附潤滑油后作為減摩層和潤滑層。(3) 電絕緣性 磷酸鹽膜是高電阻膜層有很好的電絕緣性擊穿電壓為240250V, 涂絕緣漆后可耐10001200V,又由于磷酸鹽膜不影響透磁性因此常用作電磁裝置的硅鋼片。(4) 不粘附熔融金屬的特性 此特性用于在熱浸鋅錫鉛合金時保護不需要浸涂部分。在澆鑄減摩合金和電機鑄鋁轉(zhuǎn)子時將鋼膜作磷酸鹽處理以防粘附。1.3 磷酸鹽膜成膜機理和構(gòu)成1.4 分類 鋼鐵用化成處理劑 鋁用化成處理劑 鋅用化成處理劑 不銹鋼用化成處理劑 銅用化成處理劑 鎂用化成處理劑 其他化成處理劑 涂裝打底用的化成處理劑 塑性加工用化成處理劑 防銹用化成處理劑 耐磨用化成處理劑 絕緣用化成處理劑 塑膠疊片用化成處理劑涂裝打底用皮膜特點致密均勻薄得適當 結(jié)晶粗大會吸入涂料而減少光澤不均勻會降低涂裝后的耐蝕性由于磷酸鹽膜很硬很脆皮膜過厚的話涂裝后遭到彎曲或沖擊等外力時即使別無缺陷也可能脫落。防銹用皮膜特點致密均勻厚度越厚越好孔隙率越低越好。表 1.1 美軍規(guī)格MIL-C-16173C要求的磷酸鹽皮膜的防銹性類型等級補助加工鹽水噴霧試驗磷酸鐵1施行另外規(guī)定的防銹油2施行MIL-L-3150的潤滑油243不補助加工1.54A進行無機密封不進行補助加工244B進行無機密封施行MIL-L-3150的潤滑油72磷酸鋅1施行另外規(guī)定的防銹油2施行MIL-C-16173Grade 2的不干性防銹油483不補助加工24A進行無機密封不進行補助加工244B進行無機密封施行防銹油或高熔點蠟724C進行無機密封且染上規(guī)定色244D進行無機密封及染色施行防銹油或蠟724E進行無機密封施行規(guī)定的防銹油241.5 磷酸鹽皮膜構(gòu)成皮膜化成溶液磷酸鹽膜的成分及結(jié)構(gòu)形態(tài)鋼鐵表面鋅表面鋅系磷酸鹽皮膜劑Zn(PO4).4H2OZnFe(PO4)2.4 H2O形態(tài)呈樹枝壯晶粒垂直于金屬表面Zn3(PO4).4H2O錳系磷酸鹽皮膜劑(MnFe)5H2(PO4).4H2O形態(tài)呈圓球形晶系的層狀結(jié)構(gòu)晶粒排列平行于金屬表面Zn3(PO4).4H2OMn5H2(PO4).4H2O鐵系磷酸鹽皮膜劑Fe3(PO4)2ZnFe(PO4)2.4 H2O Fe3(PO4)21.6 磷酸鹽化成工藝過程及監(jiān)控 脫脂水洗(除銹)表面調(diào)整化成水洗封閉處理或烤漆 化成工序的監(jiān)控參數(shù)游離酸度全酸度雜質(zhì)含量。脫脂工序的監(jiān)控參數(shù) 游離鹼度全鹼度。 表面調(diào)整由于脫脂溶液中的硅酸鹽使膜結(jié)晶粗糙膜重增加不適合涂裝同時強鹼溶液如NaOH也使鋅鹽磷化膜粗糙變厚并且降低磷化膜的耐蝕性和柔韌性?；罨Ш擞捎谏蓺溲趸锘蜓趸锏谋∧ざ鴾p少因此用弱鹼性的磷酸鈦鹽溶液或稀草酸溶液對鋼鐵表面進行處理可使大多數(shù)的晶核重新活化和復原細化晶粒增加晶粒數(shù)。2陽極氧化又稱為電化學氧化陽極化2.1 鋁及鋁合金的陽極化2.11 氧化膜特性(1) 多孔性硫酸陽極化膜每平方微米大約有800個孔草酸陽極化膜每平方微米大約有60個孔。由于氧化膜具有多孔狀結(jié)構(gòu)所以膜層有很好的吸附性對各種染料表現(xiàn)出很好的吸附能力故氧化膜能進行化學著色染成不同的顏色另外也可在膜孔底部電沉積金屬進行電化學著色使氧化膜不僅具有防護作用還有裝飾作用。(2) 良好的耐磨性由于陽極化膜硬度高因此耐磨性好。(3) 氧化膜的電絕緣性和絕熱性良好的電絕緣性使陽極化產(chǎn)品可作為電機和變壓器的繞線圈但其缺點是彈性小。良好的絕熱性使有氧化膜存在的情況下可防止零件在瞬間高溫的情況下熔化。2.1.2 分類 硫酸陽極化 草酸陽極化 鉻酸鹽陽極化磷酸陽極化 硼酸陽極化普通陽極化 硬質(zhì)陽極化膜層硬度高具有很好的耐磨性和耐蝕性。硬氧化膜大多用于鋁的活塞汽缸液壓設備減震器齒輪及其它鋁制零件。超硬鋁(LC4)經(jīng)硬質(zhì)陽極化后可以代替鋼使用。同時耐熱性很好能經(jīng)受住短時間的2000C高溫。因此硬氧化膜常作為一種能滿足特殊要求的功能性膜層。2.1.3陽極化的反應過程和膜的構(gòu)成陽極反應Al-3eAl3+2Al3+ +3O2-Al2O3陰極反應6OH-3H2O+3O2-2H+2eH22.1.4 膜的組成 未封閉膜 Al2O3 78.9% Al2O3H2O 0.5% Al2(SO4)3 20.2% H2O 0.4% 水封閉后的膜Al2O3 61.7% Al2O3H2O 17.6% Al2(SO4)3 17.9% H2O 2.8%2.2 其他材料的陽極氧化鈦和鈦合金的陽極氧化3化學氧化化學氧化陽極氧化工藝特點(1) 成本低生產(chǎn)效率高收效快可以大批量連續(xù)化生產(chǎn)(1) 成本較高。(2) 工藝穩(wěn)定操作方便設備簡單溶液易維護零件大小和形狀不受限制(2) 由于需外加電源零件大小和形狀影響電力線和電流的分布(3) 對鋼鐵鋁銅銀鋅錫鎘以及它們的合金均可進行化學氧化。此外化學氧化在某些功能性應用領域也得到了令人滿意的效果。因此近年來化學氧化技朮得到了很大的發(fā)展。(3)常用的為鋁及其合金鎂及鎂合金鈦及其合金的等材料陽極氧化。膜層特性(1)膜薄一般厚度為0.5-4微米(1) 膜厚(2)質(zhì)軟不耐磨抗蝕性和耐磨性低于陽極氧化膜(2) 耐蝕性好硬度高用于提高(3)可得到某些陽極化膜不能具有的功能性膜層如導電性氧化膜層(3)可得到某些特殊功能性的膜層如在多孔膜中沉積磁性合金作記憶元件。太陽能吸收板超高硬質(zhì)膜等3.1 鋁的化學氧化3.1.1 分類 純水氧化法 磷酸鹽氧化法 鉻酸鹽氧化法 磷酸鹽鉻酸鹽氧化法 堿性氧化法 酸性氧化法 可得到透明膜層。3.1.2后處理有填充處理鈍化處理噴涂處理等后處理以提高耐蝕性。3.2 鋼鐵的化學氧化因為得到膜層由呈現(xiàn)藍黑色的四氧化三鐵組成所以又叫發(fā)藍。發(fā)藍膜薄通常為0.6-1.5微米因而耐蝕性差。但是由于其有很好的吸附性經(jīng)過填充處理的發(fā)藍膜有較好的耐蝕性。如早期的槍炮管大多使用化學氧化后涂油烏黑的油亮外表。發(fā)藍膜薄不影響零件的裝配尺寸對表面光潔度高或拋光的精密件發(fā)藍后表面既亮又黑具有防護和裝飾的雙重效果。因此發(fā)藍膜在精密儀器光學儀器以及機械制造上廣為應用。4.化學鍍4.1化學鍍的特性(1) 不需要通電將鍍件直接浸入溶液即可。(2) 可在金屬半導體和非導體材料上直接進行。(3) 可在零件表面獲得厚度均勻的鍍層。(4) 通過自催化特性可得到任意厚度的鍍層。(5) 膜層空隙少致密具有很好的耐蝕性很高的硬度和耐磨性。(6) 鍍液穩(wěn)定性差更新快成本比電鍍高4.2 化學鍍種類鎳銅銀鈷金鈀鉑銠等均可經(jīng)過化學鍍沉積到鍍件表面。但最常用的主要有化學鍍鎳和化學鍍銅。4.2.1 化學鍍鎳4.2.1.1 化學鍍鎳膜層特性化學鍍鎳膜層電鍍鎳層空隙少致密多孔只有達到一定厚度(25微米以上)才能做到無孔耐蝕性好12.5微米厚的耐蝕性優(yōu)于25微米厚的電鍍鎳層耐蝕性不如化學鍍鎳層光亮化學鍍鎳層的亮度不如電鍍亮鎳層的亮度管理只能得到半光亮鍍層可得到全光亮的鍍層鍍層為鎳磷合金層含磷10%以上的鍍層為非晶態(tài)鍍層。鍍層為純鎳組成晶體結(jié)構(gòu)無論是半光亮還是不光亮鍍層脆性均較大光亮鍍層脆性大延性小。半光亮層有一定的韌性暗鎳有較好的韌性。成本高在得到相同鍍層的條件下大約為電鍍鎳層價格的5倍成本比化學鍍鎳低4.2.1.2 化學鍍鎳的沉積機理以次磷酸鹽鍍液為例首先是次磷酸根在固體催化表面上氧化脫氫并生成亞磷酸根反應為H2PO2-+H2OH+HPO32-+2H吸附于催化表面上的活潑氫原子使鎳離子還原成金屬鎳而本身則氧化為氫離子Ni2+2HNi+2H+同時溶液中的部分次磷酸根也被吸附在催化表面上的活潑氫原子還原成單質(zhì)磷 H3PO2-+HP+H2O+OH-因此化學鍍鎳得到的是鎳磷合金層而不是單一的鎳層?；瘜W鍍鎳過程中會發(fā)生析氫副反應2HH24.2.1.3 化學鍍鎳的工藝過程脫脂活化化學鍍4.2.1.4 塑膠電鍍與化學鍍塑膠電鍍的工藝過程脫脂粗化(微觀粗化)敏化(吸附易氧化的物質(zhì))活化(多用膠體鈀通過與敏化步驟吸附的氧化物反應而獲得一層具有催化作用的金屬膜)還原處理(消除殘余活化物質(zhì))化學鍍鎳或鍍銅電鍍4.2.1.5 化學鍍鎳的用途石油管道計算機硬盤耐磨元件等4.2.2 其它化學鍍的用途化學鍍銅主要用于非金屬材料表面金屬化特別是印制電路板的孔金屬化實現(xiàn)孔兩邊導通?；瘜W鍍銀用于生產(chǎn)保溫瓶(銀鏡反應)裝飾物等5.防銹油脂5.1概述防銹油脂是在礦物油(或合成油)中加入油溶性緩蝕劑和其它輔助添加劑而組成的一種防銹材料。具有取材容易成本較低工藝簡單適應性廣防銹效果顯著等優(yōu)點。廣泛用于機械制造過程及金屬制品的儲存運輸過程中。它與氣相防銹材料可剝性塑料共稱為暫時防銹中的三大防銹材料。5.2防銹油防銹的原理防銹油一般由油溶性緩蝕劑和溶解緩蝕劑的油類組成。油溶性緩蝕劑在分子結(jié)構(gòu)上都同時具備極性和非極性基團。非極性基團使其能溶于油中極性基團則使其能吸附在金屬表面延緩金屬腐蝕。油主要起保護緩蝕劑吸附分子彌補吸附膜不完整之處保障油膜的厚度等作用。由緩蝕劑和油在金屬表面形成致密的吸附膜有效阻止水分子氧氣和其它腐蝕性介質(zhì)的浸入從而阻止金屬腐蝕。5.3 防銹油應具備的性能(1) 防銹性能良好(2) 無腐蝕性與其所接觸的金屬或非金屬部件不其作用。(3) 對人體無害無特殊臭味或其它刺激性氣味(4) 具有很好的化定性在長期儲存中不變質(zhì)不氧化效果恒定。能有效防止有害氣體和水擴散到金屬表面同時對手汗有一定的置換性(5) 涂層不因溫度變化而流失或龜裂涂層應有一定的強度涂層要薄且除膜性好并能適應多種包裝材料的包裝。5.4 防銹油種類 工序間防銹油 防銹潤滑兩用油 封存防銹油 液體防銹油 硬膜油 軟膜油 溶劑稀釋型防銹油 不干性防銹油 半干性防銹油 干性防銹油6 真空鍍膜6.1 分類 真空蒸鍍 真空濺射鍍 離子鍍共同特點在真空室內(nèi)(有時充有負壓的惰性氣體)實行氣相鍍覆的一類技朮。6.2真空蒸鍍將零件與涂層材料同時放在鐘罩形的真空室內(nèi)涂層材料受熱蒸發(fā)蒸發(fā)出的分子(或原子)在自由行程內(nèi)與受鍍零件表面相遇并不斷凝結(jié)成膜。鍍件可以是金屬也可以是非金屬。涂覆材料只能選擇熔點低蒸氣壓較高的材料如鋅鎘銅銀金鎳和鉻等。對低熔點金屬的鍍覆效果好只能用于鍍薄膜。真空蒸鍍目前主要用于制作各種薄膜電子元件沉積各種光學薄膜以及在用陶瓷金屬塑料人造寶石和紙質(zhì)制成的工藝美朮品上沉積裝飾膜。6.3 陰極濺射鍍 在真空度不太高的環(huán)境中在強電場的作用下利用氣體放電時產(chǎn)生的高速正離子轟擊陰極靶材料(鍍覆材料)從靶表面濺射出原子或分子并沉積到基體(被鍍零件)表面上形成薄膜的技朮或者說是利用濺射現(xiàn)象的成膜技朮。 鍍件可以是組成強電場的陽極也可以是放在灰光放電區(qū)域內(nèi)其它位置的零件。零件充作陽極的方法是直流雙極濺射法是一種簡單而標準的濺射法。 濺射鍍膜層的附著力比蒸鍍強鍍覆材料不受熔點和蒸氣壓的限制但濺射鍍的速度不如蒸鍍快。 濺射鍍已經(jīng)得到了廣泛的應用。在表面強化和穩(wěn)定化方面濺射鍍用于鍍覆耐磨損層超硬合金層耐蝕層和抗高溫腐蝕合金層等。用濺射鍍來裝飾塑料制品外觀美麗附著力好。在電子和光學方面濺射鍍用于制造大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路高能紅外激光中的紅外反射膜。在磁性記錄方面濺射鍍用于高密度和超高密度記錄的磁盤磁帶和磁頭的磁性層。在能源方面可用于濺鍍高效太陽能結(jié)晶電池的硅膜固體電介質(zhì)燃料電池中的氧化鉻薄膜在太陽能熱發(fā)電吸附板上濺鍍黑鉻等6.3離子鍍 離子鍍是在真空蒸鍍和濺射鍍的基礎上發(fā)展起來的一種新技朮。在真空室內(nèi)鍍覆材料作為蒸發(fā)源并作為陽極被鍍基體作為陰極。在合適的氣壓和電壓下基體和蒸發(fā)源之間會產(chǎn)生灰光放電一部分氬氣產(chǎn)生電離由電離生成的氬離子受負高壓基體的吸附轟擊基體使基體受到離子的刻蝕清晰而除去上面吸附的污染層。 當清洗完畢后再使蒸發(fā)源中的涂覆材料蒸發(fā)蒸發(fā)出的粒子進入灰光放電區(qū)其中一部分電離為正離子受負高壓電場作用沉積在基體上。在發(fā)生沉積時基體繼續(xù)受氬離子和蒸發(fā)料離子的刻蝕清洗所以只有沉積速度大于刻蝕速度的情況下沉積層才能加厚獲得所需的膜層。膜層有較高的附著力繞鍍能力強基體各部分都能鍍上均勻的鍍層離子鍍膜層有較高的質(zhì)量鍍前處理簡單可采用的基體材料和鍍覆材料簡單沉積速度與真空蒸鍍一樣高可以用于制備厚膜。由于離子鍍技朮可以鍍覆用其它方法難以鍍覆的膜層且有優(yōu)異的性能因而應用十分廣泛。離子鍍膜可作為耐蝕耐熱裝飾和耐磨等各種