表面處理技術(shù)概論第4章轉(zhuǎn)化膜技術(shù)-PPT課件

1、第四章 轉(zhuǎn)化膜技術(shù)目 錄4.1 轉(zhuǎn)化膜技術(shù)簡介4.2 陽極氧化4.3 微弧氧化4.4 化學(xué)氧化4.5 金屬的磷化4.6 金屬的鉻酸鹽鈍化4.7 著色處理技術(shù)思考題4.1 轉(zhuǎn)化膜技術(shù)簡介 4.1.1 轉(zhuǎn)化膜的分類 4.1.2 化學(xué)轉(zhuǎn)化膜常用處理方法 4.1.3 防護(hù)性能 4.1.4 表面轉(zhuǎn)化膜用途4.1 轉(zhuǎn)化膜技術(shù)簡介轉(zhuǎn)化膜是指由金屬的外層原子和選配的介質(zhì)的陰離子反應(yīng)而在金屬表面上生成的膜層。鎂合金摩托車端蓋磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜它的生成必須有基底金屬的直接參與，也就是說，它是處在表層的基底金屬直接同選定介質(zhì)中的陰離子反應(yīng)，使之達(dá)成自身轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物（MmAn）。由此可見，化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的形成實際上可以看作是受控

2、的金屬腐蝕的過程。 電子是視為反應(yīng)產(chǎn)物來表征的?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化膜的形成既可是金屬/介質(zhì)界面間的純化學(xué)反應(yīng)，也可以是在施加外電源的條件下所進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)。4.1.1 轉(zhuǎn)化膜的分類按是否存在外加電流分類：化學(xué)轉(zhuǎn)化膜與電化學(xué)轉(zhuǎn)化膜 按膜的主要組成物分類：氧化物膜；鉻酸鹽膜、磷酸鹽膜及草酸鹽膜等 按界面反應(yīng)類型：轉(zhuǎn)化膜與偽轉(zhuǎn)化膜兩類 按基體金屬種類：鋼鐵轉(zhuǎn)化膜、鋁材轉(zhuǎn)化膜、鋅材轉(zhuǎn)化膜、銅材轉(zhuǎn)化膜及鎂材轉(zhuǎn)化膜 按用途分：涂裝底層轉(zhuǎn)化膜、塑性加工用轉(zhuǎn)化膜、除銹用轉(zhuǎn)化膜、裝飾性轉(zhuǎn)化膜、減摩或耐磨性轉(zhuǎn)化膜及絕緣性轉(zhuǎn)化膜等按形成膜層時所采用的介質(zhì)分：氧化物膜 氧化 ；磷酸鹽膜 磷化 ；鉻酸鹽膜 鈍化 4.1.2 化

3、學(xué)轉(zhuǎn)化膜常用處理方法方法特 點適 用 范 圍浸漬法 工藝簡單易控制，由預(yù)處理、轉(zhuǎn)化處理、后處理等多種工序組合而成。投資與生產(chǎn)成本較低、生產(chǎn)效率較低、不易自動化 可處理各類零件，尤其適用于幾何形狀復(fù)雜的零件。常用于鋁合金的化學(xué)氧化、鋼鐵氧化或磷化、鋅材鈍化等陽極化法 陽極氧化膜比一般化學(xué)氧化膜性能更優(yōu)越。需外加電源設(shè)備，電解磷化可加速成膜過程 適用于鋁、鎂、鈦及其合金陽極氧化處理?？色@得各種性能的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜噴淋法 易實現(xiàn)機(jī)械化或自動化作業(yè)，生產(chǎn)效率高，轉(zhuǎn)化處理周期短、成本低，但設(shè)備投資大 適用于幾何形狀簡單、表面腐蝕程度較輕的大批量零件刷涂法 無需專用處理設(shè)備，投資最省、工藝靈活簡便。但生產(chǎn)效率

4、低、轉(zhuǎn)化膜性能差、膜層質(zhì)量不易保證 適用于大尺寸工件局部處理或小批零件以及轉(zhuǎn)化膜局部修理化學(xué)轉(zhuǎn)化膜常用方法、特點及適用范圍4.1.3 防護(hù)性能主要是依靠將化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬單質(zhì)轉(zhuǎn)化為化學(xué)性質(zhì)不活潑的金屬化合物，如氧化物、鉻酸鹽、磷酸鹽等，提高金屬在環(huán)境中的熱力學(xué)穩(wěn)定性。一般來說，化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的防護(hù)效果取決于下列幾個因素。被處理基體金屬的本質(zhì)。轉(zhuǎn)化膜的類型、組成和結(jié)構(gòu)。膜層的處理質(zhì)量，如與基體金屬的結(jié)合力、孔隙率等。使用的環(huán)境。4.1.4 表面轉(zhuǎn)化膜用途提高材料的耐蝕性 ；氧化或磷化 提高材料的減摩耐磨性；磷化 提高材料的裝飾性 ；鈍化 ；著色 用作涂裝底層；磷化膜 絕緣；磷化膜 防爆；瓦斯，粉塵

5、，鋁及鋁合金與不銹鋼碰撞易通過鋁熱反應(yīng)發(fā)生火花引爆。4.2 陽極氧化4.2.1 鋁及鋁合金的陽極氧化4.2.2 鋁陽極氧化膜的著色和封閉4.2.3 鎂合金陽極氧化4.2 陽極氧化陽極氧化的主要用途包括以下幾點： 作為防護(hù)層：陽極氧化膜在空氣中有足夠的穩(wěn)定性，能夠大大提高鋁制品表面的耐蝕性能。 作為防護(hù)-裝飾層：在硫酸溶液中進(jìn)行陽極氧化得到的膜具有較高的透明度，經(jīng)著色處理后能得到各種鮮艷的色彩，在特殊工藝條件下還可以得到具有瓷質(zhì)外觀的氧化層。 作為耐磨層：陽極氧化膜具有很高的硬度，可以提高制品表面的耐磨性。 作為絕緣層：陽極氧化膜具有很高的絕緣電阻和擊穿電壓，可以用作電解電容器的電介質(zhì)或電器制品

6、的絕緣層。 作為噴漆底層：陽極氧化膜具有多孔性和良好的吸附特性，作為噴漆或其他有機(jī)覆蓋層的底層，可以提高漆或其他有機(jī)物膜與基體的結(jié)合力。 作為電鍍底層：利用陽極氧化膜的多孔性，可以提高金屬鍍層與基體的結(jié)合力。4.2.1 鋁及鋁合金的陽極氧化鋁陽極氧化是將鋁及其合金置于相應(yīng)電解液（如硫酸、鉻酸、草酸等）中作為陽極，在特定條件和外加電流作用下，進(jìn)行電解。 原理 鋁是兩性金屬，鋁表面氧化物膜的生成既與點位有關(guān)，也與溶液的pH值有關(guān)。 一般認(rèn)為，鋁和鋁合金在堿性和酸性兩種電解液里都能進(jìn)行陽極氧化，最常用的是酸性電解液， 工業(yè)上鋁及鋁合金的進(jìn)行陽極氧化時，所用的電解液一般為中等溶解能力的酸性溶液，如硫酸

7、、鉻酸、草酸等，鉛作為陰極，僅起導(dǎo)電作用。鋁及鋁合金進(jìn)行陽極氧化時，由于電解質(zhì)是強(qiáng)酸性的，陽極電位較高，因此陽極反應(yīng)首先是水的電解，產(chǎn)生初生態(tài)的O，氧原子立即對鋁發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧化鋁，即薄而致密的陽極氧化膜。陽極發(fā)生的反應(yīng)如下： H2O-2e-O+2H+ 2Al+3OA12O3陰極只是起導(dǎo)電作用和析氫反應(yīng)： 2H+2e-H2同時酸對鋁和生成的氧化膜進(jìn)行化學(xué)溶解： 2Al+6H+2Al3+3H2 A12O3+6H+2A13+3H2O 因此,氧化膜的生長與溶解同時進(jìn)行，只是在氧化的不同階段兩者的速度不同，當(dāng)膜的生長速度和溶解速度相等時，膜的厚度才達(dá)到定值。鋁陽極氧化膜的結(jié)構(gòu) 鋁及鋁合金的氧化膜

8、具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)，如下圖所示。其規(guī)則的微孔垂直于表面其結(jié)構(gòu)單元尺寸、孔徑、壁厚和阻擋層厚等參數(shù)均可由電解液成分和工藝參數(shù)控制。一般來說，孔的長度(膜厚)為孔徑的1000倍以上?？紫堵释ǔＴ?0左右，硬質(zhì)膜的孔隙率可以降至24，建筑用氧化膜的孔隙率約為11。鋁及鋁合金陽極氧化膜的特點功能性：可以通過封孔處理以提高其保護(hù)性，也可在孔隙中沉積特殊性能的物質(zhì)而獲得某些特殊功能，從而形成多種多樣的功能性膜層。吸附性：由于氧化膜呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，且微孔的活性較高，有很好的吸附性。氧化膜對各種染料、鹽類、潤滑劑、石蠟、干性油、樹脂等均表現(xiàn)出很高的吸附能力。耐蝕、耐磨性：鋁及鋁合金陽極氧化處理后，再經(jīng)過著色和封閉處

9、理可以獲得各種不同的顏色，并能提高膜層的耐蝕性、耐磨性。絕緣性：鋁的陽極氧化膜的阻抗較高，是熱和電的良好絕緣體。同時氧化膜的導(dǎo)熱性很低，其穩(wěn)定性可達(dá)1500。陽極氧化膜與基體金屬的結(jié)合力很強(qiáng)。硫酸陽極氧化：520微米，吸附力強(qiáng)，硬度高，耐磨，抗腐蝕，膜無色透明，染色。該工藝溶液穩(wěn)定、允許雜質(zhì)含量范圍大，與鉻酸鹽、草酸法比節(jié)能省電。鋁及鋁合金的陽極氧化工藝配方及工藝條件配比1配比2配比3硫酸（H2SO4）/（g/L）鋁離子（Al3+）/（g/L）溫度/電壓/V電流密度/（A/dm2）時間/min陰極材料陽極與陰極面積比攪拌電源16020020132612220.52.53060純鋁或鋁錫合金板1

10、.5:1壓縮空氣攪拌直流電160200200712220.52.53060純鋁或鋁錫合金板1.5:1壓縮空氣攪拌直流電100110100)，金屬鐵與氧化劑和強(qiáng)堿作用，生成亞鐵酸鈉(Na2FeO2)和鐵酸鈉(Na2Fe2O4)，兩者相互反應(yīng)生成磁性氧化鐵(Fe3O4)，具體的反應(yīng)式如下：3Fe + NaNO2+ 5NaOH= Na2FeO2+ H2O +NH38Fe+3NaNO3+5NaOH+2H2O=4Na2Fe2O4+3NH3Na2FeO2+Na2Fe2O4+2H2O=Fe3O4+4NaOH反應(yīng)的特點：反應(yīng)中消耗大量氧化劑，需要適當(dāng)補(bǔ)充，苛性堿很少補(bǔ)充。堿液濃度過高會加速氧化膜的溶解。工業(yè)上

11、常使用兩種濃度不同的氧化溶液進(jìn)行兩次氧化。在新配溶液中加入適量廢鋼或低濃度的舊液，增加槽液中的鐵離子，從而獲得較好的鍍層。磁性氧化鐵致密，和基體金屬結(jié)合好，厚度0.60.8微米，在干燥空氣中穩(wěn)定，在濕的大氣中保護(hù)性較差，因此通常氧化后要浸油處理。 單槽法操作簡單，目前使用較廣泛，其中，配方1為通用氧化液，操作方便，膜層美觀光亮，但膜層較薄藍(lán)黑色氧化膜；配方2氧化速度快，膜層致密，但光亮度稍差。 雙槽法是在兩個濃度和工藝條件不同的氧化溶液中進(jìn)行兩次氧化處理。此法得到的氧化膜較厚，耐腐蝕性高，還能消除零件表面掛灰黑色氧化膜氫氧化鈉 提高氫氧化鈉的濃度，氧化膜的厚度稍有增加，但容易出現(xiàn)疏松或多孔的缺

12、陷。濃度過高還易產(chǎn)生紅色掛灰，超過1100g/L時，則不能生成氧化膜。氫氧化鈉濃度過低時，生成的氧化膜較薄，產(chǎn)生花斑，防護(hù)能力差。氧化劑 提高氧化劑濃度可以加快氧化速度，膜層致密、牢固。當(dāng)氧化劑濃度低時，得到的氧化膜厚而疏松。溫度 提高溶液溫度，生成的氧化膜層薄，且易生成紅色掛灰，導(dǎo)致氧化膜的質(zhì)量降低。氧化液成分對氧化膜性能的影響鐵離子濃度 氧化溶液中必須含有一定量的鐵離子才能使膜層致密，結(jié)合牢固。鐵離子濃度過高，氧化速度降低，工件表面易出現(xiàn)紅色掛灰。氧化溶液中鐵的含量一般控制在0.52g/L。當(dāng)鐵的含量過高時，可以將溶液稀釋，即將沸點降到120，沸騰片刻后靜置，這時部分鐵酸鈉水解成Fe(OH

13、)3沉淀。除去沉淀后再將氧化溶液加熱濃縮，待沸點溫度升至工藝規(guī)范內(nèi)即可進(jìn)行生產(chǎn)。鋼鐵含碳量鋼鐵中碳含量增加，組織中的Fe3C增多，即陰極表面增加，陽極鐵的溶解過程加劇，促使氧化膜生成的速度加快，故在同樣溫度下氧化，高碳鋼所得到的氧化膜一定比低碳鋼的薄4.5 金屬的磷化4.5.1 鋼鐵的磷化4.5.2 有色金屬的磷化處理4.5 金屬的磷化 磷化處理就是用含有磷酸、磷酸鹽和其他化學(xué)藥品的稀溶液處理金屬，使金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橥暾?、具有中等防蝕作用的不溶性磷酸鹽層的方法。該方法最早是由wARoss于1864年提出，主要的思路是讓金屬(如鋼)在適當(dāng)?shù)臏囟认屡c磷酸長時間接觸，使金屬表面發(fā)生化學(xué)

14、轉(zhuǎn)化。這種想法于1906年由TW. Coslett提出具有生產(chǎn)應(yīng)用的專利。磷化處理在上世紀(jì)40年代末和50年代初發(fā)展迅速，并成為金屬防腐所采用的一種廣泛而有效的方法。磷化處理工藝簡單，容易操作，成本低廉，所以普遍應(yīng)用于機(jī)械、汽車、航空、造船和日用品制造工業(yè)等方面。目前在磷化膜中發(fā)現(xiàn)的磷酸鹽化合物約有30余種，存在于大多數(shù)磷化膜的主要磷酸鹽有磷酸鐵鋅、磷酸鋅、磷酸亞鐵、酸性磷酸鐵錳、酸性磷酸鐵、酸性磷酸鈣和磷酸鈣鋅等。磷化膜組成的主要部分由含有平均為2到4個分子水(通常是4個)的磷酸鹽結(jié)晶組成。 ， 磷化膜層以所生成的工藝不同，其厚度差別很大，通常在l15微米范圍，厚的磷化膜可達(dá)50微米，但實際

15、使用中通常采單位面積的膜層質(zhì)量。根據(jù)膜重一般可分為薄膜( 10gm2 )三種。金屬磷化膜層有如下特點：與涂層結(jié)合牢固，其耐蝕性比磷化膜涂油提高10倍，而比涂料本身的耐蝕性提高12倍。磷化處理可以在管道、氣瓶和復(fù)雜的鋼制零件或其他金屬的內(nèi)表面上，以及難以用電化學(xué)法獲得防護(hù)層的零件表面上得到保護(hù)層。磷化處理所需設(shè)備簡單。操作方便、可用于自動化生產(chǎn)，成本低、生產(chǎn)效率高。硬度不高、機(jī)械強(qiáng)度差、性脆不宜變形。耐化學(xué)穩(wěn)定性差，可溶于酸、堿溶液?？紫堵矢摺⒁孜瘴畚锖透g介質(zhì)，必須及時進(jìn)行后處理。4.5.1 鋼鐵的磷化鋼鐵經(jīng)磷化處理后所得的磷化膜，主要用作涂料的底層、金屬冷加工時的潤滑層、金屬表面保護(hù)層以及

16、用作電機(jī)硅鋼片的絕緣處理、壓鑄模具的防粘處理等。高溫磷化（9098）：高溫磷化處理的優(yōu)點是磷化膜的耐蝕性能及結(jié)合力較好；但它的槽液加溫時間長，溶液揮發(fā)量大，游離酸度不穩(wěn)定，結(jié)晶粗細(xì)不均勻。中溫磷化（5070）：中溫磷化的游離酸度較穩(wěn)定，容易掌握，磷化時間短，生產(chǎn)效率高，磷化膜耐蝕性能與高溫磷化的基本相同；缺點是溶液較復(fù)雜，調(diào)整較困難。常溫磷化（2025）：常溫磷化的優(yōu)點是不需加熱，藥品消耗少，溶液穩(wěn)定，缺點是有些配方處理時間較長。4.6 金屬的鉻酸鹽鈍化 鉻酸鹽處理是指使金屬表面轉(zhuǎn)化成以三價鉻和六價鉻組成的鉻酸鹽為主要組成的膜的一種工藝方法。該方法所用的介質(zhì)一般是以鉻酸、堿金屬的鉻酸鹽或重鉻酸

17、鹽為基本成分的溶液。金屬經(jīng)鉻酸鹽處理不但可以提高其抗蝕性能，還能提高金屬同漆層或其他有機(jī)涂料的粘附能力，并能獲得好的裝飾外觀，而且該工藝方法簡便易行(工作溫度多為室溫)，適用性廣，所需的處理時間較短，因此應(yīng)用普遍。 鉻酸鹽膜層可分為兩種類型，即黃色與綠色的鉻酸鹽膜。鉻酸鹽主要用于鋁材及鋅材表面的成膜，也可在鎘、鐵、黃銅、銅、鎂、錫、銀等金屬表面上析出。鉻酸鹽膜的形成是因為六價鉻化合物有以下性質(zhì)：在酸性溶液里鉻酸鹽是強(qiáng)氧化劑，會使金屬表面上生成不溶性鹽或增加氧化膜的厚度；鉻酸的還原物通常是不溶性的，如Cr2O3；金屬的鉻酸鹽(例如ZnCrO4)通常是不溶性的；鉻酸鹽能參加許多復(fù)雜反應(yīng)，生成包括被

18、處理金屬離子在內(nèi)的復(fù)合物沉積。各種金屬在含有能起到活化作用的添加物的鉻酸鹽溶液中形成鉻酸鹽膜的過程大致相同，可分為以下三個步驟： 1)表面金屬被氧化并以離子的形式轉(zhuǎn)入溶液，同時氫在表面上析出。 2)所析出的氫促使一定數(shù)量的六價鉻被還原為三價鉻，并由于金屬溶液界面相區(qū)pH的提高，三價鉻便以氫氧化鉻膠體的形式沉淀。 3)氫氧化鉻膠體自溶液中吸附和結(jié)合一定數(shù)量的六價鉻，構(gòu)成具有某種組成的轉(zhuǎn)化膜。鉻酸鹽膜的組成與結(jié)構(gòu)鉻酸鹽膜主要由三價鉻和六價鉻的化合物，以及基體會屬或鍍層金屬的鉻酸鹽組成。不同基體金屬，采用不同的鉻酸鹽處理溶液，得到的膜層顏色和膜的組成也不相同。膜層中的三價鉻和六價鉻組成含水的復(fù)合物。

19、三價鉻的復(fù)合物是膜的不溶部分，它使膜具有一定的硬度，同時也影響到膜的耐蝕性。六價鉻化合物以夾雜形式或由于被吸附或化學(xué)鍵的作用，分散在膜的內(nèi)部起填充作用。當(dāng)膜受到輕度損傷時，可溶性的六價鉻化合物能使該處再鈍化。各種金屬上的鉻酸鹽膜大都具有某種色澤特征，其深淺視受處理金屬的種類、成膜工藝條件和后處理的方法等多種因素而定。鉻酸鹽膜的電阻率十分的低，膜層同基底金屬的結(jié)合非常的好。4.7 著色處理技術(shù)4.7.1 鋁合金的著色4.7.2 不銹鋼的著色4.7 著色處理技術(shù)4.7.1 鋁合金的著色自然著色法 在特定的電解液條件下，鋁合金在進(jìn)行陽極氧化的同時就著上了特定的顏色。自然著色法合金著色法 含有硅、鉻、

20、錳等成分的鋁合金材料在進(jìn)行陽極氧化處理時，產(chǎn)生帶有顏色的氧化膜的方法電解液著色法 在以磺基水楊酸、馬來酸和草酸為主的有機(jī)酸溶液中進(jìn)行陽極氧化處理而得到著色氧化膜的方法自然著色法的分類 自然著色法有如下特點：工藝簡單，無污染，但其需要高電壓和高電流，耗電量大。必須用離子交換裝置連續(xù)凈化電解液，對電解液中Al3+的含量也有嚴(yán)格要求。有機(jī)酸價格較貴，著色成本高。電解著色法 先在一般電解液中生成氧化膜，然后在含有金屬鹽的電解液中再次進(jìn)行電解，使金屬鹽的陽離子沉積在氧化膜微孔底層，從而實現(xiàn)著色，因此也稱二次電解著色法。工藝流程： 鋁制工件脫脂清洗電解拋光或化學(xué)拋光清洗硫酸陽極氧化清洗中和清洗電解著色清洗

21、封閉光亮化處理成品檢驗 4.7.2 不銹鋼的著色化學(xué)著色 將不銹鋼工件浸在一定的溶液中，因化學(xué)反應(yīng)而使不銹鋼表面呈現(xiàn)出彩色的方法?；瘜W(xué)著色法分為四種：堿性著色法 不銹鋼在含有氧化劑及還原劑的強(qiáng)堿性水溶液中進(jìn)行著色。硫化法 不銹鋼表面經(jīng)過活化后，再浸入含有氫氧化鈉和無機(jī)硫化物的溶液中，不銹鋼表面發(fā)生硫化反應(yīng)，生成黑色、均勻、裝飾效果好的硫化物，但耐蝕性能差，需涂覆罩光涂料。不銹鋼堿性著色和硫化著色的配方和工藝參數(shù)溶液組成及工藝條件含量及參數(shù)堿性著色硫化著色高錳酸鉀/（g/L）氫氧化鈉/（g/L）氟化鈉/（g/L）硝酸鈉/（g/L）亞硫酸鈉/（g/L）硫氰酸鈉/（g/L）硫代硫酸鈉/（g/L）水/（g/L）5037525153550030066030604溫度/120100120重鉻酸鹽氧化法 經(jīng)過活化后的不銹鋼浸入高溫熔化的重鉻酸鈉中，進(jìn)行浸漬強(qiáng)烈氧化。酸性著色法 經(jīng)過活化的不銹鋼在含有氧化劑的硫酸水溶液中進(jìn)行著色。溶液組成及工藝條件含量及參數(shù)配方1配方2配方3硫酸/（g/L）鉻酸/（g/L）重鉻酸鉀/（g/L）偏鋇酸鈉/（g/L）48025055064030035011001200130150溫度/時間/