表面处理工艺及技术

表面处理工艺及技术丁海波2015-5-21不粘锅有毒吗?不粘锅涂层主要原料是聚四氟乙烯,该材料可以耐400度高温，但是在200度以上时化学性质开始变的不稳定，释放出氟化氢气体，氟化氢溶解于水后的溶液叫氢氟酸，不但强腐蚀（玻璃蚀刻工艺大量应用氢氟酸），而且有剧毒。全氟辛酸铵是美国杜邦公司用用来合成含氟聚合物的一种分散剂。05年美国环保署指出杜邦特富龙不沾锅中可能存在残留，该残留可能随着食品和食品烹饪过程而进入人体，造成身体健康危害。目前国内没有相关检测报告，没有监管。1、表面处理概念利用现代物理、化学、金属学和热处理等学科的边缘性新技术来改变零件表面的状况和性质，使之与心部材料作优化组合，以达到预定性能要求的工艺方法，称为表面处理。2、表面处理技术的分类（按工艺特点）①表面改性技术（金属、非金属）④表面涂（镀）层技术（金属、非金属）③表面转化膜技术（金属）通过物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、相组成、微观结构、缺陷状态、应力状态。材料表面化学组成不变。通过化学方法，使添加材料与基体发生化学反应，形成转化膜。通过物理、化学方法，使添加材料在基体表面形成镀、涂层。基材不参与涂层的形成。②表面合金化技术（金属）通过物理方法，使添加材料进入基体，形成合金化层。3、常见表面处理方法3.1.1表面淬火3.1.2喷砂3.1.3滚花3.1.4拉丝3.1表面改性技术3.1.6激光表面强化通过物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、相组成、微观结构、缺陷状态、应力状态。材料表面化学组成不变。3.1.5抛光表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行快速冷却（淬火），使表面硬化的一种热处理方法。感应加热3.1.1表面淬火3.1.2喷砂喷砂处理是利用高速喷射出的砂粒或铁粒，对工件表面进行撞击，以提高零件的部分力学性能和改变表面状态的工艺方法。喷砂与喷丸处理，工艺相似，主要差别在沙粒直径上。该工艺主要应用于提高零件机械强度以及耐磨性、抗疲劳和耐蚀性等，还可用于表面消光、去氧化皮和消除铸、锻、焊件的残余应力等。3.1.3滚压滚压是在常温上用硬质滚柱或滚轮施压于旋转的工件表面上，并沿母线方向移动，使工件表面塑性变形、硬化，以获得准确、光洁和强化的表面，或特定花纹的处理工艺。3.1.4拉丝在外力作用下使金属强行通过模具,金属横截面积被压缩,并获得所要求的横截面积形状和尺寸的技术加工方法称为金属拉丝工艺。使其改变形状、尺寸的工具称为拉丝模.拉丝可根据装饰需要，制成直纹、乱纹、波纹和旋纹等几种。直纹乱纹波纹3.1.5抛光抛光是对零件表面进行修饰的一种光整加工方法，一般只能得到光滑表面，不能提高甚至不能保持原有的加工精度，随预加工状况不同，抛光后的Ra值可达1.6～0.008m。按照实现原理的不同，可分为机械抛光和化学抛光：3.1.5.1机械抛光用高速旋转的柔性抛光轮和极细的磨料对工件表面进行滚压和微量切削实现抛光。抛光轮用多层帆布、毛毡或皮革叠制而成，用于较大零件的抛光。3.1.5.1.1轮式抛光3.1.5.1.2滚筒抛光和振动抛光将工件、磨料和抛光液装入滚筒或振动箱内，滚筒缓慢滚动或振动箱振动，使工件与工件，工件与磨料相互摩擦，加上抛光液的化学作用，除去工件表面的油污、锈层，磨去凸峰，从而获得光滑的表面。用于细小而量大零件的抛光，后者比前者生产率高，抛光效果更好。3.1.5.2化学抛光将金属零件浸入特制的化学溶液中，利用金属表面凸起部位比凹洼部位溶解速度快的现象，实现零件表面的抛光。生物抛光是一种用纤维素酶改善纤维素纤维制品表面的整理工艺,以达到持久的抗起毛起球并增加织物的光洁度和柔软度。生物抛光是去除从纱表面伸出来的细微纤维,这些微纤被去除了就不会起毛起球，色泽也更光亮，表面茸毛减少使得布面更光洁。3.1.5.3生物抛光3.1.6激光表面强化激光表面强化可分为激光相变强化处理、激光表面合金化处理和激光熔覆处理等。激光表面强化是用聚焦的激光束射向钢件表面，在极短时间内将工件表层极薄的材料加热到相变温度或熔点以上的温度，又在极短时间内冷却，使工件表面淬硬强化。激光表面强化的热影响区小，变形小，操作方便，主要用于局部强化的零件，如冲裁模、曲轴、凸轮、凸轮轴、花键轴、精密仪器导轨、高速钢刀具、齿轮及内燃机缸套等。高精准的硬化表面表面选择性的硬化3.2表面合金化技术通过物理方法，使添加材料进入基体，形成合金化层。该技术的典型工艺，就是金属的渗碳、渗氮处理。通常是将金属与渗剂同放置于密闭的腔体内，采用加热、真空等措施，活化金属表面，经分解、吸收、扩散过程等作用使碳、氮进入金属基体。气体渗碳法示意图3.3表面转化膜技术3.3.1钢铁的发黑与磷化处理3.3.3铜及铜合金着色3.3.4铝及铝合金的氧化与着色处理通过化学方法，使添加材料与基体发生化学反应，形成转化膜。3.3.2不锈钢着色3.3.1钢铁的发黑与磷化处理3.3.2不锈钢着色随着不锈钢的应用普及，不锈钢着色工艺需求逐步得到重视，目前不锈钢不仅可以着黑色，还可以得到蓝色、绿色、褐色、橙色等颜色。3.3.2.1不锈钢着黑色不锈钢着黑色主要应用于光学小光场合，着色方法有铬酸浴熔融法、铬酸盐化学氧化法、硫化法。3.3.2.2不锈钢着彩色不锈钢表面去除氧化膜厚，采用铬酸-硫酸等溶液处理，可以得到不同的颜色，膜的颜色随厚度变化而变化，同时与材料的成分和表面处理方法有一定关系。常用不锈钢中，奥氏体不锈钢最适合着色处理；而铁素体由于着色溶液有腐蚀倾向，得到的色彩不如前者鲜艳；马氏体耐腐蚀性能更差，仅能得到灰黑或黑色的表面。铜的着色主要应用在装饰品与美术品上。3.3.2铜及铜合金的氧化处理绿色（碳酸铜）黑色（硫化铜或氧化铜）蓝色（碱性铜氨络合物）红色（氧化亚铜）3.3.3铝及铝合金的氧化与着色处理3.3.3.1铝及铝合金的氧化处理铝阳极氧化膜具有多孔性和化学活性，很容易进行着色处理，根据显色体存在位置不同，可分为四类：3.3.3.3铝及铝合金氧化膜着色铝阳极氧化膜具有很高的孔隙率和吸附能力，容易受污染和腐蚀介质侵蚀，因此，氧化膜无论着色与否，应用于何种场合，都必须封孔处理。3.3.3.3铝及铝合金氧化膜封闭处理方法按照机理可分为三种：1）利用水化反应产物体积膨胀而堵塞孔隙，如沸水法和蒸气法2）利用盐的水解作用吸附堵塞封闭，如无机盐封孔3）有机物屏蔽封孔，如浸油、浸漆等3.4表面涂（镀）层技术3.4.1热喷涂3.4.2真空镀3.4.4印刷3.4.3电镀3.4.5喷涂与喷塑通过物理、化学方法，使添加材料在基体表面形成镀、涂层。基材不参与涂层的形成。3.4.1热喷涂热喷涂是将金属或非金属材料加热熔化，靠压缩气体连续吹喷到制件表面上，形成与基体牢固结合的涂层，从制件表层获得所需要的物理化学性能。3.4.1.1热喷涂原理3.4.1.3热喷涂的应用①防腐蚀:主要用于大型水闸钢闸门、造纸机烘缸、煤矿井下钢结构、高压输电铁塔、电视台天线、大型钢桥梁、化工厂大罐和管道的防腐喷涂。3.4.1.3热喷涂的应用②防磨损:通过喷涂修复已磨损的零件，或在零件易磨损部位预先喷涂上耐磨材料，如风机主轴、高炉风口、汽车曲轴、机床主轴、机床导轨、柴油机缸套、油田钻杆、农用机械刀片等。3.4.1.3热喷涂的应用③特殊功能层:通过喷涂获得表层某些特殊性能，如耐高温、隔热、导电、绝缘、防幅射等，在航空航天和原子能等部门应用较多。3.4.2真空镀所谓真空镀，就是在真空条件下，通过蒸馏或溅射等方式在塑件或金属表面沉积各种金属和非金属薄膜的工艺。通过这样的方式可以得到非常薄（单分子层）的表面镀层，同时具有速度快、附着力好、污染物少等优点，该工艺色泽丰富多样，不仅是提高材料使用性能，在装饰上同样是提升档次，提高附加价值的很好的选择。3.4.2真空镀按照工艺不同，真空镀可分为真空蒸镀，真空溅射镀，真空离子镀。3.4.2真空镀3.4.3普通电镀与特种电镀电镀是一种电化学和氧化还原过程。以镀镍为例；将金属制件浸在金属盐(NiSO4)的溶液中作为阴极，金属镍板作为阳极，接通直流电源后在制件上就会沉积出金属镀镍层。3.4.3.1电镀原理3.4.3.2槽镀（普通电镀）钢铁零件上镀锌主要作用是防腐蚀，用量占全部电镀零件的1/3至1/2，是所有电镀品种中产量最大的一个镀种。镀锌具有成本低、抗蚀性好、美观和耐贮存等优点，在轻工、机电、农机和国防等工业中得到广泛应用。钢铁零件上镀镉，在海洋和湿热大气环境中，其保护性能比锌好，航空、航海及电子工业中的零件大多采用镀镉。但镉盐有毒，且对环境污染严重，使镀镉的应用受到限制。锡的腐蚀产物对人类无害，且易于钎焊，镀锡广泛用于食品罐头包装制品、饮具、餐具及电子工业中很多需要钎焊的零件。1)镀锌2)镀镉3)镀锡4)镀铜铬在大气中能长久保持光泽，在碱液、硝酸、硫酸及许多有机酸中不发生反应，镀铬层有很高的硬度和优良的耐磨性及较低的摩擦系数，故镀铬常用于防护装饰性镀层，防止基体金属生锈和美化外观，也常用于提高制品的耐磨性或修复磨损。镀铜常作为其他镀层的中间层，以提高表面镀层和基体金属的结合力。在电力工业中，也可用铁丝镀厚铜来代替纯铜导线，以减少铜的耗用量。镀镍的应用面很广，可用于防护装饰性和功能性两方面。前者主要用于自行车、钟表、家用电器、五金产品、汽车、照相机等零件的防护装饰性镀层；后者主要用于易磨损产品的修复电镀。5)镀镍6)镀铬3.4.3.3特种电镀刷镀不用镀槽，旋转的工件接直流电源的负极，镀笔接正极，镀笔前端用脱脂棉包住，浇注的镀液浸贮在脱脂棉套内，镀液中的金属正离子在电场力作用下在工件表面(阴极)获得电子而沉积于表面上，形成电镀层。3.4.3.3.1刷镀①刷镀设备简单，操作灵活，可进行局部电镀和野外作业。3.4.3.3特种电镀②刷镀可用于大型零件的局部电镀或大中型零件的局部修复。3.4.3.3.2非金属电镀④非金属电镀制品主要用于汽车、飞机某些装饰性零部件以及印刷线路板、电子仪器屏蔽和碳纤维等。①非金属电镀是指对塑料、玻璃、陶瓷、纤维等非金属制品电镀。②非金属电镀的关键工艺是表面金属化，使非金属基体上生成导电层、以便进行导电。表面金属化的方法有化学镀法、喷涂法、和涂刷法等。③塑料电镀是非金属电镀中应用最广泛的一种。通过电镀可提高塑料制品的强度，防止老化，使其具有导电性、电磁性、焊接性和装饰性的外观。3.4.4印刷印刷是指使用印版或其他方式将原稿上的图文信息转移到承载物上的工艺过程。常用的有丝印、移印、转印3.4.4.1丝印丝网印刷是孔版印刷术中的一种主要印刷方法。印版呈网状，印刷时印版上的油墨在刮墨板的挤压下从版面通孔部分漏印至承印物上。丝印主要优势体现在印制非常大的平面或者曲面。3.4.4.2移印先将设计的图案蚀刻在印刷钢板上﹐然后把蚀刻板涂上油墨﹐利用硅橡胶材料制成的曲面移印头将其中的大部分油墨转印到被印刷物体上。移印适合于印到不规则承印物上（如仪器、电气零件、玩具等），且移印速度快。3.4.4.3转印（水转印，热转印，模内转印等）水转印：是利用水压将带彩色图案的转印纸/塑料膜进行高分子水解的一种印刷。热转印：是将花纹或图案印刷到耐热性胶纸上，通过加热，加压，将油墨层的花纹图案印到品材料上的一种技术。模内转印：俗称IMR，是在模具内转印图案3.4.4.3转印（水转印，热转印，模内转印等）3.4.4.4UV覆膜印刷UV覆膜技术（贴膜法）是在丝网印刷技术上再在油墨颜料上覆盖一层塑胶膜，使得手指与油墨颜色的接触减少，耐用度有所增强。优劣：UV覆膜技术是丝网印刷技术的改进版，因此在油墨耐磨性上有更佳的表现，而且成本相对较低。3.4.5涂装涂装根据使用材料不同，可分为油漆和塑粉3.4.5.1油漆油漆的种类很多，有PU漆，橡胶漆，UV漆，钢琴漆，磨砂漆等。PU漆：Pu漆是聚氨酯漆的通常叫法。其工艺是只要喷一层就行，光泽度比较亮，但是相对UV来讲没有那么饱满。UV漆：是指采用紫外光辐射固化的树脂涂料，即利用紫外光作固化能源，在常温下快速交联成膜的高分子树脂涂料。该工艺外观面要求比较高，稍微一点的杂质都会显得非常明显的