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金属材料表面处理技术1．基本概念2．在金属防护方面的作用3．分类4、常用工艺及其目的5．原理6、生产工艺过程7、膜层结构特点及其防护机理/能力8、表面膜层的质量检测技术目录1．表面处理技术的基本概念表面处理技术表面工程学的一个方面侧重于工艺技术是表面处理电化学固体材料……1．表面处理技术的基本概念通过表面处理技术来改变固体材料的表面形态、化学成分和组织结构，以获得所需表面性能的系统工程.表面工程全过程表面层的设计表面层的选材表面处理工艺表层质量控制与监测工程应用失效分析1．表面处理技术的基本概念综合了材料科学、冶金学、物理、化学的最新成果，是一门正在迅速发展的新型学科。表面工程研究对象：固体材料表面层物理方法、化学方法、电化学方法、高真空方法、生物高分子方法加工方法：加工手段：涂装、处理、扩散、固定化形成特殊功能表面覆盖层，达到装饰、防护、特殊功能（如耐磨、耐高温、导电、绝缘）目的作用：2．表面处理在金属防护方面的作用根据金属腐蚀机理和腐蚀形态，腐蚀破坏离不开金属材料和腐蚀介质以及二者之间的界面反应指防止金属腐蚀金属防护金属材料腐蚀介质界面反应2．表面处理在金属防护方面的作用防止金属腐蚀的方法主要包括三个方面：1）研制新材料、改善材料的组织和表面状态提高材料的抗蚀性能耐蚀钢防锈铝镜面材料2．表面处理在金属防护方面的作用防止金属腐蚀的方法主要包括三个方面：2）改善腐蚀环境和介质避免腐蚀发生物体产品干燥剂2．表面处理在金属防护方面的作用隔离金属与腐蚀介质的直接接触抑制腐蚀过程防止金属腐蚀的方法主要包括三个方面：3）应用表面涂覆层和电化学保护方法地下管道阴极保护产品2．表面处理在金属防护方面的作用表面处理方法是在金属表面覆盖各种保护层，从而使金属与腐蚀介质分开﹑或改变表面状态，使基体金属不受腐蚀。2．表面处理在金属防护方面的作用金属常用的防腐蚀方法是覆盖法，在金属表面覆盖一层金屬或非金屬物而使金属与腐蚀环境隔离﹒表面处理防蚀法金属覆盖电镀热喷涂热浸镀耐蚀金属包复非金属覆盖涂料涂装（喷漆、喷粉）塑料衬里或包复转化膜2．表面处理在金属防护方面的作用金属表面保护层的要求即金属上涂覆层的基本性能1）结合强度－－要求结合牢固、附着力强2）孔隙率及密度－－膜层致密、完整无孔、不透介质3）耐蚀性－－在大气、水、等介质中良好的稳定性、抗腐蚀性4）硬度－－硬度高、耐磨5）在金属表面分布均匀3．表面处理技术分类表面处理是一门涉及多种学科的工业技术按其使用的方法可大致分成五大类16种工艺分类工艺方法举例电化学方法电镀镀锌、镀镍阳极氧化铝合金阳极氧化、化学方法化学转化膜处理磷化、钝化、化学氧化、发蓝、铬酸盐处理化学镀化学镀镍、化学镀铜热加工方法热浸镀热浸锌、热浸铝热喷涂热喷涂锌、热喷涂铝热烫印热烫印铝箔化学热处理渗氮、渗碳堆焊堆焊耐磨合金真空法物理气相沉积（PVD）蒸发镀、溅射镀、离子镀化学气相沉积（CVD）气相沉积氧化硅或氮化硅离子注入注硼其它方法涂装喷漆、喷粉／（有多种方式，如静电、电泳等）激光表面处理激光淬火、激光重熔冲击镀冲击镀锌超硬膜处理金刚石薄膜、立方氮化硼薄膜金属保护层非金属保护层表面保护层分类按结构特点电镀层属于金属保护层，氧化、化学转化、喷涂膜层属于非金属保护层按组成成分除油漆和粉末涂层外，其它保护层都是无机涂层无机膜层有机膜层4、常用工艺及其目的工艺技术成熟度高，设备要求比较简单，适用面广，生产成本较低。工艺化学转化膜阳极氧化电镀涂装应用的目的防腐蚀装饰导电耐磨5．表面处理技术的原理5.1电镀原理电镀是一个电化学过程也是一种氧化－还原过程在外电流（直流电）作用下，电解质溶液中的金属离子（或络离子）迁移到阴极表面、发生还原反应并形成新相（电结晶），这一过程叫作金属的电沉积；5.1电镀原理阴极表面所得到的金属结晶层即为电镀保护层。当电解质溶液为水溶液时就叫电镀。5.1电镀原理电镀时，工件作为阴极、镀层材料（金属或合金）作为阳极，一同浸入电解液中、并通入直流电。AREee+-+阳离子阴离子电解液阴阳极极阳极化的电极与电镀相反：工件为阳极、其它金属为阴极电镀装置必须包括三部分：1）外电路2）电镀溶液3）与镀液接触的两个电极5.1电镀原理电镀层的生长过程（晶粒螺旋生长）5．表面处理技术的原理5.2表面转化金属的表面转化是指采用化学处理液使金属表面与溶液界面上产生的化学或电化学反应、生成稳定的化合物薄膜的处理过程按照转化过程中是否存在外加电流，分为：化学转化电化学转化（即阳极氧化）表面转化膜与电镀层的区别5.2表面转化基材基材基材基材膜层膜层转化膜镀层5.2.1阳极氧化机理5.2表面转化AREee+-+阳离子阴离子电解液阴阳极极阳极氧化与电镀过程一样，也是一个氧化还原反应过程。只是工件所处极性与电镀相反。当有外加电流时，溶液中的水分子被电解、同时产生初生态的[O]，氧原子立即在阳极与金属材料（如铝）表面发生化学氧化反应，生成氧化膜5.2.1阳极氧化机理5.2表面转化氧化膜的生长过程包含两个方面膜的电化学生成过程膜的化学溶解过程只有膜层的生成速度恒大于溶解速度时，才能获得较厚的氧化膜5.2.1阳极氧化机理5.2表面转化氧化膜的生长过程5.2.2化学转化5.2表面转化化学转化膜是金属与溶液中物质发生化学反应生成氧化物等而在金属表面附着所成的薄膜5.2.2化学转化膜5.2表面转化按成膜的主要组成物类型氧化物膜铬酸盐膜磷酸盐膜等等按生产习惯氧化膜钝化膜着色膜磷化膜分类5.2.2化学转化膜5.2表面转化是铁与含有锰、铁、锌等的磷酸盐溶液产生化学反应，在表面生成一层难溶于水的磷酸盐保护膜。为铝零件的化学氧化实际上应该是铝的铬酸盐转化膜。化学氧化钢铁磷化5.2.2化学转化膜5.2表面转化化学转化所需设备简单、操作方便、生产效率高、成本低，适用范围广，尤其适用于大型零件、组合件、以及难以用电化学方法获得完整膜层的复杂零件（如细长管、点焊件、铆接件等）。5．表面处理技术的原理5.3涂装利用高分子涂料作原料，采用各种涂装方法使其附着到制品表面，生成具有各种特性的固着膜层（涂层）。现代称作高分子涂装技术5.3涂装按施工方法分类浸涂法手工喷涂法淋涂法电泳涂装静电喷涂粉末涂装卷材辊涂法……5.3涂装这两种喷涂法油漆均可采用而粉末则只用静电喷涂空气喷涂法静电喷涂我们的加工厂所用：油漆粉末5.3涂装5.3.1空气喷涂原理传统的空气喷涂是利用压缩空气将流体吹散成雾状后附着于被涂物表面。5.3涂装5.3.1空气喷涂原理适用性极广，对任何复杂工件、任何液体涂料几乎都能适用5.3涂装5.3.2静电喷涂原理静电喷涂是利用静电场对电荷的作用原理而实现的适用于工件外形不太复杂而且大批量生产的流水线作业5.3涂装5.3.2静电喷涂原理以接地的工件为阳极，接上负高电压的静电喷枪使涂料雾化并带负电荷，与工件间形成高压静电场，在电场力的作用下，涂料粒子迅速飞向异极性的工件表面，在工件表面放电，使静电消失，涂料便均匀而牢固地沉积在工件表面，形成了均匀的涂膜。5.3涂装5.3.2静电喷涂原理－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋123451----高压静电发生器；2----涂料输入管；3----喷枪；4----涂料雾化微粒；5----工件6、生产工艺过程所有表面处理工艺都至少包含三个基本步骤：前处理成膜过程烘烤/固化有些工艺在成膜后还有一个工序后处理6、生产工艺过程6.1电镀--------钢、铜、锌合金材料电镀清洁干燥水洗电镀水洗后处理水洗浸蚀水洗装挂除油拆卸6.1电镀--------钢、铜、锌合金材料电镀清洁手工清洁处理：清除大量的油污、污物，以及厚实的氧化皮装挂：保持溶液流动顺畅，位置和数量利于镀层均匀沉积、不影响镀层质量装挂6.1电镀--------钢、铜、锌合金材料电镀化学/电解除油：清除表面油脂，使表面达到洁净状态一般利用酸液对金属表面进行溶解腐蚀，去除表面氧化膜和锈蚀产物，也可提高表面光泽度除油浸蚀6.1电镀--------钢、铜、锌合金材料电镀在零件表面沉积上金属膜层1）钝化---------在镀层金属表面形成一层薄而致密的化学转化膜，加强抗蚀能力；2）封闭--------机械方法在镀层孔隙中填充进微粒有机物分子，同样是加强保护作用。电镀后处理6.1电镀--------钢、铜、锌合金材料电镀一般通过加温烘烤，使零件表面的水份蒸发干燥；同时可使钝化膜等固化、稳定。干燥6、生产工艺过程6.2铝材阳极氧化/化学氧化清洁干燥水洗阳极氧化水洗着色水洗浸蚀水洗装挂除油拆卸水洗封闭化学氧化6、生产工艺过程6.3喷涂锌基合金磷化/电镀氧化喷砂24h内喷涂钢件铝件8h内喷涂6.3喷涂装挂化学除油水洗浸蚀手工清洁处理磷化流程磷化水洗干燥拆卸水洗电解板6.3喷涂喷漆流程调漆喷底漆局部保护烘烤刮腻子喷面漆烘烤打磨喷底漆烘烤前处理6.3喷涂喷粉流程前处理局部保护喷粉固化打磨刮腻子7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力各种表面膜层的结构不尽相同，其对基体材料的保护机理各式各样。电化学保护的机理是：金属原电池中阳极腐蚀、而阴极受保护。因此电镀层类别中又有阳极性镀层和阴极性镀层之分机械保护的原理隔离腐蚀介质与基体材料直接接触、而起到的保护屏蔽作用。7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力电化学保护阴极阳极eeMeeMe+腐蚀介质eD-D7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.1镀锌层由于锌相对于铁基体为阳极性镀层，在有电解液存在时，锌层为阳极，先发生腐蚀，从而钢基体受到了保护钝化膜镀锌层钢基材镀层中存在微孔钝化膜是致密的7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.1镀锌层当锌层全部腐蚀完后，基体钢铁发生腐蚀，即出现红色锈蚀物当钝化膜被腐蚀穿底后，发生锌层的腐蚀、氧化，即出现白色粉状物。首先是钝化膜产生腐蚀变化（即变黑）；在遭遇腐蚀介质时：7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.1镀锌层锌镀层可达到336至500小时以上钢基材才出现锈蚀彩色钝化膜可达到96小时以上不出现腐蚀迹象盐雾试验7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.2钢上的镀镍层镍镀层相对于铁是阴极性镀层，只有当其无孔隙时才具有良好的保护性。当镀层达到一定厚度时，孔隙率会降低；增加铜底层，也可减少孔隙率；镀多层镍，可提高耐蚀性。钢基材镍镀层铜镀层7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.2钢上的镀镍层在光滑表面上镍层约20微米就没有孔隙但在粗糙表面上需要更厚的镍镀层耐蚀性表面光洁度基体金属种类电镀工艺因素7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.2钢上的镀镍层当镀镍层没有孔隙时，则一般会长期保持镍层外观而不发生腐蚀变化。当盐雾试验能通过CASS试验8小时（中性盐雾试验一般为48-72小时）时，就具有良好的保护作用了。7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.2钢上的镀镍层若出现腐蚀，即是钢铁基体的腐蚀物红锈（或底层铜的绿色腐蚀物）钢基材镍镀层铜镀层7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.3铜上镀镍层镍相对于铜是阳极性镀层。但若镀层太薄，孔隙率太大，底层铜易发生氧化而导致变色（黑色或绿色）。7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.4阳极氧化膜铝的阳极氧化膜是一层多孔膜，必须进行封闭处理，着色或封闭时可以有水分子或染色剂分子或其它盐类分子沉积在孔隙底部，起到封孔的作用，从而隔绝了铝与空气接触、提高了抗蚀性。7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.4阳极氧化膜膜层厚度一般为5-20微米，耐蚀性好，硬度高，绝缘。一般能抵抗240小时以上的中性盐雾试验﹐最高可通过500小时盐雾试验若出现腐蚀，则是铝基体材料的腐蚀物：白色产物7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.5化学氧化膜致密，导电；但薄，耐蚀性不如阳极化膜铝上的化学氧化膜至少应通过100小时的盐雾试验，彩色膜可通过168小时。若出现腐蚀，首先是保护膜发生变化，一般是出现黑色倾向；当保护膜被穿透后，铝基材腐蚀，出现白色产物。7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.6磷化膜钢的磷化膜是显微孔隙结构，因此对油漆等有机涂层具有良好的吸附作用，但其耐蚀性较差，对钢基体的保护