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8 转化膜与着色技术 教学目的和要求 学习磷化、化学氧化、电化学氧化等转化膜 技术的基本原理，重要转化膜的基本特性及用 途。 重点：铝合金阳极氧化。 前言 n表面转化膜与着色技术是材料表面工程技术中的重要分支之一， 具有长久的历史，应用非常广泛。 n表面转化膜与着色技术的主要用途： 防护 提高基体与涂层间的结合力 表面装饰性 表面特殊性能 8.1 转化膜的基本特性及用途 1、转化膜的形成方法 n定义： 通过化学或电化学方法，使金属表面形成稳定的化合物膜层而不改变其金 属外观(形状及几何尺寸)的一类技术。 n形成方法： 将金属工件浸渍于处理溶液中，通过化学或电化学反应，使被处理金属表 面发生溶解并与处理溶液发生反应，在金属表面上形成一层难溶的化合物膜层 。 n重要技术特征： 基体金属发生溶解、参与反应 形成难溶的化合物膜层 不改变金属外观（外形） 2、转化膜的性质和用途 (1)用于防护和装饰转 (2)提高涂膜与基体的结合力 (3)耐磨减摩 (4)适用于冷成形加工 (5)电绝缘性 3、转化膜技术的分类 n按形成机理： 化学转化膜-磷化膜、铬酸盐钝化膜、草酸盐膜、化学氧化膜 电化学转化-阳极氧化膜 n按成分： 氧化膜、磷酸盐膜、铬酸盐膜、草酸盐膜 n按用途： 功能性膜：耐磨、减摩、润滑、电绝缘、冷成形加工、涂层基底等 防护性、装饰性膜 8.2 磷化 n磷化膜是由金属表面与稀磷酸及磷酸盐溶液接触而形成的。 n磷化膜可在很多金属表面上形成，而以钢铁磷化处理应用最广。 n钢铁磷化膜分类： 按厚度：厚膜、薄膜 按磷化膜的形成方式：假转化型磷化、转化型磷化 按处理溶液成分：锰系、锌系、锌一锰系、锌一钙系磷化 按处理温度：高温、中温、低温和常温(室温)磷化等。 一、钢铁磷化膜形成基本原理 1、磷化膜的形成 n一般是在磷酸盐溶液中进行。 反应过程(假转化型磷化)： 第一阶段 ： 第二阶段 ： 主要过程 ： n假转化型磷化： 磷化膜的金属离子主要由溶液提供。 n转化型磷化：(铁系磷化) 磷化膜的金属离子主要由基体转化提供。 2、成膜过程及加速作用 n影响成膜的因素： 温度 表面粗糙度 溶液成分 搅拌 n加速作用： 加入氧化剂 加入电位比铁高的金属离子 超声波 二、钢铁磷化工艺 1、预处理 n表面调整(表调)： 机械方法 化学方法(钛盐活化) 2、磷化 (1)厚膜磷化 n（通常）较长时间高温磷化 n用途： 防护 冷作、耐磨、润滑、电绝缘 (2)薄膜磷化 n处理时间较短 n用途： 涂装底层 (3)转化型磷化 3、磷化膜的结构 n无定型、结晶型 n多层结构，但无明显界面（结合力良好） n多孔结构 4、磷化膜的性质 磷化膜一般需配合其他表面处理技术 。 8.4 化学氧化 n特点： 成本低，设备简单，处理方便，使用范围广泛。 n适用范围： 铝、铜、钢铁、锌、锡、镉等金属及其合金。 n目的： 获得不同性能、不同颜色的氧化膜。 一、钢铁的化学氧化 n俗称发蓝处理，发黑处理 n膜的主要成分为Fe304 n氧化膜防护性能较差，需通过用肥皂或重铬酸钾溶液处理，或者 进行涂油处理。 n常用于机械零件、精密仪器与仪表、武器和日用品的防护与装饰 。 n氧化在碱性溶液中进行，氧化后没有氢脆影响。 n碱性氧化法：常用强碱溶液。 n为了得到较厚和耐蚀性较好的膜层，常使用两种溶液对制件进行 两次氧化。第一槽主要是形成晶核，第二槽主要是加厚膜层。 n氧化后采用肥皂、重铬酸钾等进行钝化处理，以提高膜层性能。 二、铝及铝合金的化学氧化 n新鲜的铝表面会很快生成一层非晶态的氧化膜，但这层膜厚度一 般只有45 nm，防护性低。 n选择适当的溶液可以得到具有一定防护价值的化学氧化膜。 n工业上的化学氧化处理采用碱性溶液加适当的抑制剂。 nM.B.V法 n碱性化学氧化膜层组成(体积分数)为： 75Al203H20+25Cr203H20 8.6 电化学氧化 n电化学氧化习惯称为阳极氧化，普遍用于轻金属材料的表面处理 。 n轻金属材料重量轻、导电导热性好，但耐腐蚀性差(容易产生晶间 腐蚀)，耐磨性比较低。 n通过阳极氧化处理，可在其表面生成一层厚度达几十到数百微米 的氧化膜。 n阳极氧化膜可赋予表面防护、装饰性、耐磨性、绝缘、隔热、光 学性能等。 n铝及其合金的阳极氧化技术开发最早、应用最广。 一、电化学氧化机理 n铝是两性金属： 既能溶于酸，生成Al+ 又能溶于碱，生成H2Al03- n在一定的pH值范围内，铝的水合氧化物是稳定的。 n铝在大气中会自然形成非晶态的氧化铝膜，厚度为45nm。这 层膜不致密，耐腐蚀性差，故需要进行阳极氧化。 - n阳极氧化体系： 电解液：硫酸溶液 阳极：铝制品 阴极：其它材料(Sb、Al等) n反应过程： 直流电 电化学过程：生成Al2O3化学过程：溶解形成多孔层 氧化膜的生长过程及规律： (1)曲线AB段：通电后数秒钟内，在铝 表面形成连续、无孔的氧化铝膜(阻挡层， 其硬度比多孔层高)，电压急剧上升； (2)曲线BC段：随电压上升和溶解作用增 大，膜层局部被溶解或被击穿，产生了孔穴 ，氧化膜的电阻下降，电压随之下降，使反 应继续进行； (3)曲线CD段：电压趋于平稳，阻挡层厚度不再变化；随着时间延长，形成 孔隙及孔壁，氧化膜变成导电的多孔层结构；当膜的化学溶解速率等于膜的生 成速率时，膜层便达到一定的极限厚度而不再增加。 二、铝阳极氧化膜的组成与结构 n多孔膜为细胞状结构。 n采用铬酸、磷酸、草酸和硫酸得 到的阳极氧化膜，结构完全相同。 三、阳极氧化工艺 1、预处理（P164） 脱脂、碱蚀 2、氧化 增加电压及电流密度、降低溶液(槽液)温度及浓度，可增加膜的生 长速率（膜厚）。 (1)防护装饰性的阳极氧化 膜厚：8-20m (2)硬质阳极氧化 硬质阳极氧化膜具有良好的耐磨性和隔热性； 厚度： 40m 3、阳极氧化膜的封闭 n氧化膜多孔，活性高，吸附性很强(着色)，容易被污染或被腐蚀 介质侵入，氧化后的膜层必须要通过封孔才能达到最好的耐蚀效果 。 n膜层封闭方法： 在水蒸气或热水中水化封闭(热封闭) 使用其它金属盐封闭(冷封闭) 有机涂层涂覆封闭 四、阳极氧化膜的性能 1、膜的厚度 与时间非直线关系；存在极限厚度。 2、孔隙度 膜的孔隙度对于耐腐蚀性、耐磨性以及对于膜上着色和封孔的难 易程度都有很大影响。 3结合力 氧化膜的结合力是非常强的，但沿着垂直于表面的方向易于横断 破裂，即当弯曲时膜成平行线破裂。 4、硬度和耐磨性 阳极氧化膜非常硬，使铝件 的耐磨性大幅度提高。 5、柔韧性 膜的脆性直接随厚度增加而 增加； 除非剧烈变形，不会显著影 响膜的保护性能。 6耐蚀性 阳极氧化膜对制件具有防护性能。制件的耐蚀性及力学性能都可大 幅度提高。 改善氧化膜的耐蚀性措施：增加膜厚；降低电流密度；（降 低阳极氧化温度；减低酸浓度；）改善合金结构的均匀性。 7、膜的电性能 阳极氧化膜绝缘性良好。 8、膜的热性能 阳极氧化膜的耐热性非常高，隔热性良好。 苹果或借阳极氧化技术 解决iPhone4