涂料开发中常见金属表面处理介绍.ppt

涂料开发中常见金属处理介绍 研究员 郑伦生报告日期 2011年9月22日 目录 前言化学镀电镀PVD铝板拉丝阳极处理 氧化 电泳 电着 电着 前言 金属表面常见处理工艺有印刷 电铸 铝板拉丝 阳极处理 氧化 喷砂 高光切削 IMD 加工中心 线切割 电镀 PVD等多种工艺 本文仅从涂料开发的角度来介绍我们在开发金属表面涂料时可能遇到的一些表面处理工艺以供开发涂料过程中参考 化学镀 化学镀是在无电流通过 无外界动力 时借助还原剂在同一溶液中发生氧化还原作用 从而使金属离子还原沉积在零件表面上的一种镀覆方法 所以化学镀可以叙述为一种用以沉积金属的 可控制的 自催化的化学还原过程 其反应通式为 化学镀原理 1 可以在由金属 半导体和非导体等各种材料制成的零件上镀覆金属 2 无论零件的几何形状如何复杂 凡能接触到溶液的地方都能获得厚度均匀的镀层 3 对于自催化的化学镀来说 可以获得较大厚度的镀层 甚至可以电铸 4 无需电源 5 镀层致密 孔隙少 6 镀层往往具有特殊的化学 机械或磁性能 7 能用化学镀获得纯金属 合金及复合镀层 化学镀特点 1 化学镀的缺点是溶液稳定性较差 溶液维护 调整和再生等比较麻烦 成本比电镀高 镀层常显示出较大的脆性 2 此外 化学镀费时较长 效率较低 3 相对而言 化学镀种类较少 常见的仅镍 此外还有Cu Ag Au等少数金属 总体而言 颜色较少 化学镀的缺点 1 化学镀镍第一步 溶液中的次磷酸根在催化表面上催化脱氢 同时氢化物离子转移到催化表面 而本身氧化成亚磷酸根 H2PO2 H2O HPO3 2 H 2 H 吸附于催化表面 第二步 吸附于催化表面上的活性氢化物与镍离子进行还原反应而沉积镍 而本身氧化成氢气Ni2 2 H Ni0 H2 部分次磷酸根被氢化物还原成单质磷 同时进入镀层H2PO2 H 催化表面 P H2O OH 上述还原反应是周期地进行的 其反应速度取决于接口上的pH值 2 其它常见化学镀有铜 钴 银等金属 化学镀应用实例 电镀 电镀原理 利用电解在制件表面形成均匀 致密 结合良好的金属或合金沉积层的过程 其原理示意图如下 1 可获得热熔法无法得到的合金相 如铜 锡合金和锡 镍合金等2 可获得热熔法不能制取的性能优异的非晶态合金 如镍 磷和镍 硼合金等 因为非金属磷和硼是不能单独从水溶液中电沉积出来的 3 可获得在水溶液中难以单独电沉积的金属 如镍 钨合金和镍 钼合金中的钨和钼等 4 容易获得高熔点金属与低熔点金属形成的合金 如锌 镍合金和锡 镍合金等 5 电镀特点 电镀的缺点 1 受工件表面的清洁和镀液纯净程度的影响大 造成电镀后缺陷较多2 极易受电镀挂具和在镀缸中位置不同的影响 造成均镀能力差3 对于形状复杂或有细小的深孔或盲孔的工件不能获得较好的电镀表面4 对于形状复杂 尺寸较小 数量多的生产情况下 需耗费大量的人力操作繁琐5 产生大量废水废渣污染严重且后处理麻烦 不环保 电镀和化学镀的区别 以镀Ni为例 PVD PVD是英文PhysicalVaporDeposition 物理气相沉积 的缩写 是指在真空条件下 采用低电压 大电流的电弧放电技术 利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离 利用电场的加速作用 使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上 一般可以分为 真空蒸发镀 磁控溅射镀 多弧离子镀等 PVD原理 1 高硬度 HighHardness 2 高密度的组织 DenseStructure 3 平滑表面 SmoothSurface 4 低磨擦率 LowFrictionCoefficient 5 化学稳定性及无反应性6 低热传导 Lowthermalcomductivity 7 密着特性 Excellentadhesion 8 缺点是由于不同粒子溅射速率不同 所以物理气相沉积薄膜组分控制比较困难 PVD的特点 PVD膜种类及特性比较 涂层类型有TiN AlTiN TiAlN CrN CrCN TiCN和ZrN 复合涂层包括TiAlYN或W C H DLC涂层厚度一般2 5um 但在有些情况下 涂层薄至0 5um 厚至15um装载容量 PVD涂层特性 铝板拉丝 铝板拉丝其实是一种修复工艺 也可起美观作用 根据效果可分为直纹 乱纹 波纹 螺旋纹等 并且一般是先拉丝再电镀 铝板拉丝工艺 1 直纹拉丝是指在铝板表面用机械磨擦的方法加工出直线纹路 连续直纹可用百洁布或不锈钢刷通过对铝板表面进行连续水平直线磨擦获得 改变不锈钢刷的钢丝直径可获得不同粗细的纹路 2 乱纹拉丝是在高速运转的铜丝刷下 使铝板前后左右移动磨擦所获得的一种无规则 无明显纹路的亚光丝纹 这种加工 对铝或铝合金板的表面要求较高 3 波纹一般在刷光机或磨擦机上制取 利用上组磨辊的轴向运动 在铝或铝合金板表面磨刷 得出波浪式纹路 4 旋纹也称旋光 是采用圆柱状毛毡或研石尼龙轮装在钻床上 用煤油调和抛光油膏 对铝或铝合金板表面进行旋转抛磨所获取的一种丝纹 多用于圆形标牌和小型装饰性表盘的装饰性加工 5 螺纹是用一台在轴上装有圆形毛毡的小电机 将其固定在桌面上 与桌子边沿成60度作用的角度 另外做一个装有固定铝板的拖板 在拖板上贴一条边沿齐直的聚酯薄膜用来限制螺纹进度 利用毛毡的旋转与拖板的直线运动 在铝板表面旋擦出宽度一致的螺纹纹路 常见拉丝类型 阳极处理 阳极处理又称为阳极着色处理 也被称做腐蚀处理 俗称 氧化处理 铝的阳极处理是金属表面借由电流作用而形成的一层氧化物膜 颜色丰富 色泽优美 电绝缘性好并且坚硬耐磨 抗腐蚀性极高 其基本原理为 在电极和电解液的作用下 表层的铝离子会被分解到电解液中和颜料离子混合后 再将电极反转 使铝离子和颜料离子再重新附着到铝件的表面上 这样就能镀上颜色均匀 附着力强的氧化物薄膜 在这个过程中要注意控制电极作用的时间 以保持铝件的厚度不变 封孔 Sealing 为阳极处理的后处理 是将吸附染料的微孔状氧化层与水反应 生成水含氧化铝 使氧化铝的体积增加 封闭表面微孔 形成非导电性膜层 还可防止再吸附造成的膜层污染 增加着色的牢固性 提高表面耐磨性和耐气候性等 阳极处理原理 a 机械抛光 b 化学处理去掉某些合金表面的铜成分 c 清洗去油 对于已经阳极化的零件 想要重新阳极化 就用碱或者专用药剂去掉原来的阳极化表层 d 放入稀硫酸中作为阳极进行通电 生成表面氧化层 是多孔性的 没什么颜色 e 染色 原来颜色是染的 f 固定 加热或者用铬酸盐使表面氧化层的孔封闭 如果铝及铝合金采用硫酸阳极氧化 用热水或蒸汽进行封闭 表面颜色为铝本色 氧化膜为氧化铝 蒸汽封闭后为一水或三水氧化铝 氧化膜无色 就叫无色阳极化又叫本色阳极化 阳极处理过程 由某些钝化剂所引起的金属钝化现象 称为化学钝化 由阳极极化引起的金属钝化现象 叫阳极钝化或电化学钝化 金属或合金受一些因素影响 化学稳定性明显增强的现象 称为钝化 工业上又有人称之为 发蓝 由某些钝化剂 化学药品 所引起的金属钝化现象 称为化学钝化 由阳极极化引起的金属钝化现象 叫阳极钝化或电化学钝化 阳极处理与钝化的区别 电泳 电泳是电泳涂料在阴阳两极 施加于电压作用下 带电荷之涂料离子移动到阴极 并与阴极表面所产生之碱性作用形成不溶解物 沉积于工件表面的过程 也叫电着或电著 因翻译不同 电泳的基本原理 1 电解 分解 在阴极反应最初为电解反应 生成氢气及氢氧根离子 此反应造成阴极面形成一高碱性边界层 当阳离子与氢氧根作用成为不溶于水的物质 涂膜沉积 2 电泳动 泳动 迁移 阳离子树脂及H 在电场作用下 向阴极移动 而阴离子向阳极移动过程 电泳漆液中除带负电荷的树脂粒子可以电泳外 不带电荷的颜料和体质颜料粒子吸附在带电荷的胶体树脂粒子上也随着电泳动 3 电沉积 析出 在被涂工件表面 阳离子树脂与阴极表面碱性作用 中和而析出不沉积物 沉积于被涂工件上 它是电泳涂装过程中的主要反应 电沉积首先在电力线密度特别高的部位 如被涂工件的边缘棱角和尖端处进行 而一旦沉积发生时 被涂工件 阴极 就具有一定程度的绝缘性 电场于是随着被涂覆的表面向后移动 直到最后得到完全均匀的涂层 4 电渗 脱水 涂料固体与工件表面上的涂膜为半透明性的 具有多数毛细孔 水被从阴极涂膜中排渗出来 在电场作用下 引起涂膜脱水 而涂膜则吸附于工件表面 而完成整个电泳过程 电泳施工过程 1 涂装工艺容易实现机械化和自动化 2 电泳涂装成膜均匀 3 电泳涂装漆膜的耐水性很好 漆膜的附着力也比采用其它方法的强 4 油漆利用率高 特别是超滤技术应用电泳涂装后 漆的利率均在95 以上 5 电泳漆中采用纯水作为溶剂 因而节省了大量的有机溶剂 而且又没有溶剂中毒和易燃等危险 从根本上清除了漆雾 改善了工人的劳动条件和环境污染 6 提高了漆膜的平整性 减少了打磨工时 降低了成本 电泳的特点 不同处理方法的比较 1 关于水镀并没有严格意义上的水镀说法 水镀是相对热浸镀或俗语说的火镀而言的 就是指的电镀 因其一般都用水稀释而得名 包括化学镀 也有的场合专指化学镀 2 IP电镀就是真空电镀3 IP电镀与P