表面工程学化学转化膜技术.ppt

第11章化学转化膜技术 11 1氧化处理 11 2铝及铝合金的阳极氧化 11 3磷化处理 11 4铬酸盐处理 2020 1 28 2 化学转化膜 通过化学或电化学手段 使金属表面形成稳定化合物膜层的方法 结合力好 由于化学转化膜是金属基体直接参与成膜反应而成的 因此膜与基体的结合力大 典型反应 mM nAZ MmAn nZe其中 M 基体金属A 介质阴离子 概述 2020 1 28 3 分类 根据形成膜介质的不同 1 氧化物膜 在含有氧化剂的溶剂中形成 氧化 2 磷酸盐膜 金属在磷酸中形成 磷化 3 铬酸盐膜 在铬酸或铬酸盐溶液中形成 钝化 几乎所有的金属表面均能成膜 工业上以Fe Al Zn Cu Mg为主 概述 2020 1 28 4 一 钢铁的化学氧化 氧化剂中生成蓝 黑膜层 称为 发蓝 或 发黑 分为 高温化学氧化和常温化学氧化 1 钢铁高温化学氧化 传统发黑方法 浓碱性NaNO2 140 15 90min生成Fe3O4膜 厚度0 5 1 5 m 2 5 m 浸油 吸附性好 耐蚀性大大提高用途 精密仪器 光学仪器 武器 机械设备 1氧化处理 2020 1 28 5 钢铁的化学氧化 1 高温氧化机理 化学 电化学过程 化学反应机理 三个阶段 生成亚铁酸钠 3Fe NaNO2 5NaOH 3Na2FeO2 H2O NH3 生成铁酸钠 6Na2FeO2 NaNO2 H2O 3Na2Fe2O4 7NaOH NH3 生成磁性氧化物 Na2Fe2O4 Na2FeO2 2H2O Fe3O4 4NaOH从溶液中经形核长大 形成致密的黑色氧化膜 1氧化处理 2020 1 28 6 钢铁的化学氧化 1 高温氧化机理 化学 电化学过程 电化学反应机理铁的溶解 Fe Fe2 2eFe2 Fe3 6Fe2 NO2 11OH 6FeOOH H2O NH3还原反应 FeOOH e HFeO2 生成Fe3O4 2FeOOH HFeO2 Fe3O4 11OH H2O Fe3O4的生成速度 晶核数多 过饱和度大 晶粒细 膜层薄 晶核数少 过饱和度小 晶粒粗 膜层厚 1氧化处理 2020 1 28 7 2 钢铁高温氧化工艺单槽法 操作简单 使用广泛No1 通用氧化液 操作方便 镀层美观光亮 薄No2 氧化速度快 膜层致密 光亮度略差双槽法 两次氧化处理 膜厚 耐蚀性好No3 保护性好的蓝黑色光亮氧化膜No4 较厚的黑色氧化膜 1氧化处理 2020 1 28 8 2 钢铁高温氧化工艺影响氧化膜成膜速度 厚度 致密性的因素 氢氧化钠 浓度 膜层疏松 多孔浓度 防护能力差 氧化剂 浓度 氧化速度 膜层致密 牢固浓度 氧化速度 膜层厚而疏松 温度 T 膜层质量下降 氧化液中铁离子含量 应有一定量的铁离子 可使膜层致密 结合牢固 钢铁中的含碳量 C Fe3C 发黑后 热水清洗 干燥 在105 110 浸油 1氧化处理 2020 1 28 9 1 钢铁常温发黑机理置换反应 CuSO4 Fe FeSO4 Cu 3Cu 3H2SeO3 2CuSeO3 CuSe 3H2O 2钢铁常温化学氧化 常温发黑 节能高效简便 污染小 1氧化处理 2020 1 28 10 2 钢铁常温发黑工艺2 10min后 用脱水缓蚀剂 石蜡封闭 耐蚀性 影响表面膜的因素 成膜剂 铜盐 亚硒酸加入磷酸辅助成膜 可提高耐蚀性和附着力 PH缓冲剂 2 3之间 PH 反应快 膜疏松 附着 耐蚀 PH 反应慢 膜薄 稳定性 络合剂 表面润湿剂 十二烷基磺酸钠 OP 101 2钢铁常温化学氧化 常温发黑 节能高效简便 污染小 1氧化处理 2020 1 28 11 二 非铁金属的化学氧化 1 铝及铝合金的化学氧化设备简单 操作方便 生产效率高 不耗电 成本低 0 5 4 m 膜层多孔 具有良好的吸附性 当PH为4 45 8 38时 Al Al3 3e3H2O 3e 3OH 3 2 H2Al3 3OH AlOOH H2OAlOOH Al2O3 H2O晶体吸附在表面上 形成氧化膜 1氧化处理 2020 1 28 12 二 非铁金属的化学氧化 铝合金化学氧化的分类 碱性氧化法 酸性氧化法 Al alloy化学氧化工艺规范 1氧化处理 2020 1 28 13 不同氧化工艺的特点 No1 膜层软 孔隙率高 吸附性好 耐蚀性差 No2 硅酸钠作为缓蚀剂 无色氧化膜 硬度高 孔隙率小吸附性差 耐蚀性好 No3 膜层电阻小 导电性好 耐蚀性好 膜层薄 硬度低 不耐磨 No4 膜层薄 韧性好耐蚀性好 1氧化处理 2020 1 28 14 二 非铁金属的化学氧化 2 镁合金的化学氧化 0 5 3 m 膜层薄 软 作为底层 1氧化处理 2020 1 28 15 为了提高膜层的耐蚀性 凡经1 3号处理的膜层都要进行封闭处理 1氧化处理 2020 1 28 16 3 铜及铜合金的化学氧化生成CuO或Cu2O膜层 各种不同颜色的膜层 1氧化处理 2020 1 28 17 第11章化学转化膜技术 11 1氧化处理 11 2铝及铝合金的阳极氧化 11 3磷化处理 11 4铬酸盐处理 2020 1 28 18 2铝及铝合金的阳极氧化 铝及铝合金的阳极氧化 在适当的电解液中 以金属作为阳极 在外加电流的作用下 使表面生成氧化膜的方法 膜层厚 几十到几百 m 铝的自然氧化膜厚度0 010 0 015 m 2020 1 28 19 2铝及铝合金的阳极氧化 铝及铝合金的阳极氧化 金属作为阳极 2020 1 28 20 一 阳极氧化膜的性质及用途1 膜层多孔蜂窝状 吸附能力很强 树脂 蜡 涂料 2 耐磨性好硬度高 吸附润滑剂后 进一步提高耐磨性3 耐蚀性好大气中很稳定 并与厚度 孔隙率有关 可采用封闭处理 进一步提高耐蚀性 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 21 一 阳极氧化膜的性质及用途4 电绝缘性电阻大 击穿电压高 电容器电介质层或电器绝缘层5 绝热性良好的绝热层 承受1500 瞬时高温 导热系数很低 0 419 1 26W m k 6 结合力很强 难以用机械的方法将它分离 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 22 二 阳极氧化膜的形成机理阴极 Pb2H 2e H2 阳极 Al alloyH2O 2e O 2H 2Al 3O Al2O3介质 酸性溶液 同时酸对Al或Al alloy膜进行化学溶解 2Al 6H 2Al3 3H2 Al2O3 6H 2Al3 3H2氧化 溶解最后达到平衡 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 23 阳极氧化的电压 时间曲线 1 A区无孔层形成ab段几十秒内0 Vmax2 B阶段多孔层形成bc段 被电解液溶解 出现多孔层3 C阶段多孔层增厚cd段 直到动态平衡 无孔层和多孔层不随时间变化 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 24 阳极氧化的电压 时间曲线 1 A区无孔层形成ab段几十秒内0 Vmax2 B阶段多孔层形成bc段 被电解液溶解 出现多孔层3 C阶段多孔层增厚cd段 直到动态平衡 无孔层和多孔层不随时间变化 阻挡层 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 25 三 铝及其阳极氧化工艺 硫酸 铬酸 草酸 1 硫酸的阳极氧化稀硫酸电解液中通交流或直流电 膜层厚5 20 m 吸附性较好 无色透明氧化膜 工艺简单 溶液稳定 操作方便 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 26 三 铝及其阳极氧化工艺 硫酸 铬酸 草酸 1 硫酸的阳极氧化 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 27 硫酸阳极氧化的影响因素 硫酸的浓度 溶解速度快 膜薄且软 空隙多 吸附力强 染色性好 氧化膜生产速度快 孔隙率低 硬度较高 耐磨 反光 温度T26 疏松 硬度低 电流密度 膜层生产速度加快 氧化时间缩短 溶解少 膜厚 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 28 硫酸阳极氧化的影响因素 时间与浓度 温度 电流密度 所需厚度有关 搅拌避免局部升温和成分不均 保证膜层质量 合金成分其他成分增加 膜层质量下降Al Mg当Mg 5 时 需用热处理使Mg均匀化 否则影响膜层的透明度Al Mg SiSi 膜层无色透明 灰色 紫色 黑色Al Cu Mg MnCu 膜硬度 孔隙率增加 疏松 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 29 2 铬酸阳极氧化 2 5 m 孔隙率低 膜层质软 耐磨性较差 由于Al溶解少 形成氧化膜后仍能保持原来的精度和Ra 适用于精密零件 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 30 铬酸阳极氧化的影响因素 1 铬干的浓度可略高 否则电解液不稳定2 杂质Cl SO42 Cr3 有害Cl 蚀刻SO42 膜层不透明 缩短电解液使用寿命Cr3 使氧化膜暗而无光3 电压0 15min内 电压0 40V 每次升压不大于5V 次 到40V后保持到氧化结束 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 31 3 草酸阳极氧化草酸对铝及铝合金的腐蚀作用小 草酸阳极氧化膜的硬度高 膜层较厚 可达60 m 耐腐蚀性好 有良好的绝缘性 可得到各种鲜艳的颜色 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 32 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 33 三 阳极氧化膜的着色与封闭多孔膜经过着色和封闭处理后 可得到不同的颜色并能提高耐蚀性和耐磨性 1 氧化膜的着色1 无机颜料着色物理吸附于膜层微孔表面 与基体结合力弱 色彩不够鲜艳 但抗老化性好 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 34 三 阳极氧化膜的着色与封闭1 氧化膜的着色1 无机颜料着色 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 35 三 阳极氧化膜的着色与封闭多孔膜经过着色和封闭处理后 可得到不同的颜色并能提高耐蚀性和耐磨性 1 氧化膜的着色2 有机颜料着色物理吸附 化学吸附 色彩鲜艳 色谱广 抗老化性差 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 36 三 阳极氧化膜的着色与封闭1 氧化膜的着色2 有机颜料着色 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 37 三 阳极氧化膜的着色与封闭1 氧化膜的着色3 电解着色阳极氧化后的Al或Al alloy放入含金属盐的电解液中进行电解 经电化学反应 使进入氧化膜微孔中的重金属离子还原为金属原子 沉积于孔底而着色 特性 耐磨 耐晒 耐热 耐蚀 色泽稳定用途 建筑装饰铝材 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 38 三 阳极氧化膜的着色与封闭1 氧化膜的着色3 电解着色 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 39 三 阳极氧化膜的着色与封闭2 氧化膜的封闭处理铝及其合金经阳极氧化后 无论是否着色 都要及时进行封孔处理 固定颜料在微孔中 防止渗出 同时提高膜的耐磨性 耐晒性 耐蚀性和绝缘性 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 40 三 阳极氧化膜的着色与封闭2 氧化膜的封闭处理1 热水封闭法 蒸汽封闭法 Al2O3 nH2O Al2O3 nH2O当n 1时 体积增加33 n 3时 体积增加100 体积增大封闭膜孔工艺过程 90 100 PH6 7 5 15 30min蒸馏水或去离子水 透明 色泽 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 41 三 阳极氧化膜的着色与封闭2 氧化膜的封闭处理2 重铬酸盐封闭法2Al2O3 3K2Cr2O7 H2O 2AlOHCrO4 2AlOHCr2O7 6KOH封孔 AlOHCrO4碱式铬酸铝AlOHCr2O7碱式重铬酸铝Al2O3 H2O一水氧化铝Al2O3 3H2O三水氧化铝 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 42 三 阳极氧化膜的着色与封闭2 氧化膜的封闭处理2 重铬酸盐封闭法配方及工艺 重铬酸钾50 70g L温度90 95 PH6 7时间15 25min膜层 黄色 耐蚀性好用途 防护用铝 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 43 三 阳极氧化膜的着色与封闭2 氧化膜的封闭处理3 水解封闭法 工艺 镍盐和钴盐的极稀溶液被氧化膜吸收后 发生水解反应 Ni2 2H2O Ni OH 2 2H Co2 2H2O Co OH 2 2H 封孔 Ni OH 2和Co OH 2无色 适用于着色氧化膜的封孔 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 44 三 阳极氧化膜的着色与封闭2 氧化膜的封闭处理3 水解封闭法 工艺 2铝及铝合金的阳极氧化 2020 1 28 45 三 阳极氧化膜的着色与封闭2 氧化膜的封闭处理4 填充封闭法采用透明清漆 熔融石蜡 树脂 干性油等 2铝及铝合金的阳极氧化 几件事情 欢迎 毕业设计 研究生选题QQ群 随时交流 明年新开课时更新 这次课的安排 化学转化膜 复习 答疑 成绩 平时30 考试70 考试 填空 多选 简答 铝的阳极氧化 铝的阳极氧化工艺分哪几个步骤 画出阳极氧化工艺示意图除了溶液配方外 阳极氧化还有哪些重要的工艺参数 阳极氧化与电镀有何异同之处 2020 1 28 48 第11章化学转化膜技术 11 1氧化处理 11 2铝及铝合金的阳极氧化 11 3磷化处理 11 4铬酸盐处理 2020 1 28 49 3磷化处理 一 钢铁的磷化处理把金属放入含有Mn Fe Zn的磷酸盐溶液中进行化学处理 使金属表面生成一层难溶于水的磷酸盐保护膜的方法 叫做金属的磷酸盐处理 简称磷化 特性 膜层为微孔结构 与基体结合牢固 具有良好的吸附性 润滑性 耐蚀性 不粘附熔融金属 Sn Al Zn 及较高的电绝缘性 2020 1 28 50 一 钢铁的磷化处理用途 涂料的底层 金属冷加工时的润滑层 金属表面的保护层 以及电机硅钢片的绝缘处理 压铸模具的防粘处理 膜厚 5 20 m特点 设备简单 操作方便 成本低 生产率高 3磷化处理 磷化处理 2020 1 28 51 1 磷化膜的形成机理磷酸二氢盐 磷酸中进行如下反应 M H2PO4 2 MHPO4 H3PO43MHPO4 M3 PO4 2 H3PO4MHPO4 M3 PO4 2结晶形成磷化膜 钢铁的磷化处理 3磷化处理 2020 1 28 52 2 磷化膜的组成和结构1 磷化铁膜 Fe3P 非晶质 0 21 0 8g m2 呈灰色 青色 黄色2 磷酸锌膜磷酸锌Zn3 PO4 2和磷酸锌铁Zn2Fe PO4 2 4H2O整体呈浅灰至深灰结晶状3 磷酸锰系磷酸锰Mn3 PO4 2 3H2O磷酸氢锰铁2MnHPO4 FeHPO4 2 5H2O其结构呈板状 钢铁的磷化处理 3磷化处理 2020 1 28 53 3 磷化工艺1 磷化配方及工艺规范高温 88 98 膜厚 速度快 硬 耐蚀 耐热 结合力强 能耗大 蒸发快 成分变化快 晶粒粗细不匀中温 55 70 速度快 溶液稳定 耐蚀性好 溶液复杂 调整麻烦常温 15 35 节能 成本低 溶液稳定 耐蚀 结合力低 时间长 效率低 钢铁的磷化处理 3磷化处理 2020 1 28 54 钢铁的磷化处理 3 磷化工艺1 磷化配方及工艺规范 3磷化处理 2020 1 28 55 3 磷化工艺2 影响磷化的因素 游离酸度高 晶粒粗大 疏松 耐蚀性差低 膜薄 总酸度高 晶粒 耐蚀性 低 晶粒 耐蚀性 金属离子的影响 钢铁的磷化处理 3磷化处理 2020 1 28 56 3 磷化工艺2 影响磷化的因素 P2O5的影响 NO3 NO2 F 的影响 杂质的影响 温度的影响 基体金属 预处理的影响 钢铁的磷化处理 3磷化处理 2020 1 28 57 3 磷化工艺3 磷化膜的后处理 填充和封闭 填充 重铬酸钾30 50g L碳酸钠2 4g L温度80 95 PH6 7时间5 15min封闭 防锈油 润滑油 钢铁的磷化处理 3磷化处理 2020 1 28 58 二 非铁合金的磷化处理 涂漆前的打底 Al或Al alloy 铬干 CrO3 7 12g L磷酸 H3PO4 58 67g L氟化钠 NaF 3 5g LPH1 5 2 0F CrO30 1 0 4 3磷化处理 2020 1 28 59 第11章化学转化膜技术 11 1氧化处理 11 2铝及铝合金的阳极氧化 11 3磷化处理 11 4铬酸盐处理 钝化 2020 1 28 60 4铬酸盐处理 铬酸盐处理 钝化 把金属或金属镀层放入含有某些添加剂的铬酸或铬酸盐溶液中 进行化学或电化学处理 使金属表面生成一层Cr3 或Cr6 组成的铬酸盐膜的方法 特点 结合力强 结构紧密 化学稳定性好 耐腐蚀 保护作用强 色彩丰富 透明 乳白 黄色 淡绿