常用表面处理技术介绍.doc

常用表面处理技朮介绍陈怀超 电镀(电沉积) 化学镀 阳极氧化(铝镁钛及它们的合金) 化学氧化(铝及其合金钢铁等等) 电化学及化学转化 铬酸盐处理(钢铁上的锌铬镀层铝镁铜) 磷酸盐处理(磷化) 热浸镀(常用的有热浸锌锡铝铅) 火焰喷涂 气喷涂 爆炸喷涂 热喷涂 电弧喷涂 电喷涂 等离子喷涂 高频感应喷涂 橡胶涂层 非金属涂覆 塑料涂层 油漆涂层 渗镀 化学气象沉积 扩散涂镀 真空镀膜 包镀 达克罗(Dacromet浸入锌铝锌铬等浆液中形成涂层然后烘烤干燥成膜)1. 磷酸盐皮膜处理大陆称为磷化处理1.1 磷酸盐皮膜机理 2H3PO4+MM(H2PO4)+H2 3M(H2PO4)24H3PO4+M3(PO4)2 M(H2PO4)2MHPO4+H3PO4生成的M3(H2PO4)2和MHPO4为磷酸盐膜的主要成分1.2 磷酸盐皮膜的性质和用途(1) 耐蚀性在大气条件下很稳定在有机油类苯甲苯及各种气体燃料中有很好的耐蚀性。但磷酸盐皮膜不耐酸硷氨海水及水蒸气等。磷酸盐膜经过封闭处理后能大大提高其耐蚀性。 磷酸盐皮膜的耐蚀性高于发蓝膜。(2) 吸附性 磷酸盐膜具有多孔构有很好的吸附性因此常用作油漆的底层和吸附润滑油后作为减摩层和润滑层。(3) 电绝缘性 磷酸盐膜是高电阻膜层有很好的电绝缘性击穿电压为240250V, 涂绝缘漆后可耐10001200V,又由于磷酸盐膜不影响透磁性因此常用作电磁装置的硅钢片。(4) 不粘附熔融金属的特性 此特性用于在热浸锌锡铅合金时保护不需要浸涂部分。在浇铸减摩合金和电机铸铝转子时将钢膜作磷酸盐处理以防粘附。1.3 磷酸盐膜成膜机理和构成1.4 分类 钢铁用化成处理剂 铝用化成处理剂 锌用化成处理剂 不锈钢用化成处理剂 铜用化成处理剂 镁用化成处理剂 其他化成处理剂 涂装打底用的化成处理剂 塑性加工用化成处理剂 防锈用化成处理剂 耐磨用化成处理剂 绝缘用化成处理剂 塑胶叠片用化成处理剂涂装打底用皮膜特点致密均匀薄得适当 结晶粗大会吸入涂料而减少光泽不均匀会降低涂装后的耐蚀性由于磷酸盐膜很硬很脆皮膜过厚的话涂装后遭到弯曲或冲击等外力时即使别无缺陷也可能脱落。防锈用皮膜特点致密均匀厚度越厚越好孔隙率越低越好。表 1.1 美军规格MIL-C-16173C要求的磷酸盐皮膜的防锈性类型等级补助加工盐水喷雾试验磷酸铁1施行另外规定的防锈油2施行MIL-L-3150的润滑油243不补助加工1.54A进行无机密封不进行补助加工244B进行无机密封施行MIL-L-3150的润滑油72磷酸锌1施行另外规定的防锈油2施行MIL-C-16173Grade 2的不干性防锈油483不补助加工24A进行无机密封不进行补助加工244B进行无机密封施行防锈油或高熔点蜡724C进行无机密封且染上规定色244D进行无机密封及染色施行防锈油或蜡724E进行无机密封施行规定的防锈油241.5 磷酸盐皮膜构成皮膜化成溶液磷酸盐膜的成分及结构形态钢铁表面锌表面锌系磷酸盐皮膜剂Zn(PO4).4H2OZnFe(PO4)2.4 H2O形态呈树枝壮晶粒垂直于金属表面Zn3(PO4).4H2O锰系磷酸盐皮膜剂(MnFe)5H2(PO4).4H2O形态呈圆球形晶系的层状结构晶粒排列平行于金属表面Zn3(PO4).4H2OMn5H2(PO4).4H2O铁系磷酸盐皮膜剂Fe3(PO4)2ZnFe(PO4)2.4 H2O Fe3(PO4)21.6 磷酸盐化成工艺过程及监控 脱脂水洗(除锈)表面调整化成水洗封闭处理或烤漆 化成工序的监控参数游离酸度全酸度杂质含量。脱脂工序的监控参数 游离硷度全硷度。 表面调整由于脱脂溶液中的硅酸盐使膜结晶粗糙膜重增加不适合涂装同时强硷溶液如NaOH也使锌盐磷化膜粗糙变厚并且降低磷化膜的耐蚀性和柔韧性。活化晶核由于生成氢氧化物或氧化物的薄膜而减少因此用弱硷性的磷酸钛盐溶液或稀草酸溶液对钢铁表面进行处理可使大多数的晶核重新活化和复原细化晶粒增加晶粒数。2阳极氧化又称为电化学氧化阳极化2.1 铝及铝合金的阳极化2.11 氧化膜特性(1) 多孔性硫酸阳极化膜每平方微米大约有800个孔草酸阳极化膜每平方微米大约有60个孔。由于氧化膜具有多孔状结构所以膜层有很好的吸附性对各种染料表现出很好的吸附能力故氧化膜能进行化学着色染成不同的颜色另外也可在膜孔底部电沉积金属进行电化学着色使氧化膜不仅具有防护作用还有装饰作用。(2) 良好的耐磨性由于阳极化膜硬度高因此耐磨性好。(3) 氧化膜的电绝缘性和绝热性良好的电绝缘性使阳极化产品可作为电机和变压器的绕线圈但其缺点是弹性小。良好的绝热性使有氧化膜存在的情况下可防止零件在瞬间高温的情况下熔化。2.1.2 分类 硫酸阳极化 草酸阳极化 铬酸盐阳极化磷酸阳极化 硼酸阳极化普通阳极化 硬质阳极化膜层硬度高具有很好的耐磨性和耐蚀性。硬氧化膜大多用于铝的活塞汽缸液压设备减震器齿轮及其它铝制零件。超硬铝(LC4)经硬质阳极化后可以代替钢使用。同时耐热性很好能经受住短时间的2000C高温。因此硬氧化膜常作为一种能满足特殊要求的功能性膜层。2.1.3阳极化的反应过程和膜的构成阳极反应Al-3eAl3+2Al3+ +3O2-Al2O3阴极反应6OH-3H2O+3O2-2H+2eH22.1.4 膜的组成 未封闭膜 Al2O3 78.9% Al2O3H2O 0.5% Al2(SO4)3 20.2% H2O 0.4% 水封闭后的膜Al2O3 61.7% Al2O3H2O 17.6% Al2(SO4)3 17.9% H2O 2.8%2.2 其他材料的阳极氧化钛和钛合金的阳极氧化3化学氧化化学氧化阳极氧化工艺特点(1) 成本低生产效率高收效快可以大批量连续化生产(1) 成本较高。(2) 工艺稳定操作方便设备简单溶液易维护零件大小和形状不受限制(2) 由于需外加电源零件大小和形状影响电力线和电流的分布(3) 对钢铁铝铜银锌锡镉以及它们的合金均可进行化学氧化。此外化学氧化在某些功能性应用领域也得到了令人满意的效果。因此近年来化学氧化技朮得到了很大的发展。(3)常用的为铝及其合金镁及镁合金钛及其合金的等材料阳极氧化。膜层特性(1)膜薄一般厚度为0.5-4微米(1) 膜厚(2)质软不耐磨抗蚀性和耐磨性低于阳极氧化膜(2) 耐蚀性好硬度高用于提高(3)可得到某些阳极化膜不能具有的功能性膜层如导电性氧化膜层(3)可得到某些特殊功能性的膜层如在多孔膜中沉积磁性合金作记忆元件。太阳能吸收板超高硬质膜等3.1 铝的化学氧化3.1.1 分类 纯水氧化法 磷酸盐氧化法 铬酸盐氧化法 磷酸盐铬酸盐氧化法 碱性氧化法 酸性氧化法 可得到透明膜层。3.1.2后处理有填充处理钝化处理喷涂处理等后处理以提高耐蚀性。3.2 钢铁的化学氧化因为得到膜层由呈现蓝黑色的四氧化三铁组成所以又叫发蓝。发蓝膜薄通常为0.6-1.5微米因而耐蚀性差。但是由于其有很好的吸附性经过填充处理的发蓝膜有较好的耐蚀性。如早期的枪炮管大多使用化学氧化后涂油乌黑的油亮外表。发蓝膜薄不影响零件的装配尺寸对表面光洁度高或抛光的精密件发蓝后表面既亮又黑具有防护和装饰的双重效果。因此发蓝膜在精密仪器光学仪器以及机械制造上广为应用。4.化学镀4.1化学镀的特性(1) 不需要通电将镀件直接浸入溶液即可。(2) 可在金属半导体和非导体材料上直接进行。(3) 可在零件表面获得厚度均匀的镀层。(4) 通过自催化特性可得到任意厚度的镀层。(5) 膜层空隙少致密具有很好的耐蚀性很高的硬度和耐磨性。(6) 镀液稳定性差更新快成本比电镀高4.2 化学镀种类镍铜银钴金钯铂铑等均可经过化学镀沉积到镀件表面。但最常用的主要有化学镀镍和化学镀铜。4.2.1 化学镀镍4.2.1.1 化学镀镍膜层特性化学镀镍膜层电镀镍层空隙少致密多孔只有达到一定厚度(25微米以上)才能做到无孔耐蚀性好12.5微米厚的耐蚀性优于25微米厚的电镀镍层耐蚀性不如化学镀镍层光亮化学镀镍层的亮度不如电镀亮镍层的亮度管理只能得到半光亮镀层可得到全光亮的镀层镀层为镍磷合金层含磷10%以上的镀层为非晶态镀层。镀层为纯镍组成晶体结构无论是半光亮还是不光亮镀层脆性均较大光亮镀层脆性大延性小。半光亮层有一定的韧性暗镍有较好的韧性。成本高在得到相同镀层的条件下大约为电镀镍层价格的5倍成本比化学镀镍低4.2.1.2 化学镀镍的沉积机理以次磷酸盐镀液为例首先是次磷酸根在固体催化表面上氧化脱氢并生成亚磷酸根反应为H2PO2-+H2OH+HPO32-+2H吸附于催化表面上的活泼氢原子使镍离子还原成金属镍而本身则氧化为氢离子Ni2+2HNi+2H+同时溶液中的部分次磷酸根也被吸附在催化表面上的活泼氢原子还原成单质磷 H3PO2-+HP+H2O+OH-因此化学镀镍得到的是镍磷合金层而不是单一的镍层。化学镀镍过程中会发生析氢副反应2HH24.2.1.3 化学镀镍的工艺过程脱脂活化化学镀4.2.1.4 塑胶电镀与化学镀塑胶电镀的工艺过程脱脂粗化(微观粗化)敏化(吸附易氧化的物质)活化(多用胶体钯通过与敏化步骤吸附的氧化物反应而获得一层具有催化作用的金属膜)还原处理(消除残余活化物质)化学镀镍或镀铜电镀4.2.1.5 化学镀镍的用途石油管道计算机硬盘耐磨元件等4.2.2 其它化学镀的用途化学镀铜主要用于非金属材料表面金属化特别是印制电路板的孔金属化实现孔两边导通。化学镀银用于生产保温瓶(银镜反应)装饰物等5.防锈油脂5.1概述防锈油脂是在矿物油(或合成油)中加入油溶性缓蚀剂和其它辅助添加剂而组成的一种防锈材料。具有取材容易成本较低工艺简单适应性广防锈效果显着等优点。广泛用于机械制造过程及金属制品的储存运输过程中。它与气相防锈材料可剥性塑料共称为暂时防锈中的三大防锈材料。5.2防锈油防锈的原理防锈油一般由油溶性缓蚀剂和溶解缓蚀剂的油类组成。油溶性缓蚀剂在分子结构上都同时具备极性和非极性基团。非极性基团使其能溶于油中极性基团则使其能吸附在金属表面延缓金属腐蚀。油主要起保护缓蚀剂吸附分子弥补吸附膜不完整之处保障油膜的厚度等作用。由缓蚀剂和油在金属表面形成致密的吸附膜有效阻止水分子氧气和其它腐蚀性介质的浸入从而阻止金属腐蚀。5.3 防锈油应具备的性能(1) 防锈性能良好(2) 无腐蚀性与其所接触的金属或非金属部件不其作用。(3) 对人体无害无特殊臭味或其它刺激性气味(4) 具有很好的化定性在长期储存中不变质不氧化效果恒定。能有效防止有害气体和水扩散到金属表面同时对手汗有一定的置换性(5) 涂层不因温度变化而流失或龟裂涂层应有一定的强度涂层要薄且除膜性好并能适应多种包装材料的包装。5.4 防锈油种类 工序间防锈油 防锈润滑两用油 封存防锈油 液体防锈油 硬膜油 软膜油 溶剂稀释型防锈油 不干性防锈油 半干性防锈油 干性防锈油6 真空镀膜6.1 分类 真空蒸镀 真空溅射镀 离子镀共同特点在真空室内(有时充有负压的惰性气体)实行气相镀覆的一类技朮。6.2真空蒸镀将零件与涂层材料同时放在钟罩形的真空室内涂层材料受热蒸发蒸发出的分子(或原子)在自由行程内与受镀零件表面相遇并不断凝结成膜。镀件可以是金属也可以是非金属。涂覆材料只能选择熔点低蒸气压较高的材料如锌镉铜银金镍和铬等。对低熔点金属的镀覆效果好只能用于镀薄膜。真空蒸镀目前主要用于制作各种薄膜电子元件沉积各种光学薄膜以及在用陶瓷金属塑料人造宝石和纸质制成的工艺美朮品上沉积装饰膜。6.3 阴极溅射镀 在真空度不太高的环境中在强电场的作用下利用气体放电时产生的高速正离子轰击阴极靶材料(镀覆材料)从靶表面溅射出原子或分子并沉积到基体(被镀零件)表面上形成薄膜的技朮或者说是利用溅射现象的成膜技朮。 镀件可以是组成强电场的阳极也可以是放在灰光放电区域内其它位置的零件。零件充作阳极的方法是直流双极溅射法是一种简单而标准的溅射法。 溅射镀膜层的附着力比蒸镀强镀覆材料不受熔点和蒸气压的限制但溅射镀的速度不如蒸镀快。 溅射镀已经得到了广泛的应用。在表面强化和稳定化方面溅射镀用于镀覆耐磨损层超硬合金层耐蚀层和抗高温腐蚀合金层等。用溅射镀来装饰塑料制品外观美丽附着力好。在电子和光学方面溅射镀用于制造大规模和超大规模集成电路高能红外激光中的红外反射膜。在磁性记录方面溅射镀用于高密度和超高密度记录的磁盘磁带和磁头的磁性层。在能源方面可用于溅镀高效太阳能结晶电池的硅膜固体电介质燃料电池中的氧化铬薄膜在太阳能热发电吸附板上溅镀黑铬等6.3离子镀 离子镀是在真空蒸镀和溅射镀的基础上发展起来的一种新技朮。在真空室内镀覆材料作为蒸发源并作为阳极被镀基体作为阴极。在合适的气压和电压下基体和蒸发源之间会产生灰光放电一部分氩气产生电离由电离生成的氩离子受负高压基体的吸附轰击基体使基体受到离子的刻蚀清晰而除去上面吸附的污染层。 当清洗完毕后再使蒸发源中的涂覆材料蒸发蒸发出的粒子进入灰光放电区其中一部分电离为正离子受负高压电场作用沉积在基体上。在发生沉积时基体继续受氩离子和蒸发料离子的刻蚀清洗所以只有沉积速度大于刻蚀速度的情况下沉积层才能加厚获得所需的膜层。膜层有较高的附着力绕镀能力强基体各部分都能镀上均匀的镀层离子镀膜层有较高的质量镀前处理简单可采用的基体材料和镀覆材料简单沉积速度与真空蒸镀一样高可以用于制备厚膜。由于离子镀技朮可以镀覆用其它方法难以镀覆的膜层且有优异的性能因而应用十分广泛。离子镀膜可作为耐蚀耐热装饰和耐磨等各种