常用的表面防护工艺及方法选择PPT课件.ppt

第三章常见的表面防护方法 1 产品生产过程中的防护 2 机加工过程中产品零件的临时性保护原则 钢铁件经过加工以后 在加工组合后或送交下道工序前应作临时油封处理 不锈钢可不油封 铝 铜及其合金 青铜除外 钛及钛合金在加工后应将冷却液及污染物擦净 工序间停放一个月可不油封 否则应作油封处理 凡是吹砂又不能进行防锈处理的零件 搬运时应戴干净的手套 避免手接触引起腐蚀 并马上送交表面处理 铝合金薄板在冲压过程过程中应用贴纸或用聚乙烯膜或临时性保护涂料保护以防划伤 3 机加工过程中产品零件的临时性保护方法 根据零件材质 工序间存放时间以及环境不同 可以采用置换性防锈油油封 脱水防锈油油封 气相防锈纸封存及干燥空气封存 机械加工防锈切削液 临时性保护涂层等 气相防锈纸将已完成某一工序零件擦干后放入周围衬有气相防锈纸的箱子内 并将箱盖封好 防锈纸需要经常更换 如在箱类放气相缓蚀剂 粉剂 效果会更佳 浸 涂防锈油普遍采用的方法 将完成某一工序的零件用航空洗涤汽油洗净和用抹布擦干之后 浸涂1 3的LTS 3A置换型防锈油和煤油的混合油 滤去余油 装入聚乙烯塑料袋中 4 机加工过程中产品零件的临时性保护方法 如在零件加工过程中使用了防锈切削液 当零价完成某一加工工序后 不要将其表面残余的防锈切削液除掉 这样能保证零件在3 5日内不发生锈蚀 切削液的选择 5 产品零件工序间的交接注意事项 上道工序交到下道工序的零件应作临时防锈处理 尤其是加工到最后尺寸面的零件 有精加工的零件了 交接时应作外观锈蚀检查 有锈蚀的应立即处理 搬运时应戴干净手套 防止手汗腐蚀金属 抽检 下道工序在接收上道工序的零件时 应抽取3 5 的零件进行检查 确认无腐蚀和其他缺陷以后方可办理移交 周转 转入热加工车间的零件应在48h内进行验收 完工后尽快转出 经电镀及化学热处理的零件应尽可能避免在车间存放过夜 6 例如 表面处理加工过程中的腐蚀控制 零件经过前处理以后应马上进行表面处理 以防腐蚀 零件应以润湿的状态进入处理槽 应按工艺要求严格控制槽液的pH值 因为pH值是影响渗氢的关键因素 槽液应定期过滤 清除残渣 定期分析 定期维护 应严格按照工艺文件控制电流 电压 pH值 温度 时间等工艺参数及槽液成份 对于抗拉强度高的结构钢件和不锈钢件 在电镀之前必须消除应力和电镀后除氢 7 成品零件需要进行防锈封存和包装 防锈封存 油封防锈油封存适用于不带忌油或非金属零件的金属制件的封存 干燥空气封存适用于非金属零件和带忌油零件的金属制件的封存 气相缓蚀剂封存气相封存之前将零件用置换型防锈油彻底清洗干净 然后用气相纸包装 并用密封材料 聚乙烯袋或铝塑复合袋 包装 包装按不同的封存期包装 防锈油油封以后外包装一层石蜡纸和一层复合纸 封存期为一年 防锈油油封以后 再包装聚乙烯 封存期为两年 8 覆盖层保护技术的主要种类 金属覆盖层 金属镀层 金属衬里双金属复合板 电镀 Cr Ni Ag Cu等 喷涂 Zn Al 渗镀热镀热浸化学镀 金属镀层 金属衬里双金属复合板 电镀 Cr Ni Ag Cu等 喷涂 Zn Al 渗镀热镀热浸化学镀 金属镀层 金属衬里双金属复合板 金属覆盖层 电镀 Cr Ni Ag Cu等 喷涂 Zn Al 渗镀热镀热浸化学镀 金属镀层 金属衬里双金属复合板 9 化学转化膜 阳极氧化化学氧化 发蓝及Al Mg的化学氧化膜 磷酸盐处理 草酸盐处理铬酸盐处理 油漆涂料塑料涂覆搪瓷钢衬玻璃非金属材料衬里暂时性防锈层 非金属覆盖层 10 1电镀 电镀是一种用电化学方法在镀件表面上沉积所需形态的金属覆层工艺 电镀原理 是指在含有欲镀金属的盐类溶液中 以被镀基体金属为阴 通过电解作用 使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来 形成镀层的一种表面加工方法 11 电镀的目的 是改善材料的外观 提高材料的各种物理化学性能 赋予材料表面特殊的耐蚀性 耐磨性 装饰性 焊接性及电 磁 光学性能等 镀层一般为几微米到几十微米厚 电镀工艺设备较简单 操作条件易于控制 镀层材料广泛 成本较低 因而在工业中广泛应用 是材料表面处理的重要方法 12 电镀的基本原理 电镀是指在直流电的作用下 电解液中的金属离子还原 并沉积到零件表面形成有一定性能的金属镀层的过程 电解液主要是水溶液 也有有机溶液和熔融盐 从水溶液和有机溶液中电镀称为湿法电镀 从熔融盐中电镀称为熔融盐电镀 非水溶液 熔融盐电镀虽已部分获得工业化应用 但不普遍 13 电沉积的基本条件 金属离子以一定的电流密度进行阴极还原时 原则上 只要电极电位足够负 任何金属离子都可能在阴极上还原 实现电沉积 但由于水溶液中有氢离子 水分子及多种其它离子 使得一些还原电位很负的金属离子实际上不可能实现沉积过程 所以金属离子在水溶液中能否还原 不仅决定于其本身的电化学性质 还决定于金属的还原电位与氢还原电位的相对大小 若金属离子还原电位比氢离子还原电位更负 则电极上大量析氢 金属沉积极少 14 通常镀液由如下成分构成 1 主盐 沉积金属的盐类 有单盐 如硫酸铜 硫酸镍等 有络盐 如锌酸钠 氰锌酸钠等 2 配合剂 配合剂与沉积金属离子形成配合物 改变镀液的电化学性质和金属离子沉积的电极过程 对镀层质量有很大影响 是镀液的重要成分 常用配合剂有氰化物 氢氧化物 焦磷酸盐 酒石酸盐 氨三乙酸 柠檬酸等 3 导电盐 其作用是提高镀液的导电能力 降低槽端电压提高工艺电流密度 例如镀镍液中加人Na2SO4 导电盐不参加电极反应 酸或碱类也可作为导电物质 15 4 缓冲剂 在弱酸或弱碱性镀液中 pH值是重要的工艺参量 加人缓冲剂 使镀液具有自行调节pH值能力 以便在施镀过程中保持pH值稳定 缓冲剂要有足够量才有较好的效果 一般加人30 40g L 例如氯化钾镀锌溶液中的硼酸 5 阳极活化剂 在电镀过程中金属离子被不断消耗 多数镀液依靠可溶性阳极来补充 使金属的阴极析出量与阳极溶解量相等 保持镀液成分平衡 加人活性剂能维持阳极活性状态 不会发生钝化 保持正常溶解反应 例如镀镍液中必须加人Cl 以防止镍阳极钝化 6 镀液稳定剂 许多金属盐容易发生水解 而许多金属的氢氧化物是不溶性的 生成金属的氢氧化物沉淀 使溶液中的金属离子大量减少 电镀过程电流无法增大 镀层容易烧焦 7 特殊添加剂 为改善镀液性能和提高镀层质量 常需加人某种特殊添加剂 16 特殊添加剂 光亮剂 可提高镀层的光亮度 晶粒细化剂 能改变镀层的结晶状况 细化晶粒 使镀层致密 例如锌酸盐镀锌液中 添加环氧氯丙烷与胺类的缩合物之类的添加剂 镀层就可从海绵状变为致密而光亮 整平剂 可改善镀液微观分散能力 使基体显微粗糙表面变平整 润湿剂 可以降低金属与溶液的界面张力 使镀层与基体更好地附着 减少针孔 应力消除剂 可降低镀层应力 镀层硬化剂 可提高镀层硬度 掩蔽剂 可消除微量杂质的影响 17 金属的电位序 两种不同的金属M1和M2 同时放置在电解质溶液中 并用导体相连 就可以发现导体中有电荷 电子 的传递 传递的方向将取决于M1和M2在所研究的电解质中的腐蚀电位 如果M1的腐蚀电位比M2的腐蚀电位正 那么电子的传递是 Mg 最负 Zn Al Fe 钢 低合金 Ti Pb 黄铜 Cu Ag Au 最正 常见金属在水环境中的电位排列顺序 18 阳极性覆层与阴极性覆层 如果金属M2是覆盖在金属M1表面的涂镀层 且M2在电位序中比M1更负 我们就称为M2为M1的阳极性覆层 比如我们说 镀锌层为钢 铜及铜合金的阳极性覆层 相反 如果M2的电位比M1的电位正 我们就称为阴极性覆层 比如我们说Cr镀层是钢的阴极性覆层 19 阴极性覆层 机械隔离作用 在使用环境中 覆层材料的电位比基体金属的电位正 如铁表面上覆盖铬 镍 如果覆盖层存在缺陷 将加速基体金属的腐蚀 因此阴极性覆层必须足够完整 无孔隙 才能取得好的保护效果 覆层的极性不是绝对的 当环境条件改变时 覆层和基体金属的电偶关系可能发生反转 20 电解质溶液 钢 锌腐蚀 铁表面上用锌作覆层 阳极性覆盖层 锌 锌对钢材基体的保护作用 锌阳极溶解 21 电解质溶液 一旦有覆盖不完整 加速钢的腐蚀 铬钢 阴极性覆盖层 铬直接镀在钢的表面对基体的保护效果不佳 22 电镀的总体优点 镀层金属纯度高 分布均匀 与基体金属结合牢固 镀层具有较高硬度和耐磨性能 为获得同样保护效果所需要的覆层金属最少 镀层厚度容易控制 一般在常温下进行 电镀适应范围很宽 从正电性金属到负电性金属 从低熔点金属到高熔点金属 从高纯金属到合金 都可以进行电镀 几种重要金属电镀方法的介绍 23 电镀的一般原理 以电镀Ni工艺为例 24 覆层金属和覆盖方法的选择 对覆层金属的选择 主要考虑能否在预定使用的环境中有良好的耐蚀性 其次应考虑覆层金属与基体金属的电偶关系 以及设备对覆层金属提出的物理 机械性能方面的要求 还应进行经济比较 对于覆盖方法的选择主要考虑需要的覆层厚度 对覆层孔隙率的要求 以及覆层施工能否适应设备的结构和尺寸 25 铬镀层 26 铬镀层工艺及性质 Cr 铬镀层对钢 铝及铝合金是阴极保护层 对铜及铜合金 黄铜除外 则是阳极保护层 按工艺方法分类 硬铬镀层 乳白铬镀层 装饰性铬镀层 松孔铬镀层和黑铬镀层 铬镀层耐蚀性 在大气中处于钝态 具有高的抗色变能力 被广泛用于装饰性镀层的面层 但由于铬镀层孔隙多 在钢上直接镀铬时 钢不能得到有效保护 甚至加速钢基体的腐蚀速率 镀铬层 耐磨 允许使用最高温度为370 乳白镀铬层可用于600 以下 27 镀铬层工艺 硬铬镀层 镀层硬度高 耐摩 耐热 耐磨蚀 摩擦系数低 要求耐磨的零件可以选择硬铬镀层 乳白铬镀层 镀层为无光泽的灰白色 硬度低 但孔隙比硬铬层少 孔隙率随着厚度增加而减少 在20微米以上时 几乎无孔 可以作为中温防护层在工作温度为250 600 而又不要求耐磨的零件上使用 黑铬镀层 在所有黑色镀层中 黑铬的耐磨性最好 镀层不反光 可用于要求黑色外观零件的镀层 装饰镀铬层 反光能力强 并能长期保持 是极好的装饰性镀层 但必须要有中间镀层以保证有足够的防腐蚀能力 常用的中间层有铜 镍 铜锡 镍铁等 28 镀铬层的其他性能 铬镀层不与塑料和橡胶粘接 铬在碱 碳酸盐 硫化物 硝酸 柠檬酸等有机酸中具有很高的化学稳定性 但易溶于氢卤酸 如盐酸 和热硫酸中 铬镀层不能承受冲击和弯曲 镀铬会严重降低钢的疲劳强度 为减少镀铬对钢疲劳性能的影响 在电镀前 零件表面进行喷丸 使零件表面造成压应力状态 以抵消零件加工残留在表面的拉应力 29 镍镀层 30 镍镀层 Ni 镍镀层是用于钢件装饰或耐热的一种功能性镀层 对钢为阴极性防护层 对铜及铜合金 除黄铜外 为阳极性防护层 镍镀层性质 良好的耐热性 易于抛光 抛光后有镜面光泽 在光亮剂的镀镍溶液中 可以直接镀出光泽外观 但由于在大气中光泽迅速消失 所以更适合作为装饰性镀层的中间层 镍镀层耐蚀性 较好的化学稳定性 耐强碱 在稀的硫酸或盐酸中溶解速度慢 对氢脆比较敏感的材料和对基体材料疲劳性能有要求的零件镀镍时 要重视镀镍对基体材料性能的影响 31 锌镀层应用范围 32 锌镀层 Zn 镀锌层对钢及铜等均为阳极性防护层 镀锌层在干燥空气中几乎不腐蚀 在工业大气 含二氧化硫的空气中的耐蚀性较高 镀锌层硬度中等 能承受弯曲 拧合和扩口 镀锌层的最高使用温度为250 电镀锌过程中氢脆敏感性较大 镀锌层经过钝化后耐蚀性能得到进一步提高 33 铜镀层应用范围 34 铜镀层 Cu 对钢为阴极保护层 只能起到机械保护作用 易于抛光或者光亮镀铜 通常作为电镀金属底层或中间镀层 铜镀层具有良好的导电性 导热性 铜镀层质软 能承受较大的拉伸 延展 扩口与拧合 并有润滑和防止渗碳 氮化 脱碳 氰化的功能 铜镀层的最高使用温度为250 耐蚀性 铜镀层化学稳定性不高 直接曝露于空气中很快会变暗或被沾污 空气中的硫化物 碳酸 手汗 氨等都可能使铜镀层加快变色 在潮湿空气中与二氧化碳或者氯化物生成碱式碳酸盐或氯化铜 35 电镀层的性能检测 36 外观检测 针孔 从镀层表面直至底层覆盖层或基体金属的微小孔道 它是由于阴极表面上某些点的电沉积过程受到障碍 使该处不能学积镀层 而周围的镀层却不断加厚所造成 变色 由于腐蚀而引起的金属或镀层表面色泽的变化 如发暗 失色等 起皮 镀层成片状脱离基体材料的现象 海棉状镀层 在电镀过程中形成的与基体材料结合不牢固的疏松多孔的沉积物 烧焦镀层 在过高电流下形成的颜色黑暗 粗糙松散或质量不佳的沉积物 其中常含有氧化物或其他杂质 麻点 在电镀和腐蚀中 于金属表面上形成的小坑或小孔 37 厚度的测量 厚度的常用方法有 重量法 射线反向散射法 显微镜法 涡流法 千分尺法 X射线法 库仑测量法 磁性测量 点滴法 溶解法 其中属于破坏镀层的检测法有点滴法 溶解法 库仑测量法 显微镜法等 非破坏检测方法有涡流法 射线反向散射法 磁性测量法等 各种测量方法都有自身的应用范围 都不是绝对通用的 38 耐蚀性检测举例 中性盐雾试验 根据国家标准GB T10125 97 人造气氛腐蚀试验中性盐雾试验 方法 试验条件如下 试验溶液 5 NaCl用蒸馏水配制试验温度 35 1 采用连续喷雾pH值 6 5 7 2之间 2 耐腐蚀溶液浸泡试验 参照国家标准GB10124 88 金属材料试验均匀腐蚀全浸试验方法 39 2化学转化膜 金属的化学处理法是通过化学或电化学手段 使金属表面形成稳定的化合物膜层的方法 这种经过化学处理生成的膜层称之为化学转化膜 化学成膜处理的机理是金属与特定的腐蚀液接触而在一定条件下发生化学反应 由于浓差极化作用和阴极极化作用等 使金属表面生成一层附着力良好的 能保护金属不易受水和其他腐蚀介质影响的化合物膜 40 将金属部件置于选定的介质条件下 使表层金属和介质中的阴离子反应 生成附着牢固的稳定化合物 这样得到的保护性覆盖层叫做化学转化膜 其反应一般式可写成mM nAZ MmAn nze形成化学转化膜的方法有两类 一类是电化学方法 称为阳极氧化或阳极化 另一类是化学方法 包括化学氧化 磷酸盐处理 铬酸盐处理 草酸盐处理 41 根据形成膜时所采用的介质 可将化学转化膜为以下几类 l 氧化物膜 是金属在含有氧化剂的溶液中形成的膜 其成膜过程叫氧化 2 磷酸盐膜 是金属在磷酸盐溶液中形成的膜 其成膜过程称磷化 3 铬酸盐膜 是金属在含有铬酸或铬酸盐的溶液中形成的膜 其成膜过程在我国习惯上称钝化 化学转化膜几乎在所有的金属表面都能生成 目前工业上应用较多的是铁 铝 铜 锌 42 转化膜的基本用途 防锈防锈用化学转化膜主要用于以下两种情况 1 对部件有一般的防锈要求 如涂防锈油等 转化膜作为底层很薄时即可应用 2 对部件有较高的防锈要求 部件又不受挠曲 冲击等外力作用 转化膜要求均匀致密 且以厚者为佳 43 耐磨 耐磨用化学转化膜广泛地应用于金属与金属面互相摩擦的部位 表面上的磷酸盐膜层具有很小的摩擦系数 因此减少了金属面间的摩擦阻力 这种磷酸盐膜层还具有良好的吸油作用 在金属接触面间产生了一缓冲层 从化学和机械两个方面保持了基体 从而减小磨损 44 涂装底层作为涂装底层的化学膜要求膜层致密 质地均匀 薄厚适宜 晶粒细小 塑性加工金属材料表面形成磷酸盐膜后再进行塑性加工 例如进行钢管 钢丝等冷拉伸 是磷酸盐膜层最新的应用领域之一 采用这种方法对钢材进行拉拔时可以减小拉拔力 延长拉拔模具寿命 减少拉拔次数 该法在挤出工艺 深拉延工艺等各种冷加工方面均有广泛的应用 45 绝缘等功能性膜磷酸盐膜层是电的不良导体 所以很早就用它作为硅钢板绝缘层 这种绝缘层的特点是占空系数小 耐热性良好 而且在冲裁加工时可减少工具的磨损等 用溶胶一凝胶制得的膜 目前大多是功能性的 46 钢铁的化学氧化膜 俗称发蓝 将钢铁部件放入选定的溶液中 发生化学反应 生成一层致密的氧化物膜这种方法俗称 发蓝 或 煮黑 有碱性法和酸性法 碱性氧化法是在一定温度下 氧化剂和氢氧化钠与金属铁作用 生成亚铁酸钠和铁酸钠 两者再相互作用生成稳定的磁性氧化铁 Fe3O4 膜 膜致密 但厚度很薄 大约为0 5 1 5微米 不耐磨 耐蚀性也很低 经皂化处理或涂油后能明显提高耐蚀性和润滑性 零件经氧化处理后 表面粗糙度和尺寸都无变化 47 钢铁化学氧化膜适用范围 48 铝和铝合金化学氧化膜 在碱性溶液中所形成的化学氧化膜厚度为0 5 4微米 在铬酸 磷酸溶液中形成的膜厚度为0 5 3微米 膜层电阻小 与基体结合良好 不耐磨 能承受轻微弯曲 铝的化学氧化膜具有多孔性 是油漆的良好底层 化学氧化膜与油漆的结合力比阳极氧化膜高 氧化膜允许使用的最高温度为65 耐蚀性 该化学氧化膜的耐蚀性低于硫酸或铬酸阳极化膜 不能单独作为铝合金的保护方法 必须涂油漆补充保护 49 钝化膜 铜及铜合金的钝化膜铜及铜合金在铬酸盐或重铬酸盐溶液中浸渍 可获得略高于原金属或合金防护能力的钝化膜层 膜层薄 不耐磨 具有一定的装饰性 可作为在优良条件下使用的防护层或涂覆油漆的底层 耐蚀性能保持良好的装饰外观 可防止铜表面受硫化物作用而使其颜色变暗 50 影响铜材表面变色的因素其影响的因素有湿度 温度 微量不纯气体及生产工艺等 1 高湿环境与温度的影响实验表明 在湿度较大的季节 特别是在我国南方 所生产的铜材表面在很短时间就出现变色 其主要原因就是由于高湿环境与温度的影响 在高湿度环境中 铜材表面由于缺陷内的毛细凝聚作用 吸附凝聚作用或化学凝聚作用 可以在其表面上凝结上一层从几十个水分子厚至肉眼可见的水膜 由此 使在干燥空气中发生的4Cu O2 2Cu2O 2Cu2O O2 4CuO反应 产物为Cu2O和少量CuO的缓慢纯氧化过程 另外 大气中的氧主要参与电化学腐蚀过程 即 阳极反应 Cu Cu e阴极反应 2H2O O2 4OH 51 2 生产工艺因素的影响铜材在生产过程中的不少工艺因素成为其表面变色的直接或间接原因 而且是变色形态各异 1 润滑剂污染 在铜材生产中硬制品上残留的润滑油或乳液 退火软制品上的残灰残碳等 将会导致铜材表面产生变色或腐蚀 2 残酸与水质影响 我国一些铜带生产线上 在连续退火后 经酸洗 清洗 钝化处理 烘干 卷成成品 往往因为酸洗不彻底 使铜材表面残留有酸迹 导致缓蚀处理抑制变色的效果降低 3 操作因素的影响 如车间酸雾 操作过程中的 手印 以及剪切卷取前压板过紧 卷取速度过大 摩擦导致温度升高造成氧化等 52 不锈钢零件酸洗后再在氧化介质溶液中浸渍 在其表面所形成的一层薄的