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金属材料表面處理技术 DT I SQA 品管進階培訓講座 1 基本概念2 表面處理在金屬防護方面的作用3 表面處理技術分類4 常用工藝及其目的5 表面處理原理6 生産工藝過程7 膜層結構特點及其防護機理 能力8 表面膜層的質量檢測技術9 公司表面實驗室其它測試 總目錄 1 表面處理技术的基本概念 表面處理技术 表面工程学一个方面 偏重于工藝技术 是 A 不同工藝方法 對表面塗裝 處理 改性 特殊功能表面層 B 表面工程內涵 通过表面处理技术来改變固体材料的表面形態 化学成分和組織結构 以获得所需表面性能的系統工程 表面工程 表面層的設計 表面層的選材 表面處理工藝 表層質量控制与監測 工程應用 失效分析 C 表面處理研究對象 方法 手段 目的 綜合了材料科学 冶金学 物理 化学的最新成果 是一門正在迅速發展的新型学科 表面工程 2 表面處理在金属防護方面的作用 A 根据金属腐蝕机理和腐蝕形態 腐蝕破壞离不開金属材料 腐蝕介質 及二者之間的界面反應 指防止金属腐蚀 金属防護 B 防止金属腐蝕的方法主要包括三个方面 1 研制新材料 改善材料的組織和表面狀態 提高材料的抗蝕性能 2 改善腐蝕环境和介質 避免腐蝕發生 a 隔离金属与腐蝕介質的直接接触 抑制腐蝕过程 3 應用表面涂覆層和電化学保護方法 b 改變表面状態 使基体金属不受腐蝕 C 覆盖法 在金属表面覆盖一層金屬或非金屬物 而使金属与腐蝕环境隔离 D 金属表面保護層的要求 即金属上涂覆層的基本性能 1 結合强度 要求結合牢固 附着力强 2 孔隙率及密度 膜層致密 完整无孔 不透介質 3 耐蝕性 在腐蝕環境中有良好的穩定性 抗腐蝕性 4 硬度 硬度高 耐磨好 5 在金属表面分布均匀 3 表面處理技术分类 表面处理是一門涉及多种学科的工业技术按其使用的方法可大致分成五大类16种工艺 金属保護層非金属保護層 表面保護層分类 按結构特点 電鍍層属于金属保護層 氧化 化学轉化 噴涂膜層属于非金属保護層 按組成成分 除油漆和粉末涂層外 其它保護層都是无机涂層 無机膜層有机膜層 4 常用工藝及其目的 工藝技术成熟度高 設備要求比較簡單 适用面广 生產成本較低 工藝 應用目的 1 鍍覆層選擇 陽極鍍層 比底材電位低的金屬鍍層作為陽極 被氧化 其完整性破壞后 可借助電化學作用保護基體 其防護性能主要取決于鍍層厚度 陰極鍍層 比底材電位高的金屬鍍層作為陰極 被還原 只能機械性保護基體 其完整性破壞后 將加速基體腐蝕 其防護性能取決于孔隙率和厚度 鍍覆層選擇原則 1 零件材料 狀態 結構 尺寸公差 2 零件使用環境 溫度 濕度 大氣 3 鍍覆目的和要求 耐蝕 耐磨 裝飾性等 4 各層金屬之間的接触腐蝕程度 5 鍍覆層特性 應用範圍 特殊要求 常用鍍層及一般厚度鋼 鍍鋅 5 8 m 鍍銅 8 12 m 鎳 8 12 m 鍍銅 12 18 m 鎳 8 12 m 裝飾鉻 0 5 2 m 鍍銅 5 8 m 錫 5 8 m 化學鍍鎳 5 8 m 鍍硬鉻 1 3 m 銅 鍍鎳 3 5 m 鍍硬鉻 1 3 m 鍍鎳 5 8 m 裝飾鉻 0 5 2 m 鍍錫 3 5 m 鍍鋅鋁 氧化 鍍鋅 5 8 m 化學鍍鎳 8 12 m 鎂 化學氧化 陽極氧化 10 60 m 2 陽極氧化和化學氧化區別 5 表面處理技术的原理 5 1電鍍原理 電鍍是一个電化学过程 也是一种氧化 还原过程 在外電流 直流電 作用下 電解質溶液中的金属离子 或絡离子 迁移到阴极表面 发生还原反應并形成新相 電結晶 这一过程叫作 金属的電沉積 当電解質溶液為水溶液时就叫 電鍍 阴极表面所得到的金属結晶層即為電鍍保護層 電鍍时 工件作為阴极 鍍層材料 金属或合金 作為阳极 一同浸入電解液中 并通入直流電 電鍍裝置必須包括三部分 1 外電路2 電鍍溶液3 与鍍液接触的两个電极 電鍍層的生長过程 薄 漲厚 完成 5 2表面轉化 金属的表面轉化 是指采用化学處理液 使金属表面与溶液界面上產生的化学或電化学反應 生成穩定的化合物薄膜的處理过程 按照轉化过程中是否存在外加電流 分為 化学轉化電化学轉化 即阳极氧化 5 2 1阳极氧化 阳极氧化与電鍍过程一样 也是氧化还原反應 只是工件所处极性与電鍍相反 即為陽極 当有外加電流时 溶液中的水分子被電解 同时產生初生態的 O 氧原子立即在阳极与金属材料 如鋁 表面發生氧化反應 生成氧化膜 工件 氧化膜的生長过程包含两个方面 膜的電化学生成过程 膜的化学溶解过程 只有膜層的生成速度恒大于溶解速度时 才能获得較厚的氧化膜 氧化膜的生長过程 由于電流分布規律 電化学處理膜層表面結构会放大基体材料表面的缺陷 5 2 2化学轉化 化学轉化膜是金属与溶液中物質發生化学反應 生成氧化物等 而在金属表面附着所成的薄膜 5 2 2化学轉化 膜 5 2 2化学轉化膜 續 是鐵与含有錳 鐵 鋅等的磷酸鹽溶液產生化学反應 在表面生成一層難溶于水的磷酸鹽保護膜 鋁零件的化学氧化實際上應該是鋁的鉻酸鹽轉化膜 化学轉化所需設備簡單 操作方便 生產效率高 成本低 适用范圍广 尤其适用于大型零件 組合件 以及難以用電化学方法获得完整膜層的复雜零件 如細長管 点焊件 鉚接件等 5 3涂裝 利用高分子涂料作原料 采用各种涂裝方法使其附着到制品表面 生成具有各种特性的固着膜層 涂層 現代称作 按施工方法分类 浸涂法 手工噴涂法 淋涂法 電泳涂裝 静電噴涂 粉末涂裝 卷材輥涂法 这两种噴涂法油漆均可采用 而粉末只用静電噴涂 空气噴涂法 静電噴涂 5 3 1空气噴涂原理 傳統的空气噴涂 利用压縮空气将流体吹散成霧状后 附着于被涂物表面 适用性极广 对任何复雜工件 任何液体涂料几乎都能适用 5 3 2静電噴涂原理 利用静電場对電荷的作用而实現 适用于工件外形不太复雜 大批量生產的流水線作業 1 以接地的工件阳极 接上負高電压的静電噴槍 2 使涂料霧化并帶負電荷 与工件間形成高压静電場 3 在電場力的作用下 涂料粒子迅速飛向異极性的工件表面 4 在工件表面放電 使静電消失 涂料便均匀而牢固地沉積在工件表面 形成了均匀的涂膜 5 3 2静電噴涂 示意圖 工件 噴槍 涂料霧化 電源 6 生產工藝过程 所有表面處理工藝都至少包含三个基本步驟 有些工藝在成膜后还有一个工序 6 1電鍍 鋼 銅 鋅合金材料被電鍍 手工清洁處理 清除大量的油污 污物 及厚实的氧化皮 裝挂 零件方向保持溶液流动順暢 零件位置和数量利于鍍層均匀沉積 不影响鍍層質量 化学 電解除油 清除表面油脂 使表面容易電鍍 用酸液对金属表面進行溶解腐蝕 去除表面氧化膜和鏽蝕產物 提高表面光澤度 在零件表面沉積上金属膜層 1 鈍化 在鍍層金属表面形成一層薄而致密的化学轉化膜 加强抗腐蝕能力 2 封閉 机械方法在鍍層孔隙中填充微粒 如有机物分子 同样是加强保護作用 一般通过加温烘烤 使零件表面的水份蒸發干燥 同时可使鈍化膜等固化 穩定 6 2鋁材阳极氧化 化学氧化 6 3噴涂 鋅基合金 鋼件 鋁件 噴涂前處理 磷化流程 1 噴漆流程 2 噴粉流程 7 膜層結构特点及其防護机理 能力 各种表面膜層的結构不尽相同 其对基体材料的保護机理各式各样 電化学保護机理金属原電池中阳极腐蝕 而阴极受保護 因此電鍍層类别中又有阳极性鍍層和阴极性鍍層 机械保護原理隔离腐蝕介質与基体直接接触 而起到保護屏蔽作用 7 1電化学保護 1 鋼上鍍鋅層 由于鋅相对于鐵基体為阳极性鍍層 在有電解液存在时 先發生腐蝕 从而保護鋼基体 鈍化膜 鍍鋅層 鋼基材 鍍層有微孔 鈍化膜致密 C 当鋅層全部腐蝕完后 鋼基体發生腐蝕 出現紅銹 B 当鈍化膜被腐蝕穿底后 發生鋅層的腐蝕 氧化 出現白色粉状物 A 鈍化膜產生腐蝕變黑 在遭遇腐蝕介質时 A B C 正常鍍鋅 鍍鋅層可达到336至500小时鋼基材出現鏽蝕 彩色鈍化膜可达到96小时以上不腐蝕 盐雾试验 特別注意 7 2鋼上的鍍鎳層 1 不致密 鎳鍍層相对于鐵是阴极性鍍層 只有当其无孔隙时才具有良好的保護性 2 太薄 当鍍層达到一定厚度时 孔隙率会降低 3 未鍍銅底 增加銅底層 也可减少孔隙率 4 鍍多層鎳 可提高耐腐蝕性 在光滑表面上鎳層約20微米就没有孔隙 但在粗糙表面上需要更厚的鎳鍍層 当鍍鎳層没有孔隙时 一般会長期保持鎳層外觀而不發生腐蝕變化 当鹽霧試驗能通过CASS試驗8小时 中性鹽霧試驗一般為48 72小时 就具有良好保護作用 若出現腐蝕 即是鋼鐵基体的腐蝕物紅銹 或底層銅的綠色腐蝕物 7 3銅上鍍鎳層 鎳相对于銅是阳极性鍍層 但若鍍層太薄 孔隙率太大 底層銅易發生氧化而導致變色 黑色或綠色 7 4阳极氧化膜 鋁的阳极氧化膜是一層多孔膜 必須進行封閉處理 着色或封閉时 可以有水分子 或染色劑分子 或其它鹽类分子沉積在孔隙底部 起到封孔的作用 从而隔絕了鋁与空气接触 提高了抗腐蝕性 鋁基材 多孔氧化膜 著色或封閉分子沉積 阳极氧化膜特點 膜層厚度一般為5 20微米 耐腐蝕性好 硬度高 絕緣 一般能抵抗240小时以上的中性鹽霧試驗 最高可通过500小时鹽霧試驗 若出現腐蝕 則是鋁基体材料的腐蝕物 白色產物 7 5化学氧化膜 致密 導電 但薄 耐腐蝕性不如阳极化膜 鋁上的化学氧化無色膜至少通过100小时的鹽霧試驗 彩色膜可通过168小时 若腐蝕 首先是保護膜發生變化 一般是出現黑色傾嚮 当保護膜被穿透后 鋁基材腐蝕 出現白色產物 鋁基材 化學氧化膜 7 6磷化膜 鋼的磷化膜是顯微孔隙結构 因此对油漆等有机涂層具有良好的吸附作用 但其耐腐蝕性較差 对鋼基体的保護作用較弱 磷化膜的鹽霧試驗一般只能通过2小时左右 出現腐蝕时 直接是鋼鐵材料的鏽蝕 首先顏色變黄 嚴重时產生紅色腐蝕物 7 7油漆涂層 油漆对底材是机械保護 關鍵在膜層中不能有孔隙 必須在基体材料上附着牢固 1 底漆加强油漆与金属基体附着力 2 面漆保護及裝飾作用 3 只有当油漆各層达到涂料本身規定的厚度时 涂層才具有規定的各項性能 普通油漆層的防護能力應該达到鹽霧試驗500小时以上不出現基体材料腐蝕 户外使用應通过1000小时 出現腐蝕即是基体材料的腐蝕 鋼件出現紅 黄色鏽迹 鋁或鋅材料出現白色腐蝕物 7 8粉末涂層 与油漆的作用和性能一样 同样是在規定厚度才能消除涂層孔隙 达到各項性能指標 耐蝕性指標及出現腐蝕的現象都与油漆涂層一样 8 表面膜層的質量檢測技术 8 1膜層厚度測量 A 定义 膜層厚度是指两个不完全平整的平行面之間距 是个几何概念 由于实際表面不平整和不連續 而且膜層内还可能存在着气孔 雜質 晶格缺陷和表面吸附分子等 所以嚴格定义和精确測量膜厚實際上很困難 不管用哪种方法 都是一个平均值 而且是包含了雜質 缺陷以及吸附分子在内的膜厚值 B 假想膜層剖面 C 測量方法分成 1 破坏性測量膜層和基材同时受到破坏 或仅膜層受到破坏 2 非破坏性測量膜層与基材均未受到破坏 通常根据表面信息間接求出厚度 如通过測定其磁化率和導電度求出厚度 常用厚度測量法的种类与特点 破壞性法 非破壞性法 8 2膜層表面粗糙度的檢驗 表面粗糙度是指表面微觀不平高度的算术平均值 測定方法 接触法 非接触法 触針式 比較法 光学式 样板对照法 光反射法光切断法光干涉法 檢測中的注意事項 1 測量方向垂直于被測表面的法向剖面 即垂直加工刀紋的剖面2 測量部位选擇有代表性的一或几處進行檢測3 表面缺陷針孔 麻点 毛刺等不計入粗糙度数值4 取样長度應規定 以防止形状誤差和波紋度对測量結果影响 8 3膜層的硬度檢測 縣微硬度 載荷低于5 10N的硬度 国際標准規定2N以下 硬度是膜層材料抵抗外来物擠壓變形的能力 常作膜層耐磨性應用的首要指標 8 4膜層結合强度的檢測 多数測量方法都是破坏性的 常用如下 結合力附着力 1 使膜發生局部變形的方法 摩擦法2 使基材發生變形的方法 彎曲法3 使用粘接劑的方法 百格膠帶法4 其它 淬火法 划痕法 百格胶帶法 弯曲法熱震法摩擦抛光法剥离法纏繞法銼刀法 8 5膜層孔隙率的檢測 孔隙率是膜層到基体通道中单位面積上气孔的数目大多用化学方法測定 貼濾紙法 涂膏法 浸漬法等 8 6膜層耐蝕性的檢測 鹽霧試驗腐蝕膏試驗濕熱試驗周浸試驗SO2腐蝕試驗H2S腐蝕試驗大气暴晒試驗 中性盐霧NSS 乙酸鹽霧AASS 銅加速乙酸鹽霧CASS NaCl50 5g l 溶液 35 2 pH 6 5 7 2 温度 增加冰乙酸 3 1 3 3 35 2 再加入CuCl2 H2O0 26 0 02g l 3 1 3 3 50 2 試驗报告中應包括以下内容 1 所依据的試驗標準号2 所用鹽和水的类型3 被測材料或產品的类型4 試样的尺寸 形状 試样面積和表面状態5 試样的制備 包括試驗前的清洗和对試樣邊緣或其它特殊区域的保護措施6 膜層的已知特征及表面處理說明7 試樣数量 8 試驗后的清洗方法9 試樣放置角度10 試驗周期及中間檢查結果11 試驗溶液和pH值12 試驗温度13 收集液的密度14 影响試驗結果的意外情况15 檢查的时間間隔 8 7其它 膜層及界面的形貌表面分析 膜層及界面的成分与結构分析 膜層内應力和應變的檢測