表面处理基础知识

表面处理基础知识 2008 年 09 月 22 日 星期一 08 48 1 1 表面处理 Surface Treatment 表面处理的对象非常广泛 从传统工业到现在的高科技工业 从以前的金属表面 到现在的塑料 非金属的表面 它使材料更耐腐蚀 更耐磨耗 更耐热 它使材料 之寿命 延长 此外改善材料表面之特性 光泽美观等提高产品之附加价值 所有 这些改变材料表面之物理 机械及化学性质之加工技术统称为表面处理 surface treatment 或称为表面加工 surface finishing 1 1 1 金属表面处理 metal surface treatment 金属经初步加工成型后需修饰金属表面 美化金属表面 更进一步改变金属表面 的机械性质及物理化学性质等之各种操作过程 称之为金属表面处理 或称之金 属 表面加工 metal surface finishing 1 2 表面处理的目的 表面处理的目的可以分四大类 1 美观 appearance 2 防护 protection 3 特殊表面性质 special surface properties 4 机械或工程性质 mechanical or engineering properties 1 美观 appearance 为了提高制品之附加价值 赋予制品表面美观 例如装饰性电镀 decorative plating Au Ag Rh Ni Cr 黄铜等电镀 electroplating 2 防护 protection 为了延长制品的寿命 再制品表面披覆 coating 耐腐蚀之材料 例如保护性电镀 protective plating Zn Cd Ni Cr Sn 等电镀 3 特殊表面性质 special surface properties 1 提高制品之导电性 electrical conductiuity 例如电镀 Ag Cu 2 提高焊接性 soderability 在通讯急电子工业应用 例如 Sn Pb 合金电镀 3 提高光线之反射性 light reflectivity 例如宇宙飞船 人造卫星的外壳 需 反射光线 Ag 及 Rh 的镀层被应用上 4 减小接触阻抗 contact resistance 例如在电子组件之 Au 及 Pd 电镀 4 机械或工程性质 mechanical or engineering properties 1 提高制品之强度 strenth 例如塑料电镀 2 提高制品之润滑性 bearing propertries 例如多孔洛电镀 porous chromium plating 内燃机之铝合金活塞 piston 镀锡 Sn 以防止 汽缸 cylinder 壁刮伤 3 增加硬度 hardness 及耐磨性 wear resistance 例如硬洛电镀 hard chromium plating 4 提高制品之耐热性 耐候性 抗幅射线 例如塑料 非金属之电镀 5 渗碳 carburizing 氮化 nitriding 之防止 例如钢铁表面化 case hardening 时在不要硬化部份镀 Cu 1 3 表面处理之重要性 表面处理工业虽然不是工业之主流 但只有透过表面处理 制品的特性及价值才 能充份发挥出来 应用电镀 plating 阳极处理 anodizing 化成处理 convesion coating 涂装 coating 等工业技术 达到防蚀 增进可焊性 润滑 性 耐磨性 附着性及钢材防止渗碳等的多项目的 所以表面处理为各种加工制 造工业不可或缺的过 从传统工业到近代高科技 表面处理技术一直扮演非常重 要性之角色 例如宇宙飞船 人造卫星 集成电路等之发展表面处理技术都有决定 性之影响 由于表面处理对材料月异 带动相关科技工程之进步 1 4 表面处理技术之种类 从表面处理之特性可分类 表 机械法 珠击法 切削 搪磨 撒砂 精磨 研磨 超加工 面 冶金法 表面硬化 淬火 渗碳 氮化 扩散皮膜法 形 化学法 电解研磨 酸洗 化学研磨 酸蚀雕刻 成 表 表面披覆 电镀 无电镀 热浸镀 熔射镀 真空蒸着 阴极喷溅 面 无机披覆 阳极处理 化成处理 着色 珐琅处理 披 有机披覆 涂装 橡胶加衬 塑料加衬 1 5 国内表面处理工业之状况及问题 依据民国 70 年行政院科技顾问组调查报告 有关表面处理工业 国内有约 4000 家 其中电镀工业约占 1200 家 分散全省各地 主要的生产项目有 工业电镀 装 饰电镀 热浸电镀 阳极电镀 化成电镀 发色 涂装 从事表面处理的工作人员有 15000 至 20000 人 具有专业知识程度者约 1000 人至 1500 人 1 5 1 原料及设备之供应 大部分昂贵之原料依靠国外进口 生产设备多为国产 较贵重之检验仪器设备 75 是进口货 国内原料成本极高 业着负担沉重 应设法改善 防止贸易商操纵市场 更要鼓励研究开发及生产重要之原料 1 5 2 从业人员知识水平 一般从业人员的程度较低 科技短识及品管观念缺乏 难有研究开发新产品 唯赖 低 廉劳力 以求生存 政府有关单位应定期举办研习会 使业者获得新知蔚为研 究风气 提高技术水准 对在职工程人员 鼓励利用建教合作方式 进修或在职训 练 亦应举办各类技术鉴定考试 并规定业者之工厂作业需由技术士担任 表面处理对材料之附加价值甚高 先进国家不惜投入庞大人力物力从事研究发展 使得表面处理技术日新月异 我国要并驾齐驱 迎头赶上 势必从教育做起 在大 专院校设立正规教育之表面处理人才 才能有雄厚发展实力 鼓励学校与工业界 间之建教合作 技术性问题需要由学校带动 学校要增添新设备 充实师资 积极 培育专业人才 企业界要仅量聘用教育较高科技人员 以增加研究发展之潜力 1 5 3 生产及经营方式 一般专业厂商规模不大 主要为订货生产 小规模工厂没有管理制度 教育程度低 对人力 原料及能源造成无所谓的浪费 大厂则受到地下工厂恶性削价之竞争 影 响 小厂应集中投资 合并经营 始合乎经济原则 就有生产设备应适时予以淘汰 换置自动化处理设备 能以简化经营管理 提高生产效率 稳定质量 节省人工 提 高产品之国际声誉 促进工业升级 1 5 4 废物处理及公害 由于地下工厂甚多 使废物形成严重之公害问题 废物处理系统投资费用极高 非 一般中小型表面处理工厂所能负担维持得起 根据经验及需要 认为设立表面处 理专业区 集中处理废物 废水 不但能减少公害 而且能管制地下工厂 1 5 5 表面处理公会 表面处理是工业发展中很重要的一环 避免或防止表面处理界之恶性竞争或市场 操纵 加强厂商彼此合作 联系与技术交流 应充份发挥公会功能 解决同业之困 难 另应设有完整质量检验中心 集中检验 测定之服务 订定表面处理标准规范 作为厂 商质量改善或质量保证之依据 1 5 6 表面处理技术数据 根据业者的反映 国内技术资料的获得不亦且缺乏 技术难以突破 应设置有健 全的表面技术数据处理中心 对研究开发者适时提供新颖充份之信息 对引进国 外技术者提供可参考数据 1 6 国内表面处理工业发展之方向 国内表面处理工业之技术自行开者很少 大多仰赖国外厂商之业务代表或代理商 往往引进之技术并非最前进者或只是局部的 因此使本国产品质量逊于外货乃 为不可避免 产品之信誉及附加价值难以提升 国内学术机构也甚少做独立性长 期性之研 究 国内欲求工业之升级 商品附加价值提高 必须大力提高表面处理 技术 以达成支持各项金属制造业 机器工业 电子工业之任务 1 6 1 装饰电镀 decorative plating 装饰电镀之主要目的改进产品之外观 提高产品附加价值 其主要产品如项链 胸 针 耳环等饰物 合法登记之装饰电镀厂不足十分之一 地下小厂不需付税捐 废 水处里费用等 导致小厂吃大厂 劣币逐良币之反淘汰之恶性循环 所以发展之 方向应为大厂增添新设备 提高技术水准 提高产品质量 加强取缔公害 自然促 使非法及小厂淘或合并经营才能进一步发展 1 6 2 工程电镀 engineering plating 工程电镀之目的是增加产品之耐蚀力 延长使用寿命 改进机械性质等 现在许多 精密模具无法使用机械加工 也使用电镀法 称之为电铸 electroforming 工之规模较大 许多操作采用自动化 多附属于大规模较大机器制造厂 独立之工程电 镀厂也大都与大型机器金属制造厂订有长期加工契约 其恶性竞 争较装饰性电镀小 笋嵹禤 a 经济发展 工程电镀技术水准必须精益求精 力争上 游 其发展是大有可为的工程电镀使用支持料数量巨大 因此废物处理之公害问 题需特别重视 稍一不慎将 造成不可收拾的公害 一般中小厂为节省开支没有废物处理设备 或有也只供参观检 查时之用 浪费投 资 罔顾员工及环境之安全与卫生 故今后发展方向为如何协助 促使这些小厂家 合并始引进或研究开发更经济更有效新技术 工程电镀用之化学品如进镀成性质 之添加剂 多为国外原料供货商之机密 利润甚高 若能长期研究必能研 就发展 成功替代品 以减低本国电镀工业之成本 1 6 3 镀锡 tin plating 镀锡生产应往高速率之连续生产方向发展 唯有使用高度自动化设备才能节省日 益高涨之连续工资及能源 此种设备国内无法设计制造 需向国外引进技术 近 年来使用铝罐 铝箔 塑料瓶罐 腊纸盒 玻璃瓶等材料越来越普遍 占去马口铁 很大的市场尤其一些锡生产的开发国家如印度尼西亚 菲律宾 泰国 马来西亚等 也开始生产马口铁 另外有逐渐改无锡铁皮 tin free steel 之趋势 1 6 4 热漫镀锌 zinc hot dip coating 镀锌钢片主要有电镀式镀锌钢片及热浸式钢片 其中以热浸式占大多数 镀锌钢 片具有优良耐蚀性与低廉价格 主要用途为建筑如用在顶板 roofing 侧板 siding 广告牌 风管等 其次为电器及机械业 国内镀锌钢片业者需淘汰更新 陈旧设备 采用新式连续式热浸镀锌方式生产 产量大 质量佳 产品适用性广 成 本低并加以配合耐高腐蚀力 镀层延性 抗热性 焊接性及美丽彩色涂装之需求提 高制品之质量 如发展出来的铁锌合金镀面 差别镀锌 单面镀锌及铝锌合金镀面 等 1 6 5 阳极处理 anodizing 铝的阳极处理是铝金属表面藉由电流的作用形成一层氧化物膜 坚硬耐磨 抗蚀 性极高 色泽优美 铝合金本身易于加工 强度高 用途很广 磥琐 T 阳处理产品为 铝门窗 家具 照相机及仪表外壳另件 铝材制造极其加工业也日益扩展 铝阳处 理有相当市场潜力 阳极处理之发展例如硬质阳极处理 hard anodizing 在低温电流亦有用交直流 并用之阳极处理 这种硬化之阳极处理的铝材可用于活塞 汽缸 汽缸内衬 油压 机及涡轮之另件 汽阀 齿轮 枪械另件 离合器 煞车圆片 brake disk 机器 另见及工具等 浴温 电流密度 溶液成份需自动控制才能严格管制成品之质量 以达客户要求 自动化需引进国外技术及大量之资金 所以同时要深入了解国外 市场之潜力循序达成自动化 1 6 6 涂装 coating 涂装工业之成长仍应会继续扩大 应设法取缔地下工厂以减少公害保障合法厂商 避免恶性竞争 教育用户重视表面处理技术之价值 提高涂装质量之要求 大厂商 应力争上游 自行发展高级产品而不能只埋怨小厂之低廉竞销 发展之趋势大多 采用粉体涂装 以节省能源和溶剂并可减少公害 非溶剂之涂装和省能源型 紫外 线硬化 低 温硬化 之新产品我国涂装工业当然应该迎头赶上 5 1 镍的性质 1 色泽 银白色 发黄 2 结晶构造 FCC 3 比重 8 908 4 原子量 58 69 5 原子序 28 6 电子组态 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 8 4S 2 7 熔点 1457 C 8 沸点 2730 C 9 电阻 6 84 uohs cm 10 抗拉强度 317 Mpa 11 电解镍有较高硬度 12 大气中化学性安定不易变色 在 600 C 以上才被氧化 13 液中不被溶解 14 镍抗蚀性比铜强 铜制品宜镀上镍 15 镍易溶于稀硝酸 但在浓硝酸形成钝态不易溶解 16 镍在硫酸 盐酸中溶解比在稀硝酸溶解慢 17 镍的标准电位 0 25 伏特 比铁正 对钢铁是属于阴极性镀层 只有完全覆盖镍才能保护防止生锈 18 镍易于抛光可做为电镀中间层 19 当镍缺乏时可用铜锡合金代替 5 2 镀镍工程 镍镀层的性质及外观能被控制而且操作范围很广 所以广泛被应用于装饰性工程 性电镀及电铸 1 装镜面光泽的特性 工程性镀镍用于防腐蚀 耐磨 焊接性 磁性及其它特兴其镀层为纯的镍 镍电铸是用电镀的方法制造全镍质的零件及物品 如镍工具 模具 铸模 唱片压板 record stampers 无缝管 染印网 printing screens 电镀 反应为 Ni 2e Ni 其中 Ni 是由水溶液中镍盐提供而由阳极镍来补充 阳极效率 近 100 大于阴极电流效率所以镀浴之 Ni 离子及 pH 会曾加 虽带出 drag out 可抵消 Ni 的增加 但有时仍不足须加水及其它成份调节镀浴成份 并加酸来 保持 pH 值镀镍一般可分为全光泽镍 半光泽镍 双重镍 三重镍 工程镍 犁 地镍 电镀镍及镀黑镍 5 3 装饰镍电镀 其各种镀浴配方 见 5 4 其主要成份为硫酸镍 nickel sulfate 氯化镍 nickel chloride 及硼酸 boric acid 硫酸镍主要是提供 Ni 的来源 氯化镍 是帮助阳极镍溶解及导电性 硼酸是帮助镀层平滑及更具延性 针孔防止剂 anti pitting 或润湿剂 wetting agent 可防止氢气泡停滞而形成针孔镀层 不起泡沫之润湿剂可用空气搅拌减低表面张力 大部份的镍镀浴都属专利商业 配方 必须依照厂商提供的数据操作 典型的配方为瓦特镀浴 wattsath 5 4 装饰性镍镀浴配方 由添加剂的控制可得全光泽镍 fully bright nickel 半光泽镍 semi bright nickel 及犁地镍 satin like nickel 全光泽镍含硫成份 0 06 0 1 其添 加剂至少需二种有机 一种是光泽剂含硫成份如 benzene sulfonamide enzene disulfonic acid benzene trisulfonic acid napthalene trisulfonic acid 另外一种是平滑剂 leveling agent 如 formaldehyde comarin ethylene cyanohydrin 及 butynediol 这二种添加剂混合使用可得到光泽平滑镍镀层 其光泽作用主要是硫共同析 codeposition 的结果 锌 镉 及硒 selenium 有 光泽作用 半光泽镍只加平滑性添加剂所以不含硫 它很容易抛光而得到光泽表 面 但一省去抛光而直接再镀一层全光泽即为二种镍 duplex nickel 更耐腐蚀 通常双重镍与半光泽镍镀层厚度比为 1 3 另外在全光泽镍与半光泽镍间再镀上 很薄 10 全部厚度 一层含高硫份 0 15 的镍即为三重镍 triple layer nickel 其耐蚀性更加 5 5 工程性镀镍 Engineering Nickel Plating 镍具有优良的物理 机械及化学特性所以在工程或工业上应用很多 如防止腐蚀 硬度 耐磨及磁性等 其镀层需无缺陷 defect free 光泽性在这里不很重要 其镀层之主要机械性质有 1 强度 tensile strength 2 延展性 elongation 3 硬度 hardness 4 内应力 internal