第5章金属材料表面改性处理

1、第五章第五章 金属材料表面改性处理金属材料表面改性处理5.1 5.1 转化膜处理转化膜处理 5.2 5.2 电镀电镀5.3 5.3 离子沉积离子沉积 5.3.1 5.3.1 化学气相沉积法化学气相沉积法 5.3.2 5.3.2 物理气相沉积法物理气相沉积法5.4 5.4 热喷涂热喷涂5.5 5.5 涂装涂装5.6 5.6 表面着色和染色表面着色和染色本章小结本章小结5.1 转化膜处理转化膜处理 转化膜处理是将工件浸入某些溶液中转化膜处理是将工件浸入某些溶液中, ,在一定条件下使在一定条件下使其表面其表面形成一层致密的保护膜形成一层致密的保护膜, ,提高工件防腐蚀的能力提高工件防腐蚀的能力, ,

2、增加装饰作用。增加装饰作用。常常用的转化膜处理有氧化处理和磷化处理用的转化膜处理有氧化处理和磷化处理. .5.1.1 5.1.1 氧化处理氧化处理 1.1.钢的氧化处理钢的氧化处理( (发蓝处理发蓝处理) ) 定义定义: : 工艺过程工艺过程: : 应用应用: : 2. 2.铝的氧化过程铝的氧化过程5.1.2 5.1.2 磷化处理磷化处理 定义定义: : 工艺过程工艺过程: : 应用应用: :钢铁工件发蓝处理工艺过程钢铁工件发蓝处理工艺过程化学除油化学除油 水洗水洗 酸洗酸洗 水洗水洗 氧化氧化 水洗水洗 补充处理补充处理 水洗水洗吹干吹干 检验检验影响因素影响因素:碱浓度、温度、工件含碳量碱

3、浓度、温度、工件含碳量钢铁工件发蓝处理工艺过程钢铁工件发蓝处理工艺过程溶液组成及质量浓度溶液组成及质量浓度温度温度/时间时间/min/min1 1化学除油并水洗化学除油并水洗苛性钠苛性钠30503050、碳酸、碳酸钠钠30503050、磷酸三钠、磷酸三钠30403040、水玻璃、水玻璃5105106060101510152 2酸洗后水洗酸洗后水洗硫酸硫酸150200150200、缓蚀、缓蚀剂剂0.510.51506050605105103 3氧化并水洗氧化并水洗苛性钠苛性钠550650550650、硝、硝酸钠酸钠130180130180135145135145152015204 4补充处理补充

4、处理重铬酸钾或肥皂重铬酸钾或肥皂3050305085908590101510155 5水洗水洗6 6吹干吹干7 7检验检验铝的氧化处理铝的氧化处理铝的氧化目的：铝的氧化目的：化学氧化工艺：碱性溶液化学氧化化学氧化工艺：碱性溶液化学氧化 酸性溶液化学氧化酸性溶液化学氧化 铬酸盐化学氧化铬酸盐化学氧化 磷酸盐磷酸盐铬酸盐化学氧化铬酸盐化学氧化电化学氧化工艺（阳极氧化）：电化学氧化工艺（阳极氧化）： 常用电解液有：硫酸（常用电解液有：硫酸（WH2SO4为为15%20%）、）、 铬酸（铬酸（WCrO3）为为3%10%）、）、 草酸（草酸（WH2CO4为为2%10%） 为了防止阳极氧化生成的多孔结构被腐

5、蚀和污染，必须进为了防止阳极氧化生成的多孔结构被腐蚀和污染，必须进行封闭处理。常用蒸汽封闭法、盐溶液封闭法、石蜡或油类行封闭处理。常用蒸汽封闭法、盐溶液封闭法、石蜡或油类或树脂类封闭法。或树脂类封闭法。磷化工艺磷化工艺分类分类 溶液成分的质量浓度溶液成分的质量浓度 /g。L-1溶液温度溶液温度/C 处理时间处理时间/min低温磷化低温磷化磷酸锰铁盐磷酸锰铁盐 3040硝酸盐硝酸盐 140160氟化钠氟化钠 25 室温室温 3045中温磷化中温磷化磷酸二氢锌磷酸二氢锌 2540硝酸锌硝酸锌 80100 5070 1520高温磷化高温磷化磷酸锰铁盐磷酸锰铁盐 3035硝酸锌硝酸锌 5565 909

6、8 10155.2 电镀电镀 定义定义:在电解液中在电解液中- 零件表面镀上金属薄层零件表面镀上金属薄层, -保护和装饰作用保护和装饰作用, 也可用于部分修复也可用于部分修复. 对非金属材料电镀对非金属材料电镀,应先进行金属化处理应先进行金属化处理,如化学镀如化学镀.电镀工艺过程电镀工艺过程: 工件预处理工件预处理(除锈、除油、清洗）除锈、除油、清洗） 工件作阴极工件作阴极 被镀金属作阳极被镀金属作阳极 在电解液中电镀在电解液中电镀普通镀铬工艺普通镀铬工艺:应用应用:修复磨损、增大尺寸修复磨损、增大尺寸; 提高耐腐蚀性提高耐腐蚀性; 提高耐磨性提高耐磨性; 提高表面美观装饰性提高表面美观装饰性

7、; 特殊用途特殊用途,如如:防局部渗碳的镀铜、防局部渗碳的镀铜、 防局部渗氮的镀锡、防局部渗氮的镀锡、 提高导电性的镀银等提高导电性的镀银等. 刷镀刷镀普通镀铬工艺普通镀铬工艺 预处理和镀前处理预处理和镀前处理 电镀电镀 标准镀铬溶液标准镀铬溶液 铬酐铬酐250 g/L、硫酸、硫酸2.5 g/L 电镀温度电镀温度 4250 C、 阳极阳极 铅（常加铅（常加 6%锑或锡）、锑或锡）、 电压电压 6 612 V， 电流密度电流密度 1640 A/dm2， 补充铬酐补充铬酐 使溶液成分保持稳定使溶液成分保持稳定. 电镀后电镀后 处理处理 漂洗漂洗 烘烤除氢烘烤除氢 175180 刷镀示意图刷镀示意图

8、1工件工件2镀液镀液3供液瓶供液瓶4棉花包套棉花包套5阳极阳极6镀笔镀笔7直流电源直流电源8接液盘接液盘镀铬的刷镀液的组成和工艺条件镀铬的刷镀液的组成和工艺条件组成和工艺条件组成和工艺条件质量浓度质量浓度 /g.L-1硝酸铬硝酸铬Cr(NO3)氨水氨水NH4OH水合肼水合肼草酸草酸丁二酸丁二酸F-53PH值值阳极阳极38042011030401802201601800.056.87.5石墨石墨5.3.1 化学气相沉积法化学气相沉积法 定义定义:化学气相沉积是在高温下将炉内抽成真空或通入氢气化学气相沉积是在高温下将炉内抽成真空或通入氢气,然后通入反应气体并在炉内产生化学反应然后通入反应气体并在炉

9、内产生化学反应,使工件表面形成覆使工件表面形成覆层的方法层的方法,简称简称CVD法法. 应用应用:刀具、模具、工具、零件等刀具、模具、工具、零件等,目的是提高其耐磨性目的是提高其耐磨性. TiCl4+CH4+H2 TiC+4HCl +H2 特点特点:反应温度高反应温度高,需通入大量氢气需通入大量氢气,工件易产生氢脆工件易产生氢脆,且不安全且不安全,废气废气HCl有毒有毒.5.3.2 物理气相沉积法物理气相沉积法定义定义:物理气相沉积法是把物理气相沉积法是把金属蒸气离子化后金属蒸气离子化后在高压静电场使离在高压静电场使离子加速并子加速并沉积于金属表面形成覆层沉积于金属表面形成覆层的方法的方法,简

10、称简称PVD法法.特点特点:沉积温度低沉积温度低,速度快速度快,渗层成分和结构可控制渗层成分和结构可控制,无公害无公害. 1.真空溅射真空溅射: (以沉积以沉积TiC为例）为例） 工艺方法：在真空钟罩内通入氩气，在真空度为工艺方法：在真空钟罩内通入氩气，在真空度为1。3310-1Pa的氩气中，作为阴极的碳化钛带有负的氩气中，作为阴极的碳化钛带有负14kV的高压。在阴极的高压。在阴极靶与工作台之间的两侧有两根钨丝作为灯丝，灯丝被加热到白靶与工作台之间的两侧有两根钨丝作为灯丝，灯丝被加热到白热状态并使其带有热状态并使其带有0100kV负偏压时发射电子，使钟罩内氩气负偏压时发射电子，使钟罩内氩气电离

11、氩离子（电离氩离子（Ar+）以极快速度轰击碳化钛靶，使碳化钛以分子）以极快速度轰击碳化钛靶，使碳化钛以分子状态溅射并沉积于安装在工作台上作为阳极的工作表面，在工状态溅射并沉积于安装在工作台上作为阳极的工作表面，在工件表面涂覆一层高硬度碳化钛。件表面涂覆一层高硬度碳化钛。 速度速度:1.11.5m/h、刀具碳化钛的厚度达刀具碳化钛的厚度达46 m、模具的厚度模具的厚度达达68 m，其硬度达其硬度达2500-4000HV2500-4000HV。高频离子镀装置示意图高频离子镀装置示意图1工件工件2-高频激励线圈高频激励线圈3钛钛4气体入口气体入口5针阀针阀6测温热电偶测温热电偶5.4 热喷涂热喷涂定

12、义定义:在高温热源作用下在高温热源作用下,将金属、合金、金属陶瓷、陶瓷等材料将金属、合金、金属陶瓷、陶瓷等材料熔化或部分熔化熔化或部分熔化,并通过高速气流使其成为雾化微粒并通过高速气流使其成为雾化微粒,喷向工件表喷向工件表面后构成喷涂层的方法称为热喷涂面后构成喷涂层的方法称为热喷涂.热喷涂工艺过程：表面制备、预热、预喷粉、喷熔、冷却、喷层热喷涂工艺过程：表面制备、预热、预喷粉、喷熔、冷却、喷层后期加工后期加工热喷涂方法：热喷涂方法：电弧喷涂电弧喷涂、火焰喷涂火焰喷涂、等离子弧粉末喷涂等离子弧粉末喷涂应用：应用： 用于钢材抗大气腐蚀时，喷铝层用于钢材抗大气腐蚀时，喷铝层0.1mm，喷锌层，喷锌层

13、0.15mm，在静止状态下可保护基体达在静止状态下可保护基体达10年之久。年之久。 用于耐热构件上，如工作温度用于耐热构件上，如工作温度500，则喷铝，则喷铝0.175mm后不需其他处理；工作温度后不需其他处理；工作温度900 ，喷铝合金后，在，喷铝合金后，在800900 加热扩散；工作温度加热扩散；工作温度1000，则喷镍铬合金，则喷镍铬合金0.375mm后再喷后再喷0.10的铝层，并涂煤膏沥青溶液，干后再进行加热扩散。的铝层，并涂煤膏沥青溶液，干后再进行加热扩散。 用于修理磨损曲轴和机床传动轴时，先用镍拉毛后再用电用于修理磨损曲轴和机床传动轴时，先用镍拉毛后再用电弧热喷涂法喷钢（弧热喷涂法

14、喷钢（45钢、弹簧刚），修复磨损表面。钢、弹簧刚），修复磨损表面。电弧热喷涂原理电弧热喷涂原理1送丝枪送丝枪2-喷头喷头3防光罩防光罩4空气帽空气帽5工件工件6空气喷嘴空气喷嘴7前导管前导管8金属丝金属丝火焰喷涂原理火焰喷涂原理1 1工件工件2 2金属丝喷孔金属丝喷孔3 3氧氧- -乙炔喷孔乙炔喷孔4 4空气帽空气帽5 5混合室混合室6 6送丝滚轮送丝滚轮7 7金属丝金属丝等离子弧粉末喷涂示意图等离子弧粉末喷涂示意图1涂层涂层2电源电源3钨极钨极4-喷嘴喷嘴5冷却水冷却水6等离子焰等离子焰7飞行中的粉末粒子飞行中的粉末粒子8工件工件5.5 涂装涂装 定义定义:利用喷射、涂饰等方法，将利用喷射、

15、涂饰等方法，将有机涂料有机涂料涂覆于工件表面并涂覆于工件表面并形成与基体牢固结合的涂覆层过程称为涂装。形成与基体牢固结合的涂覆层过程称为涂装。 目的：提高耐磨性、美化工件表面（掩饰表面缺陷、丰富色目的：提高耐磨性、美化工件表面（掩饰表面缺陷、丰富色彩）、保护表面免受外界（空气、水分、阳光及其他腐蚀介质）彩）、保护表面免受外界（空气、水分、阳光及其他腐蚀介质）侵蚀。还可色彩伪装、防红外伪装、电气绝缘等。侵蚀。还可色彩伪装、防红外伪装、电气绝缘等。 涂料一般由成膜材料、颜料、溶剂、助剂四部分组成。涂料一般由成膜材料、颜料、溶剂、助剂四部分组成。 方法：方法：浸涂法浸涂法 、空气喷涂法空气喷涂法 、

16、静电喷涂法静电喷涂法 、电泳涂装法电泳涂装法 、粉末涂装法粉末涂装法浸涂法浸涂法 浸涂法是将工件浸涂法是将工件浸入漆槽浸入漆槽中进行涂装的方法，自动浸中进行涂装的方法，自动浸涂是将工件置放在悬链上，借悬链沿轨道的运动自动浸涂是将工件置放在悬链上，借悬链沿轨道的运动自动浸入漆槽中涂漆。入漆槽中涂漆。 特点：工艺简单、省工省料、，便于实现自动化，常特点：工艺简单、省工省料、，便于实现自动化，常用于大批量生产的流水线上。用于大批量生产的流水线上。空气喷涂法空气喷涂法 喷涂法是利用压缩空气，用喷枪喷涂法是利用压缩空气，用喷枪将油漆雾化并喷射到将油漆雾化并喷射到工件上工件上的方法。的方法。 特点：漆膜均

17、匀、平滑、喷射灵活。适合各种大小的特点：漆膜均匀、平滑、喷射灵活。适合各种大小的工件。但漆的利用率低。工件。但漆的利用率低。静电喷涂静电喷涂 静电喷涂是用静电喷枪使静电喷涂是用静电喷枪使油漆雾化并带有负电荷，油漆雾化并带有负电荷，与与接地的工件间形成高压静电场，静电引力使漆雾均匀沉接地的工件间形成高压静电场，静电引力使漆雾均匀沉积在工件表面，形成均匀的漆膜。积在工件表面，形成均匀的漆膜。 特点：漆膜均匀、生产率高（比空气喷涂高特点：漆膜均匀、生产率高（比空气喷涂高13倍）、倍）、油漆利用率高（可达油漆利用率高（可达80%90%）、污染少、易于实现）、污染少、易于实现自动化。自动化。电泳涂装电泳

18、涂装 电泳涂装是将电泳漆用水稀释到固体成分为电泳涂装是将电泳漆用水稀释到固体成分为10%15%工件作为直流电正极浸入电泳槽内，电泳漆中的树脂和工件作为直流电正极浸入电泳槽内，电泳漆中的树脂和颜料在电场作用下移向阳极并沉积于工件表面，形成不溶颜料在电场作用下移向阳极并沉积于工件表面，形成不溶于水的漆层，然后用水冲去附于工件表面的残液，烘干后于水的漆层，然后用水冲去附于工件表面的残液，烘干后形成均匀的漆层。形成均匀的漆层。 特点：漆膜厚度均匀、质量好、边缘覆盖好，涂料利用特点：漆膜厚度均匀、质量好、边缘覆盖好，涂料利用率高（可达率高（可达95%以上），生产率高，便于实现自动化，污以上），生产率高，

19、便于实现自动化，污染小。染小。粉末涂装粉末涂装 粉末涂装的基本方法有静电喷涂法和硫化床法两种。粉末涂装的基本方法有静电喷涂法和硫化床法两种。1）粉末静电喷涂的电源由高压静电发生器供给，其产生的高电压）粉末静电喷涂的电源由高压静电发生器供给，其产生的高电压接到喷枪的内部或前端。粉末在供粉器中与空气流混合，进入喷接到喷枪的内部或前端。粉末在供粉器中与空气流混合，进入喷枪，在喷枪内部和出口处带上电荷。在静电场的作用下，粉末粒枪，在喷枪内部和出口处带上电荷。在静电场的作用下，粉末粒子飞向接地的工件上，当粉末涂覆一定厚度时，后来的粉末由于子飞向接地的工件上，当粉末涂覆一定厚度时，后来的粉末由于同性相斥而

20、不能被吸附，使膜厚均匀地覆盖工件。被喷涂的工件同性相斥而不能被吸附，使膜厚均匀地覆盖工件。被喷涂的工件在固化炉中将粉层熔融、流平和固化，形成均匀的膜层。在固化炉中将粉层熔融、流平和固化，形成均匀的膜层。2）硫化床法是在容器内装一孔径为）硫化床法是在容器内装一孔径为0.40.8m的多孔板，在板上的多孔板，在板上的粉末由于板下的压缩空气通入而产生沸腾状，加热后的工件浸的粉末由于板下的压缩空气通入而产生沸腾状，加热后的工件浸入沸腾的粉层而粘上粉末层，其厚度可根据工件浸入时间和工件入沸腾的粉层而粘上粉末层，其厚度可根据工件浸入时间和工件预热温度来调整，然后再经过烘烤进行固化，形成平滑的膜层。预热温度来

21、调整，然后再经过烘烤进行固化，形成平滑的膜层。5.6 表面着色和染色表面着色和染色 金属的着色是通过化学或电化学等处理方法金属的着色是通过化学或电化学等处理方法,使金属自身表面使金属自身表面产生色调的变化并保持金属光泽的工艺产生色调的变化并保持金属光泽的工艺. 着色方法：着色方法：化学法：是利用溶液与金属表面产生的化学反应生化学法：是利用溶液与金属表面产生的化学反应生成氧化物、硫化物等有色化合物。成氧化物、硫化物等有色化合物。置换法：是溶液中金属离子置换法：是溶液中金属离子进行化学置换反应并沉积在工件表面，形成有色薄膜。进行化学置换反应并沉积在工件表面，形成有色薄膜。热处理热处理法：是将工件置

22、于一定环境氛围中热处理，使其表面形成具有适当法：是将工件置于一定环境氛围中热处理，使其表面形成具有适当结构和色彩的氧化膜。结构和色彩的氧化膜。电解法：是将工件置于一定的电解液中进电解法：是将工件置于一定的电解液中进行电解处理，使工件表面形成多孔、无色的氧化膜，然后再进行着行电解处理，使工件表面形成多孔、无色的氧化膜，然后再进行着色或染色处理，形成各种色彩的膜层。色或染色处理，形成各种色彩的膜层。 着色前处理：电镀（钢铁）着色前处理：电镀（钢铁） 着色后处理：涂覆一层透明的保护膜着色后处理：涂覆一层透明的保护膜 金属的染色是通过金属表面的微孔或吸附作用和化学反应将金属的染色是通过金属表面的微孔或吸附作用和化学反应将染料均匀涂覆在金属表面，也可利用电解法使金属离子与染料共同染料均匀涂覆在金属表面，也可利用电解法使金属离子与染料共同沉积在金属表面形成色彩。沉积在金属表面形成色彩。铜的着色处理铜的着色处理金属金属颜色颜色溶液溶液备注备注铜铜黑色黑色NaOH 50g/L、K2SO5 10g/L古青铜色古青铜色K2S 1050g/L仿金色仿金色Na2S2O3 120g/L