表面处理知识

关于表面处理知识1．基本概念2．在金属防护方面的作用3．分类4、常用工艺及其目的5．原理6、生产工艺过程7、膜层结构特点及其防护机理/能力8、表面膜层的质量检测技术目录第2页,共83页，2024年2月25日，星期天1．表面处理技术的基本概念表面处理技术表面工程学的一个方面侧重于工艺技术

是第3页,共83页，2024年2月25日，星期天表面处理电化学高真空物理固体材料化学生物高分子……对表面进行涂装、处理、改性具有特殊功能的表面层某种功能的覆盖层第4页,共83页，2024年2月25日，星期天1．表面处理技术的基本概念通过表面处理技术来改变固体材料的表面形态、化学成分和组织结构，以获得所需表面性能的系统工程.表面工程全过程表面层的设计表面层的选材表面处理工艺表层质量控制与监测工程应用失效分析第5页,共83页，2024年2月25日，星期天1．表面处理技术的基本概念综合了材料科学、冶金学、物理、化学的最新成果，是一门正在迅速发展的新型学科。表面工程研究对象：固体材料表面层物理方法、化学方法、电化学方法、高真空方法、生物高分子方法加工方法：加工手段：涂装、处理、扩散、固定化形成特殊功能表面覆盖层，达到装饰、防护、特殊功能（如耐磨、耐高温、导电、绝缘）

目的作用：第6页,共83页，2024年2月25日，星期天2．表面处理在金属防护方面的作用

根据金属腐蚀机理和腐蚀形态，腐蚀破坏离不开金属材料和腐蚀介质以及二者之间的界面反应

指防止金属腐蚀

金属防护金属材料腐蚀介质界面反应第7页,共83页，2024年2月25日，星期天2．表面处理在金属防护方面的作用防止金属腐蚀的方法主要包括三个方面：1）研制新材料、改善材料的组织和表面状态提高材料的抗蚀性能耐蚀钢防锈铝镜面材料第8页,共83页，2024年2月25日，星期天2．表面处理在金属防护方面的作用防止金属腐蚀的方法主要包括三个方面：2）改善腐蚀环境和介质避免腐蚀发生物体

产品干燥剂第9页,共83页，2024年2月25日，星期天2．表面处理在金属防护方面的作用隔离金属与腐蚀介质的直接接触抑制腐蚀过程防止金属腐蚀的方法主要包括三个方面：3）应用表面涂覆层和电化学保护方法地下管道阴极保护产品

第10页,共83页，2024年2月25日，星期天2．表面处理在金属防护方面的作用

表面处理方法是在金属表面覆盖各种保护层，从而使金属与腐蚀介质分开﹑或改变表面状态，使基体金属不受腐蚀。第11页,共83页，2024年2月25日，星期天2．表面处理在金属防护方面的作用

金属常用的防腐蚀方法是覆盖法，在金属表面覆盖一层金屬或非金屬物而使金属与腐蚀环境隔离﹒表面处理防蚀法金属覆盖电镀热喷涂热浸镀耐蚀金属包复非金属覆盖涂料涂装（喷漆、喷粉）塑料衬里或包复转化膜第12页,共83页，2024年2月25日，星期天2．表面处理在金属防护方面的作用金属表面保护层的要求即金属上涂覆层的基本性能1）结合强度－－要求结合牢固、附着力强2）孔隙率及密度－－膜层致密、完整无孔、不透介质3）耐蚀性－－在大气、水、等介质中良好的稳定性、抗腐蚀性4）硬度－－硬度高、耐磨5）在金属表面分布均匀第13页,共83页，2024年2月25日，星期天3．表面处理技术分类表面处理是一门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种工艺第14页,共83页，2024年2月25日，星期天分类工艺方法举例电化学方法电镀镀锌、镀镍

阳极氧化铝合金阳极氧化、化学方法化学转化膜处理磷化、钝化、化学氧化、发蓝、铬酸盐处理

化学镀化学镀镍、化学镀铜热加工方法热浸镀热浸锌、热浸铝

热喷涂热喷涂锌、热喷涂铝

热烫印热烫印铝箔

化学热处理渗氮、渗碳

堆焊堆焊耐磨合金真空法物理气相沉积（PVD）蒸发镀、溅射镀、离子镀

化学气相沉积（CVD）气相沉积氧化硅或氮化硅

离子注入注硼其它方法涂装喷漆、喷粉／（有多种方式，如静电、电泳等）

激光表面处理激光淬火、激光重熔

冲击镀冲击镀锌

超硬膜处理金刚石薄膜、立方氮化硼薄膜第15页,共83页，2024年2月25日，星期天金属保护层非金属保护层表面保护层分类按结构特点电镀层属于金属保护层，氧化、化学转化、喷涂膜层属于非金属保护层按组成成分除油漆和粉末涂层外，其它保护层都是无机涂层无机膜层有机膜层第16页,共83页，2024年2月25日，星期天4、常用工艺及其目的工艺技术成熟度高，设备要求比较简单，适用面广，生产成本较低。工艺化学转化膜阳极氧化电镀涂装第17页,共83页，2024年2月25日，星期天

应用的目的防腐蚀装饰导电耐磨第18页,共83页，2024年2月25日，星期天5．表面处理技术的原理5.1电镀原理电镀是一个电化学过程也是一种氧化－还原过程第19页,共83页，2024年2月25日，星期天

在外电流（直流电）作用下，电解质溶液中的金属离子（或络离子）迁移到阴极表面、发生还原反应并形成新相（电结晶），这一过程叫作"金属的电沉积"；5.1电镀原理

阴极表面所得到的金属结晶层即为电镀保护层。

当电解质溶液为水溶液时就叫"电镀"。第20页,共83页，2024年2月25日，星期天5.1电镀原理

电镀时，工件作为阴极、镀层材料（金属或合金）作为阳极，一同浸入电解液中、并通入直流电。阳极化的电极与电镀相反：工件为阳极、其它金属为阴极电镀装置必须包括三部分：1）外电路2）电镀溶液3）与镀液接触的两个电极第21页,共83页，2024年2月25日，星期天5.1电镀原理电镀层的生长过程（晶粒螺旋生长）第22页,共83页，2024年2月25日，星期天5．表面处理技术的原理5.2表面转化

金属的表面转化是指采用化学处理液使金属表面与溶液界面上产生的化学或电化学反应、生成稳定的化合物薄膜的处理过程按照转化过程中是否存在外加电流，分为：化学转化电化学转化（即阳极氧化）第23页,共83页，2024年2月25日，星期天表面转化膜与电镀层的区别5.2表面转化基材基材基材基材膜层膜层转化膜镀层第24页,共83页，2024年2月25日，星期天5.2.1阳极氧化机理5.2表面转化阳极氧化与电镀过程一样，也是一个氧化还原反应过程。只是工件所处极性与电镀相反。

当有外加电流时，溶液中的水分子被电解、同时产生初生态的[O]，氧原子立即在阳极与金属材料（如铝）表面发生化学氧化反应，生成氧化膜第25页,共83页，2024年2月25日，星期天5.2.1阳极氧化机理5.2表面转化氧化膜的生长过程包含两个方面膜的电化学生成过程膜的化学溶解过程

只有膜层的生成速度恒大于溶解速度时，才能获得较厚的氧化膜第26页,共83页，2024年2月25日，星期天5.2.1阳极氧化机理5.2表面转化氧化膜的生长过程第27页,共83页，2024年2月25日，星期天5.2.2化学转化5.2表面转化

化学转化膜是金属与溶液中物质发生化学反应生成氧化物等而在金属表面附着所成的薄膜

第28页,共83页，2024年2月25日，星期天5.2.2化学转化膜5.2表面转化按成膜的主要组成物类型氧化物膜铬酸盐膜磷酸盐膜等等按生产习惯氧化膜钝化膜着色膜磷化膜分类第29页,共83页，2024年2月25日，星期天5.2.2化学转化膜5.2表面转化

是铁与含有锰、铁、锌等的磷酸盐溶液产生化学反应，在表面生成一层难溶于水的磷酸盐保护膜。

为铝零件的化学氧化实际上应该是铝的铬酸盐转化膜。化学氧化钢铁磷化第30页,共83页，2024年2月25日，星期天5.2.2化学转化膜5.2表面转化

化学转化所需设备简单、操作方便、生产效率高、成本低，适用范围广，尤其适用于大型零件、组合件、以及难以用电化学方法获得完整膜层的复杂零件（如细长管、点焊件、铆接件等）。

第31页,共83页，2024年2月25日，星期天5．表面处理技术的原理5.3涂装

利用高分子涂料作原料，采用各种涂装方法使其附着到制品表面，生成具有各种特性的固着膜层（涂层）。现代称作高分子涂装技术第32页,共83页，2024年2月25日，星期天5.3涂装按施工方法分类浸涂法手工喷涂法淋涂法电泳涂装静电喷涂粉末涂装卷材辊涂法……第33页,共83页，2024年2月25日，星期天5.3涂装这两种喷涂法油漆均可采用而粉末则只用静电喷涂空气喷涂法静电喷涂我们的加工厂所用：油漆粉末第34页,共83页，2024年2月25日，星期天5.3涂装5.3.1空气喷涂原理

传统的空气喷涂是利用压缩空气将流体吹散成雾状后附着于被涂物表面。

第35页,共83页，2024年2月25日，星期天5.3涂装5.3.1空气喷涂原理

适用性极广，对任何复杂工件、任何液体涂料几乎都能适用第36页,共83页，2024年2月25日，星期天5.3涂装5.3.2静电喷涂原理静电喷涂是利用静电场对电荷的作用原理而实现的适用于工件外形不太复杂而且大批量生产的流水线作业第37页,共83页，2024年2月25日，星期天5.3涂装5.3.2静电喷涂原理

以接地的工件为阳极，接上负高电压的静电喷枪使涂料雾化并带负电荷，与工件间形成高压静电场，在电场力的作用下，涂料粒子迅速飞向异极性的工件表面，在工件表面放电，使静电消失，涂料便均匀而牢固地沉积在工件表面，形成了均匀的涂膜。第38页,共83页，2024年2月25日，星期天5.3涂装5.3.2静电喷涂原理第39页,共83页，2024年2月25日，星期天6、生产工艺过程所有表面处理工艺都至少包含三个基本步骤：前处理成膜过程

烘烤/固化

有些工艺在成膜后还有一个工序后处理第40页,共83页，2024年2月25日，星期天6、生产工艺过程6.1电镀--------钢、铜、锌合金材料电镀清洁干燥水洗电镀水洗后处理

水洗浸蚀水洗装挂除油拆卸第41页,共83页，2024年2月25日，星期天6.1电镀--------钢、铜、锌合金材料电镀清洁手工清洁处理：清除大量的油污、污物，以及厚实的氧化皮装挂：保持溶液流动顺畅，位置和数量利于镀层均匀沉积、不影响镀层质量装挂第42页,共83页，2024年2月25日，星期天6.1电镀--------钢、铜、锌合金材料电镀化学/电解除油：清除表面油脂，使表面达到洁净状态一般利用酸液对金属表面进行溶解腐蚀，去除表面氧化膜和锈蚀产物，也可提高表面光泽度除油浸蚀第43页,共83页，2024年2月25日，星期天6.1电镀--------钢、铜、锌合金材料电镀在零件表面沉积上金属膜层1）钝化---------在镀层金属表面形成一层薄而致密的化学转化膜，加强抗蚀能力；2）封闭--------机械方法在镀层孔隙中填充进微粒有机物分子，同样是加强保护作用。电镀后处理第44页,共83页，2024年2月25日，星期天6.1电镀--------钢、铜、锌合金材料电镀一般通过加温烘烤，使零件表面的水份蒸发干燥；同时可使钝化膜等固化、稳定。干燥第45页,共83页，2024年2月25日，星期天6、生产工艺过程6.2铝材阳极氧化/化学氧化清洁干燥水洗阳极氧化水洗着色

水洗浸蚀水洗装挂除油拆卸

水洗

封闭化学氧化第46页,共83页，2024年2月25日，星期天6、生产工艺过程6.3喷涂锌基合金磷化/电镀氧化喷砂24h内喷涂钢件铝件8h内喷涂第47页,共83页，2024年2月25日，星期天6.3喷涂装挂化学除油水洗浸蚀手工清洁处理磷化流程磷化水洗干燥拆卸水洗电解板第48页,共83页，2024年2月25日，星期天6.3喷涂喷漆流程调漆喷底漆局部保护烘烤刮腻子喷面漆烘烤打磨喷底漆烘烤前处理第49页,共83页，2024年2月25日，星期天6.3喷涂喷粉流程前处理局部保护喷粉固化打磨刮腻子第50页,共83页，2024年2月25日，星期天7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力各种表面膜层的结构不尽相同，其对基体材料的保护机理各式各样。电化学保护的机理是：金属原电池中阳极腐蚀、而阴极受保护。因此电镀层类别中又有阳极性镀层和阴极性镀层之分机械保护的原理隔离腐蚀介质与基体材料直接接触、而起到的保护屏蔽作用。第51页,共83页，2024年2月25日，星期天7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力电化学保护阴极阳极eeMeeMe+腐蚀介质eD-D第52页,共83页，2024年2月25日，星期天7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.1镀锌层由于锌相对于铁基体为阳极性镀层，在有电解液存在时，锌层为阳极，先发生腐蚀，从而钢基体受到了保护钝化膜镀锌层钢基材镀层中存在微孔钝化膜是致密的第53页,共83页，2024年2月25日，星期天7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.1镀锌层当锌层全部腐蚀完后，基体钢铁发生腐蚀，即出现红色锈蚀物当钝化膜被腐蚀穿底后，发生锌层的腐蚀、氧化，即出现白色粉状物。首先是钝化膜产生腐蚀变化（即变黑）；在遭遇腐蚀介质时：第54页,共83页，2024年2月25日，星期天7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.1镀锌层锌镀层可达到336至500小时以上钢基材才出现锈蚀彩色钝化膜可达到96小时以上不出现腐蚀迹象盐雾试验第55页,共83页，2024年2月25日，星期天7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.2钢上的镀镍层镍镀层相对于铁是阴极性镀层，只有当其无孔隙时才具有良好的保护性。当镀层达到一定厚度时，孔隙率会降低；增加铜底层，也可减少孔隙率；镀多层镍，可提高耐蚀性。钢基材镍镀层铜镀层第56页,共83页，2024年2月25日，星期天7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.2钢上的镀镍层在光滑表面上镍层约20微米就没有孔隙但在粗糙表面上需要更厚的镍镀层耐蚀性表面光洁度基体金属种类电镀工艺因素第57页,共83页，2024年2月25日，星期天7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.2钢上的镀镍层当镀镍层没有孔隙时，则一般会长期保持镍层外观而不发生腐蚀变化。当盐雾试验能通过CASS试验8小时（中性盐雾试验一般为48-72小时）时，就具有良好的保护作用了。第58页,共83页，2024年2月25日，星期天7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.2钢上的镀镍层若出现腐蚀，即是钢铁基体的腐蚀物红锈（或底层铜的绿色腐蚀物）钢基材镍镀层铜镀层第59页,共83页，2024年2月25日，星期天7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.3铜上镀镍层镍相对于铜是阳极性镀层。但若镀层太薄，孔隙率太大，底层铜易发生氧化而导致变色（黑色或绿色）。第60页,共83页，2024年2月25日，星期天7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.4阳极氧化膜铝的阳极氧化膜是一层多孔膜，必须进行封闭处理，着色或封闭时可以有水分子或染色剂分子或其它盐类分子沉积在孔隙底部，起到封孔的作用，从而隔绝了铝与空气接触、提高了抗蚀性。第61页,共83页，2024年2月25日，星期天7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.4阳极氧化膜膜层厚度一般为5-20微米，耐蚀性好，硬度高，绝缘。一般能抵抗240小时以上的中性盐雾试验﹐最高可通过500小时盐雾试验

若出现腐蚀，则是铝基体材料的腐蚀物：白色产物第62页,共83页，2024年2月25日，星期天7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.5化学氧化膜致密，导电；但薄，耐蚀性不如阳极化膜铝上的化学氧化膜至少应通过100小时的盐雾试验，彩色膜可通过168小时。若出现腐蚀，首先是保护膜发生变化，一般是出现黑色倾向；当保护膜被穿透后，铝基材腐蚀，出现白色产物。第63页,共83页，2024年2月25日，星期天7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.6磷化膜

钢的磷化膜是显微孔隙结构，因此对油漆等有机涂层具有良好的吸附作用，但其耐蚀性较差，对钢基体的保护作用较弱。磷化膜的盐雾试验一般只能通过2小时左右。出现腐蚀时，直接是钢铁材料的锈蚀，首先颜色变黄，严重时产生红色腐蚀物。第64页,共83页，2024年2月25日，星期天7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.7油漆涂层

油漆对底材是一种机械保护作用，其关键在于膜层中不能有孔隙，必须在基体材料上附着牢固。

底漆的作用是加强油漆与金属基体的附着力，面漆主要起保护及装饰作用。只有当油漆层达到涂料本身规定的厚度时，涂层才具有规定的各项性能。

第65页,共83页，2024年2月25日，星期天7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.7油漆涂层

普通油漆层的防护能力应该达到盐雾试验500小时以上不出现基体材料腐蚀。户外使用的应通过1000小时。

出现腐蚀即是基体材料的腐蚀，钢件出现红、黄色锈迹，铝或锌材料出现白色腐蚀物。第66页,共83页，2024年2月25日，星期天7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力7.8粉末涂层

与油漆的作用和性能一样。同样是在规定厚度才能消除涂层孔隙、达到各项性能指标。耐蚀性指标以及出现腐蚀的现象都与油漆涂层一样。第67页,共83页，2024年2月25日，星期天8、表面膜层的质量检测技术8.1膜层厚度测量定义：膜层厚度是指两个不完全平整的平行平面之间的距离，是个几何概念。由于实际上存在的表面是不平整和不连续的，而且膜层内还可能存在着气孔、杂质、晶格缺陷和表面吸附分子等，所以严格地定义和精确地测量膜厚实际上是很困难的。不管用哪种方法，都是一个平均值，而且是包含了杂质、缺陷以及吸附分子在内的膜厚值。第68页,共83页，2024年2月25日，星期天8.1膜层厚度测量气孔晶粒界面空穴、晶格缺陷假想膜层剖面第69页,共83页，2024年2月25日，星期天8.1膜层厚度测量测量方法分成：1）破坏性测量测量时膜层和基材同时受到破坏，或者仅膜层受到破坏。2）非破坏性测量测量时膜层与基材均未受到破坏。通常是根据表面信息间接地求出厚度，如通过测定其磁化率和导电度求出厚度。第70页,共83页，2024年2月25日，星期天8.1膜层厚度测量常用厚度测量法的种类与特点方法

原理或特点厚度范围及精度破坏性测量显微镜法（金相法）取样、抛光、浸蚀后用显微镜测定横断面膜层厚度。是标准试验方法。操作比较复杂，要求技术熟练。可进行小件的测定。最小误差±0.8um;光学显微镜适合2um以上膜层；扫描电镜可测量到0.01um

电解法（库仑计法）使用适合于膜层与基体的电解液，对一定面积的膜层进行恒电流阳极电解，根据溶解膜层的时间求出厚度。可以测定多层膜各层的厚度。但不能测定小件及复杂零件的厚度。测量范围0.5-300um。厚度1-30um时误差为±5％。

点滴及液流法对膜层进行化学溶解，根据溶解需要的时间或液流的体积求出厚度。装置简单、操作简便。误差大，测量薄层时高达30％

析出量（附着量）测量法（质量法）测定单位面积膜层的析出量（附着量），计算出膜层平均厚度。称重法，精度小于5％

测微计测量测定选定部位基体与膜层的总厚度，退膜后再测定同一部位基体的厚度，根据二者差值求出厚度。

第71页,共83页，2024年2月25日，星期天8.1膜层厚度测量常用厚度测量法的种类与特点测量面积可小至0.05mm2；测量厚度在15um以内测量方法

原理或特点厚度范围及精度非破坏性测量磁性法测定传感器与基体之间的磁引力或磁阻的变化，根据变化值换算成厚度。测定对象：强磁性基体上的非磁性膜层和磁性或非磁性基体上的镍镀层（特殊仪器或探头）根据工作原理，分为：磁力法、场强法、矫顽力法和磁感应法（即磁阻法，普遍用）常用测量范围：5-750um。测量精度取决于试件及仪器的设计和校准，除低于5um的膜层外，一般精度在10％以内，带微机的电磁法测量仪可高达±1％。

涡流法探测器内装有通以高频电流的线圈，当靠近导体时，将产生涡流，通过测定流经线圈的电流变化，间接测定厚度。测量范围1-1000um。测量精度±1％。

β射线法通过测量射线的穿透量或反散射量，求出膜层厚度，膜层金属原子序数和基体的原子序数差别够大时，就可以进行测量。对于贵金属镀层的测定利用价值高。测量面积可小至0.2mm2；根据不同原子序数可测量的厚度范围不同，如金可达50um，原子序数小的铜或镍可达300um

荧光X射线法照射X射线，测定荧光X射线强度，换算出膜层厚度。与射线法比较，中间膜层厚度变化影响小，测定厚度与面积也可在较广的范围内选择。

测微计测量用测微器测量电镀前后的尺寸差，求出膜层的厚度。

触针法

精度约5％第72页,共83页，2024年2月25日，星期天8、表面膜层的质量检测技术8.2膜层表面粗糙度的检验定义：表面粗糙度是指表面微观不平度的算术平均值测定方法接触法非接触法触针式比较法光学式样板对照法光反射法光切断法光干涉法第73页,共83页，2024年2月25日，星期天8.2膜层表面粗糙度的检验检测中的注意事项1）测量方向：表面粗糙度值，是在垂直于被测表面的法向剖面、即垂直于加工刀纹的剖面上测量的。2）测量部位；应选择有代表性的一处或几处进行检测。3）表面缺陷；针孔、麻点、毛刺等不计入粗糙度数值内。4）取样长度：应规定，以防止形状误差和波纹度对测量结果的影响第74页,共83页，2024年2月25日，星期天8、表面膜层的质量检测技术8.3膜层的硬度检测常作为膜层耐磨性应用的首要指标