廣粘表面處理劑技術資料

1、 廣粘表面處理劑工件表面(Surface是工件內部材料與周圍環(huán)境的交界面,通常表面的定義是指深幾個m (m到幾十個610m 的厚度,并且包含許多不同的薄層所構成,如圖一所示。它所承受外界的各種作用和因而受到的影響及產生的反應,例如對光和熱的反射及吸收,受外力作用所產生的摩擦及破壞現(xiàn)象等,都與內部材料有很大的差別。隨著科技的展進,材料被應用的范圍日趨廣泛且復雜,對材料性質的要求也較以往嚴苛,尤其適用在高溫,潮濕、強酸,接觸面為高速相對運動或輻射的惡劣環(huán)境下,工件材料表面的抵抗能力成為產品功能(Function表現(xiàn)和使用壽命長短的關鍵因素之。因此,對工件表面除了美觀要求之外,尚有耐磨耗,防銹,防腐

2、蝕,耐高溫,或絕緣性等不同的要求,因而表面處理早已成為機械、航天、電子等產業(yè)之產品制造過程中不可或缺的一個重要環(huán)節(jié)。 氧化層母材圖一 工件表面的結構表面處理是指用于改善工件表面的狀態(tài)和其機械、物理或化學性質的方法。一般經(jīng)過鑄造等機械加工法制造的產品,大都需要對其全部或部分的表面再進一步實施清潔、硬化、研磨、拋光、涂漆或電鍍等處理,以增進其表面的各種特性、光滑度和美觀等。表面處理的目的及應用例可歸納如下:1.增加表面的硬度、耐磨耗、抗疲勞等機械性質,應用于模具、活塞、汽缸、工具機、滑軌、軸、齒輪等。2.增加表面對養(yǎng)化及腐蝕的抵抗能力,應用于化工機械、獸醫(yī)器具、汽車鈑金等。3.增加表面之耐熱、熱傳

3、導、熱反射等特性,應用于散熱板、航天發(fā)動機零件等。4.改善表面粗糙度及摩擦作用,應用于機械零組件之滑動面、軸與軸承、刀具、工具等。5.改變表面之導電及電阻的性質,應用于電子零件、內存、半導體組件等。6.改變表面對光的反射,選擇性吸收、耐候等特性,應用于反射鏡、汽機車零件等。7.增進表面的干凈、光澤、顏色、美觀等,應用于各類型民生用品、運動器材、裝飾品等。一、表面前處理目的在為后續(xù)加工步驟做必要的準備,或為了增進產品外表的干凈及美觀,包含表面清潔和表面機械處理。表面清潔是指利用各種溶劑或超音波等方式,將工件表面附著的油污、碎屑、各種雜物及氧化或腐蝕的生成物等,加以去除以得到工件材料之真正表面層。

4、表面機械處里則是以噴砂、研磨或電解拋光等方法,除了可達到清洗效果外,尚可更進一步使工件表面光滑,增加其光澤及附著能力。1.1 、表面清洗(Surface cleaning經(jīng)過一般加工后之工件的表面常附著有污物,例如油、脂、蠟、碳粒、其它金屬顆粒、粉塵或砂粒等。此外在工件表面上之氧化層等生成物,則又是另一形式的異物。以上兩者在后續(xù)加工,尤其是在進行下一步驟的表面處理前,都必須被清除干凈。表面清潔的方法有:1.清潔劑清潔法(Detergent cleaning使用含有界面活化劑(又稱綜合清潔劑或堿性清潔劑的溶液,加溫后,對工件浸沒(Immersion其中或對工件噴灑(Spray以產生洗凈效果。接著

5、可用有機溶劑,如汽油、三氯乙烯等進一步去除殘留的污物。對于緊附表面的污物,則可適用乳液清潔劑加以清除。水或水蒸氣的洗濯,也是常見的表面清潔方法。2.電解清潔法(Electrolytic cleaning工件浸沒于電解水液中,通以電流,藉容液中水分子電解產生氫氣或氧氣的上升攪拌作用,洗凈污物。通常用于需要特別清潔的表面,如電鍍、油漬等的前置處理。3.超音波清潔法(Ultrasonic cleaning利用超音波的振動能量特性,迫使液體劇烈的摩擦工件面,可完全清潔復雜面或細小工件的部份,甚至包括凹部或裂縫內部的污物。4.酸性清潔法(Acid cleaning以有機酸、礦物酸等酸性清潔液,進行酸洗或

6、蝕刻工件表面的氧化層(生銹層、腐蝕生成物,或高溫加工時產生氧化物的硬化層等。1.2 表面機械處理藉由機械力或電力的作用,不僅可以清除工件表面上的污物、銹蝕、毛邊等,而且還可增進表面光滑度極附著能力,以利電鍍或其它的表面處理。1.噴砂(Sand blast利用噴砂機將硅、氧化鋁、金屬顆粒或玻璃球等磨料經(jīng)噴嘴以高速吹向工件表面,利用磨料顆粒撞擊時的力量去除污物及鏟平表面的粗糙凸起部份。2.研磨及拋光(Abrasion and Polishing研磨是利用研磨布輪固定在研磨機上,和研磨機一起以高速旋轉。研磨布輪上涂以研磨劑或使用不同號數(shù)的砂紙,其磨料顆粒的細度視需要而定,當與工件表面接觸時,產生摩擦

7、作用,達成清潔磨平的功能,如圖二所示。拋光則是在研磨之后進行,將工件表面研磨成更為平滑光亮,使用的介質為拋光劑,更細顆粒的磨料和潤滑劑結合而成。3.電解拋光(Electrolytic Polishing電解拋光是利用電化學原理,其作用過程和電鍍剛好相反。裝設方式為在酸性電解液中,將準備被拋光物當做陽極,陰極可使用鉛、石墨或不銹鋼等。電解拋光是緩慢的自表面上的凸起粗糙部份之多于材料去除而得到一致性的表面,使表面變得極為平滑、友光澤。電解拋光尚有下列的優(yōu)點:可用于表面有凹凸部份而機械磨光困難完成者,可使表面不會積存雜物,不會有應力產生且不受溫度的影響,且表面形成鈍態(tài),抗銹蝕能力變佳,適用于不銹鋼等

8、金屬加工。 圖二研磨工作2 、表面硬化處理目的在增進工件表面的硬度,耐磨耗及抗疲勞等機械性質,但并不影響內部材料(又稱為心部的特性或改變工件的尺寸及外型之加工。使用的方法有從表面滲透碳、氮等元素,藉由其擴散來改變表面層的化學成分;或利用火焰、高周波等產生熱并對工件表面層進行淬火處理改變其組織而不改變其化學成分;或以機械力的珠擊方式使表面產生壓縮殘留應力等,來達成工件表面硬化之目的。2.1 表面滲透法表面滲透法是指經(jīng)過適當?shù)某绦?把某些元素滲透擴散到工件的表面層因而改變其化學成分,然后是需要再配合適當?shù)奶幚聿襟E(如淬火使表面層硬化的方法。這是一種屬于化學方法的表面硬化處理。被用來做滲透的元素有碳

9、(C、氮(N、硫(S及硼(B等,故此方法即是以所滲透的元素加以分類。利用表面滲透法處理鋼材工件,可以改善材料表面層的硬度及耐磨耗性,而心部仍保有原來的韌性,可以抵抗沖擊力的作用,使工件能兼顧韌性及耐磨耗的要求。1.滲碳(Carburizing在高溫的環(huán)境下,將碳元素從原先含碳量較低的鋼材工件表面滲入,經(jīng)過一段時間后,自表面到其下某依預定深度材料的含碳量會有不同程度的增加。再將整個工件作淬火處理,則含碳量低的心部仍為低硬度并保有原來之韌性,但是含碳量較高的表面層之應度會變高。滲透層愈靠近表面的含碳量愈高,隨著深度的增加,其含碳量逐漸減少。故當實施淬火后,硬度分布值也跟著不同,硬度HRC50以上的

10、材料距離工件表面之深度稱為有效滲透深度,其值從小于0.5到1.5mm,如圖三所示。一般產生高碳的表面硬度為HRC55到65,在熱處理期間工件會發(fā)生扭曲現(xiàn)象。滲碳的方法有:(1固體滲碳(Pack carburizing:以滲碳劑(木炭為主將工件包圍,密封于容器內,加熱到5809500C并保持一段適當?shù)臅r間候即可將容器取出爐外,待冷卻后取出工件。(2液體滲碳(Liquid carburizing:將工件浸入氰化鈉(NaCN為主的溶融鹽浴中,當溫度在7000C 以上時,以滲碳反應為主。在9000C 以上時則產生滲碳反應。(3 氣體滲碳(Gas carburizing:把,等氣體以適當比例空氣混合后,

11、通過100011004CH 83H C 104H C 0C 得鎳(Ni觸媒產生吸熱型控制爐氣,再經(jīng)添加之增碳作用,即可進行滲碳反應。4CH (4 真空滲碳(Vacuum carburizing:利用真空熱處理爐,在減壓狀態(tài)下使用上述之滲碳性氣體實施滲碳。因其滲碳效果良好,工件仍可保持輝面,操作簡單、省時、省能源、低污染,目前已成為許多重要零件實施滲碳時所采用的方法。 圖三 低碳鋼滲碳后含碳量分布2. 氮化法(Nitriding用于特殊鋼的表面硬化法,和滲碳不同之處為硬化不是經(jīng)淬火而得,且實施的溫度較低。在不含水的氨氣(NH 3中方入含有鋁(Al或鉻(Cr的合金鋼,加熱溫度至5005500C ,

12、保持長時間,使合金鋼表面形成硬度很高又具耐腐蝕性的氮化層,且完成后不再做其它熱處理故變形很小。特別是經(jīng)氮化處理后,在工件表面會形成很大的殘留硬力,可增進其耐疲勞性。氮化的方式有:(1 使用氨氣(NH 3的氣體氮化(2 使用溶融氰化物(如NaCN ,KCN ,NaCNO ,KCNO 等的鹽浴氮化。當使用NaCN ,在溫度較低時(約以下,以產生氮化反應為主。C 0700(3 使用氨氣(NH 3和還原性氣體(含CO之混合氣體的氣體軟氮化法。(4 在低真空時,利用輝光放電(Glow discharge以產生氮離子進行氮化的離子氮化。3. 滲碳氮化法(Carbonitriding同時對工件表面層滲入碳和

13、氮的方法,實施溫度在A 1點(以上,滲碳氮化的方法有:C 0727(1 氣體滲碳氮化:使用氣體滲碳爐,并在原來的爐氣中添加氨氣(NH 3進行作業(yè)。滲碳氮化層的組成,隨工件母材、爐氣成分、處理的溫度和時間而有所不同。例如處理溫度愈高則愈接近單純滲碳處理,即氮氣的影響愈小。反之,若溫度愈低則愈接近純氮化處理。(2 液體滲碳氮化:在前面敘述之液體滲碳處理時,若處理溫度較高則形成滲碳為主的反應;若處理溫度在之間,則NaCN 分解出來的碳和氮會同時滲透進入工件表面,就成為滲碳氮化了。C C 009007004. 滲硫法(Sulfurizing將硫(S滲透擴散到工件表面層,使生成硫化物時,可降低表面層之摩

14、擦系數(shù),用來改善耐磨耗性。滲硫處理是在其它加工及調質處理后才實施。通常使用液體鹽浴法。5. 滲硼(Metallic cementation法將硼(B滲透擴散到工件表面層,使生成硼化物時,可得到良好的耐磨耗性、耐蝕性、耐熱性等。特點為硼化物本身的硬度很高,不需再實施淬火,故不必考慮工件變形或破壞的問題。滲硼的方式有利用固體的硼粉末、液體的溶融硼砂、電解的溶融浴和氣體的B2H6。6.金屬滲透法(Metallic cementation將金屬元素等滲透擴散到工件表面,使生成物硬質合金層,以提高其耐磨耗性、耐蝕性、耐熱性等。依所要求特性的不同而有不同的滲透元素,如鋁(Al、鉻(Cr、硼(B。常用的方法

15、是將含有該金屬粉末滲透劑和要處理的工件一起放入容器中,加熱至適當溫度,并保持一段時間進行滲透處理。此法又稱為擴散被覆法(Diffusion coating。2.2 表面淬硬法表面淬硬法是指經(jīng)由適當?shù)募訜徇^程,使鋼材工件表面層的溫度升高以至變態(tài)成沃斯田鐵組織后,立刻進行急速冷卻之淬火作用而得到麻田散鐵組織的硬化表面層。這是一種屬于物理方法的表面硬化處理。表面淬硬法和表面滲透法所要求得到的工件特性相同。表面淬硬法中用以產生熱量,促使工件表面層溫度升高的方法有火焰(Flame加熱,高周波加熱(如圖四所示,電漿(Plasma加熱、電解(Electrolysis加熱,雷射(Laser加熱和電子束(Ele

16、ctron beam加熱等。2.3 珠擊法珠擊法(Shot peening是指利用高壓空氣或離心力方式將細小的鑄鋼?；虿ＡУ?以高速且反復地撞擊工件表面,使形成不均勻的塑性變形,因而產生壓縮殘留硬力(Compressive residual stresss。壓縮殘留硬力可大為增進工件的耐疲勞抵抗,而工件表面的強度和硬度也因而提高。3 表面防護處理工件表面因與外界環(huán)境接觸,或較容易受到環(huán)境中對其不利因素的影響而產 圖四高周波粹火硬化生損壞。常見的表面損壞型式有:1.生銹(Rusting鐵系(Ferrous金屬材料才會發(fā)生。指空氣中的氧和鐵元素形成氧化物,俗稱鐵銹。鐵銹極易剝落以至無法保護工件內部

17、的材料,致使材料不斷的被氧化(生銹而損失。非鐵系金屬與氧化形成的氧化物反而具有保護工件內部材料的優(yōu)點,如鋁、鈦、鋼等之氧化物。2.腐蝕(Corrosion大部分的金屬在含有水分的環(huán)境中,易發(fā)生電子轉移作用,而成為離子型式,并與母材分離,稱之為腐蝕,它是一種電化學反應(Electrochemical reaction。腐蝕的型式很多,產生的原因也各有不同,常見的如圖五所示。3.刮痕或碰傷等表面被其它物體碰撞或摩擦以致有部分的材料脫落,造成表面凹痕,不光滑或不美觀等情況。因此為加強工件表面之防銹、防腐蝕及抵抗外界侵擾破壞的作用等能力,最直接的方法就是把工件表面和外界環(huán)境隔絕開來。表面防護處理即是使

18、用電鍍、蒸鍍、噴覆、涂層、硬物覆面、油漆等方式,使鍍層材料在工件表面上產生一層被覆以保護工件母材,同時也可增進美觀。鍍層材料的功能有兩類,一類是本身比工件母材更耐蝕,以發(fā)揮隔離保護的作用另一類是比工件母材更易蝕,充當犧牲陽極,此時鍍層愈厚保護效果愈好。(a均勻腐蝕(鋼鐵生銹(b伽凡尼腐蝕(異種金屬的電腐蝕(c間隙腐蝕 (d孔穴腐蝕 (f應力腐蝕(f選擇性腐蝕(成分改變(e晶界腐蝕(f沖模腐蝕圖五腐蝕的型式3.1 電鍍電鍍(Electroplating是指將被鍍工件浸入電鍍槽中,并置于陰極位置,做為電鍍的金屬則置于陽極。當通以直流電后,陽極金屬因其電子的脫落成為陽離子落入電鍍液中,而電鍍液中之金

19、屬陽離子則在工件表面上析出沉積形生成一層金屬薄膜將其覆蓋,如圖六所示。位于陰極之工件的電鍍層厚度會受到電流密度、電鍍液是否攪拌、電鍍液溫度、電鍍液添加劑、工件材料和表面狀況等因素的影響。電鍍是電化學反應的一種,大部份的金屬都可以被用來店度到其它工件上,使用最多的依序是鋅(Zn、鎳(Ni、錫(Sn、鎘(Cd、銅(Cu、鉻(Cr、金(Au、銀(Ag、鉛(Pb等。電鍍層可形成良好的保護效果,可以防滲、防蝕、耐磨和增進美觀。 圖六電鍍3.2 熱浸熱浸(Hot dipping是金屬工件在經(jīng)過良好處理后,浸入低熔點的金屬液槽中,如鋅、錫、鉛、鋁等,形成電鍍層的方法。應用最多的是鋼鐵熱浸鍍鋅。因為鋅的耐蝕性

20、比鋼鐵差,所以鋅扮演的是犧牲陽極的角色,因而使母材鋼鐵得到良好的保護。鍍層厚度由浸鍍時間控制。上述兩種方法形成鍍層所提供的保護作用有兩種模式,一種是比較被鍍工件材料的電化作用大,故即使局部失去鍍層,其余的鍍層仍會因電腐蝕(Galvanic作用而犧牲本身,繼續(xù)扮演著保護的角色,如鍍鋅鋼板;另一種鍍層一旦剝落露出工作材料,則可能在暴露處發(fā)生腐蝕,如鍍錫鐵皮。分別如圖七(a和(b所示。 圖七鍍層保護作用的模式3.3 無電電鍍無電電鍍(Electroless plating又稱化學電鍍(Chemical plating,是利用工件表面催化作用,使鍍液中的金屬陽離子還原成元素狀態(tài)而析出沉積在工件的表面,

21、因此并沒有使用電極也沒有通電現(xiàn)象。鍍層厚度由工件浸入的時間長短所控制。被用做為鍍層的金屬主要有鎳、鈷、銅等。無電電鍍大都用于非導體工件,如印刷電路板的盲孔鍍銅、塑料板的鍍鎳、裝飾品的鍍金等。3.4 電鑄電鑄(Electroforming的作用原理和電鍍相同,但它是一種制造金屬產品的方法。置于陰極的是鑄模(Casting mold,當金屬沉積析出在其上面所形成的鍍層即為產品。鑄模與鍍層并不會緊密結合,在作用完成后,兩者會分離。此法可生產大小不同的產品,尤其是適合于少量或復雜的工件。3.5 物里蒸鍍物里蒸鍍(Physical vapor deposition,PVD是指在真空中,把金屬加熱成飽和蒸

22、汽,當它遇到溫度較低的被鍍工件時,蒸汽即沉積于工件表面上形成薄膜。此法常應用在電子組件,如太陽電池、磁頭等的表面處理。蒸鍍材料有金、銀、鋁等,但不包括高熔金屬或高溫時易分解的高分子化合物。加熱方法有電阻加熱、電弧加熱、雷射加熱、電子束加熱等。濺鍍(Sputtering deposition法是利用高速的惰性氣體(通常為氬氣撞擊鍍層材料,引起其原子濺射出來并被覆到被鍍工件表面上。為得到高速,將通入的氣體離子化,成為電漿(Plasma通過電場的加速才能達成。3.6 化學蒸鍍化學蒸鍍(Chemical varpor deposition ,CVD不僅將金屬鍍在工件表面上,也適用于蒸鍍含有碳、氮、硼、

23、硅和氧等陶瓷材料之鍍層,是一種利用高溫產生化學反應的制程。典型的應用例子如在切削刀具上鍍氧化鈦(TiN的鍍層。首先在惰性氣體及大氣壓下,得到,然后通入四氯化鈦(TiCl C 010509504、氫氣(H 2和氮氣(N 2,經(jīng)化學反應后,即可在刀具表面上形成氮化鈦鍍層及氯化氫。同理可用于產生碳化鈦(TiC和氧化鋁(Al 2O 3鍍層。化學蒸鍍法所產生的鍍層通常較物理蒸鍍法所得到的為厚。此外,化學蒸鍍的主要缺點是必須在高溫下才能發(fā)生化學反應,故可能造成被鍍工件的金相改變或外形產生畸變。物里蒸鍍和化學蒸鍍?yōu)榘雽w產業(yè)中不可或缺的重要制程之,應用于晶圓表面之鍍層材料的沉積。3.7 噴砂噴砂(Spray

24、ing是利用可產生火焰、電弧或電漿的噴嘴,將金屬合金、碳化物、氧化物或陶瓷材料熔化成小液滴或顆粒狀,再以高速撞擊方式噴覆于工件表面上。使用的噴覆材料形式可以是棒狀、線材或粉末狀。噴漆則是另一種應用形式。3.8 涂層涂層(Coating包含陶瓷涂層和金屬氧化物的化成涂層。陶瓷涂層是指將非金屬化合物,如玻璃、碳化鎢等粉末,涂層在工件表面上,然后加熱使之熔化而粘附,所得的涂層有良好的抗蝕能力?；赏繉?Chemical conversion coating是指在金屬表面施以化學或電化學作用使生成化合物表面層。所得表面層含有被處理的金屬成分。常見的化成處理有1. 磷酸鹽處理,所得的磷酸鹽涂層并無防蝕功

25、能,主要是用來增加油漆的附著性。2. 酪酸處理,多用于鋅、鎘等,所得氧化鉻涂層可防蝕,又可增強油漆之附著性。3. 鋁的陽極處理,將于3.10節(jié)中敘述。此外,包層(Cladding處理是先把金屬粉末制成護面金屬(Clad metal,然后被與工件接觸,利用物理作用之加熱及加壓或螺炸法等方式,使兩者粘附接著,在其接觸面間有擴散現(xiàn)象發(fā)生。類似的方法有硬物霧面(Hard facing處理是利用焊接技術將涂層材料覆蓋在工件表面上形成一厚的層、邊或點狀之耐磨耗硬化層。3.9 油漆油漆(Paint又稱為有機涂層,可用來隔絕工件表面和腐蝕環(huán)境,以達成防蝕效果,另外一項很重要的功能就是增加美觀。油漆的組成包括主

26、要成分的顏料(Pigments、樹脂(Resins和溶劑(Solvents及少量的添加劑(Additives。顏料為細小的固態(tài)分子,并不溶于含樹脂的液體中,通常為無脂的金屬鹽或氧化物,特性是具有顏色、遮蔽性及防腐蝕。樹脂則用以結合顏料分子并粘附于工件表面上,樹脂的種類很多,各有其特定的功能,分別適合于耐候、耐酸、耐堿或耐水等不同的用途。溶劑是使油漆有足夠的流動狀態(tài)以方便施工,并使油漆均勻被覆于工件表面;并且不論是有機溶劑或水溶性溶劑,都會自油漆中揮發(fā)離去。添加劑的量雖少,卻可提供許多重要的性質,較重要的有干燥、安定、濕性、防腐等。3.10 陽極處理陽極處理(Anodizing是專為鋁和鋁合金所

27、發(fā)展出來的表面氧化處理。鋁在空氣中氧化,形成氧化層可防止空氣的繼續(xù)侵蝕,但其保護的能力有時尚嫌不夠。利用陽極處理可得到較厚的鋁氧化層。其程序為將鋁浸入電解液中當做陽極,電解溶液含有硫酸或鉻酸,當通電后,鋁會氧化形成氧化鋁涂層。經(jīng)陽極處理后,工件可增加耐蝕性,表層更硬、更耐磨耗、更光量且更美觀。鎂和鈦也可使用陽極處理。3.11 鋼鐵發(fā)藍將鋼鐵工件浸入含有硝酸鈉和氰化鈉的混合液中,加熱發(fā)生化學反應,使工件表面生成一層黑色或藍色的氧化物薄膜,稱為鋼鐵發(fā)藍(Blueing。其氧化膜厚度很薄,防蝕能力并不強,但其色澤美麗且具潤滑性,已被廣泛應用于制造工業(yè)。尤其國防工業(yè)的武器零件,以此法處理所得的防護層不反光,不但可防止被發(fā)現(xiàn)又不影響使用人員的瞄準