第五章 金屬材料表面改性處理

1、第五章第五章 金屬材料表面改性處理金屬材料表面改性處理5.1 5.1 轉(zhuǎn)化膜處理轉(zhuǎn)化膜處理 5.2 5.2 電鍍電鍍5.3 5.3 離子沉積離子沉積5.4 5.4 熱噴涂熱噴涂5.5 5.5 涂裝涂裝5.6 5.6 表面著色和染色表面著色和染色 5.1 轉(zhuǎn)化膜處理轉(zhuǎn)化膜處理 將工件浸入某些溶液中將工件浸入某些溶液中,在一定條件下使其表面在一定條件下使其表面形成一形成一層致密的保護膜，層致密的保護膜，提高工件防提高工件防腐蝕的能力腐蝕的能力,增加裝飾作用。增加裝飾作用。5.1.1 氧化處理氧化處理 1.鋼的氧化處理鋼的氧化處理(發(fā)藍處理發(fā)藍處理) 在空氣（蒸）或化學藥在空氣（蒸）或化學藥物中加熱

2、，使其表面產(chǎn)生一層物中加熱，使其表面產(chǎn)生一層蘭色或黑色氧化膜蘭色或黑色氧化膜Fe3O4 ，以，以改善鋼的耐磨性和外觀。膜厚改善鋼的耐磨性和外觀。膜厚0.5-1.5微米。微米。 氧化處理工藝常用于儀表、氧化處理工藝常用于儀表、工具和武器等的表面。工具和武器等的表面。 2.鋁的氧化過程鋁的氧化過程a)化學氧化法化學氧化法 放入化學溶液放入化學溶液中進行氧化處理而獲得牢固的中進行氧化處理而獲得牢固的氧化膜，其厚度為氧化膜，其厚度為0.3-4微米。微米。提高鋁和鋁合金的耐磨性和耐提高鋁和鋁合金的耐磨性和耐蝕性。蝕性。b)電化學氧化法電化學氧化法 在電解液中在電解液中使鋁合金表面產(chǎn)生一層氧化膜，使鋁合金

3、表面產(chǎn)生一層氧化膜，這種工藝又稱陽極氧化，這層這種工藝又稱陽極氧化，這層氧化膜具有強吸附能力，較高氧化膜具有強吸附能力，較高的硬度，良好的耐磨性和耐蝕的硬度，良好的耐磨性和耐蝕性，膜層無色透明，極易染成性，膜層無色透明，極易染成各種美麗的顏色。各種美麗的顏色。5.1.2 磷化處理磷化處理 把鋼件浸入磷酸把鋼件浸入磷酸鹽為主的溶液中，形鹽為主的溶液中，形成不溶于水的結晶型成不溶于水的結晶型磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜的過程。磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜的過程。磷化處理后的磷化膜磷化處理后的磷化膜厚度為厚度為5-15微米，有微米，有較好的防腐能力和潤較好的防腐能力和潤滑作用?；饔?。 磷化處理所需設磷化處理所需設備簡單，操作方便

4、，備簡單，操作方便，成本低，生產(chǎn)效率高。成本低，生產(chǎn)效率高。常用作為鋼鐵材料零常用作為鋼鐵材料零件的防護層。件的防護層。 5.2 電鍍電鍍 電鍍是在電解液中使零件表面電鍍是在電解液中使零件表面鍍上一層金屬薄層。對非金屬材料鍍上一層金屬薄層。對非金屬材料進行電鍍時，應先對非金屬表面進進行電鍍時，應先對非金屬表面進行金屬化處理，如化學鍍。行金屬化處理，如化學鍍。 電鍍的應用電鍍的應用: 修復磨損零件、增大零件尺寸。修復磨損零件、增大零件尺寸。如如刷鍍刷鍍 提高零件的耐腐蝕性，如鍍鋅。提高零件的耐腐蝕性，如鍍鋅。 覆蓋耐磨性鍍層覆蓋耐磨性鍍層,提高耐磨性，提高耐磨性，如如鍍鉻鍍鉻。 提高零件表面美觀

5、裝飾性，如提高零件表面美觀裝飾性，如鍍裝飾鋅。鍍裝飾鋅。 其他特殊用途，如鍍銀。其他特殊用途，如鍍銀。 5.3.1 化學氣相沉積法化學氣相沉積法 定義定義: :化學氣相沉積是在高溫下化學氣相沉積是在高溫下將爐內(nèi)抽成真空或通入氫氣將爐內(nèi)抽成真空或通入氫氣, ,然后通然后通入反應氣體并在爐內(nèi)產(chǎn)生化學反應入反應氣體并在爐內(nèi)產(chǎn)生化學反應, ,使工件表面形成覆層的方法使工件表面形成覆層的方法, ,簡稱簡稱CVDCVD法法. . 應用應用: :半導體薄膜制備；刀具、半導體薄膜制備；刀具、模具、工具、零件等。模具、工具、零件等。 SiClSiCl4 4+2H+2H2 2 Si+ 4HClSi+ 4HCl T

6、iCl TiCl4 4+CH+CH4 4+H+H2 2 TiC+4HCl +HTiC+4HCl +H2 2 特點特點: :反應溫度高反應溫度高, ,需通入大量需通入大量氫氣氫氣, ,工件易產(chǎn)生氫脆工件易產(chǎn)生氫脆, ,且不安全且不安全, ,廢廢氣氣HClHCl有毒有毒. . 5.3 離子沉積離子沉積滲陶活塞環(huán)滲陶活塞環(huán) 5.3.2 物理氣相沉積法物理氣相沉積法 把把金屬蒸氣離子化后金屬蒸氣離子化后在高壓靜電場使離子加速并在高壓靜電場使離子加速并沉積于金屬表面形沉積于金屬表面形成覆層成覆層的方法的方法, ,簡稱簡稱PVDPVD法。沉積溫度低，速度快，覆層成分和結構可控法。沉積溫度低，速度快，覆層成

7、分和結構可控制，無公害。制，無公害。 1.1.真空濺射真空濺射 ( (以沉積以沉積TiCTiC為例）為例） 2.2.離子鍍離子鍍磁控濺射磁控濺射 5.4 熱噴涂熱噴涂 將合金、陶瓷等材料熔化或部分熔將合金、陶瓷等材料熔化或部分熔化化, ,并通過高速氣流使其成為霧化微粒并通過高速氣流使其成為霧化微粒, ,噴向工件表面后構成噴涂層的方法。噴向工件表面后構成噴涂層的方法。 工藝過程：表面制備、預熱、預噴工藝過程：表面制備、預熱、預噴粉、噴熔、冷卻、后期加工粉、噴熔、冷卻、后期加工 熱噴涂方法：熱噴涂方法：電弧噴涂電弧噴涂、等離子弧等離子弧粉末噴涂粉末噴涂等等 應用：應用： 用于用于鋼材抗大氣腐蝕鋼材

8、抗大氣腐蝕時，噴鋁層時，噴鋁層0.1mm0.1mm，噴鋅層，噴鋅層0.15mm0.15mm，在靜止狀態(tài)下可，在靜止狀態(tài)下可保護基體達保護基體達1010年之久。年之久。 用于用于耐熱構件耐熱構件上，如工作溫度上，如工作溫度500500，則噴鋁，則噴鋁0.175mm0.175mm后不需其他處后不需其他處理；工作溫度理；工作溫度900 900 ，噴鋁合金后，噴鋁合金后，在在800900 800900 加熱擴散。加熱擴散。 用于用于修理修理磨損曲軸和機床傳動軸等。磨損曲軸和機床傳動軸等。加工超差采用熱噴涂工藝修復加工超差采用熱噴涂工藝修復 噴涂耐磨陶瓷噴涂耐磨陶瓷噴涂合金層噴涂合金層5.5 涂裝涂裝

9、利用噴射、涂飾等方法，利用噴射、涂飾等方法，將將有機涂料有機涂料涂覆于工件表面并涂覆于工件表面并形成與基體牢固結合的涂覆層形成與基體牢固結合的涂覆層過程稱為涂裝。過程稱為涂裝。 提高耐磨性、美化工件表提高耐磨性、美化工件表面（掩飾表面缺陷、豐富色面（掩飾表面缺陷、豐富色彩）、保護表面免受外界（空彩）、保護表面免受外界（空氣、水分、陽光及其他腐蝕介氣、水分、陽光及其他腐蝕介質(zhì)）侵蝕。還可色彩偽裝、防質(zhì)）侵蝕。還可色彩偽裝、防紅外偽裝、電氣絕緣等。紅外偽裝、電氣絕緣等。 涂料一般由成膜材料、顏涂料一般由成膜材料、顏料、溶劑、助劑四部分組成。料、溶劑、助劑四部分組成。 方法：浸涂法方法：浸涂法 、空

10、氣噴、空氣噴涂法涂法 、靜電噴涂法靜電噴涂法 、電電泳涂裝法泳涂裝法 、粉末涂裝法等。、粉末涂裝法等。涂裝生產(chǎn)線涂裝生產(chǎn)線 5. 6 表面著色和染色表面著色和染色 1. 1. 金屬的金屬的著色著色 通過化學或電化學等處理方法通過化學或電化學等處理方法, ,使金使金屬自身表面產(chǎn)生色調(diào)的變化并保持金屬屬自身表面產(chǎn)生色調(diào)的變化并保持金屬光澤的工藝光澤的工藝. . 化學法：是利用溶液與金屬表面化學法：是利用溶液與金屬表面產(chǎn)生的化學反應生成氧化物、硫化物等產(chǎn)生的化學反應生成氧化物、硫化物等有色化合物。有色化合物。 置換法：是溶液中金屬離子進行置換法：是溶液中金屬離子進行化學置換反應并沉積在工件表面，形成

11、化學置換反應并沉積在工件表面，形成有色薄膜。有色薄膜。 熱處理法：是將工件置于一定環(huán)熱處理法：是將工件置于一定環(huán)境氛圍中熱處理，使其表面形成具有適境氛圍中熱處理，使其表面形成具有適當結構和色彩的氧化膜。當結構和色彩的氧化膜。 電解法：是將工件置于一定的電電解法：是將工件置于一定的電解液中進行電解處理，使工件表面形成解液中進行電解處理，使工件表面形成多孔、無色的氧化膜，然后再進行著色多孔、無色的氧化膜，然后再進行著色或染色處理，形成各種色彩的膜層?；蛉旧幚?，形成各種色彩的膜層。 無鉻鋁材氧化著色無鉻鋁材氧化著色金屬外殼噴砂工藝，氧化著色處理。金屬外殼噴砂工藝，氧化著色處理。 2.2.金屬的染色

12、金屬的染色 通過金屬表面的微孔或吸附作用和化學反應將染料均勻涂覆通過金屬表面的微孔或吸附作用和化學反應將染料均勻涂覆在金屬表面，也可利用電解法使金屬離子與染料共同沉積在金屬在金屬表面，也可利用電解法使金屬離子與染料共同沉積在金屬表面表面形成色彩形成色彩。銅染藍色銅染藍色 銅染黑色銅染黑色 鋼鐵工件發(fā)藍處理工藝過程鋼鐵工件發(fā)藍處理工藝過程化學除油化學除油 水洗水洗 酸洗酸洗 水洗水洗 氧化氧化 水洗水洗 補充處理補充處理 水洗水洗吹干吹干 檢驗檢驗影響因素影響因素:堿濃度、溫度、工件含碳量堿濃度、溫度、工件含碳量第五章第五章 金屬材料表面改性處理金屬材料表面改性處理鋼鐵工件發(fā)藍處理工藝過程鋼鐵工

13、件發(fā)藍處理工藝過程溶液組成及質(zhì)量濃度溶液組成及質(zhì)量濃度溫度溫度/時間時間/min1化學除油并水洗化學除油并水洗苛性鈉苛性鈉3050、碳酸、碳酸鈉鈉3050、磷酸三鈉、磷酸三鈉3040、水玻璃、水玻璃5106010152酸洗后水洗酸洗后水洗硫酸硫酸150200、緩蝕、緩蝕劑劑0.5150605103氧化并水洗氧化并水洗苛性鈉苛性鈉550650、硝、硝酸鈉酸鈉13018013514515204補充處理補充處理重鉻酸鉀或肥皂重鉻酸鉀或肥皂3050859010155水洗水洗6吹干吹干7檢驗檢驗鋁的氧化處理鋁的氧化處理鋁的氧化目的：鋁的氧化目的：化學氧化工藝：堿性溶液化學氧化化學氧化工藝：堿性溶液化學氧

14、化 酸性溶液化學氧化酸性溶液化學氧化 鉻酸鹽化學氧化鉻酸鹽化學氧化 磷酸鹽磷酸鹽鉻酸鹽化學氧化鉻酸鹽化學氧化電化學氧化工藝（陽極氧化）：電化學氧化工藝（陽極氧化）： 常用電解液有：硫酸（常用電解液有：硫酸（WH2SO4為為15%20%）、）、 鉻酸（鉻酸（WCrO3）為為3%10%）、）、 草酸（草酸（WH2CO4為為2%10%） 為了防止陽極氧化生成的多孔結構被腐蝕和污染，必須進為了防止陽極氧化生成的多孔結構被腐蝕和污染，必須進行封閉處理。常用蒸汽封閉法、鹽溶液封閉法、石蠟或油類行封閉處理。常用蒸汽封閉法、鹽溶液封閉法、石蠟或油類或樹脂類封閉法?；驑渲惙忾]法。第五章第五章 金屬材料表面改性

15、處理金屬材料表面改性處理磷化處理工藝磷化處理工藝磷化工藝磷化工藝分類分類 溶液成分的質(zhì)量濃度溶液成分的質(zhì)量濃度 /g。L-1溶液溫度溶液溫度/C 處理時間處理時間/min低溫磷化低溫磷化磷酸錳鐵鹽磷酸錳鐵鹽 3040硝酸鹽硝酸鹽 140160氟化鈉氟化鈉 25 室溫室溫 3045中溫磷化中溫磷化磷酸二氫鋅磷酸二氫鋅 2540硝酸鋅硝酸鋅 80100 5070 1520高溫磷化高溫磷化磷酸錳鐵鹽磷酸錳鐵鹽 3035硝酸鋅硝酸鋅 5565 9098 1015第五章第五章 金屬材料表面改性處理金屬材料表面改性處理普通鍍鉻工藝普通鍍鉻工藝 金屬經(jīng)過預處理和鍍前處理后進行電鍍金屬經(jīng)過預處理和鍍前處理后進

16、行電鍍,鍍液是標準鍍液是標準鍍鉻溶液鍍鉻溶液(鉻酐鉻酐250g/L、硫酸、硫酸2.5g/L),電鍍溫度為電鍍溫度為4250C、陽極使用鉛（常加陽極使用鉛（常加6%銻或錫）、電壓為銻或錫）、電壓為6 612V，電流密，電流密度為度為1640A/dm2，在鍍鉻時，需要向鉻酸溶液中不斷補，在鍍鉻時，需要向鉻酸溶液中不斷補充鉻酸酐，使溶液成分保持穩(wěn)定充鉻酸酐，使溶液成分保持穩(wěn)定.材料經(jīng)電鍍后要進行漂材料經(jīng)電鍍后要進行漂洗洗,并在并在175180烘烤除氫。烘烤除氫。鍍鉻的刷鍍液的組成和工藝條件鍍鉻的刷鍍液的組成和工藝條件組成和工藝條件組成和工藝條件質(zhì)量濃度質(zhì)量濃度/g.L-1硝酸鉻硝酸鉻Cr(NO3)氨

17、水氨水NH4OH水合肼水合肼草酸草酸丁二酸丁二酸F-53PH值值陽極材料陽極材料38042011030401802201601800.056.87.5石墨石墨第五章第五章 金屬材料表面改性處理金屬材料表面改性處理刷鍍示意圖刷鍍示意圖1工件工件2鍍液鍍液3供液瓶供液瓶4棉花包套棉花包套5陽極陽極6鍍筆鍍筆7直流電源直流電源8接液盤接液盤多弧離子多弧離子鍍裝置示鍍裝置示意圖意圖電弧熱噴涂原理電弧熱噴涂原理1送絲槍送絲槍2-噴頭噴頭3防光罩防光罩4空氣帽空氣帽5工件工件6空氣噴嘴空氣噴嘴7前導管前導管8金屬絲金屬絲火焰噴涂原理火焰噴涂原理1 1工件工件2 2金屬絲噴孔金屬絲噴孔3 3氧氧- -乙炔噴

18、孔乙炔噴孔4 4空氣帽空氣帽5 5混合室混合室6 6送絲滾輪送絲滾輪7 7金屬絲金屬絲等離子弧粉末噴涂示意圖等離子弧粉末噴涂示意圖1涂層涂層2電源電源3鎢極鎢極4-噴嘴噴嘴5冷卻水冷卻水6等離子焰等離子焰7飛行中的粉末粒子飛行中的粉末粒子8工件工件靜電噴涂靜電噴涂 靜電噴涂是用靜靜電噴涂是用靜電噴槍使電噴槍使油漆霧化并油漆霧化并帶有負電荷，帶有負電荷，與接地與接地的工件間形成高壓靜的工件間形成高壓靜電場，靜電引力使漆電場，靜電引力使漆霧均勻沉積在工件表霧均勻沉積在工件表面，形成均勻的漆膜。面，形成均勻的漆膜。 特點：漆膜均勻、特點：漆膜均勻、生產(chǎn)率高（比空氣噴生產(chǎn)率高（比空氣噴涂高涂高1313

19、倍）、油漆利倍）、油漆利用率高（可達用率高（可達80%90%80%90%）、污染少、）、污染少、易于實現(xiàn)自動化。易于實現(xiàn)自動化。粉末涂裝粉末涂裝 粉末涂裝的基本方法有靜電噴涂法和硫化床法兩種。粉末涂裝的基本方法有靜電噴涂法和硫化床法兩種。1）粉末靜電噴涂的電源由高壓靜電發(fā)生器供給，其產(chǎn)生）粉末靜電噴涂的電源由高壓靜電發(fā)生器供給，其產(chǎn)生的高電壓接到噴槍的內(nèi)部或前端。粉末在供粉器中與空的高電壓接到噴槍的內(nèi)部或前端。粉末在供粉器中與空氣流混合，進入噴槍，在噴槍內(nèi)部和出口處帶上電荷。氣流混合，進入噴槍，在噴槍內(nèi)部和出口處帶上電荷。在靜電場的作用下，粉末粒子飛向接地的工件上，當粉在靜電場的作用下，粉末粒

20、子飛向接地的工件上，當粉末涂覆一定厚度時，后來的粉末由于同性相斥而不能被末涂覆一定厚度時，后來的粉末由于同性相斥而不能被吸附，使膜厚均勻地覆蓋工件。被噴涂的工件在固化爐吸附，使膜厚均勻地覆蓋工件。被噴涂的工件在固化爐中將粉層熔融、流平和固化，形成均勻的膜層。中將粉層熔融、流平和固化，形成均勻的膜層。2）硫化床法是在容器內(nèi)裝一孔徑為）硫化床法是在容器內(nèi)裝一孔徑為0.40.8m的多孔板，的多孔板，在板上的粉末由于板下的壓縮空氣通入而產(chǎn)生沸騰狀，在板上的粉末由于板下的壓縮空氣通入而產(chǎn)生沸騰狀，加熱后的工件浸入沸騰的粉層而粘上粉末層，其厚度可加熱后的工件浸入沸騰的粉層而粘上粉末層，其厚度可根據(jù)工件浸入

21、時間和工件預熱溫度來調(diào)整，然后再經(jīng)過根據(jù)工件浸入時間和工件預熱溫度來調(diào)整，然后再經(jīng)過烘烤進行固化，形成平滑的膜層。烘烤進行固化，形成平滑的膜層。電泳涂裝電泳涂裝 電泳涂裝是將電泳漆電泳涂裝是將電泳漆用水稀釋到固體成分為用水稀釋到固體成分為10%15%10%15%，工件作為直流電，工件作為直流電正極浸入電泳槽內(nèi)，電泳正極浸入電泳槽內(nèi)，電泳漆中的樹脂和顏料在電場漆中的樹脂和顏料在電場作用下移向陽極并沉積于作用下移向陽極并沉積于工件表面，形成不溶于水工件表面，形成不溶于水的漆層，烘干后形成均勻的漆層，烘干后形成均勻的漆層。的漆層。 特點：漆膜厚度均勻、特點：漆膜厚度均勻、質(zhì)量好、邊緣覆蓋好，涂質(zhì)量好、邊緣覆蓋好，涂料利用率高（可達料利用率高（可達95%95%以以上），生產(chǎn)率高，便于實上），生產(chǎn)率高，便于實現(xiàn)自動化，污染小?，F(xiàn)自動化，污染小。銅的著色處理銅的著色處理金屬金屬顏色顏色溶液溶液備注備注銅銅黑色黑色NaOH 50g/L、K2SO5 10g/L古青銅色古青銅色K2S 1050g/L仿金色仿金色Na2S2O3 120g/L、Pb（C2H3O2）2 40g/L黃黃銅銅蘭色蘭色Pb（C2H3