常見表面處理技術(shù)知識(shí)研發(fā)請(qǐng)收好

常見表面處理技術(shù)知識(shí)，研發(fā)請(qǐng)收好

在表面技術(shù)中主要有三大類，每一類又可分為多種技術(shù)，下面僅就幾

種常見的利用化學(xué)或物理化學(xué)原理的表面技術(shù)及應(yīng)用作一簡(jiǎn)單介紹。

1.涂料

涂料(coating)是一種用于涂裝物體表面形成涂膜，從而起到保護(hù)、

裝飾標(biāo)志和其他特殊功能(如絕緣、防污、減阻、隔熱、耐輻射、導(dǎo)電、

電磁等)的材料。

很久以前，涂料都是用植物油和天然樹脂加工而成，所以通稱油漆，

1790年英國建立了第一個(gè)油漆廠。隨著工業(yè)的發(fā)展，合成樹脂逐步取代了

植物油，所以現(xiàn)在把涂裝物面的各種材料統(tǒng)稱為涂料。涂料作為一個(gè)工業(yè)

部門僅有百年的歷史，但其應(yīng)用卻非常廣泛。在我們的周圍，可以說涂料

無處不在，從室內(nèi)的墻壁、冰箱、櫥柜和家具，甚至錄音錄象帶和光盤

上，到戶外的房屋、汽車、船舶、橋梁、飲料罐以及口香糖包裝等等地方

隨處可見。目前涂料市場(chǎng)為600億美元左右°我國自改革開放20多年

來，涂料產(chǎn)量的年增長率約為10樂目前生產(chǎn)能力已超過250萬噸，產(chǎn)量

擠身于世界第三位。下面就途料的組成、分類和成膜的基本原理作一簡(jiǎn)單

介紹。

涂料的組成

涂料的組成按功能包拈4部分：°

成膜物質(zhì)：是在涂料中能形成涂膜的主要物質(zhì)，是決定涂料性能的主

要因素，有時(shí)也叫基料或漆料。主要有汕酯、天然樹脂、天然高分了?及合

成樹丁等。

顏料：顏料通常是固體粉末，雖然本身不能成膜，但它始終留在涂膜

中，能使涂膜呈現(xiàn)色彩和具有遮蓋力，還能增強(qiáng)涂膜的耐老性和耐磨性及

增強(qiáng)膜的防蝕、防污等能力。顏料的種類很多，如白色顏料有鈦白粉

(TiO2)、鋅白(氧化鋅)等，黑色顏料有炭黑、氧化鐵黑(Fe304)、彩色顏

料有銘黃(PbCrO4)、鐵紅(F黃03)、鐵藍(lán)(普魯士藍(lán)FeK[Fe(CN)6]?H20)

等，還有金屬顏料如鋁粉(峪稱銀粉)、防銹顏料如磷酸鋅等等。除些之

外，還在大量的有機(jī)物顏料。

溶劑：涂料中加入溶劑，為的是溶解或分散成膜物質(zhì)，降低成膜物質(zhì)

的粘稠度，以便施工得到均勻而有有機(jī)溶劑和水。

助劑：在涂料在應(yīng)用的助劑越來越多，其用量往往很小，占總配方的

百分之幾，甚至千分之幾，但它們?cè)诟纳菩阅?，延長貯存期限，擴(kuò)大應(yīng)用

范圍和便于施工等方面常常起很大的作用。包括催干劑、漕稠劑、觸變

劑、消光劑、抗靜電劑、紫外線吸收劑、消泡劑、流平劑等等。

涂料的分類

經(jīng)過長期的發(fā)展，涂料的品種特別繁雜，用途也各異，有許多分類方

法，主要介紹下面3種：

根據(jù)主要成膜物質(zhì)可分為有機(jī)涂料和無機(jī)涂料，有機(jī)除料中根據(jù)成膜

樹脂類型又可分為醇酸、環(huán)氧、丙烯酸涂料等。

按照溶劑類型又可分為溶劑型（以有機(jī)溶劑為分散劑，又分為低固化

份和高固化份兩種）涂料、水性（以水為溶劑）涂料、涂末涂料、輻射固化

涂料等。未來涂料發(fā)展的方向?qū)Ⅲw現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是向更加環(huán)保、

綠色方向發(fā)展，將不斷開發(fā)出高固體份、水性、粉末和輻射固化的涂料；

二是向更加功能化的方向發(fā)展，各種功能化特種涂料產(chǎn)品將不斷問世。表

1給出了世界主要工業(yè)化地區(qū)涂料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。公眾號(hào)《機(jī)械工程文萃》，

工程師的加油站！

按照用途涂料可分為3大類：建筑涂料、產(chǎn)品涂料和特種涂料。建筑

涂料主要包括用于裝飾和保護(hù)建筑物外壁和內(nèi)壁和涂料，占涂料總量的

50%左右,其中乳膠漆戰(zhàn)友70%以上。產(chǎn)品涂料通常也叫工業(yè)漆，是在工廠

里施工于汽車、家電、電磁線、飛機(jī)、家具、金屬罐等等上的涂料，占涂

料總產(chǎn)量的30%左右。其余20%左右的是特種涂料，它是指在工廠外施工

的工業(yè)涂料和一些其他涂料，如防火涂料、防水涂料、耐高溫腐蝕的陶瓷

涂料，示溫涂料、導(dǎo)電涂料、磁性涂料、路面標(biāo)線涂料、防霉滅蟲涂料、

耐磨涂料、海洋重防腐涂料等等。特種涂料不僅要滿足國防尖端產(chǎn)品和高

科技發(fā)展的特殊需要，而且還要滿足國民經(jīng)濟(jì)各部門新發(fā)展的特種要求。

涂料成膜的基本原理

生產(chǎn)和使用涂料的目的是為了得到符合需要的涂膜，涂料形成涂膜的

過程直接影響興翻蓋能否充分發(fā)揮預(yù)定的效果以及所得涂層的各種性能是

否能充分表面出來。涂膜的固化機(jī)理一般有3種類型。

物理機(jī)理干燥只靠涂料中涂體（溶劑或分散相）蒸發(fā)而得到干硬興稻

草原干燥過程即為物理機(jī)理干燥。在干燥過程中，高聚物不發(fā)生化學(xué)反

應(yīng)。

涂料與空氣發(fā)生反應(yīng)的交聯(lián)固化。所以在貯存期間，涂料罐必須密封

良好，與空氣隔絕。

涂料組分之間發(fā)生反應(yīng)的交聯(lián)固化涂料在貯存期間必須保持穩(wěn)定，

可以用雙組分包裝涂料法或是選用在常溫下互不發(fā)生反應(yīng)，只是在高溫下

或受到輻射時(shí)才發(fā)生反應(yīng)的組分，比如，紫外光固化興翻蓋是一種單組

分、無溶劑的涂料，涂覆時(shí)接受紫外光的照射，液體興翻蓋將會(huì)在零點(diǎn)幾

秒到幾十秒的時(shí)間內(nèi)固化成膜。

近年來，研究人員正在開發(fā)一種聯(lián)合固化技術(shù)，即將幾種興翻蓋固化

技術(shù)結(jié)合起來，以克服單一固化技術(shù)的缺點(diǎn)。

2.電化學(xué)及化學(xué)沉積

電化學(xué)及化學(xué)沉積表面技術(shù)中，常見的有電鍍、刷鍍和化學(xué)鍍技術(shù)。

電鍍

電鍍是應(yīng)用電解的方法將一種金屬覆蓋到另一種金屬表面的過程，需

要在電解槽中進(jìn)行。其過程是將經(jīng)過除油、除銹前處理的金屬鍍件作為陰

極、鍍層金屬作為陽極、以鍍層金屬的鹽溶液作為電解液,通電后進(jìn)行電

解。如電鍍鋅、電鍍銅等。為了使鍍層結(jié)晶細(xì)致，厚薄均勻，與基體結(jié)合

牢固，電鍍液通常不能用簡(jiǎn)單的金屬鹽溶液，而是用形成配合物的溶液，

如鍍鋅時(shí)通常采用堿性鋅酸鹽或鋅的氟化物作為電解液。

近年來流行的合金鍍，如鍍黃銅（銅梓合金）、可焊性合金（錫鉛合

金）、耐蝕合金（鋅銀合金）、仿金電鍍（銅鋅合金或銅鋅錫合金）等，其基

本原理都是通過用加入配位劑以生成不同的配合物的方法：來控制溶液中

不同金屬離子的濃度，使電極電勢(shì)代數(shù)值較大的金屬離子濃度稍低，而電

極電勢(shì)代數(shù)值較小的離子濃度較高，從而使不同的金屬離子以相等或相近

的電勢(shì)，使多種金屬離子同時(shí)在陰極上區(qū)得電子并同時(shí)沉積在作為陰極的

工件表面，形成合金鍍層。

電刷鍍

電刷鍍是近年來發(fā)展起來的一種修復(fù)機(jī)械零部件的新技術(shù)。它的基本

原理與電鍍相同，只是不用鍍槽，而是將電解液浸在包著陽極（稱為鍍筆）

的棉花包套中，刷鍍時(shí)，接通電源后，用浸滿鍍液（即電解液）的鍍筆與工

件（陰極）直接接觸，在陽極與陰極的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，即可獲得鍍層，且鍍層

隨刷鍍時(shí)間的延長而增厚，只不過是用鍍筆浸取除油或除銹液進(jìn)行處理。

刷鍍主要用于修復(fù)被磨損或加工超差的零件，也可用于印制板和電器接點(diǎn)

的維修與防護(hù)。由于電刷鍍技術(shù)能以很小的代價(jià)，修復(fù)價(jià)宜較高的機(jī)械的

局部損壞部位，被譽(yù)為“機(jī)械的起死回生術(shù)”而得到廣泛應(yīng)用6

化學(xué)鍍

化學(xué)鍍是一個(gè)不外加電源，在金屬表面的催化作用下經(jīng)控制化學(xué)還原

法進(jìn)行了的金屬沉積過程。因不用外電源，故又稱為無電艘（Electroless

plating、Nonelectrolytic)<>由于反應(yīng)必須在具有自催化性的材料表面

進(jìn)行，美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)推薦用自催化鍍一詞(Autocatalytic

plating)o由于金屬的沉積過程是鈍化學(xué)反應(yīng)，所以將這種金屬沉積工藝

稱為“化學(xué)鍍”最為恰當(dāng)，這樣它才能充分反映工藝過程的本質(zhì)。所以

Chemical>Nonelectrolytic、Electroless3個(gè)詞就是一個(gè)意義了°目

前“化學(xué)鍍”這個(gè)詞在國內(nèi)外已被大家認(rèn)同采用。

化學(xué)鍍的歷史較短，最早是美國標(biāo)準(zhǔn)局的Brenner和Riddell于

1946年發(fā)明的化學(xué)鍍鍥?；瘜W(xué)鍍銀一問世，立即就受到人們的關(guān)注，但化

學(xué)鍍銀真正被工業(yè)界廣泛重視是近20年的事。20世紀(jì)80年代以來，隨著

電子、計(jì)算機(jī)、石油化工、汽車工業(yè)等迅速發(fā)展，化學(xué)鍍錦以每年高于

15%的增長速度在發(fā)展，目前，化學(xué)鍍銀在幾乎所有的工業(yè)部門都獲得廣

泛應(yīng)用，成為近年來表面技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展速度最快的工藝之一。

化學(xué)鍍不是通過界面上固液兩相間金屬原子和離子的交換，而是液相

離子通過液相中的還原劑R,在金屬表面或其它材料表面上的還原

沉積：

(n+)+R(f-*-表面催化)M+R"(n+)

化學(xué)鍍過程必須要有催化劑?；w往往可以作為催化劑，但當(dāng)基體被

完全覆蓋后，要想使沉積過程繼續(xù)進(jìn)行下去，其催化劑只能是沉積金屬本

身。所以化學(xué)鍍可以說是一種沉積金屬的、可控制的、自催化的化學(xué)反應(yīng)

過程?；瘜W(xué)鍍鍍層厚度與時(shí)間成正比，理論上認(rèn)為可以產(chǎn)生很厚的沉積

層。公眾號(hào)《機(jī)械工程文萃》，工程師的加油站!

一個(gè)能夠進(jìn)行化學(xué)鍍的溶液，必須包含以下的物質(zhì)：

欲鍍覆單質(zhì)的來源一一通常是金屬的鹽類；

把欲鍍金屬的離子還原成單質(zhì)的還原劑；

為了維持化學(xué)氐液的穩(wěn)定性而加入的一種或多種配位劑，它們與欲鍍

覆金屬的離子形成配合物，同時(shí)還可防止生成氫氧化物及亞磷酸鹽沉淀。

包含有維持鍍液pH值恒定的緩沖劑和提高鍍液穩(wěn)定性、增加鍍液壽

命的穩(wěn)定劑。

以目前應(yīng)用最為廣泛的化學(xué)鍍銀一磷合金為例，金屬鹽一般用硫酸

銀，常用的還原劑是次亞酸鈉(NaH2Po2)。用次亞磷酸鈉作還原劑的化學(xué)

鍍銀層除含銀外，還含有一部分磷，形成Ni-P合金，故稱其為化學(xué)鍍Ni-

P合金，通常所稱的化學(xué)鍍銀實(shí)際上即是化學(xué)鍍Ni-P合金。

化學(xué)鍍的前處理與電鍍相同，也需要除油、除銹。其一般工藝流程如

下：

清洗T除油f水洗一酸蝕T水洗f化學(xué)鍍一水洗f鍍后處理

除油的目的是除去工件表面的機(jī)械加工或存儲(chǔ)過程中殘留的潤滑油、

防銹油、拋光膏等油脂或污物以免鍍層不均勻或漏鍍。主要的除油方式有

有機(jī)溶劑除油、堿液除油、電化學(xué)除油，乳化劑除油、超聲波除油等。

酸蝕也叫酸洗，是將金屬工件浸入酸或酸性溶液中，除去金屬表面的

氧化膜、氧化皮及銹蝕過程。經(jīng)過前處理后的鍍件即可放入化學(xué)鍍液中進(jìn)

行施鍍。

與電鍍相比，化學(xué)鍍銀一磷層有以下優(yōu)點(diǎn):

A均鍍能力和深鍍能力好，可以在開關(guān)復(fù)雜的表面上產(chǎn)生均勻厚度的

鍍層;包括盲孔、深孔零件和長徑比很大的管件，有“無孔不入”的特

點(diǎn)。

B鍍層致密，孔隙少；

C不需要電源，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易；

D除金屬之外還可在其它非金屬表面上鍍覆；

E非晶態(tài)合金，鍍銀層具有特殊的機(jī)械、物理和化學(xué)性能，其硬度指

標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電鍍銀，且具有高的耐磨性、耐蝕性。

F鍍層與基體有良好的結(jié)合力。

我國化學(xué)鍍技術(shù)應(yīng)用的步伐雖也很快，但由于起步較晚，目前我國化

學(xué)鍍銀的最大用戶還是采油業(yè)和石油化工業(yè)，離國際水平尚有較大的差

距，巨大的市場(chǎng)等待我們?nèi)ラ_發(fā)。

除了化學(xué)鍍銀一磷合金以外，還有其他一些鍍種，如化學(xué)鍍銅、化學(xué)

鍍鉆、化學(xué)鍍貴金屬、化學(xué)鍍多無合金，化學(xué)復(fù)合鍍等，在此不再詳述。

3.表面改性

表面改性的技術(shù)有很多種，在此只介紹陽極氧化和化學(xué)熱處理的原理

及應(yīng)用6

陽極氧化

有些金屬在空氣中能生成氧化物保護(hù)膜，而使內(nèi)部金屬在一般情況下

逸遭腐蝕。如鋁及其合金表面很容易生成一層極薄的氧化膜(0.01?lum)

在大氣中有一定的抗腐蝕能力，但由于這層氧化膜是非晶體，它使鋁件表

面失去原有的光澤。此外，氧化膜疏松多孔，不均勻，抗蝕能力不強(qiáng)，且

容易沾染污跡，因此鋁及其合金制品通常需進(jìn)行氧化處理。

陽極氧化即是一種電化學(xué)的氧化處理方法。它是將金屬置于電解液中

作為陽極，使金屬表面形成幾十至幾百微米的氧化膜的過程，這層氧化膜

的形成比金屬在空氣中自然氧化形成的氧化膜具有更好的防腐、耐磨性

能。

如鋁及其合金的陽極黛化，是用工件作為陽極，別的鋁板作為陰極，

用稀硫酸（或珞酸）溶液作電解液。通電后，發(fā)生下列電解反應(yīng)：

陽極（工件）；

2Al+60H-（aq）二A1203+3H20+6e（主要反應(yīng)）

40H-（aq）=2H20+202（g）+4e（次要反應(yīng)）

陰極:2H++2e=H2

從而在鋁及其合金工件表面生成了與鋁基體結(jié)合牢固的A1203氧化

膜。

化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使

一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的工藝6

化學(xué)熱處理的種類很多，包括滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼及滲不同金

屬。這種工藝不僅可用于材料的防護(hù)與強(qiáng)化，提高耐腐蝕、耐磨損、抗氧

化與抗疲勞性能，而且可根據(jù)需要賦予材料及其制品具有光學(xué)、磁學(xué)、隔

熱、裝飾等多種功能，也可為高新技術(shù)及產(chǎn)品的發(fā)展提供一系列新型材料

與復(fù)合金屬板材。

下面以滲碳為例簡(jiǎn)單介紹化學(xué)熱處理的基本原理。

滲碳是使碳原子滲入金屬表面使其形成金屬碳化物的過程。作為滲碳

的工作介質(zhì)繁多，但滲碳過程都包括三個(gè)基本步驟；①