金属材料表面处理

金属材料表面处理金属材料表面处理11基本概念基本概念2表面處理在金屬防護方面的作用表面處理在金屬防護方面的作用3表面處理技術分類表面處理技術分類4常用工藝及其目的常用工藝及其目的5表面處理原理表面處理原理6生産工藝過程生産工藝過程7膜層結構特點及其防護機理膜層結構特點及其防護機理/能力能力8表面膜層的質量檢測技術表面膜層的質量檢測技術9公司表面實驗室其它測試公司表面實驗室其它測試總目錄1 1表面處理技术的基本概念表面處理技术的基本概念表面處理技术表面工程学表面工程学一个方面偏重于工藝技术 是A不同工藝方法電化学高真空物物理理固体材料化学生物高分子對表面塗裝處理改性特殊功能表面層BB表面工程內涵表面工程內涵通过表面处理技术来改變固体材料的表面形態、化学成分和組織結构，以获得所需表面性能的系統工程.表面工程表面工程全过程全过程表面層的設計表面層的選材表面處理工藝表層質量控制与監測工程應用失效分析C表面處理研究對象/方法/手段/目的綜合了材料科学、冶金学、物理、化学的最新成果，是一門正在迅速發展的新型学科。表面工程研究对象：固体材料表面層 物理方法、化学方法、電化学方法 高真空方法、生物高分子方法加工方法：加工手段：涂裝、處理、擴散、固定化 形成特殊功能表面覆層,达到裝飾防護 特殊功能(如耐磨耐高温導電絕緣)目的作用：2表面處理在金属防護方面的作用A根据金属腐蝕机理和腐蝕形態，腐蝕破壞离不開金属材料腐蝕介質及二者之間的界面反應 指防止金属腐蚀 金属防護金属材料腐蝕介質界面反應B防止金属腐蝕的方法主要包括三个方面1）研制新材料、改善材料的組織和表面狀態提高材料的抗蝕性能耐蝕鋼防鏽鋁鏡面材料2）改善腐蝕环境和介質避免腐蝕發生物体產品干燥劑a.隔离金属与腐蝕介質的直接接触 抑制腐蝕过程3）應用表面涂覆層和電化学保護方法地下管道阴极保護產品 b.改變表面状態,使基体金属不受腐蝕.C.覆盖法在金属表面覆盖一層金屬或非金屬物,而使金属与腐蝕环境隔离表面处理防腐蝕法金属覆盖電鍍熱噴涂熱浸鍍耐蝕金属包复非金属覆盖涂料涂裝（噴漆、噴粉）塑料襯里或包复轉化膜D.金属表面保護層的要求即金属上涂覆層的基本性能 31）結合强度要求結合牢固、附着力强32）孔隙率及密度膜層致密、完整无孔、不透介質33）耐蝕性在腐蝕環境中有良好的穩定性、抗腐蝕性34）硬度硬度高、耐磨好35）在金属表面分布均匀3表面處理技术分类表面处理是一門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 分類分類工藝方法工藝方法具體工藝用途具體工藝用途電化學電化學電鍍電鍍鍍鋅鍍鋅鍍錫鍍錫鍍鉻鍍鉻鍍銅鍍銅陽極氧化陽極氧化鋁合金鋁合金鈦合金陽極化鈦合金陽極化化學化學化學轉化膜化學轉化膜磷化磷化鈍化鈍化化學氧化化學氧化 發藍發藍鉻酸鹽處理鉻酸鹽處理化學鍍化學鍍化學鍍鎳化學鍍鎳化學鍍銅化學鍍銅熱加工熱加工熱浸鍍熱浸鍍熱浸鋅熱浸鋅熱浸鋁熱浸鋁熱噴塗熱噴塗熱噴塗鋅熱噴塗鋅熱噴塗鋁熱噴塗鋁化學熱處理化學熱處理滲碳滲碳滲氮滲氮堆焊堆焊堆焊耐磨合金堆焊耐磨合金熱燙印熱燙印熱燙印金熱燙印金熱燙印鋁熱燙印鋁分類分類工藝方法工藝方法具體工藝用途具體工藝用途真空法物理氣相沉積物理氣相沉積PVDPVD 蒸發鍍蒸發鍍濺射鍍濺射鍍離子鍍離子鍍化學氣相沉積化學氣相沉積PVDPVD 氣相沉積氧化硅或氮化硅氣相沉積氧化硅或氮化硅離子注入離子注入注硼注硼其他方法塗裝塗裝烤漆烤漆粉末塗裝粉末塗裝激光處理激光處理激光淬火激光淬火激光重熔激光重熔超硬膜處理超硬膜處理金剛石薄膜金剛石薄膜立方氮化硼立方氮化硼金属保護層非金属保護層表面保護層分类按結构特点電鍍層属于金属保護層，氧化、化学轉化、噴涂膜層属于非金属保護層按組成成分除油漆和粉末涂層外，其它保護層都是无机涂層無机膜層有机膜層4、常用工藝及其目的工藝技术成熟度高，設備要求比較簡單，适用面广，生產成本較低。工藝化学轉化膜阳极氧化电镀涂裝 應用目的防腐蝕裝飾導電耐磨1鍍覆層選擇鍍覆層選擇陽極鍍層陽極鍍層比底材電位低的金屬鍍層作為陽極比底材電位低的金屬鍍層作為陽極(被被氧化氧化)其完整性破壞后其完整性破壞后可借助電化學作用可借助電化學作用保護基體保護基體其防護性能主要取決于鍍層厚度其防護性能主要取決于鍍層厚度陰極鍍層陰極鍍層比底材電位高的金屬鍍層作為陰極比底材電位高的金屬鍍層作為陰極(被被還原還原)只能機械性保護基體只能機械性保護基體其完整性破壞其完整性破壞后后將加速基體腐蝕將加速基體腐蝕其防護性能取決于孔其防護性能取決于孔隙率和厚度隙率和厚度鍍覆層選擇原則鍍覆層選擇原則（1）零件材料）零件材料狀態狀態結構結構尺寸公差尺寸公差（2）零件使用環境（溫度）零件使用環境（溫度濕度濕度大氣）大氣）（3）鍍覆目的和要求（耐蝕）鍍覆目的和要求（耐蝕耐磨耐磨裝裝飾性等）飾性等）（4）各層金屬之間的接触腐蝕程度）各層金屬之間的接触腐蝕程度（5）鍍覆層特性）鍍覆層特性應用範圍應用範圍特殊要求特殊要求常用鍍層及一般厚度常用鍍層及一般厚度鋼鋼鍍鋅(58m)鍍銅(812m)/鎳(812m)鍍銅(1218m)/鎳(812m)/裝飾鉻(0.52m)鍍銅(58m)/錫(58m),化學鍍鎳(58m)鍍硬鉻(13m)銅銅鍍鎳(35m)鍍硬鉻(13m)鍍鎳(5 8m)/裝飾鉻(0.52m)鍍錫(35m)鍍鋅鋁鋁氧化鍍鋅(58m),化學鍍鎳(812m)鎂鎂化學氧化陽極氧化(1060m)項目項目陽極氧化陽極氧化化學氧化化學氧化工藝工藝在電流作用下的電在電流作用下的電极反應极反應無電流作用無電流作用,化學物質化學物質相互作用相互作用.膜厚膜厚520um的氧化鋁的氧化鋁0.34um的有機層的有機層硬度硬度/耐磨耐磨高高耐磨好耐磨好低低耐磨一般耐磨一般耐蝕性耐蝕性很好很好好好導電性導電性絕緣絕緣不導電不導電導電性好導電性好耐熱性耐熱性好好不好不好孔隙率孔隙率多孔多孔,孔隙率約孔隙率約35%,一般需封閉一般需封閉致密致密2陽極氧化和化學氧化區別陽極氧化和化學氧化區別5表面處理技术的原理5.1 電鍍原理電鍍是一个電化学过程也是 一种氧化还原过程 在外電流（直流電）作用下，電解質溶液中的金属离子（或絡离子）迁移到阴极表面、发生还原反應并形成新相（電結晶），），这一过程叫作“金属的電沉積；当電解質溶液為水溶液时就叫“電鍍”阴极表面所得到的金属結晶層即為電鍍保護層。電鍍时，工件作為阴极、鍍層材料（金属或合金）作為阳极，一同浸入電解液中、并通入直流電。電鍍裝置必須包括三部分：1）外電路2）電鍍溶液3）与鍍液接触的两个電极電鍍層的生長过程薄漲厚完成5.2 表面轉化金属的表面轉化是指采用化学處理液使金属表面与溶液界面上產生的化学或電化学反應生成穩定的化合物薄膜的處理过程按照轉化过程中是否存在外加電流，分為：n 化学轉化n電化学轉化（即阳极氧化）5.2.1 阳极氧化阳极氧化与電鍍过程一样，也是氧化还原反應。只是工件所处极性与電鍍相反即為陽極。当有外加電流时溶液中的水分子被電解同时產生初生態的O氧原子立即在阳极与金属材料（如鋁）表面發生氧化反應生成氧化膜工件氧化膜的生長过程包含两个方面膜的電化学生成过程 膜的化学溶解过程只有膜層的生成速度恒大于溶解速度时，才能获得較厚的氧化膜氧化膜的生長过程由于電流分布規律，電化学處理膜層表面結构会放大基体材料表面的缺陷5.2.2 化学轉化化学轉化膜是金属与溶液中物質發生化学反應生成氧化物等而在金属表面附着所成的薄膜 5.2.2 化学轉化膜按成膜的主要組成物类型氧化物膜鉻酸鹽膜磷酸鹽膜按生產習慣氧化膜鈍化膜着色膜磷化膜分类5.2.2 化学轉化膜（續）是鐵与含有錳鐵鋅等的磷酸鹽溶液產生化学反應在表面生成一層難溶于水的磷酸鹽保護膜鋁零件的化学氧化實際上應該是鋁的鉻酸鹽轉化膜化学氧化鋼鐵磷化化学轉化所需設備簡單操作方便生產效率高成本低，适用范圍广，尤其适用于大型零件組合件、以及難以用電化学方法获得完整膜層的复雜零件（如細長管、点焊件、鉚接件等）5.3 涂裝利用高分子涂料作原料采用各种涂裝方法使其附着到制品表面生成具有各种特性的固着膜層（涂層）現代称作高分子涂裝技术按施工方法分类浸涂法手工噴涂法淋涂法電泳涂裝静電噴涂粉末涂裝卷材輥涂法这两种噴涂法油漆均可采用而粉末只用静電噴涂空气噴涂法静電噴涂油漆粉末5.3.1 空气噴涂原理傳統的空气噴涂利用压縮空气将流体吹散成霧状后附着于被涂物表面。适用性极广，对任何复雜工件、任何液体涂料几乎都能适用 5.3.2 静電噴涂原理利用静電場对電荷的作用而实現适用于工件外形不太复雜大批量生產的流水線作業1）以接地的工件阳极接上負高電压的静電噴槍2）使涂料霧化并帶負電荷与工件間形成高压静電場3）在電場力的作用下涂料粒子迅速飛向異极性的工件表面4）在工件表面放電 使静電消失涂料便均匀而牢固地沉積在工件表面形成了均匀的涂膜5.3.2 静電噴涂示意圖工件噴槍涂料霧化電源6、生產工藝过程所有表面處理工藝都至少包含三个基本步驟：前處理成膜过程 烘烤/固化 有些工藝在成膜后还有一个工序后處理6.1 電鍍鋼銅鋅合金材料被電鍍清洁干燥水洗电镀水洗后處理 水洗浸蝕 水洗裝挂除油拆卸清洁手工清洁處理：清除大量的油污、污物，及厚实的氧化皮裝挂：零件方向保持溶液流动順暢，零件位置和数量利于鍍層均匀沉積、不影响鍍層質量裝挂化学/電解 除油：清除表面油脂，使表面容易電鍍用酸液对金属表面進行溶解腐蝕，去除表面氧化膜和鏽蝕產物，提高表面光澤度除油浸蝕 电镀在零件表面沉積上金属膜層1）鈍化-在鍍層金属表面形成一層薄而致密的化学轉化膜，加强抗腐蝕能力；2）封閉-机械方法在鍍層孔隙中填充微粒如有机物分子，同样是加强保護作用后處理干燥一般通过加温烘烤，使零件表面的水份蒸發干燥；同时可使鈍化膜等固化、穩定。6.2 鋁材阳极氧化/化学氧化清洁干燥水洗阳极氧化水洗着色 水洗浸蝕 水洗裝挂除油拆卸 水洗 封閉化学氧化6.3 噴涂鋅基合金磷化/電鍍氧化噴砂24h内 噴涂鋼件鋁件8h内 噴涂噴涂前處理裝挂化学除油水洗浸蝕手工清洁磷化流程磷化水洗干燥拆卸水洗電解板11噴漆流程調漆噴底漆局部保護烘烤刮膩子噴面漆烘烤打磨噴底漆烘烤前处理2.2.噴粉流程前處理局部保護噴粉固化打磨刮膩子7、膜層結构特点及其防護机理/能力各种表面膜層的結构不尽相同，其对基体材料的保護机理各式各样。電化学保護机理金属原電池中阳极腐蝕、而阴极受保護因此電鍍層类别中又有阳极性鍍層和阴极性鍍層机械保護原理隔离腐蝕介質与基体直接接触、而起到保護屏蔽作用7.1 7.1 電化学保護阴极阳极eeMeeMe+腐蝕介質eD-D1.鋼上鍍鋅層由于鋅相对于鐵基体為阳极性鍍層，在有電解液存在时先發生腐蝕，从而保護鋼基体鈍化膜鍍鋅層鋼基材鍍層有微孔鈍化膜致密CC当鋅層全部腐蝕完后,鋼基体發生腐蝕,出現紅銹.BB当鈍化膜被腐蝕穿底后,發生鋅層的腐蝕、氧化,出現白色粉状物.AA鈍化膜產生腐蝕變黑在遭遇腐蝕介質时：ABC正常鍍鋅鍍鋅層可达到336至500小时鋼基材出現鏽蝕彩色鈍化膜可达到96小时以上不腐蝕盐雾试验特別注意7.2 鋼上的鍍鎳層11不致密鎳鍍層相对于鐵是阴极性鍍層 只有当其无孔隙时才具有良好的保護性22太薄当鍍層达到一定厚度时孔隙率会降低33未鍍銅底增加銅底層也可减少孔隙率44鍍多層鎳可提高耐腐蝕性鋼基材鎳鍍層銅鍍層在光滑表面上鎳層約20微米就没有孔隙但在粗糙表面上需要更厚的鎳鍍層耐腐蝕性表面光洁度基体金属种类電鍍工藝因素当鍍鎳層没有孔隙时，一般会長期保持鎳層外觀而不發生腐蝕變化当鹽霧試驗能通过CASS試驗8小时（中性鹽霧試驗一般為48-72小时）,就具有良好保護作用.若出現腐蝕，即是鋼鐵基体的腐蝕物紅銹（或底層銅的綠色腐蝕物）鋼基材镍镀层铜镀层7.3 銅上鍍鎳層 鎳相对于銅是阳极性鍍層但若鍍層太薄孔隙率太大底層銅易發生氧化而導致變色（黑色或綠色）7.4 阳极氧化膜鋁的阳极氧化膜是一層多孔膜，必須進行封閉處理着色或封閉时可以有水分子或染色劑分子或其它鹽类分子沉積在孔隙底部，起到封孔的作用，从而隔絕了鋁与空气接触、提高了抗腐蝕性。鋁基材鋁基材多孔氧化膜多孔氧化膜著色或封閉著色或封閉分子沉積分子沉積 阳极氧化膜特點膜層厚度一般為5-20微米耐腐蝕性好硬度高絕緣一般能抵抗240小时以上的中性鹽霧試驗最高可通过500小时鹽霧試驗 若出現腐蝕則是鋁基体材料的腐蝕物：白色產物7.5 化学氧化膜致密，導電；但薄，耐腐蝕性不如阳极化膜鋁上的化学氧化無色膜至少通过100小时的鹽霧試驗彩色膜可通过168小时。若腐蝕首先是保護膜發生變化，一般是出現黑色傾嚮 当保護膜被穿透后，鋁基材腐蝕，出現白色產物鋁基材鋁基材化學氧化膜化學氧化膜7.6 磷化膜鋼的磷化膜是顯微孔隙結构，因此对油漆等有机涂層具有良好的吸附作用，但其耐腐蝕性較差，对鋼基体的保護作用較弱磷化膜的鹽霧試驗一般只能通过2小时左右出現腐蝕时，直接是鋼鐵材料的鏽蝕，首先顏色變黄，嚴重时產生紅色腐蝕物7.7 油漆涂層油漆对底材是机械保護關鍵在膜層中不能有孔隙必須在基体材料上附着牢固1.底漆加强油漆与金属基体附着力;2.面漆保護及裝飾作用;3.只有当油漆各層达到涂料本身規定的厚度时涂層才 具有規定的各項性能 普通油漆層的防護能力應該达到鹽霧試驗500小时以上不出現基体材料腐蝕(户外使用應通过1000小时)出現腐蝕即是基体材料的腐蝕鋼件出現紅黄色鏽迹鋁或鋅材料出現白色腐蝕物7.8 粉末涂層与油漆的作用和性能一样。同样是在規定厚度才能消除涂層孔隙、达到各項性能指標耐蝕性指標及出現腐蝕的現象都与油漆涂層一样8、表面膜層的質量檢測技术8.1 膜層厚度測量A定义：膜層厚度是指两个不完全平整的平行 面之間距是个几何概念由于实際表面不平整和不連續，而且膜層内还可能存在着气孔、雜質、晶格缺陷和表面吸附分子等，所以嚴格定义和精确測量膜厚實際上很困難不管用哪种方法，都是一个平均值，而且是包含了雜質、缺陷以及吸附分子在内的膜厚值。气孔晶粒界面空穴、晶格缺陷B假想膜層剖面C測量方法分成：1）破坏性測量 膜層和基材同时受到破坏，或仅膜層受到破坏2）非破坏性測量 膜層与基材均未受到破坏 通常根据表面信息間接求出厚度如通过測定其 磁化率和導電度求出厚度常用厚度測量法的种类与特点-破壞性法方法原理或特點厚度範圍及精度金相法切割拋光浸蝕顯微鏡觀察橫截面操作複雜易測小件最小膜厚光學顯微鏡2um掃描電鏡0.01um.電解法(庫侖計)用適合膜層與基體的電解液對一定面積膜層進行恒電流陽極電解根據溶解時間求厚度可測多層各厚度,不用小件和複雜件.測量範圍0.5300um,誤差5點滴液流法對膜層進行化學溶解根據時間或液流體積求厚度裝置簡單操作簡便誤差高達30析出附著量測定單位面積膜層析出或附著量求平均厚度誤差5測微計先測總厚度褪膜后測基體厚度計算差值方法原理或特點厚度範圍及精度磁性法測定傳感器与基体間磁引力或磁阻變化,換算厚度.適用强磁性基体上的非磁性膜層磁性或非磁性基体上的鎳鍍層.含磁力法場强法、矯頑力法和磁感應法5-750um誤差10，帶微机的高达1渦流法探測器内裝通高頻電流的線圈当靠近導体时将產生渦流通过測定流經線圈的電流變化，間接測定厚度1-1000um誤差1射線法測量射線穿透量或反射量求膜厚膜層和基体的原子序数差别大就可測量特適用貴金属層測量面積可小至0.2mm2；厚度金可达50um，銅和鎳300um熒光X射線法測定熒光X射線强度換算膜厚.面積小0.05mm2厚度15um非破壞性法8.2 膜層表面粗糙度的檢驗表面粗糙度是指表面微觀不平高度的算术平均值測定方法 接触法非接触法 触針式比較法光学式样板对照法光反射法光切断法光干涉法檢測中的注意事項1）測量方向 垂直于被測表面的法向剖面即垂直加工刀紋的剖面2）測量部位 选擇有代表性的一或几處進行檢測3）表面缺陷 針孔、麻点、毛刺等不計入粗糙度数值4）取样長度 應規定以防止形状誤差和波紋度对測量結果影响8.3 膜層的硬度檢測縣微硬度：載荷低于5-10N的硬度（国際標准規定2N以下）硬度是膜層材料抵抗外来物擠壓變形的能力常作膜層耐磨性應用的首要指標8.4 膜層結合强度的檢測多数測量方法都是破坏性的常用如下結合力 附着力1）使膜發生局部變形的方法摩擦法2）使基材發生變形的方法彎曲法3）使用粘接劑的方法百格膠帶法4）其它淬火法划痕法（百格胶帶法）弯曲法熱震法摩擦抛光法剥离法纏繞法銼刀法 .張應力開裂 压應力開裂 導致脱層 張應力開裂 和基体断裂張應力開裂和脱層8.5 膜層孔隙率的檢測孔隙率是膜層到基体通道中单位面積上气孔的数目大多用化学方法測定：貼濾紙法、涂膏法、浸漬法等8.6 膜層耐蝕性的檢測H鹽霧試驗H腐蝕膏試驗H濕熱試驗H周浸試驗HSO2腐蝕試驗HH2S腐蝕試驗H大气暴晒試驗中性盐霧 NSS乙酸鹽霧 AASS 銅加速乙酸鹽霧 CASS NaCl 505g/l溶液352352pH6.5-7.2温度增加冰乙酸3.1-3.3352再加入CuCl2H2O0.260.02g/l3.1-3.3502試驗报告中應包括以下内容1所依据的試驗標準号 2所用鹽和水的类型 3被測材料或產品的类型 4試样的尺寸、形状、試样面積和表面状態 5試样的制備，包括試驗前的清洗和对試樣邊緣或 其它特殊区域的保護措施 6膜層的已知特征及表面處理說明 7試樣数量 8試驗后的清洗方法 9試樣放置角度 10試驗周期及中間檢查結果 11試驗溶液和pH值 12試驗温度 13收集液的密度 14影响試驗結果的意外情况 15檢查的时間間隔 8.7 其它膜層及界面的形貌表面分析膜層及界面的成分与結构分析膜層内應力和應變的檢測外觀耐磨性氧化膜的封閉能力9公司表面實驗室其它測試內內試樣制備試樣制備ICP電感耦合電漿光譜議電感耦合電漿光譜議1波長範圍:165800nm.2材料或溶液微量元素分析,如重金屬Pb,Cd等的含量：0.001p確度：0.001pp精確度：0.001ppmPH計1.測定水溶液樣品的酸度(PH值)2.測量範圍:014.00 PH3.測量精度:0.05 PH比重計1.測量範圍:0.62.0 g/cm32.解析度:0.0013.1.2物理性質之檢測儀器PH計1.測定水溶液樣品的酸度(PH值)2.測量範圍:014.00 PH3.測量精度:0.05 PH比重計1.測量範圍:0.62.0 g/cm32.解析度:0.001UV1.波長範圍：190nm1100nm2.波長精度:0.3nm3.光度計模式及範圍:吸收度ABS=3Abs;穿透度%T=0 300%T;紫外及可見光光譜儀紫外及可見光光譜儀UV1.波長範圍：190nm1100nm2.波長精度:0.3nm3.光度計模式及範圍:吸收度ABS=3Abs;穿透度%T=0 300%T;物質濃度測試3.5.2有機物質特性鑒定之儀器有機物質特性鑒定FTIR有機物的定性分析和結構研究波數範圍:4004000 cm-1（波長：2.525 nm）3.5.2有機物質特性鑒定之儀器GC有機物或部分無機物的定性定量分析積分敏感度：0.1 sec 線性度：0.1%