金属材料表面改性处理

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1、第五章第五章 金属材料表面改性处理金属材料表面改性处理 5.1 转化膜处理转化膜处理 将工件浸入某些溶液中将工件浸入某些溶液中,在一定条件下使其表面在一定条件下使其表面形成一形成一层致密的保护膜，层致密的保护膜，提高工件防提高工件防腐蚀的能力腐蚀的能力,增加装饰作用。增加装饰作用。5.1.1 氧化处理氧化处理 1.钢的氧化处理钢的氧化处理(发蓝处理发蓝处理) 在空气（蒸）或化学药在空气（蒸）或化学药物中加热，使其表面产生一层物中加热，使其表面产生一层兰色或黑色氧化膜兰色或黑色氧化膜Fe3O4 ，以，以改善钢的耐磨性和外观。膜厚改善钢的耐磨性和外观。膜厚0.5-1.5微米。微米。 氧化处理工艺常

2、用于仪表、氧化处理工艺常用于仪表、工具和武器等的表面。工具和武器等的表面。 2.铝的氧化过程铝的氧化过程a)化学氧化法化学氧化法 放入化学溶液放入化学溶液中进行氧化处理而获得牢固的中进行氧化处理而获得牢固的氧化膜，其厚度为氧化膜，其厚度为0.3-4微米。微米。提高铝和铝合金的耐磨性和耐提高铝和铝合金的耐磨性和耐蚀性。蚀性。b)电化学氧化法电化学氧化法 在电解液中在电解液中使铝合金表面产生一层氧化膜，使铝合金表面产生一层氧化膜，这种工艺又称阳极氧化，这层这种工艺又称阳极氧化，这层氧化膜具有强吸附能力，较高氧化膜具有强吸附能力，较高的硬度，良好的耐磨性和耐蚀的硬度，良好的耐磨性和耐蚀性，膜层无色透

3、明，极易染成性，膜层无色透明，极易染成各种美丽的颜色。各种美丽的颜色。5.1.2 磷化处理磷化处理 把钢件浸入磷酸把钢件浸入磷酸盐为主的溶液中，形盐为主的溶液中，形成不溶于水的结晶型成不溶于水的结晶型磷酸盐转化膜的过程。磷酸盐转化膜的过程。磷化处理后的磷化膜磷化处理后的磷化膜厚度为厚度为5-15微米，有微米，有较好的防腐能力和润较好的防腐能力和润滑作用。滑作用。 磷化处理所需设磷化处理所需设备简单，操作方便，备简单，操作方便，成本低，生产效率高。成本低，生产效率高。常用作为钢铁材料零常用作为钢铁材料零件的防护层。件的防护层。 5.2 电镀电镀 电镀是在电解液中使零件表面电镀是在电解液中使零件表

4、面镀上一层金属薄层。对非金属材料镀上一层金属薄层。对非金属材料进行电镀时，应先对非金属表面进进行电镀时，应先对非金属表面进行金属化处理，如化学镀。行金属化处理，如化学镀。 电镀的应用电镀的应用: 修复磨损零件、增大零件尺寸。修复磨损零件、增大零件尺寸。如刷镀如刷镀 提高零件的耐腐蚀性，如镀锌。提高零件的耐腐蚀性，如镀锌。 覆盖耐磨性镀层覆盖耐磨性镀层,提高耐磨性，提高耐磨性，如镀铬。如镀铬。 提高零件表面美观装饰性，如提高零件表面美观装饰性，如镀装饰锌。镀装饰锌。 其他特殊用途，如镀银。其他特殊用途，如镀银。 5.3.1 化学气相沉积法化学气相沉积法 定义定义: :化学气相沉积是在高温下化学气

5、相沉积是在高温下将炉内抽成真空或通入氢气将炉内抽成真空或通入氢气, ,然后通然后通入反应气体并在炉内产生化学反应入反应气体并在炉内产生化学反应, ,使工件表面形成覆层的方法使工件表面形成覆层的方法, ,简称简称CVDCVD法法. . 应用应用: :半导体薄膜制备；刀具、半导体薄膜制备；刀具、模具、工具、零件等。模具、工具、零件等。 SiClSiCl4 4+2H+2H2 2 Si+ 4HClSi+ 4HCl TiCl TiCl4 4+CH+CH4 4+H+H2 2 TiC+4HCl +HTiC+4HCl +H2 2 特点特点: :反应温度高反应温度高, ,需通入大量需通入大量氢气氢气, ,工件易

6、产生氢脆工件易产生氢脆, ,且不安全且不安全, ,废废气气HClHCl有毒有毒. . 5.3 离子沉积离子沉积渗陶活塞环渗陶活塞环 5.3.2 物理气相沉积法物理气相沉积法 把把金属蒸气离子化后金属蒸气离子化后在高压静电场使离子加速并在高压静电场使离子加速并沉积于金属表面形沉积于金属表面形成覆层成覆层的方法的方法, ,简称简称PVDPVD法。沉积温度低，速度快，覆层成分和结构可控法。沉积温度低，速度快，覆层成分和结构可控制，无公害。制，无公害。 1.1.真空溅射真空溅射 ( (以沉积以沉积TiCTiC为例）为例） 2.2.离子镀离子镀磁控溅射磁控溅射 5.4 热喷涂热喷涂 将合金、陶瓷等材料熔

7、化或部分熔将合金、陶瓷等材料熔化或部分熔化化, ,并通过高速气流使其成为雾化微粒并通过高速气流使其成为雾化微粒, ,喷向工件表面后构成喷涂层的方法。喷向工件表面后构成喷涂层的方法。 工艺过程：表面制备、预热、预喷工艺过程：表面制备、预热、预喷粉、喷熔、冷却、后期加工粉、喷熔、冷却、后期加工 热喷涂方法：电弧喷涂、等离子弧热喷涂方法：电弧喷涂、等离子弧粉末喷涂等粉末喷涂等 应用：应用： 用于用于钢材抗大气腐蚀钢材抗大气腐蚀时，喷铝层时，喷铝层0.1mm0.1mm，喷锌层，喷锌层0.15mm0.15mm，在静止状态下可，在静止状态下可保护基体达保护基体达1010年之久。年之久。 用于用于耐热构件耐

8、热构件上，如工作温度上，如工作温度500500，则喷铝，则喷铝0.175mm0.175mm后不需其他处后不需其他处理；工作温度理；工作温度900 900 ，喷铝合金后，喷铝合金后，在在800900 800900 加热扩散。加热扩散。 用于用于修理修理磨损曲轴和机床传动轴等。磨损曲轴和机床传动轴等。加工超差采用热喷涂工艺修复加工超差采用热喷涂工艺修复 喷涂耐磨陶瓷喷涂耐磨陶瓷喷涂合金层喷涂合金层5.5 涂装涂装 利用喷射、涂饰等方法，利用喷射、涂饰等方法，将将有机涂料有机涂料涂覆于工件表面并涂覆于工件表面并形成与基体牢固结合的涂覆层形成与基体牢固结合的涂覆层过程称为涂装。过程称为涂装。 提高耐磨

9、性、美化工件表提高耐磨性、美化工件表面（掩饰表面缺陷、丰富色面（掩饰表面缺陷、丰富色彩）、保护表面免受外界（空彩）、保护表面免受外界（空气、水分、阳光及其他腐蚀介气、水分、阳光及其他腐蚀介质）侵蚀。还可色彩伪装、防质）侵蚀。还可色彩伪装、防红外伪装、电气绝缘等。红外伪装、电气绝缘等。 涂料一般由成膜材料、颜涂料一般由成膜材料、颜料、溶剂、助剂四部分组成。料、溶剂、助剂四部分组成。 方法：浸涂法方法：浸涂法 、空气喷、空气喷涂法涂法 、静电喷涂法、静电喷涂法 、电、电泳涂装法泳涂装法 、粉末涂装法等。、粉末涂装法等。涂装生产线涂装生产线 5. 6 表面着色和染色表面着色和染色 1. 1. 金属的

10、着色金属的着色 通过化学或电化学等处理方法通过化学或电化学等处理方法, ,使金使金属自身表面产生色调的变化并保持金属属自身表面产生色调的变化并保持金属光泽的工艺光泽的工艺. . 化学法：是利用溶液与金属表面化学法：是利用溶液与金属表面产生的化学反应生成氧化物、硫化物等产生的化学反应生成氧化物、硫化物等有色化合物。有色化合物。 置换法：是溶液中金属离子进行置换法：是溶液中金属离子进行化学置换反应并沉积在工件表面，形成化学置换反应并沉积在工件表面，形成有色薄膜。有色薄膜。 热处理法：是将工件置于一定环热处理法：是将工件置于一定环境氛围中热处理，使其表面形成具有适境氛围中热处理，使其表面形成具有适当

11、结构和色彩的氧化膜。当结构和色彩的氧化膜。 电解法：是将工件置于一定的电电解法：是将工件置于一定的电解液中进行电解处理，使工件表面形成解液中进行电解处理，使工件表面形成多孔、无色的氧化膜，然后再进行着色多孔、无色的氧化膜，然后再进行着色或染色处理，形成各种色彩的膜层。或染色处理，形成各种色彩的膜层。 无铬铝材氧化着色无铬铝材氧化着色金属外壳喷砂工艺，氧化着色处理。金属外壳喷砂工艺，氧化着色处理。 2.2.金属的染色金属的染色 通过金属表面的微孔或吸附作用和化学反应将染料均匀涂覆通过金属表面的微孔或吸附作用和化学反应将染料均匀涂覆在金属表面，也可利用电解法使金属离子与染料共同沉积在金属在金属表面

12、，也可利用电解法使金属离子与染料共同沉积在金属表面形成色彩。表面形成色彩。铜染蓝色铜染蓝色 铜染黑色铜染黑色 钢铁工件发蓝处理工艺过程钢铁工件发蓝处理工艺过程化学除油化学除油 水洗水洗 酸洗酸洗 水洗水洗 氧化氧化 水洗水洗 补充处理补充处理 水洗水洗吹干吹干 检验检验影响因素影响因素:碱浓度、温度、工件含碳量碱浓度、温度、工件含碳量第五章第五章 金属材料表面改性处理金属材料表面改性处理钢铁工件发蓝处理工艺过程钢铁工件发蓝处理工艺过程溶液组成及质量浓度溶液组成及质量浓度温度温度/时间时间/min1化学除油并水洗化学除油并水洗苛性钠苛性钠3050、碳酸、碳酸钠钠3050、磷酸三钠、磷酸三钠304

13、0、水玻璃、水玻璃5106010152酸洗后水洗酸洗后水洗硫酸硫酸150200、缓蚀、缓蚀剂剂0.5150605103氧化并水洗氧化并水洗苛性钠苛性钠550650、硝、硝酸钠酸钠13018013514515204补充处理补充处理重铬酸钾或肥皂重铬酸钾或肥皂3050859010155水洗水洗6吹干吹干7检验检验铝的氧化处理铝的氧化处理铝的氧化目的：铝的氧化目的：化学氧化工艺：碱性溶液化学氧化化学氧化工艺：碱性溶液化学氧化 酸性溶液化学氧化酸性溶液化学氧化 铬酸盐化学氧化铬酸盐化学氧化 磷酸盐磷酸盐铬酸盐化学氧化铬酸盐化学氧化电化学氧化工艺（阳极氧化）：电化学氧化工艺（阳极氧化）： 常用电解液有：

14、硫酸（常用电解液有：硫酸（WH2SO4为为15%20%）、）、 铬酸（铬酸（WCrO3）为为3%10%）、）、 草酸（草酸（WH2CO4为为2%10%） 为了防止阳极氧化生成的多孔结构被腐蚀和污染，必须进为了防止阳极氧化生成的多孔结构被腐蚀和污染，必须进行封闭处理。常用蒸汽封闭法、盐溶液封闭法、石蜡或油类行封闭处理。常用蒸汽封闭法、盐溶液封闭法、石蜡或油类或树脂类封闭法。或树脂类封闭法。第五章第五章 金属材料表面改性处理金属材料表面改性处理磷化处理工艺磷化处理工艺磷化工艺磷化工艺分类分类 溶液成分的质量浓度溶液成分的质量浓度 /g。L-1溶液温度溶液温度/C 处理时间处理时间/min低温磷化低

15、温磷化磷酸锰铁盐磷酸锰铁盐 3040硝酸盐硝酸盐 140160氟化钠氟化钠 25 室温室温 3045中温磷化中温磷化磷酸二氢锌磷酸二氢锌 2540硝酸锌硝酸锌 80100 5070 1520高温磷化高温磷化磷酸锰铁盐磷酸锰铁盐 3035硝酸锌硝酸锌 5565 9098 1015第五章第五章 金属材料表面改性处理金属材料表面改性处理普通镀铬工艺普通镀铬工艺 金属经过预处理和镀前处理后进行电镀金属经过预处理和镀前处理后进行电镀,镀液是标准镀液是标准镀铬溶液镀铬溶液(铬酐铬酐250g/L、硫酸、硫酸2.5g/L),电镀温度为电镀温度为4250C、阳极使用铅（常加阳极使用铅（常加6%锑或锡）、电压为锑

16、或锡）、电压为6 612V，电流密，电流密度为度为1640A/dm2，在镀铬时，需要向铬酸溶液中不断补，在镀铬时，需要向铬酸溶液中不断补充铬酸酐，使溶液成分保持稳定充铬酸酐，使溶液成分保持稳定.材料经电镀后要进行漂材料经电镀后要进行漂洗洗,并在并在175180烘烤除氢。烘烤除氢。镀铬的刷镀液的组成和工艺条件镀铬的刷镀液的组成和工艺条件组成和工艺条件组成和工艺条件质量浓度质量浓度/g.L-1硝酸铬硝酸铬Cr(NO3)氨水氨水NH4OH水合肼水合肼草酸草酸丁二酸丁二酸F-53PH值值阳极材料阳极材料38042011030401802201601800.056.87.5石墨石墨第五章第五章 金属材料

17、表面改性处理金属材料表面改性处理刷镀示意图刷镀示意图1工件工件2镀液镀液3供液瓶供液瓶4棉花包套棉花包套5阳极阳极6镀笔镀笔7直流电源直流电源8接液盘接液盘多弧离子多弧离子镀装置示镀装置示意图意图电弧热喷涂原理电弧热喷涂原理1送丝枪送丝枪2-喷头喷头3防光罩防光罩4空气帽空气帽5工件工件6空气喷嘴空气喷嘴7前导管前导管8金属丝金属丝火焰喷涂原理火焰喷涂原理11工件工件22金属丝喷孔金属丝喷孔33氧氧- -乙炔喷孔乙炔喷孔44空气帽空气帽55混合室混合室66送丝滚轮送丝滚轮77金属丝金属丝等离子弧粉末喷涂示意图等离子弧粉末喷涂示意图1涂层涂层2电源电源3钨极钨极4-喷嘴喷嘴5冷却水冷却水6等离子

18、焰等离子焰7飞行中的粉末粒子飞行中的粉末粒子8工件工件静电喷涂静电喷涂 静电喷涂是用静静电喷涂是用静电喷枪使电喷枪使油漆雾化并油漆雾化并带有负电荷，带有负电荷，与接地与接地的工件间形成高压静的工件间形成高压静电场，静电引力使漆电场，静电引力使漆雾均匀沉积在工件表雾均匀沉积在工件表面，形成均匀的漆膜。面，形成均匀的漆膜。 特点：漆膜均匀、特点：漆膜均匀、生产率高（比空气喷生产率高（比空气喷涂高涂高1313倍）、油漆利倍）、油漆利用率高（可达用率高（可达80%90%80%90%）、污染少、）、污染少、易于实现自动化。易于实现自动化。粉末涂装粉末涂装 粉末涂装的基本方法有静电喷涂法和硫化床法两种。粉

19、末涂装的基本方法有静电喷涂法和硫化床法两种。1）粉末静电喷涂的电源由高压静电发生器供给，其产生）粉末静电喷涂的电源由高压静电发生器供给，其产生的高电压接到喷枪的内部或前端。粉末在供粉器中与空的高电压接到喷枪的内部或前端。粉末在供粉器中与空气流混合，进入喷枪，在喷枪内部和出口处带上电荷。气流混合，进入喷枪，在喷枪内部和出口处带上电荷。在静电场的作用下，粉末粒子飞向接地的工件上，当粉在静电场的作用下，粉末粒子飞向接地的工件上，当粉末涂覆一定厚度时，后来的粉末由于同性相斥而不能被末涂覆一定厚度时，后来的粉末由于同性相斥而不能被吸附，使膜厚均匀地覆盖工件。被喷涂的工件在固化炉吸附，使膜厚均匀地覆盖工件

20、。被喷涂的工件在固化炉中将粉层熔融、流平和固化，形成均匀的膜层。中将粉层熔融、流平和固化，形成均匀的膜层。2）硫化床法是在容器内装一孔径为）硫化床法是在容器内装一孔径为0.40.8m的多孔板，的多孔板，在板上的粉末由于板下的压缩空气通入而产生沸腾状，在板上的粉末由于板下的压缩空气通入而产生沸腾状，加热后的工件浸入沸腾的粉层而粘上粉末层，其厚度可加热后的工件浸入沸腾的粉层而粘上粉末层，其厚度可根据工件浸入时间和工件预热温度来调整，然后再经过根据工件浸入时间和工件预热温度来调整，然后再经过烘烤进行固化，形成平滑的膜层。烘烤进行固化，形成平滑的膜层。电泳涂装电泳涂装 电泳涂装是将电泳漆电泳涂装是将电

21、泳漆用水稀释到固体成分为用水稀释到固体成分为10%15%10%15%，工件作为直流电，工件作为直流电正极浸入电泳槽内，电泳正极浸入电泳槽内，电泳漆中的树脂和颜料在电场漆中的树脂和颜料在电场作用下移向阳极并沉积于作用下移向阳极并沉积于工件表面，形成不溶于水工件表面，形成不溶于水的漆层，烘干后形成均匀的漆层，烘干后形成均匀的漆层。的漆层。 特点：漆膜厚度均匀、特点：漆膜厚度均匀、质量好、边缘覆盖好，涂质量好、边缘覆盖好，涂料利用率高（可达料利用率高（可达95%95%以以上），生产率高，便于实上），生产率高，便于实现自动化，污染小。现自动化，污染小。铜的着色处理铜的着色处理金属金属颜色颜色溶液溶液备

22、注备注铜铜黑色黑色NaOH 50g/L、K2SO5 10g/L古青铜色古青铜色K2S 1050g/L仿金色仿金色Na2S2O3 120g/L、Pb（C2H3O2）2 40g/L黄黄铜铜兰色兰色Pb（C2H3O2）2 1530g/L、Na2S2O3 60g/L、HC2H3O2 30mL/L温度：温度：82金属绿色金属绿色Fe（NO3）2。6H2O 7.4g/LNa2S2O3 44.7g/L温度：温度：71浅棕色浅棕色BaS 3.7g/L（NH4）2CO3 1.9g/L铝的着色处理铝的着色处理颜色颜色溶液溶液备注备注青铜色青铜色-黑色黑色硫酸镍硫酸镍25g/L、硫酸镁、硫酸镁20g/L硫酸铵硫酸铵

23、15g/L、硼酸、硼酸25g/L1017V 0.20.4A/dm2，pH：4.4，215min，温度温度20浅黄浅黄-深古铜深古铜硫酸亚锡硫酸亚锡10g/L硫酸硫酸1015g/L、稳定剂适量、稳定剂适量816V，pH：11.5，2.5min金绿色金绿色硝酸银硝酸银0.5g/L、硫酸、硫酸10g/L10V，Ph：3 ，3min浅黄色浅黄色亚硝酸钠亚硝酸钠0.5g/L、硫酸、硫酸5g/L8V，Ph2，3min红棕色红棕色草酸草酸5g/L、草酸铁、草酸铁580g/L硫酸硫酸0.54.5g/L2035V，5.2A/dm2，2022，1525m 在真空度在真空度10-310-4Pa左右充入适量的氩左右充入适量的氩气，在阴极（靶）和阳气，在阴极（靶）和阳极（真空室壁）之间施极（真空室壁）之间施加几百伏直流电压，真加几百伏直流电压，真空室内的氩气被电离，空室内的氩气被电离，产生磁控型异常辉光放产生磁控型异常辉光放电。电。 氩离子被磁控阴极氩离子被磁控阴极延长运动距离和加速，延长运动距离和加速，并轰击阴极（靶）表面，并轰击阴极（靶）表面，将靶材上的原子溅射出将靶材上的原子溅射出来沉积在工件表面形成来沉积在工件表面形成薄膜。薄膜。 涂装生产线涂装生产线