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1、转化膜与着色技术 1转化膜的基本特性及用途 定义 金属化学处理法 化学转化膜 是通过化学或电化学手段 使金属表面形成稳定的化合物膜层的方法 机理 金属与特定的腐蚀液接触而在一定条件下发生化学反应 由于浓差极化作用和阴极极化作用等 使金属表面生成一层附着力良好的 能保护金属不易受水和其他腐蚀介质影响的化合物膜 特点 由于化学转化膜是金属基体直接参与成膜反应而成的 因而膜与基体的结合力比电镀和化学镀膜层大的多 用途保护和装饰提高涂膜与基体的结合力耐磨减摩用于冷成形加工电绝缘性 分类 按形成机理分为 化学转化膜电化学转化膜按成分分为氧化物膜磷酸盐膜铬酸盐膜草酸盐膜按用途分为功能性膜 耐磨 减摩 润滑
2、 电绝缘 冷成型加工 涂层基底 防护性装饰性 2磷化 磷化膜是由金属表面与稀磷酸及磷酸盐溶液接触而形成的 以钢铁磷化处理应用最广 钢铁磷化膜按其厚度厚膜 薄膜 根据磷化膜的形成方式假转化型磷化 转化型磷化 根据其处理溶液成分或温度锰系 锌系 锌 锰系 锌 钙系磷化高温 90 以上 中温 60 70 低温 30 50 和常温 室温 磷化等 钢铁磷化膜形成基本机理磷化膜的形成 1 Fe 2H3PO4 Fe H2PO4 2 H2 pH值升高 2 Me H2PO4 2 MeHPO4 H3PO43Me H2PO4 2 Me3 PO4 2 4H3PO4使可溶性磷酸二氢盐向不溶性磷酸盐转化 沉积成膜 Fe
3、Me H2PO4 2 FeHPO4 MeHPO4 H2Fe Me H2PO4 2 Me2Fe PO4 2 H2Fe与磷酸二氢盐反应 Me H2PO4 2 Fe H2PO4 2 8H2O Me3 PO4 2 4H2O Me2Fe PO4 2 4H2O 8H3PO4 成膜过程及加速所用磷化过程不仅是化学过程 而且还有电化学过程 难溶性磷酸盐的沉积发生在微阴极区 而阳极极化处理效果却相反 随着温度的上升 速率亦相应增大 最后达到最大值 表面越粗糙 晶核数就越多 成膜速度也越快 溶液性质不同 其相界面的扩散系数 溶液成分进入晶格时结晶的排列情况以及催化作用和抑制作用也不同 磷化处理到一定时间以后 成膜
4、速度降低到零 膜的形成和溶解达到平衡 磷化膜的形成并不是在停止放氢时就停止了 而是在细孔中进一步形成 在停止放氢的一瞬间 膜的孔隙率仍占金属总面积的3 20 只有在某一时间以后 大约10min 孔隙率才达到0 5 的恒定值 为了加快磷化速度 提高磷化膜质量 通常采用的方法是 加入氧化剂 如NO3 NO2 ClO2 等 它们能除去成膜时产生的 H 和亚铁离子 加入电位比铁高的金属离子 如Cu2 Ni2 Co2 它们通过电化学反应沉积在基材表面上 扩大阴极面积 加速磷化过程 钢铁磷化工艺预处理脱脂浸蚀预处理表面调整工序对于非涂装的防护磷化 厚膜 表面调整包括机械方法 如擦 刷 喷砂等 和化学方法
5、如钛盐 草酸 镍盐 铜盐等 其中最有效和最有实用价值的是钛盐活化 磷化厚膜磷化92 以上 15 60min 膜厚20 m以上 膜重60g m2 用途 用于浸油 防护油或蜡及染黑后作防护用 薄膜磷化温度一般为20 90 时间短 0 5 3min 厚度1 5 m 膜重范围浸渍磷化为2 5g m2 喷林为1 3g m2 用途 主要是涂装底层 转化型磷化 磷化膜的结构无定型磷酸盐结晶型磷酸盐磷化膜的性质 防护性金属磷酸盐转化膜质量评定已建立国家标准 见GB T11376 1997 当所用的磷化膜是作为涂装底层时 其质量检验应采用GB T6807 1986 钢铁工件涂漆前磷化处理技术条件 转化膜的膜重测
6、量方法见GB T9792 1988 金属材料上的转化膜 单位面积膜层质量的测定 重量法 3铬酸盐钝化膜 铬酸盐膜形成机理铬酸盐膜的形成是通过金属 溶液界面上的化学反应 其中关键反应是金属与六价铬之间的氧化还原 金属与六价铬之间的氧化还原反应 金属表面溶解 金属离子进入溶液 六价铬被还原成三价铬 上述反应消耗了氢 金属表面pH值升高 使凝胶状的Cr OH 3 等在表面沉淀 形成钝化膜 上述凝胶状沉淀物吸附其它成分 如六价铬 水 金属离子等 构成成分复杂的铬酸盐钝化膜 钝化膜为无定形膜 由不溶型的三价铬化合物和可溶性的六价铬化合物组成 不溶型部分具有足够的强度和稳定性 为骨架 可溶性部分充填在骨架
7、内部 当钝化膜受到轻度损伤时 露出的基体与膜中的可溶性部分相互作用 使膜修复 锌的钝化预处理 除去工件表面的油 脂 污物 氧化皮 钝化 钝化最常用的六价铬化合物是铬酸酐 重铬酸钠 重铬酸钾 并加有硝酸 硫酸 有的还有少量添加剂以改善工艺 老化 钝化膜形成后的烘干称为老化处理 铝和铝合金的铬酸盐钝化预处理 预处理是先脱脂再进行碱蚀 以除去制件表面氧化层 露出新鲜 均匀的基体表面 成膜处理 铝材铬酸盐膜成膜溶液的特殊之处是含有氟离子 4化学氧化 化学氧化处理因为成本低 设备简单 处理方便 使用范围不断扩大 化学氧化处理可在铝 铜 钢铁 锌 锡 镉等金属及其合金上进行 获得不同性能 不同颜色的氧化膜
8、 钢铁的化学氧化钢铁的化学氧化俗称发蓝处理 膜的主要成分是Fe3O4 根据制件的表面状态 材料成分和氧化处理工艺规范的不同 可获得蓝黑色和黑色的氧化膜 应用 机械零件 精密仪器与仪表 武器和日用品的防护与装饰 氧化在碱性溶液中进行 氧化后没有氢脆影响 像弹簧钢 细钢丝及薄钢片件也常用氧化膜作为防护层 钢铁的化学氧化常用强碱溶液 称为碱性氧化法 即在较高温度 130 以上 下 在氢氧化钠溶液中加入氧化剂 硝酸钠或亚硝酸钠 进行处理 铁反应生成亚铁酸钠 Na2Fe02 和铁酸钠 Na2FeO4 然后两者相互作用 生成磁性氧化铁 Fe3O4 膜 反应如下 3Fe NaNO2 5NaOH 3Na2Fe
9、O2 H2O NH36NaFeO2 NaNO2 5H2O 3Na2Fe2O4 7NaOH NH3Fe NaNO3 2NaOH Na2FeO2 NaNO2 H2O8NaFeO2 NaNO3 6H2O 4Na2FeO4 9NaOH NH3Na2Fe2O4 Na2FeO2 2H2O Fe3O4 4NaOH 铝及铝合金的化学氧化Al Al3 3e2H2O 2e 2OH H2A13 2OH AlOOH H 2H 2e H22AlOOH A12O3 H2O 5草酸盐钝化 钢铁材料在草酸盐溶液中处理可得到草酸盐膜 其耐蚀性能不高 不用作防护 在普通钢上用作涂装基底 在不锈钢及其它含铬 镍元素的高合金钢上用润
10、滑剂载体 减少摩擦以利于冷加工 降低工具磨损 减少中间退火 6电化学氧化 电化学氧化习惯称为阳极氧化 普遍用于轻金属材料的表面处理 轻金属材料重量轻 导电导热性好 但这些材料耐腐蚀性差 容易产生晶间腐蚀 耐磨性比较低 通过阳极氧化处理 可在其表面生成一层厚度达几十到数百微米的氧化膜 根据不同用途 阳极氧化膜可赋予表面防护 装饰性 耐磨性 绝缘 隔热 光学性能等 电化学氧化机理铝及其合金的阳极氧化技术应用最广铝 阳极 析氧 Al2O3其他金属 阴极 析氢H2O O 2H 2e2Al 3 O A12O3硫酸对金属铝和氧化膜的溶解作用为2Al 3H2SO4 Al2 SO4 3 3H2Al2O3 3H
11、2SO4 Al2 SO4 3 3H2O 阳极氧化工艺预处理氧化防护装饰性的阳极氧化硬质阳极氧化阳极氧化膜的封闭 阳极氧化膜的性能膜的厚度孔隙度结合力硬度和耐磨性柔韧性耐蚀性膜的电性能膜的热性能 7着色技术 金属着色是采用化学或电化学方法赋予金属表面不同的颜色并保持金属光泽的工艺 铝和铝合金的着色自然显色法 在一定的电解液和电解条件下 将金属进行阳极氧化处理时 由于电解质溶液 合金材料的组分及合金组织结构状态不同而产生不同的颜色 吸附着色法 将生成了转化膜层的工件浸入加有无机盐或有机染料的溶液中 无机盐或有机染料首先被多孔膜吸附在表面上 然后向微孔内部扩散 渗透 最后堆积在微孔中 使膜层染上颜色
12、 电解着色法 又称二次电解法或浅田法 以直流电在硫酸溶液中生成氧化膜 然后在金属盐的酸性溶液中进行交流电解着色 8转化膜与着色技术的发展趋势 研究与开发赋予这些材料表面高性能 多功能的表面处理工艺始终是一个重要方面 铝的微弧氧化以各种不同工艺将氟树脂嵌入铝阳极氧化膜的表层 或将纳米粒子引入氧化膜孔等工艺的研究 使金属表面或氧化膜层硬度 耐磨性 自润滑性 耐蚀性 绝缘性大大提高 提高产品装饰档次成为转化膜技术研究的一个重要方向 通过对材料表面进行亚光 砂面 纹理 抛光等不同的处理 再加上 或不加 各种着色处理 可以使制件获得各种不同风格的奇特外观效果 研究低消耗 低毒 少排放的 绿色表面工程技术 节约资源 保护环境
