第五章 金属材料表面改性处理

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1、第五章 金属材料表面改性处理5.1 转化膜处理 5.2 电镀 5.3 离子沉积 5.4 热喷涂 5.5 涂装 5.6 表面着色和染色5.1 转化膜处理将工件浸入某些溶液中, 在一定条件下使其表面形成一 层致密的保护膜，提高工件防 腐蚀的能力,增加装饰作用。 5.1.1 氧化处理1.钢的氧化处理(发蓝处理)在空气（蒸）或化学药 物中加热，使其表面产生一层 兰色或黑色氧化膜Fe3O4 ，以 改善钢的耐磨性和外观。膜厚 0.5-1.5微米。氧化处理工艺常用于仪表 、工具和武器等的表面。2.铝的氧化过程a)化学氧化法 放入化学溶液 中进行氧化处理而获得牢固的 氧化膜，其厚度为0.3-4微米。 提高铝和

2、铝合金的耐磨性和耐 蚀性。 b)电化学氧化法 在电解液中 使铝合金表面产生一层氧化膜 ，这种工艺又称阳极氧化，这 层氧化膜具有强吸附能力，较 高的硬度，良好的耐磨性和耐 蚀性，膜层无色透明，极易染 成各种美丽的颜色。5.1.2 磷化处理把钢件浸入磷酸 盐为主的溶液中，形 成不溶于水的结晶型 磷酸盐转化膜的过程 。磷化处理后的磷化 膜厚度为5-15微米， 有较好的防腐能力和 润滑作用。磷化处理所需设 备简单，操作方便， 成本低，生产效率高 。常用作为钢铁材料 零件的防护层。 5.2 电镀电镀是在电解液中使零件表面 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 行金属化处理，如化

3、学镀。电镀的应用:修复磨损零件、增大零件尺寸 。如刷镀提高零件的耐腐蚀性，如镀锌 。覆盖耐磨性镀层,提高耐磨性 ，如镀铬。提高零件表面美观装饰性，如 镀装饰锌。其他特殊用途，如镀银。5.3.1 化学气相沉积法定义:化学气相沉积是在高温下 将炉内抽成真空或通入氢气,然后通 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,简称 CVD法.应用:半导体薄膜制备；刀具、 模具、工具、零件等。SiCl4+2H2 Si+ 4HClTiCl4+CH4+H2 TiC+4HCl +H2特点:反应温度高,需通入大量氢 气,工件易产生氢脆,且不安全,废气 HCl有毒.5.3 离子沉积渗陶活塞环 5.3.

4、2 物理气相沉积法把金属蒸气离子化后在高压静电场使离子加速并沉积于金属表面形 成覆层的方法,简称PVD法。沉积温度低，速度快，覆层成分和结构可控 制，无公害。1.真空溅射 (以沉积TiC为例）2.离子镀磁控溅射 5.4 热喷涂将合金、陶瓷等材料熔化或部分熔 化,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。工艺过程：表面制备、预热、预喷 粉、喷熔、冷却、后期加工热喷涂方法：电弧喷涂、等离子弧 粉末喷涂等应用：用于钢材抗大气腐蚀时，喷铝层 0.1mm，喷锌层0.15mm，在静止状态下可 保护基体达10年之久。用于耐热构件上，如工作温度 500，则喷铝0.175mm后不需其他处

5、 理；工作温度900 ，喷铝合金后， 在800900 加热扩散。用于修理磨损曲轴和机床传动轴等。加工超差采用热喷涂工艺修复 喷涂耐磨陶瓷喷涂合金层5.5 涂装 利用喷射、涂饰等方法， 将有机涂料涂覆于工件表面并 形成与基体牢固结合的涂覆层 过程称为涂装。提高耐磨性、美化工件表 面（掩饰表面缺陷、丰富色彩 ）、保护表面免受外界（空气 、水分、阳光及其他腐蚀介质 ）侵蚀。还可色彩伪装、防红 外伪装、电气绝缘等。涂料一般由成膜材料、颜 料、溶剂、助剂四部分组成。方法：浸涂法 、空气喷 涂法 、静电喷涂法 、电 泳涂装法 、粉末涂装法等 。 涂装生产线5. 6 表面着色和染色1. 金属的着色通过化学或

6、电化学等处理方法,使金 属自身表面产生色调的变化并保持金属 光泽的工艺.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 有色化合物。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 有色薄膜。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 当结构和色彩的氧化膜。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 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。无铬铝材氧化着色金属外壳喷砂工艺，氧化着色处理。 2.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 在金属表面，也可利用电解法使金属离

7、子与染料共同沉积在金属表 面形成色彩。铜染蓝色 铜染黑色 钢铁工件发蓝处理工艺过程化学除油 水洗 酸洗 水洗 氧化 水洗 补充处理 水洗 吹干 检验 影响因素:碱浓度、温度、工件含碳量第五章 金属材料表面改性处理钢铁工件发蓝处理工艺过程溶液组成及质量浓度温度/时间/min1化学除油并水洗苛性钠3050、碳酸 钠3050、磷酸三钠 3040、水玻璃5106010152酸洗后水洗硫酸150200、缓蚀 剂0.5150605103氧化并水洗苛性钠550650、硝 酸钠13018013514515204补充处理重铬酸钾或肥皂 3050859010155水洗 6吹干 7检验铝的氧化处理铝的氧化目的： 化

8、学氧化工艺：碱性溶液化学氧化酸性溶液化学氧化铬酸盐化学氧化磷酸盐铬酸盐化学氧化电化学氧化工艺（阳极氧化）：常用电解液有：硫酸（WH2SO4为15%20%）、铬酸（WCrO3）为3%10%）、草酸（WH2CO4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 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。第五章 金属材料表面改性处理磷化处理工艺磷化工艺 分类溶液成分的质量浓度/g。L-1溶液温度/C 处理时间/min低温磷化磷酸锰铁盐 3040 硝酸盐 140160 氟化钠 25室温3045中温磷化磷酸二氢锌 2540 硝酸锌 801005070 1520

9、高温磷化磷酸锰铁盐 3035 硝酸锌 55659098 1015第五章 金属材料表面改性处理普通镀铬工艺金属经过预处理和镀前处理后进行电镀,镀液是标准 镀铬溶液(铬酐250g/L、硫酸2.5g/L),电镀温度为4250C 、阳极使用铅（常加6%锑或锡）、电压为612V，电流 密度为1640A/dm2，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.材料经电镀后要进行 漂洗,并在175180烘烤除氢。镀铬的刷镀液的组成和工艺条件组成和工艺条件质量浓度/g.L-1硝酸铬Cr(NO3) 氨水NH4OH水合肼 草酸 丁二酸 F-53 PH值阳极材料380420 110 3040 180

10、220 160180 0.05 6.87.5石墨第五章 金属材料表面改性处理刷镀示意图1工件 2镀液 3供液瓶 4棉花包套 5阳极 6镀笔 7直流电源 8接液盘多弧离子 镀装置示 意图电弧热喷涂原理1送丝枪 2-喷头 3防光罩 4空气帽 5工件 6空气喷嘴 7前导管 8金属丝火焰喷涂原理1工件 2金属丝喷孔 3氧-乙炔喷孔 4空气帽 5混合室 6送丝滚轮 7金属丝等离子弧粉末喷涂示意图1涂层 2电源 3钨极 4-喷嘴 5冷却水 6等离子焰 7飞行中的粉末粒子 8工件静电喷涂静电喷涂是用静 电喷枪使油漆雾化并 带有负电荷，与接地 的工件间形成高压静 电场，静电引力使漆 雾均匀沉积在工件表 面，形

11、成均匀的漆膜 。特点：漆膜均匀 、生产率高（比空气 喷涂高13倍）、油漆 利用率高（可达 80%90%）、污染少、 易于实现自动化。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。 1）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 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 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 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0.40.8m的多孔板 ，在板上的

12、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。电泳涂装电泳涂装是将电泳漆 用水稀释到固体成分为 10%15%，工件作为直流电 正极浸入电泳槽内，电泳漆 中的树脂和颜料在电场作用 下移向阳极并沉积于工件表 面，形成不溶于水的漆层， 烘干后形成均匀的漆层。特点：漆膜厚度均匀、 质量好、边缘覆盖好，涂料 利用率高（可达95%以上） ，生产率高，便于实现自动 化，污染小。铜的着色处理金属颜色溶液备注 铜黑色NaOH 50g/L、K2SO5 10g/L 古青铜色K2S 1050g

13、/L 仿金色Na2S2O3 120g/L、 Pb（C2H3O2）2 40g/L 黄 铜兰色Pb（C2H3O2）2 1530g/L、 Na2S2O3 60g/L、 HC2H3O2 30mL/L温度：82金属绿色Fe（NO3）2。6H2O 7.4g/L Na2S2O3 44.7g/L温度：71浅棕色BaS 3.7g/L （NH4）2CO3 1.9g/L铝的着色处理颜色溶液备注青铜色-黑色硫酸镍25g/L、硫酸镁20g/L 硫酸铵15g/L、硼酸25g/L1017V 0.20.4A/dm2 ，pH：4.4，215min ，温度20 浅黄-深古铜硫酸亚锡10g/L 硫酸1015g/L、稳定剂适量816V，pH：11.5， 2.5min 金绿色硝酸银0.5g/L、硫酸10g/L10V，Ph：3 ，3min浅黄色亚硝酸钠0.5g/L、硫酸5g/L8V，Ph2，3min红棕色草酸5g/L、草酸铁580g/L 硫酸0.54.5g/L2035V，5.2A/dm2， 2022，1525m在真空度10-310- 4Pa左右充入适量的氩 气，在阴极（靶）和阳 极（真空室壁）之间施 加几百伏直流电压，真 空室内的氩气被电离， 产生磁控型异常辉光放 电。氩离子被磁控阴极 延长运动距离和加速， 并轰击阴极（靶）表面 ，将靶材上的原子溅射 出来沉积在工件表面形 成薄膜。 涂装生产线