物质的表面处理技术

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1、,表面处理技术概论,青铜剑,秦始皇墓二号坑出土的青铜剑经过两千多年岁月的考验，仍光亮如新。经分析，青铜剑表面有一层厚约10m的含铬氧化层。,歼-8,强五,飞机表面的涂装工艺,视频播放,本课程的主要内容, 概论, 电镀与化学镀, 涂料与涂装技术, 转化膜技术, 气相沉积技术, 热喷涂与堆焊, 化学热处理, 热浸镀, 高能束表面处理技术,目标与要求, 掌握表面处理技术和腐蚀学的一些基本概念 了解该学科的相关前沿研究领域 激发对专业课程学习的兴趣,本讲主要内容,1.1 表面技术的分类和内容 1.2 表面工程技术的作用 1.3 表面工程技术的主要任务 1.4 表面工程技术的发展趋势,1.1 表面技术的

2、分类和内容,1.1.1 表面技术分类 按具体表面技术方法划分 包括表面热处理、化学热处理、化学气相沉积、离子注入、电子束强化、激光强化、火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、静电喷涂、流化床涂覆、电泳涂装、堆焊、电镀、电刷镀、自催化沉积（化学镀） 、热浸镀、化学转化、溶胶-凝胶技术、自蔓燃高温合成、搪瓷等 按表面层的使用目的划分 大致可分为表面强化、表面改性、表面装饰和表面功能化四大类,从材料科学的角度，按沉积物的尺寸进行划分 原子沉积、颗粒沉积、整体覆盖、表面改性,1.1.2 表面技术的内容 电镀与电刷镀、化学镀、涂装、堆焊和熔结、热喷涂、电火花涂覆、热浸镀、真空蒸镀、溅射镀、离子镀、化

3、学气相沉积（简称CVD） 、化学转化膜、化学热处理、高能束表面处理、离子注入表面改性,按表面层材料的种类划分 一般分为金属（合金）表面层、陶瓷表面层、聚合物表面和复合材料表面层四大类,1.2 表面工程技术的作用, 加强材料表面防护，提高材料表面性能，控制或防止表面损失，可延长设备、工件的使用寿命，获得巨大的经济效益。 表面技术不仅是现代制造技术的重要组成与基础工艺之一，同时又为信息技术、航天技术、生物工程等高新技术的发展提供技术支撑。 利用表面工程技术，使材料表面获得它本身没有而又希望具有的特殊性能。 随着人们生活水平的提高及工程美学的发展，表面工程在金属及非金属制品表面装饰作用也更引人注目和

4、得到明显的发展。,1.3 表面工程技术的主要任务, 提高金属材料抵御环境作用的能力. 根据需要,赋予材料及其制品表面力学性能、物理功能和多种特殊功能、声光磁电转换及存储记忆的功能;制造特殊新型材料及复层金属板材. 赋予金属或非金属制品表面光泽的色彩、图纹、优美外观. 实现特定的表面加工来制造构件、零件和元器件等. 修复磨损或腐蚀损坏的零件;挽救加工超差的产品,实现再制造工程. 研究各类材料表面的失效机理与表面工程技术的应用理论问题,开发新的表面工程技术.,1.4 表面工程技术的发展趋势,表面工程新技术不断涌现 研究复合表面技术 完善表面工程技术设计体系 开发多种功能涂层 研究开发新型涂层材料

5、发展高能束堆焊技术 深化表面工程技术基础理论和测试方法研究,扩展表面工程技术的应用领域 积极为国家重大工程建设服务 纳米表面工程正在形成 促进再制造工程的发展 向自动化、智能化的方向迈进 降低对环保的负面效应,第二章 电镀与化学镀,电镀零件,电镀车间,电镀的目的,提高金属制品的耐腐蚀能力，赋予制品表面装饰性外观。 赋予制品表面某种特殊功能，例如提高硬度、耐磨性、导电性、磁性、钎焊性、抗高温氧化性等等 提供新型材料，以满足当前科技与生产发展的需要，例如制备具有高强度的各种金属基复合材料，合金、非晶态材料，纳米材料等。,目录,2.1 电镀的基本原理 2.2 单金属电镀 2.3 合金电镀 2.4 复

6、合电镀 2.5 特种电镀 2.6 化学镀 思考题,2.1 电镀的基本原理,2.1.1 电镀的基本过程 2.1.2 电镀电源 2.1.3 电镀电极 2.1.4 电镀挂具 2.1.5 电镀槽 2.1.6 电镀溶液的组成及其作用 2.1.7 影响镀层质量的因素,2.1 电镀的基本原理,2.1.1 电镀的基本过程 电镀的基本过程（以镀镍为例）是将零件浸在金属盐的（如NiSO4）溶液中作为阴极，金属板件作为阳极，接通电源后，在零件表面就会沉积出金属镀层。 如右图所示：例如在硫酸镍电镀溶液中镀镍 在阴极上发生还原的反应： Ni2+2e-Ni （2-1） 另外，镀液中的氢也会还原为氢 的副反应： 2H+2e

7、-H2（2-2）,电镀基本过程示意,析氢副反应可能会引起电镀零件的氢脆，造成电镀效率降低等不良后果。 在镍阳极上发生金属镍失去电子变为镍离子的氧化反应： NiNi2+2e- （2-3） 有时还有可能发生如下的副反应： 4OH-2H2O+O2+4e- （2-4） 在电镀过程中，电极反应是电流通过 电极/溶液界面的必要条件，正因如此，阴极上的还原沉积过程由以下几个过程构成： 溶液中的金属离子（如水化金属离子或络合离子）通过电迁移、对流、扩散等形式到达阴极表面附近；,金属离子在还原之前在阴极附近或表面发生化学 转化； 金属离子从阴极表面得到电子还原成金属原子； 金属原子沿表面扩散到达生长点进入晶格生

8、长， 或与其他离子相遇形成晶核长大成晶体。 电结晶是一个有电子参与的化学反应过程，需要有 一定的外电场的作用。 但不是所有的金属离子都能从水溶液沉积出来，如 果在阴极上氢离子还原为氢的副反应占主要地位，则金 属离子难以在阴极上析出。 根据实验，金属离子自水溶液中电沉积的可能性， 可从元素周期表中得出一定的规律。,金属自水溶液中电沉积的可能性,2.1.2 电镀电源,直流发电机具有的优点：使用可靠、输出电压稳定、直流波形平滑、可提供大电流、维修方便等； 缺点：耗能较大、噪声高，使用收到限制等。 整流器：硒整流器、硅整流器、氧化铜整流器、可控硅整流器等。 整流器的优点：转换率高、调节方便、维护 简单

9、、噪声小、无机械磨损等； 缺点：怕热，不能承受冲击负荷。,2.1.3 电镀电极,阳极 定义：电镀时发生氧化反应的电极。 分类：不溶性阳极和可溶性阳极。 不溶性阳极的作用是导电和控制电流在阴极表面的 分布； 可溶性阳极除了有这两种作用外，还具有 向镀液中补充放点金属离子的作用。一般都采用与 镀层金属相同的块体金属做可溶性阳极。,阴极 在电镀过程中的阴极为欲镀零件。 为保证镀液与金属制品集体表面接触良好，必须对 制品进行镀前预处理，常用的可分为以下几类： 机械处理 主要用于对粗糙表面进行机械整平，清除表面一些明显的缺陷。包括磨光、机械抛光、滚光、喷砂等。 化学处理 包括除油与浸蚀，是在适当的溶液中

10、，利用零件表面与溶液接触时所发生的各种化学反应，除去零件表面的油污、锈及氧化皮。,电化学处理 采用通电的方法强化化学除油和浸蚀的过程，处理速度快，效果好。 超声波处理 是在超声波场作用下进行的除油或清洗过程。主要用于形状复杂或对表面处理要求极高的零件。 2.1.4 电镀挂具 主要作用 是固定镀件和传导电流。 设计挂具的基本要求 有良好的导电性和化学稳定性；有足够机械强度，保证装夹牢固；装卸方便；非工作部分绝缘处理。,组成成分 电镀挂具一般由吊钩、提杆、主架、支架和挂钩五部分。 通常在外形尺寸上的要求 挂具顶部距液面不小于50mm，挂具底部距槽底约100200mm，挂具与挂具之间约2050mm。

11、 挂具的非导电部位用绝缘材料包扎或涂覆。 要求绝缘材料有化学稳定性、 耐热和耐水性。 涂料与挂具应结合牢固， 涂层坚韧致密。,2.1.5 电镀槽,电镀槽是电镀所用的主要工艺槽。 镀槽的大小 主要由生产能力与操作方便决定。 镀槽结构设计 既要保证有足够的机械强度， 同时要考虑与辅助设备方便而有效的连接。 镀槽材料的选用 要符合工艺条件及其用 途，并且尽可能成本低，适应性广。,2.1.6 电镀溶液的组成及其作用,电镀溶液的组成： 主盐 能够在阴极上沉积出所要求的镀层金属的盐。 导电盐 能提高溶液的导电率，而对放电金属离子不起络合作用的物质。 络合物 在溶液中能与金属离子生成络合离子的物质。 缓冲剂

12、 稳定溶液中的PH值。 稳定剂 用来防止镀液中主盐水解或金属离子的氧 化，保持溶液的清澈稳定。 阳极活化剂 能够消除或降低阳极极化的物质。 添加剂 在溶液中含量很低，但对镀液和镀层性能有显著的影响。,添加剂可分为以下几类：,光亮剂 整平剂 润湿剂 应力消除剂 镀层细化剂 抑雾剂 无机添加剂,2.1.7 影响镀层质量的因素,镀前处理质量 电镀溶液的本性 基体金属的本性 电镀过程 电流密度、温度和搅拌等因素 析氢反应 镀后处理,2.2 单金属电镀,2.2.1 镀锌 2.2.2 镀镍 2.2.3 镀铬 2.2.4 镀铜 2.2.5 镀银,2.2 单金属电镀,2.2.1 镀锌 锌的标准电极电位为-0.

13、76V，对钢铁基体来说锌镀层属于阳极性镀层、主要用于防止钢铁的腐蚀。电镀锌工艺分为氰化物镀锌和无氰镀锌两类。 氰化物镀锌的特点是溶液均镀能力好，镀后光滑细致，应用较广，镀液分微氰、低氰、中氰和高氰几种。但由于氰化物属剧毒物，近年来已趋向来用微氰和无氰镀液。 无氰镀液有碱性锌酸盐镀液、铵盐镀液、硫酸盐镀液及无铵氯化物镀液等。,氰化物镀锌,工艺特点：电镀液具体较好的分散能力和深镀能力，对杂质的敏感性小，工艺容易控制，操作及维护简单，电流密度与温度范围宽。 氰化物镀锌镀液的组成及工艺条件,电极反应 阴极主反应： Zn(CN)42-+4OH-Zn(OH)42-+4CN- Zn(CN)42- Zn(OH

14、)2+2OH- Zn(OH)2+2e- Zn+2OH- 阴极副反应： 2H2O+2e- H2+2OH- 阳极主反应： Zn Zn2+2e- Zn2+再分别与CN-和OH-络合 Zn2+4CN- Zn(CN)42- Zn2+4OH- Zn(OH)42- 当阳极钝化时，还将发生析出氧气的副反应： 4OH- 2H2O+O2+4e-,锌酸盐镀锌,工艺特点：镀液成分简单，易于管理，对设备腐蚀小，废水处理方便。但均镀和深镀能力较氰化物镀液差，电流效率比较低。 锌酸盐镀锌镀液组成及工艺条件,(a)氧化锌 是镀液中的主盐，提供所需要的锌离子。 (b)氢氧化钠 在镀液中是络合剂，还可以改善电解液的导电 性。 (

15、c)添加剂 若无添加剂，锌酸盐镀锌只能得到黑色海绵状镀层。 镀液中杂质铜可以用锌粉、铝粉置换反应，铅可以用硫 化钠沉淀出去，有机杂质可先加双氧水，再加活性碳处理。 电极反应 阴极主反应： Zn(OH)42- +2e-Zn+4OH- 阳极住反应： ZnZn2+ +2e-,氯化钾（钠）镀锌,工艺特点：电解液成分简单，与前两者镀液稳定性高，对设备的腐蚀小，其废水处理简单容易，无需排风设备。 氯化钾（钠）镀锌电镀液的组成及工艺条件,氯化锌 提供锌离子的主盐，分散能力和覆盖能力好。 氯化钾（钠） 电解液中的导电盐 硼酸 缓冲剂，使镀液的PH维持在56.5之间。 光亮剂 由主光亮剂、载体光亮剂和辅助光亮剂组合而成。 电极反应 阴极反应： Zn2+ +2e-Zn 同时还会发生析氢的副反应：2H+ +2e-H2 阳极反应： ZnZn2+ +2e- 当阳极电流密度过高时，阳极进入钝化状态，此时还会析出氧气的副反应：4OH-2H2O+O2+4e-,2.2.2 镀镍,镍镀层是最古老、应用最普遍的一种装饰、防护镀层。 金属镍具有很高的化学稳定性，在稀酸、稀碱及有机酸中具有很好的耐蚀性，在空气中镍与氧相互作用可形成保护性氧化膜而使金属镍具有很好的抗大气腐蚀性能。 主要分为以下几种： 普通镀镍 又称电镀暗镍或无光泽