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1、工业生产技术基础,第四章 表 面 处 理,第一节 表面处理基础知识 第二节 热 喷 涂 第三节 气 相 沉 积 第四节 化学转化膜技术 第五节 电镀、电刷镀、热浸镀和化学镀 第六节 涂料及涂装方法,第一节 表面处理基础知识,一、表面处理概述 二、表面处理的作用 三、表面处理的分类,一、表面处理概述,表面处理技术就是通过各种工艺手段，赋予表面不同于基体材料的组织结构、化学组成，因而具有不同于基体材料的特殊性能，诸如高硬度、高疲劳强度、高耐磨耐蚀性、抗高温氧化性及绝缘、导电、抗辐射等。,二、表面处理的作用,(1)腐蚀保护性 表面处理可以提高金属材料的耐大气、海洋大气、天然水及某些酸碱盐的腐蚀作用。
2、 (2)抗磨性 包括抗磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损等。 (3)电性能 电性能包括绝缘性、导电性等。 (4)耐热性 包括抗高温氧化、热疲劳等性能。 (5)光学特性 包括反光性、光选择吸收性、吸光性等。 (6)电磁特性 包括磁性、半导体、电磁屏蔽性等。 (7)密封性 (8)装饰性 包括染色性、光泽性等。 (9)其他表面特性 诸如耐疲劳性、保油性、焊接性等。,(9)其他表面特性 诸如耐疲劳性、保油性、焊接性等。,1)可用一般的材料代替稀有的、昂贵的材料制造机器零件，而不降低甚至超过机件的质量。 2)可以把两种或两种以上的材料复合各取其长，解决单一材料解决不了的问题。 3)延长在苛
3、刻条件下服役机件的寿命。 4)大幅度提高现有机件的寿命，减少材料和能源的消耗，降低产品的成本。 5)赋予材料特殊的物理、化学性能，有助于某些尖端技术的开发。 6)可成功地修复磨损、腐蚀的零件,三、表面处理的分类,1.按工艺特点分 2.按学科特点分,1.按工艺特点分,(1)电镀 包括合金电镀、复合电镀、电刷镀、非晶态电镀、非金属电镀等。 (2)涂装 包括特殊用途及特殊类型的新涂料及新的涂装工艺。 (3)堆焊 包括埋弧焊、振动电弧堆焊、CO2气体保护焊、等离子堆焊等。 (4)热喷涂 包括火焰丝材喷涂、火焰粉末喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂及爆炸喷涂等。 (5)热渗镀 分固体渗、液体渗、气体渗和等离子渗
4、。 (6)化学转化膜 包括阳极氧化、化学氧化、磷酸盐膜、铬酸盐膜和草酸盐膜等。 (7)金属着色 包括电化学着色、化学着色及染料染色。,1.按工艺特点分,(8)气相沉积 分化学气相沉积和物理气相沉积。 (9)三束改性 包括离子束技术、电子束技术和激光束技术。,2.按学科特点分,(1)表面合金化技术 包括喷焊、堆焊、离子注入、激光熔敷、热渗镀等。 (2)表面覆层与覆膜技术 包括热喷涂、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金属着色、热浸镀等。 (3)表面组织转化技术 包括激光、电子束热处理技术，以及喷丸、滚压等表面加工硬化技术。,第二节 热 喷 涂,一、热喷涂概述 二、热喷涂方法,一、
5、热喷涂概述,热喷涂是利用专用设备把固体材料加热到熔化或半熔化状态，并加速喷射到基体表面上，从而形成一种特制薄层以提高基体的表面性能。 热喷涂所用热源主要有：气体燃烧火焰、电弧、电热热源、爆炸热源和激光热源。 在热喷涂过程中，喷涂材料大致经过加热熔化、熔滴的雾化、粒子的飞行、撞击基体、冷却凝固形成涂层等几个阶段。,一、热喷涂概述,热喷涂作为材料表面防护、强化及表面改性手段，具有如下优点： 1)可使基体保持较低温度，从而保证基体不变形、不弱化。 2)基体尺寸不受限制，既可进行大型构件的大面积喷涂，也可进行工件的局部喷涂；既可喷涂零件，也可对制成后的结构进行喷涂。 3)喷涂厚度可以控制，从几十微米到
6、几毫米，可以根据要求选择。 4)工作效率高，制取同样厚度的涂层所需时间比电镀短得多。 5)可赋予普通材料以特殊的表面性能，使其具有耐磨、耐蚀、耐高温、耐氧化、隔热、导电、绝缘、密封、减磨、耐辐射、发射电子等不同性能，达到节约贵重金属，提高产品质量和降低生产成本，满足多种工程和尖端技术的需求。,二、热喷涂方法,1.线材喷涂 线材喷涂的原理如图4-1所示，线材的加热熔化和雾化是通过火焰喷枪实现的。喷枪经过气阀分别引入乙炔、氧气和压缩空气，其中乙炔和氧气混合后在喷嘴出口处产生燃烧火焰，线材由驱动机构中的送丝滚轮通过喷嘴中心孔送到火焰中被加热熔化。进入喷枪的压缩空气又可称为雾化气，使熔化态的喷涂材料从
7、线材端部脱落并雾化成细微的颗粒。在火焰和气流的共同推动下，这些微粒喷射到基体表面形成涂层。 2.粉末喷涂 粉末喷涂与线材喷涂不同之处是喷涂材料不是线材而是粉末，且一般不用压缩空气，粉末火焰喷涂原理见图4-2所示。粉末装在料斗内，工作时以少量气体运载粉末进入喷枪内部的气流中，火焰使粉末熔化并喷射到基体表面。,1.线材喷涂,图4-1 线材火焰喷涂原理示意图 1压缩空气入口 2燃气(C2H4) 3氧气 4线材 5气体喷嘴 6空气帽 7燃烧气体 8熔融材料 9喷涂束流 10基体,2.粉末喷涂,图4-2 粉末火焰喷涂原理示意图 1氧气 2燃料气 3喷枪 4粉末料斗 5喷嘴 6束流 7基体,第三节 气 相
8、 沉 积,一、物理气相沉积(PVD) 二、化学气相沉积(CVD),一、物理气相沉积(PVD),1.真空蒸镀 2.阴极溅射 3.离子镀,1.真空蒸镀,在真空中使金属、合金或化合物蒸发，然后凝结在基体表面上的方法叫真空蒸镀法。目前真空蒸镀的方法和设备已有多种，不仅用于电气、电子设备，还广泛用于无公害的表面处理。 真空蒸镀的原理如图4-3所示，将被沉积的材料(蒸镀材料)置于装有加热系统的坩埚中，被镀工件(基体)置于蒸发源前面。当真空度达到0.13Pa时，加热坩埚使蒸镀材料蒸发，所产生的蒸气以凝聚形式沉积在被镀工件表面，形成一层薄膜。,图4-3 真空蒸镀原理示意图,1.真空蒸镀,2.阴极溅射,阴极溅射
9、是利用高速正离子轰击某一靶材(阴极)，使靶材表面原子以一定能量逸出，然后在工件表面沉积的过程。 阴极溅射系统如图4-4所示。 阴极溅射与真空蒸镀相比具有以下特点： 1)薄膜的结合力高。 2)容易获得高熔点物质的膜。 3)可以在较大面积上得到均匀的薄膜。 4)容易控制膜的组成。 5)可以长时间地连续运转。 6)有良好的再现性。 7)几乎可以制造一切物质的薄膜。,2.阴极溅射,图4-4 阴极溅射原理示意图,3.离子镀,离子镀借助于一种惰性气体的辉光放电使欲镀金属或合金蒸发离子化，在带负电荷的基体(工件)上形成镀膜。 离子镀的原理如图4-5所示。离子镀包括镀膜材料的受热、蒸发、沉积等过程。 离子镀膜
10、具有粘着力强、均匀性好、取材范围广且能互相搭配，以及整个工艺过程没有污染等特点。采用不同的镀膜材料、不同的放电气体及不同的工艺参数，能获得与表面附着力强的耐磨镀层、表面致密的耐蚀镀层、润滑镀层、各种颜色装饰镀层以及电子学、光学、能源科学等所需的特殊功能镀层。,3.离子镀,图4-5 离子镀原理示意图,二、化学气相沉积(CVD),1.热分解反应 2.化学合成反应 3.化学传输反应,1.热分解反应,(1)氢化物 氢化物H-H键的离解能、键能都比较小，所以热分解温度低，唯一的副产物是没有腐蚀作用的氢气。 (2)金属有机物 金属的烷基化合物，其M-C键能一般小于C-C键能，可广泛用于沉积高附着性的金属膜
11、和氧化物膜。 (3)氢化物和金属有机物体系 利用这类热解体系可在各种半导体或绝缘基体上制备化合物半导体膜。 (4)其他气态络合物和复合物 这一类化合物中的羰基化合物和羰基氯化物多用于贵金属(铂族)和其他过渡族金属的沉积。,2.化学合成反应,绝大多数沉积过程都涉及到两种或多种气态反应物在一个基体上相互反应，这些反应称为化学合成反应。用氢气还原卤化物来沉积各种金属和半导体，以及选用合适的氢化物、卤化物或金属有机化合物来沉积绝缘膜等都是化学合成反应。 与上述热分解法相比，化学合成反应应用更为广泛。,3.化学传输反应,把所要沉积的物质作为源物质，借助于适当气体介质与之反应而形成一种气态化合物，这种气态
12、化合物迁移到与源区温度不同的沉积区，再发生逆向反应，使得源物质重新沉积出来，这样的反应过程称为化学传输反应。 化学气相沉积是制备各种形态的无机新材料，特别是制备各种无机薄膜材料的重要手段。这些无机新材料由于其特殊的功能已在复合材料、微电子学工艺、半导体光电技术、太阳能利用、光纤通信、超导技术和保护涂层等许多新技术领域得到了广泛应用。,第四节 化学转化膜技术,化学转化膜技术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技术。化学转化膜的形成，实际上可以看作是受控金属的金属腐蚀过程。它主要包括：氧化膜或发蓝技术、磷酸盐膜技术、铬酸盐膜技术、草酸盐膜技术、阳极氧化膜技术等。 化学转化膜技术
13、的一般原理是：使某种金属与某种特定的腐蚀液相接触，在一定条件下两者发生化学反应，由于浓差极化作用和阴、阳极极化作用等，在金属表面形成一层附着力良好的、难溶的腐蚀生成物膜层。,第五节 电镀、电刷镀、热浸镀和化学镀,一、电镀 二、电刷镀 三、热浸镀 四、化学镀,一、电镀,电镀是金属电沉积技术之一，是通过电解方法在固体表面获得金属沉积层的过程。其目的在于改变固体材料的表面特性。 电镀原理如图4-6所示。电渡槽中有两个电极，一般工件作为阴极，接到电源负极上；与电源正极连接的金属反应物作为阳极。电源接通后便在两极建立起电场。在电场作用下，阳极失去电子，如镀镍时阳极的主要反应是镍原子失去电子变成镍离子进入
14、溶液并向阴极迁移。在与负极连接的工件上电子非常充分，金属离子在此得到电子变成金属原子沉积在工件表面。所以在电镀槽中进行的反应实质是氧化-还原反应，但它和一般氧化-还原反应有区别，这类氧化-还原反应是在组成电极的金属与溶液的界面上进行的。,一、电镀,图4-6 电镀原理示意图 1工件(阴极) 2金属反应物(阳极),二、电刷镀,电刷镀是电镀的一种特殊方式，不用渡槽，只需在不断供应电解液的条件下，用一只镀笔在工作表面上进行擦拭，从而获得电镀层。 电刷镀也是金属电沉积的过程，基本原理同电镀，如图4-7所示。直流电源的正极与刷镀笔连接，负极通过导线和工件连接。当接通电源时，在工件表面发生电沉积。由于电刷镀
15、没有渡槽，两极间的距离很短，所以常规电镀的溶液不适合作电刷镀溶液。电刷镀溶液中的金属离子的浓度要比常规电镀高得多，因此需配置特殊的溶液。 电刷镀设备简单，操作容易，镀层结合牢固，经济效益显著。目前，电刷镀主要用于机械设备的维修，如滚动轴承和轴颈的修理，孔类零件的修理，平面、键槽的修理等。,二、电刷镀,图4-7 电刷镀原理示意图 1工件(阴极) 2刷镀液 3注液管 4包套 5刷镀笔 6电源 7阳极 8拾液盘,三、热浸镀,1.溶剂法热浸镀 2.保护气体还原法热浸镀,1.溶剂法热浸镀,溶剂法是最常见的热浸镀方法。在热浸镀前，在清洁的金属表面涂一层助镀剂，防止钢铁腐蚀。浸入镀液后，助镀剂能迅速分解，并
16、起到清除金属表面的氧化物、降低熔融金属表面张力的作用，以提高镀层质量。,2.保护气体还原法热浸镀,它是将待镀的钢材先通过煤气或天然气直接加热的微氧化炉，将钢材表面残余的油污、乳化液等烧掉，同时钢材表面被氧化，生成蓝色的氧化薄膜。然后进入通有保护性气氛的还原炉，把钢材表面的氧化皮还原为适合热浸镀的活性海绵状铁，并使钢铁继续加热，进行再结晶退火。接着在保护性气氛中，钢材被冷却到适当的温度后进入镀锅进行热浸镀。该工艺主要用于钢带热浸镀锌、铝和钢管热浸镀锌等现代化的大生产。,四、化学镀,化学镀的沉积过程不是通过界面上固液两相金属原子和离子的交换，而是液相离子通过液相中的还原剂在金属或其他材料表面上的还原沉积。 化学镀必须要有催化剂。基体往往可以作为催化剂。但当基体被完全覆盖之后，要想使沉积过程继续进行下去，其催化剂只能是沉积金属本身，所以化学镀可以说是一种沉积金属的、可控制的、自催化的化学反应过程。,第六节 涂料及涂装方法,一、涂料 二、涂装技术,一、涂料,1.涂料的组成 2.涂料的分类,1.涂料的组成,(1)成膜物质 成膜物质在涂料
