钣金常用表面处理技朮介绍- 1 -钣金常用表面处理技术介绍1. 磷酸盐皮膜处理也称为磷化处理1.1 磷酸盐皮膜机理2H3PO4+M→M(H2PO4)+H23M(H2PO4)2→4H3PO4+M3(PO4)2M(H2PO4)2→MHPO4+H3PO4生成的 M3(H2PO4)2 和 MHPO4 为磷酸盐膜的主要成分1.2 磷酸盐皮膜的性质和用途(1) 耐蚀性在大气条件下很稳定﹐在有机油类﹐苯﹐甲苯及各种气体燃料中有很好的耐蚀性但磷酸盐皮膜不耐酸﹐碱﹐氨﹐海水及水蒸气等磷酸盐膜经过封闭处理后能大大提高其耐蚀性 磷酸盐皮膜的耐蚀性高于发蓝膜2) 吸附性磷酸盐膜具有多孔构﹐有很好的吸附性﹐因此常用作油漆的底层和吸附润滑油后作为减摩层和润滑层3) 电绝缘性磷酸盐膜是高电阻膜层﹐有很好的电绝缘性﹐击穿电压为 240~250V, 涂绝缘漆后可耐1000~1200V,又由于磷酸盐膜不影响透磁性﹐因此常用作电磁装置的硅钢片4) 不粘附熔融金属的特性此特性用于在热浸锌﹑锡铅合金时保护不需要浸涂部分在浇铸减摩合金和电机铸铝转子时﹐将钢膜作磷酸盐处理﹐以防粘附1.3 邻酸盐膜成膜机理和构成1.4 分类钢铁用化成处理剂 铝用化成处理剂锌用化成处理剂钣金常用表面处理技朮介绍- 2 -不锈钢用化成处理剂铜用化成处理剂镁用化成处理剂 其它化成处理剂涂装打底用的化成处理剂塑性加工用化成处理剂防锈用化成处理剂耐磨用化成处理剂绝缘用化成处理剂塑料迭片用化成处理剂涂装打底用皮膜特点﹕致密﹐均匀﹐薄得适当结晶粗大会吸入涂料而减少光泽﹔不均匀会降低涂装后的耐蚀性﹔由于磷酸盐膜很硬很脆﹐皮膜过厚的话﹐涂装后遭到弯曲或冲击等外力时﹐即使别无缺陷﹐也可能脱落。
防锈用皮膜特点﹕致密﹐均匀﹐厚度越厚越好﹐孔隙率越低越好表 1.1 美军规格 MIL-C-16173C 要求的磷酸盐皮膜的防锈性类型 等级 补助加工 盐水喷雾试验1 施行另外规定的防锈油 2 施行 MIL-L-3150 的润滑油 243 不补助加工 1.54A 进行无机密封﹐不进行补助加工 24磷酸铁4B 进行无机密封﹐施行 MIL-L-3150 的润滑油 721 施行另外规定的防锈油 2 施行 MIL-C-16173‚Grade 2 的不干性防锈油 483 不补助加工 24A 进行无机密封﹐不进行补助加工 244B 进行无机密封﹐施行防锈油或高熔点蜡 724C 进行无机密封﹐且染上规定色 244D 进行无机密封及染色﹐施行防锈油或蜡 72磷酸锌4E 进行无机密封﹐施行规定的防锈油 241.5 磷酸盐皮膜构成﹕磷酸盐膜的成分及结构形态 皮膜化成溶液钢铁表面 锌表面锌系磷酸盐皮膜剂 Zn(PO4).4H2OZnFe(PO4)2.4 H2O形态呈树枝壮﹐晶粒垂直于金属表面Zn3(PO4).4H2O锰系磷酸盐皮膜剂 (Mn﹐Fe)5H2(PO4).4H2O形态呈圆球形晶系的层状结构﹐晶粒排列平行于金属表面Zn3(PO4).4H2OMn5H2(PO4).4H2O铁系磷酸盐皮膜剂 Fe3(PO4)2 ZnFe(PO4)2.4 H2O Fe3(PO4)21.6 磷酸盐化成工艺过程及监控脱脂→水洗→(除锈)→表面调整→化成→水洗→封闭处理或烤漆 化成工序的监控参数﹕游离酸度﹐全酸度﹐杂质含量。
钣金常用表面处理技朮介绍- 3 -脱脂工序的监控参数﹕ 游离碱度﹐全碱度 表面调整﹕由于脱脂溶液中的硅酸盐使膜结晶粗糙﹐膜重增加﹐不适合涂装﹔同时强碱溶液如NaOH 也使锌盐磷化膜粗糙变厚﹐并且降低磷化膜的耐蚀性和柔韧性活化晶核由于生成氢氧化物或氧化物的薄膜而减少﹐因此用弱碱性的磷酸钛盐溶液或稀草酸溶液对钢铁表面进行处理﹐可使大多数的晶核重新活化和复原﹐细化晶粒﹐增加晶粒数2﹑阳极氧化又称为电化学氧化﹐阳极化2.1 铝及铝合金的阳极化2.1．1 氧化膜特性(1) 多孔性硫酸阳极化膜每平方微米大约有 800 个孔﹐草酸阳极化膜每平方微米大约有 60 个孔由于氧化膜具有多孔状结构﹐所以膜层有很好的吸附性﹐对各种染料表现出很好的吸附能力﹐故氧化膜能进行化学着色﹐染成不同的颜色﹔另外也可在膜孔底部电沉积金属﹐进行电化学着色﹐使氧化膜不仅具有防护作用﹐还有装饰作用2) 良好的耐磨性由于阳极化膜硬度高﹐因此耐磨性好3) 氧化膜的电绝缘性和绝热性良好的电绝缘性使阳极化产品可作为电机和变压器的绕线圈﹐但其缺点是弹性小良好的绝热性使有氧化膜存在的情况下﹐可防止零件在瞬间高温的情况下熔化。
2.1.2 分类硫酸阳极化 草酸阳极化铬酸盐阳极化磷酸阳极化 硼酸阳极化普通阳极化硬质阳极化﹕膜层硬度高﹐具有很好的耐磨性和耐蚀性硬氧化膜大多用于铝的活塞﹑汽缸﹑液压设备﹑减震器﹑齿轮及其它铝制零件超硬铝(LC4)经硬质阳极化后可以代替钢使用同时耐热性很好﹐能经受住短时间的 2000˚C 高温因此硬氧化膜常作为一种能满足特殊要求的功能性膜层2.1.3 阳极化的反应过程和膜的构成阳极反应﹕Al-3e→Al3+2Al3+ +3O2-→ Al2O3阴极反应﹕6OH-→3H2O+3O2-2H++2e→H22.1.4 膜的组成未封闭膜﹕ Al2O3 78.9% Al2O3˙H2O 0.5% Al2(SO4)3 20.2% H2O 0.4%水封闭后的膜﹕Al2O3 61.7% Al2O3˙H2O 17.6% Al2(SO4)3 17..9% H2O 2.8%2.2 其它材料的阳极氧化钛和钛合金的阳极氧化﹐3﹑化学氧化钣金常用表面处理技朮介绍- 4 -化学氧化 阳极氧化(1) 成本低﹐生产效率高﹐收效快﹐可以大批量连续化生产(1) 成本较高2) 工艺稳定﹐操作方便﹐设备简单﹐溶液易维护﹐零件大小和形状不受限制(2) 由于需外加电源﹐零件大小和形状影响电力线和电流的分布工艺特点 (3) 对钢铁﹐铝﹐铜﹐银﹐锌﹐锡﹐镉以及它们的合金均可进行化学氧化。
此外化学氧化在某些功能性应用领域也得到了令人满意的效果因此﹐近年来化学氧化技朮得到了很大的发展3)常用的为铝及其合金﹐镁及镁合金﹐钛及其合金的等材料阳极氧化1)膜薄﹐一般厚度为0.5-4 微米(1) 膜厚(2)质软﹐不耐磨﹐抗蚀性和耐磨性低于阳极氧化膜(2) 耐蚀性好﹐硬度高﹐用于提高膜层特性(3)可得到某些阳极化膜不能具有的功能性膜层如导电性氧化膜层(3)可得到某些特殊功能性的膜层﹐如在多孔膜中沉积磁性合金作存储元件太阳能吸收板﹐超高硬质膜等3.1 铝的化学氧化3.1.1 分类纯水氧化法磷酸盐氧化法铬酸盐氧化法磷酸盐–铬酸盐氧化法碱性氧化法酸性氧化法﹐ 可得到透明膜层3.1.2 后处理有填充处理﹐钝化处理﹐喷涂处理等后处理以提高耐蚀性3.2 钢铁的化学氧化因为得到膜层由呈现蓝黑色的四氧化三铁组成﹐所以又叫发蓝发蓝膜薄﹐通常为 0.6-1.5 微米﹐因而耐蚀性差但是由于其有很好的吸附性﹐经过填充处理的发蓝膜有较好的耐蚀性如早期的枪炮管大多使用化学氧化后涂油﹐乌黑的油亮外表发蓝膜薄﹐不影响零件的装配尺寸﹔对表面光洁度高或抛光的精密件﹐发蓝后表面既亮又黑﹐具有防护和装饰的双重效果因此发蓝膜在精密仪器﹐光学仪器以及机械制造上广为应用。
4.化学镀4.1 化学镀的特性(1) 不需要通电﹐将镀件直接浸入溶液即可2) 可在金属﹐半导体和非导体材料上直接进行3) 可在零件表面获得厚度均匀的镀层4) 通过自催化特性可得到任意厚度的镀层5) 膜层空隙少﹐致密﹐具有很好的耐蚀性﹐很高的硬度和耐磨性钣金常用表面处理技朮介绍- 5 -(6) 镀液稳定性差﹐更新快﹐成本比电镀高4.2 化学镀种类镍﹐铜﹐银﹐钴﹐金﹐钯﹐铂﹐铑等均可经过化学镀沉积到镀件表面但最常用的主要有化学镀镍和化学镀铜4.2.1 化学镀镍4.2.1.1 化学镀镍膜层特性化学镀镍膜层 电镀镍层空隙少﹐致密 多孔﹐只有达到一定厚度(25 微米以上) 才能做到无孔耐蚀性好﹐12.5 微米厚的耐蚀性优于 25 微米厚的电镀镍层耐蚀性不如化学镀镍层光亮化学镀镍层的亮度不如电镀亮镍层的亮度管理﹐只能得到半光亮镀层可得到全光亮的镀层镀层为镍磷合金层﹐含磷 10%以上的镀层为非晶态镀层镀层为纯镍组成﹐晶体结构无论是半光亮还是不光亮镀层脆性均较大 光亮镀层脆性大﹐延性小半光亮层有一定的韧性﹐暗镍有较好的韧性成本高﹐在得到相同镀层的条件下﹐大约为电镀镍层价格的 5 倍成本比化学镀镍低4.2.1.2 化学镀镍的沉积机理以次磷酸盐镀液为例﹐首先是次磷酸根在固体催化表面上氧化脱氢﹐并生成亚磷酸根﹐反应为﹕H2PO2-+H2O→ H++H3PO2-+2H吸附于催化表面上的活泼氢原子使镍离子还原成金属镍﹐而本身则氧化为氢离子﹐Ni2++2H→Ni+2H+同时溶液中的部分次磷酸根也被吸附在催化表面上的活泼氢原子还原成单质磷﹐H3PO2-+H→P+H 2O+OH-因此化学镀镍得到的是镍磷合金层﹐而不是单一的镍层。
化学镀镍过程中会发生析氢副反应﹕2H→H 24.2.1.3 化学镀镍的工艺过程脱脂→活化→化学镀4.2.1.4 塑料电镀与化学镀塑料电镀的工艺过程﹕脱脂→粗化(微观粗化) →敏化(吸附易氧化的物质)→活化( 多用胶体钯﹐通过与敏化步骤吸附的氧化物反应而获得一层具有催化作用的金属膜)→还原处理( 消除残余活化物质)→化学镀镍或镀铜→电镀4.2.1.5 化学镀镍的用途石油管道﹐计算器硬盘﹐耐磨组件等4.2.2 其它化学镀的用途化学镀铜主要用于非金属材料表面金属化﹐特别是印制电路板的孔金属化﹐实现孔两边导通化学镀银用于生产保温瓶(银镜反应 )﹐装饰物等5.防锈油脂5.1 概述防锈油脂是在矿物油(或合成油 )中加入油溶性缓蚀剂和其它辅助添加剂而组成的一种防锈材料具钣金常用表面处理技朮介绍- 6 -有取材容易﹐成本较低﹐工艺简单﹐适应性广﹐防锈效果显著等优点广泛用于机械制造过程及金属制品的储存﹑运输过程中它与气相防锈材料﹐可剥性塑料共称为暂时防锈中的三大防锈材料5.2 防锈油防锈的原理防锈油一般由油溶性缓蚀剂和溶解缓蚀剂的油类组成油溶性缓蚀剂在分子结构上都同时具备极性和非极性基团非极性基团使其能溶于油中﹐极性基团则使其能吸附在金属表面﹐延缓金属腐蚀。
油主要起保护缓蚀剂吸附分子﹐弥补吸附膜不完整之处﹐保障油膜的厚度等作用由缓蚀剂和油在金属表面形成致密的吸附膜﹐有效阻止水分子﹑氧气﹑和其它腐蚀性介质的浸入﹐从而阻止金属腐蚀5.3 防锈油应具备的性能(1) 防锈性能良好(2) 无腐蚀性﹐与其所接触的金属或非金属部件不其作用3) 对人体无害﹑无特殊臭味或其它刺激性气味(4) 具有很好的化定性﹐ 在长期储存中不变质﹑不氧化 ﹑效果恒定能有效防止有害气体和水扩散到金属表面﹐同时对手汗有一定的置换性(5) 涂层不因温度变化而流失或龟裂 ﹔涂层应有一定的强度 ﹔涂层要薄﹐且除膜性好﹐并能适应多种包装材料的包装5.4 防锈油种类工序间防锈油防锈润滑两用油封存防锈油液体防锈油硬膜油软膜油溶剂稀释型防锈油不干性防锈油半干性防锈油干性防锈油6 真空镀膜6.1 分类真空蒸镀真空溅射镀离子镀共同特点﹕在真空室内(有时充有负压的惰性气体 )实行气相镀覆的一类技朮6.2 真空蒸镀将零件与涂层材料同时放在钟罩形的真空室内﹐涂层材料受热蒸发﹐蒸发出的分子(或原子) 在自由行程内与受镀零件表面相遇﹐并不断凝结成膜镀件可以是金属﹐也可以是非金属。
涂覆材料只能选择熔点低﹑蒸气压较高的材料﹐如锌﹐镉﹐铜﹐银﹐金﹐镍和铬等对低熔点金属的镀覆效果好﹐只能用于镀薄膜真空蒸镀目前主要用于制作各种薄膜电子组件﹐沉积各种光学薄膜﹐以及在用陶瓷﹑金属﹑塑料﹑人造宝石和纸质制成的工。