表面处理知识1.ppt

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1、表面处理技术,1基本概念 2在金属防护方面的作用 3分类 4、常用工艺及其目的 5原理 6、生产工艺过程 7、膜层结构特点及其防护机理/能力 8、表面膜层的质量检测技术,目录,1表面处理技术的基本概念,表面处理技术,表面工程学的一个方面,侧重于工艺技术,是,表面处理,对表面处理进行涂装、处理、改性,具有特殊功能的表面层,某种功能的覆盖层,1表面处理技术的基本概念,通过表面处理技术来改变固体材料的表面形态、化学成分和组织结构，以获得所需表面性能的系统工程.,表面工程,表面层的设计,表面层的选材,表面处理工艺,表层质量控制与监测,工程应用,失效分析,1表面处理技术的基本概念,综合了材料科学、冶金学

2、、物理、化学的最新成果，是一门正在迅速发展的新型学科。,表面工程,2表面处理在金属防护方面的作用,根据金属腐蚀机理和腐蚀形态，腐蚀破坏离不开金属材料和腐蚀介质以及二者之间的界面反应,指防止金属腐蚀,金属防护,2表面处理在金属防护方面的作用,防止金属腐蚀的方法主要包括三个方面：,1）研制新材料、改善材料的组织和表面状态,提高材料的抗蚀性能,2表面处理在金属防护方面的作用,防止金属腐蚀的方法主要包括三个方面：,2）改善腐蚀环境和介质,避免腐蚀发生,2表面处理在金属防护方面的作用,隔离金属与腐蚀介质的直接接触 抑制腐蚀过程,防止金属腐蚀的方法主要包括三个方面：,3）应用表面涂覆层和电化学保护方法,2

3、表面处理在金属防护方面的作用,表面处理方法是在金属表面覆盖各种保护层，从而使金属与腐蚀介质分开或改变表面状态，使基体金属不受腐蚀。,2表面处理在金属防护方面的作用,金属常用的防腐蚀方法是覆盖法，在金属表面覆盖一层金屬或非金屬物而使金属与腐蚀环境隔离,2表面处理在金属防护方面的作用,金属表面保护层的要求,即金属上涂覆层的基本性能,1）结合强度要求结合牢固、附着力强,2）孔隙率及密度膜层致密、完整无孔、不透介质,3）耐蚀性在大气、水、等介质中良好的稳定性、 抗腐蚀性,4）硬度硬度高、耐磨,5）在金属表面分布均匀,3表面处理技术分类,表面处理是一门涉及多种学科的工业技术 按其使用的方法可大致分成五大

4、类16种工艺,分类,工艺方法,举例,电化学方法,电镀,镀锌、镀镍,阳极氧化,铝合金阳极氧化、,化学方法,化学转化膜处理,磷化、钝化、化学氧化、发蓝、铬酸盐处理,化学镀,化学镀镍、化学镀铜,热加工方法,热浸镀,热浸锌、热浸铝,热喷涂,热喷涂锌、热喷涂铝,热烫印,热烫印铝箔,化学热处理,渗氮、渗碳,堆焊,堆焊耐磨合金,真空法,物理气相沉积（PVD）,蒸发镀、溅射镀、离子镀,化学气相沉积（CVD）,气相沉积氧化硅或氮化硅,离子注入,注硼,其它方法,涂装,喷漆、喷粉（有多种方式，如静电、电泳等）,激光表面处理,激光淬火、激光重熔,冲击镀,冲击镀锌,超硬膜处理,金刚石薄膜、立方氮化硼薄膜,金属保护层 非

5、金属保护层,表面保护层分类,按结构特点,电镀层属于金属保护层， 氧化、化学转化、喷涂膜层属于非金属保护层,按组成成分,除油漆和粉末涂层外，其它保护层都是无机涂层,无机膜层 有机膜层,4、常用工艺及其目的,工艺技术成熟度高，设备要求比较简单，适用面广，生产成本较低。,工艺,4、我公司所用工艺及其目的,应用的目的,5表面处理技术的原理,5.1 电镀原理,电镀是一个电化学过程 也是一种氧化还原过程,在外电流（直流电）作用下，电解质溶液中的金属离子（或络离子）迁移到阴极表面、发生还原反应并形成新相（电结晶），这一过程叫作“金属的电沉积“；,5.1 电镀原理,阴极表面所得到的金属结晶层即为电镀保护层。,

6、当电解质溶液为水溶液时就叫“电镀“。,5.1 电镀原理,电镀时，工件作为阴极、镀层材料（金属或合金）作为阳极，一同浸入电解液中、并通入直流电。,阳极化的电极与电镀相反： 工件为阳极、其它金属为阴极,电镀装置必须包括三部分： 1）外电路 2）电镀溶液 3）与镀液接触的两个电极,5.1 电镀原理,电镀层的生长过程,5表面处理技术的原理,5.2 表面转化,金属的表面转化是指采用化学处理液使金属表面与溶液界面上产生的化学或电化学反应、生成稳定的化合物薄膜的处理过程,按照转化过程中是否存在外加电流，分为： 化学转化 电化学转化（即阳极氧化）,表面转化膜与电镀层的区别,5.2 表面转化,转化膜,镀层,5.

7、2.1 阳极氧化机理,5.2 表面转化,阳极氧化与电镀过程一样，也是一个氧化还原反应过程。只是工件所处极性与电镀相反。,当有外加电流时，溶液中的水分子被电解、同时产生初生态的O，氧原子立即在阳极与金属材料（如铝）表面发生化学氧化反应，生成氧化膜,5.2.1 阳极氧化机理,5.2 表面转化,氧化膜的生长过程包含两 个方面,膜的电化学生成过程 膜的化学溶解过程,只有膜层的生成速度恒大于溶解速度时，才能获得较厚的氧化膜,5.2.1 阳极氧化机理,5.2 表面转化,氧化膜的生长过程,5.2.2 化学转化,5.2 表面转化,化学转化膜是金属与溶液中物质发生化学反应生成氧化物等而在金属表面附着所成的薄膜,

8、5.2.2 化学转化膜,5.2 表面转化,5.2.2 化学转化膜,5.2 表面转化,是铁与含有锰、铁、锌等的磷酸盐溶液产生化学反应，在表面生成一层难溶于水的磷酸盐保护膜。,华为铝零件的化学氧化是实际上应该是铝的铬酸盐转化膜。,5.2.2 化学转化膜,5.2 表面转化,化学转化所需设备简单、操作方便、生产效率高、成本低，适用范围广，尤其适用于大型零件、组合件、以及难以用电化学方法获得完整膜层的复杂零件（如细长管、点焊件、铆接件等）。,5表面处理技术的原理,5.3 涂装,利用高分子涂料作原料，采用各种涂装方法使其附着到制品表面，生成具有各种特性的固着膜层（涂层）。,现代称作,5.3 涂装,按施工方

9、法分类,浸涂法,手工喷涂法,淋涂法,电泳涂装,静电喷涂,粉末涂装,卷材辊涂法,5.3 涂装,这两种喷涂法油漆均可采用 而粉末则只用静电喷涂,空气喷涂法,静电喷涂,我们的加工厂所用：,5.3 涂装,5.3.1 空气喷涂原理,传统的空气喷涂是 利用压缩空气将流体吹散成雾状后附着于被涂物表面。,5.3 涂装,5.3.1 空气喷涂原理,适用性极广，对任何复杂工件、任何液体涂料几乎都能适用,5.3 涂装,5.3.2 静电喷涂原理,静电喷涂是利用静电场对电荷的作用原理而实现的 适用于工件外形不太复杂而且大批量生产的流水线作业,5.3 涂装,5.3.2 静电喷涂原理,以接地的工件为阳极，接上负高电压的静电喷

10、枪使涂料雾化并带负电荷，与工件间形成高压静电场，在电场力的作用下，涂料粒子迅速飞向异极性的工件表面，在工件表面放电 ，使静电消失，涂料便均匀而牢固地沉积在工件表面，形成了均匀的涂膜。,5.3 ,5.3.2 静电喷涂原理,5表面处理技术的原理,由于电流分布规律，电化学处理膜层表面结构会放大基体材料表面的缺陷,6、生产工艺过程,所有表面处理工艺都至少包含三个基本步骤：,有些工艺在成膜后还有一个 工序,6、生产工艺过程,6.1 电镀-钢、铜、锌合金材料电镀,6.1 电镀-钢、铜、锌合金材料电镀,手工清洁处理： 清除大量的油污、污物，以及厚实的氧化皮,装挂 ：保持溶液流动顺畅，零件方向避免形成斊鼣，位

11、置和数量利于镀层均匀沉积、不影响镀层质量,6.1 电镀-钢、铜、锌合金材料电镀,化学/电解 除油 ： 清除表面油脂，使表面达到斔黄茢状态,一般利用酸液对金属表面进行溶解腐蚀，去除表面氧化膜和锈蚀产物，也可提高表面光泽度,6.1 电镀-钢、铜、锌合金材料电镀,在零件表面沉积上金属膜层,1）钝化-在镀层金属表面形成一层薄而致密的化学转化膜，加强抗蚀能力； 2）封闭- 机械方法在镀层孔隙中填充进微粒可有机物分子，同样是加强保护作用。,6.1 电镀-钢、铜、锌合金材料电镀,一般通过加温烘烤，使零件表面的水份蒸发干燥；同时可使钝化膜等固化、稳定。,6、生产工艺过程,6.2 铝材阳极氧化/化学氧化,6,6

12、.3 喷涂,锌基合金,钢件,铝件,6.3 喷涂,磷化流程,6.3 喷涂,喷漆流程,6.3 喷涂,喷粉流程,7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力,各种表面膜层的结构不尽相同，其对基体材料的保护机理各式各样。,电化学保护的机理是： 金属原电池中阳极腐蚀、而阴极受保护。 因此电镀层类别中又有阳极性镀层和阴极性镀层之分,机械保护的原理 隔离腐蚀介质与基体材料直接接触、而起到的保护屏蔽作用。,7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力,电化学保护,7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力,7.1 镀锌层,由于锌相对于铁基体为阳极性镀层，在有电解液存在时，锌层为阳极，先发生腐蚀，从而钢基体受到了保护,钝化膜,

13、镀锌层,钢基材,镀层中存在微孔 钝化膜是致密的,7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力,7.1 镀锌层,当锌层全部腐蚀完后，基体钢铁发生腐蚀，即出现红色锈蚀物,当钝化膜被腐蚀穿底后，发生锌层的腐蚀、氧化，即出现白色粉状物。,首先是钝化膜产生腐蚀变化（即变黑）；,在遭遇腐蚀介质时：,7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力,7.1 镀锌层,锌镀层可达到336至500小时以上钢基材才出现锈蚀,彩色钝化膜可达到96小时以上不出现腐蚀迹象,盐雾试验,7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力,7.2 钢上的镀镍层,镍镀层相对于铁是阴极性镀层， 只有当其无孔隙时才具有良好的保护性。 当镀层达到一定厚度时，孔隙

14、率会降低； 增加铜底层，也可减少孔隙率； 镀多层镍，可提高耐蚀性。,7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力,7.2 钢上的镀镍层,在光滑表面上镍层约20微米就没有孔隙 但在粗糙表面上需要更厚的镍镀层,7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力,7.2 钢上的镀镍层,当镀镍层没有孔隙时，则一般会长期保持镍层外观而不发生腐蚀变化。 当盐雾试验能通过CASS试验8小时（中性盐雾试验一般为48-72小时）时，就具有良好的保护作用了。,7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力,7.2 钢上的镀镍层,若出现腐蚀，即是钢铁基体的腐蚀物红锈 （或底层铜的绿色腐蚀物）,7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力,7.3

15、铜上镀镍层,镍相对于铜是阳极性镀层。 但若镀层太薄，孔隙率太大，底层铜易发生氧化而导致变色（黑色或绿色）。,7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力,7.4 阳极氧化膜,铝的阳极氧化膜是一层多孔膜，必须进行封闭处理，着色或封闭时可以有水分子或染色剂分子或其它盐类分子沉积在孔隙底部，起到封孔的作用，从而隔绝了铝与空气接触、提高了抗蚀性。,7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力,7.4 阳极氧化膜,膜层厚度一般为5-20微米，耐蚀性好，硬度高，绝缘。,一般能抵抗240小时以上的中性盐雾试验 最高可通过500小时盐雾试验,若出现腐蚀，则是铝基体材料的腐蚀物：白色产物,7、膜层结构特点及其防护机理与防护

16、能力,7.5 化学氧化膜,致密，导电；但薄，耐蚀性不如阳极化膜,铝上的化学氧化膜至少应通过100小时的盐雾试验，彩色膜可通过168小时。,若出现腐蚀，首先是保护膜发生变化，一般是出现黑色倾向；当保护膜被穿透后，铝基材腐蚀，出现白色产物。,7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力,7.6 磷化膜,钢的磷化膜是显微孔隙结构，因此对油漆等有机涂层具有良好的吸附作用，但其耐蚀性较差，对钢基体的保护作用较弱。 磷化膜的盐雾试验一般只能通过2小时左右。 出现腐蚀时，直接是钢铁材料的锈蚀，首先颜色变黄，严重时产生红色腐蚀物。,7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力,7.7 油漆涂层,油漆对底材是一种机械保护作

17、用，其关键在于膜层中不能有孔隙，必须在基体材料上附着牢固。,底漆的作用是加强油漆与金属基体的附着力，面漆主要起保护及装饰作用。只有当油漆层达到涂料本身规定的厚度时，涂层才具有规定的各项性能。,7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力,7.7 油漆涂层,普通油漆层的防护能力应该达到盐雾试验500小时以上不出现基体材料腐蚀。 户外使用的应通过1000小时。,出现腐蚀即是基体材料的腐蚀，钢件出现红、黄色锈迹，铝或锌材料出现白色腐蚀物。,7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力,7.8 粉末涂层,与油漆的作用和性能一样。同样是在规定厚度才能消除涂层孔隙、达到各项性能指标。,耐蚀性指标以及出现腐蚀的现象都与

18、油漆涂层一样。,8、表面膜层的质量检测技术,8.1 膜层厚度测量,定义：膜层厚度是指两个不完全平整的平行平面之间的距离，是个几何概念。,由于实际上存在的表面是不平整和不连续的，而且膜层内还可能存在着气孔、杂质、晶格缺陷和表面吸附分子等，所以严格地定义和精确地测量膜厚实际上是很困难的。 不管用哪种方法，都是一个平均值，而且是包含了杂质、缺陷以及吸附分子在内的膜厚值。,8.1 膜层厚度测量,假想膜层剖面,8.1 膜层厚度测量,测量方法分成： 1）破坏性测量 测量时膜层和基材同时受到破坏，或者仅膜层受到破坏。 2）非破坏性测量 测量时膜层与 基材均未受到破坏。通常是根据表面信息间接地求出厚度，如通过

19、测定其磁化率和导电度求出厚度。,8.1 膜层厚度测量,常用厚度测量法的种类与 特点,8.1 膜层厚度测量,常用厚度测量法的种类与特点,测量面积可小至0.05mm2；测量厚度在15um以内,触针法,精度约5,8、表面膜层的质量检测技术,8.2 膜层表面粗糙度的检验,定义：表面粗糙度是指表面微观不平度高度的算术 平均值,测定方法,接触法,非接触法,触针式,比较法,光学式,样板对照法,光反射法 光切断法 光干涉法,8.2 膜层表面粗糙度的检验,检测中的注意事项,1）测量方向： 表面粗糙度值 ，是在垂直于被测表面的法向剖面、即垂直于加 工刀纹的剖面上测量的。 2）测量部位； 应选择有代表性的一处或几处

20、进行检测。 3）表面缺陷； 针孔、麻点、毛刺等不计入粗糙度数值内。 4）取样长度： 应规定，以防止形状误差和波纹度对测量结果的影响,8、表面膜层的质量检测技术,8.3 膜层的硬度检测,常作为膜层耐磨性应用的首要指标 显微硬度：载荷低于5-10N的硬度称作显微硬度（国际标准规定2N以下）,硬度是膜层材料抵抗外来物体挤压变形的能力,8、表面膜层的质量检测技术,8.4 膜层结合强度的检测,多数测量方法都是破坏性的,结合力 附着力,现在实际应用的测量方法可分为,1）使膜发生局部变形的方法 2）使基材发生变形的方法 3）使用粘接剂的方法 4）其它,8.4 膜层结合强度的检测,划痕法（胶带拉拔法） 弯曲法

21、 热震法 摩擦抛光法 剥离法 缠绕法 锉刀法 ,8、表面膜层的质量检测技术,8.5 膜层孔隙率的检测,孔隙率是膜层到基体通道中单位面积上气孔的数目 大多用化学方法测定： 贴滤纸法、涂膏法、浸渍法、等等,8、表面膜层的质量检测技术,8.6 膜层耐蚀性的检测,盐雾试验 腐蚀膏试验 湿热试验 周浸试验 SO2腐蚀试验 H2S腐蚀试验 大气暴晒试验,8.6 膜层耐蚀性的检测,中性盐雾 NSS,乙酸盐雾 AASS,铜加速乙酸盐雾 CASS,NaCl 505g/l,溶液,352,pH,6.5-7.2,温度,增加冰乙酸,3.1-3.3,352,再加入CuCl2H2O 0.260.02g/l,3.1-3.3,502,8.6 膜层耐蚀性的检测试验报告中应包括以下内容,所依据的试验标准号 试验所用盐和水的类型 被试材料或产品的类型 试样的尺寸、形状、试样面积和表面状态 试样的制备，包括试验前的清洗和对试样边缘或其它特殊区域的保护措施 膜层的已知特征及表面处理说明 试样数量 试验后的清洗方法 试样放置 角度 试验周期以及中间检查结果 试验溶液和pH值 试验温度 收集液的密度 影响试验结果的意外情况 检查的时间间隔,8、表面膜层的质量检测技术,8.6 其它,膜层及界面的形貌表面分析,膜层及界面的成分与结构分析,膜层内应力和应变的检测,外观,耐磨性,氧化膜的封闭能力,表面工程技术,培训结束 谢谢大家,