現(xiàn)代表面工程技術(shù)

1、第四章第四章 外表技術(shù)概論外表技術(shù)概論第一節(jié)第一節(jié) 外表技術(shù)的重要性外表技術(shù)的重要性外表技術(shù)是直接與各種外表現(xiàn)象或過(guò)程外表技術(shù)是直接與各種外表現(xiàn)象或過(guò)程有關(guān)的，能為人類造福或被人們利用的有關(guān)的，能為人類造?；虮蝗藗兝玫募夹g(shù)。技術(shù)。外表工程技術(shù)日益得到重視外表工程技術(shù)日益得到重視 1社會(huì)生產(chǎn)、生活的需要-腐蝕損失2-5%2通過(guò)外表處理大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量:耐蝕耐磨3節(jié)約貴重材料4實(shí)現(xiàn)材料外表復(fù)合化，解決單一材料無(wú)法解決的問(wèn)題5良好的節(jié)能、節(jié)材效果6促進(jìn)了新興工業(yè)的開(kāi)展應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例汽車輕量化汽車輕量化鋁合金鋁合金外表耐磨問(wèn)題突外表耐磨問(wèn)題突出出外表耐磨涂層外表耐磨涂層 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管內(nèi)壁和

2、燃燒室：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管內(nèi)壁和燃燒室： 需承受需承受20003300溫度和巨大的熱焰溫度和巨大的熱焰流沖擊流沖擊應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例2問(wèn)題：?jiǎn)栴}：飛船或者洲際導(dǎo)彈的頭部錐體和翼前沿：由于飛船或者洲際導(dǎo)彈的頭部錐體和翼前沿：由于具有音速數(shù)倍的速度，并與大氣層摩擦，即所謂氣動(dòng)具有音速數(shù)倍的速度，并與大氣層摩擦，即所謂氣動(dòng)加熱，其溫度高達(dá)加熱，其溫度高達(dá)40005000,絕大多數(shù)的金屬和絕大多數(shù)的金屬和合金不能承受如此高的溫度。合金不能承受如此高的溫度。解決問(wèn)題的方法：解決問(wèn)題的方法：依靠各種形式的隔熱涂層、防火涂依靠各種形式的隔熱涂層、防火涂層和燒蝕涂層。層和燒蝕涂層。隔熱防火涂層是熱導(dǎo)率低的氧化物

3、：氧化鋁、氧化鋯、隔熱防火涂層是熱導(dǎo)率低的氧化物：氧化鋁、氧化鋯、氧化釷等。氧化釷等。燒蝕涂層：有機(jī)材料加石英纖維、陶瓷纖維或碳纖維。燒蝕涂層：有機(jī)材料加石英纖維、陶瓷纖維或碳纖維。應(yīng)用實(shí)例3人造衛(wèi)星在宇宙中的溫度控制人造衛(wèi)星在宇宙中的溫度控制問(wèn)題：衛(wèi)星外表受太陽(yáng)照射的一面溫度問(wèn)題：衛(wèi)星外表受太陽(yáng)照射的一面溫度可達(dá)可達(dá)+200，沒(méi)有被太陽(yáng)照射的一面溫，沒(méi)有被太陽(yáng)照射的一面溫度可低到度可低到-200應(yīng)用實(shí)例4航天飛機(jī)外殼的防熱材料和涂層：如美國(guó)洛克希航天飛機(jī)外殼的防熱材料和涂層：如美國(guó)洛克希德導(dǎo)彈與航天公司開(kāi)發(fā)了一種德導(dǎo)彈與航天公司開(kāi)發(fā)了一種LI-900全氧化硅絕全氧化硅絕熱氈熱氈,特性：特性：

4、 重量輕，整個(gè)體積的重量輕，整個(gè)體積的95%都是空的。都是空的。為防水、耐蝕以及散熱，外表加涂了一種碳化硅為防水、耐蝕以及散熱，外表加涂了一種碳化硅涂層，該涂層可把涂層，該涂層可把90%的入射熱反射掉，而剩下的入射熱反射掉，而剩下10%幾乎都被氧化硅氈所隔絕。幾乎都被氧化硅氈所隔絕。應(yīng)用實(shí)例5在太陽(yáng)能的利用中，必須利用涂層來(lái)吸在太陽(yáng)能的利用中，必須利用涂層來(lái)吸收太陽(yáng)光譜中所有波段的能量。收太陽(yáng)光譜中所有波段的能量。如用電子束蒸鍍的金屬陶瓷層如用電子束蒸鍍的金屬陶瓷層Co-Al2O3作為太陽(yáng)能吸熱器，使對(duì)太陽(yáng)能的吸收作為太陽(yáng)能吸熱器，使對(duì)太陽(yáng)能的吸收率可達(dá)率可達(dá)95%外表技術(shù)倍受重視的原因外表技

5、術(shù)倍受重視的原因材料物理、化學(xué)性能及其變化都從外表開(kāi)始；隨著器件的微型化，外表/體相的原子比增大，會(huì)出現(xiàn)許多新的特性；材料外表的研究是許多高新技術(shù)的理化根底等。世界各興旺國(guó)家均對(duì)外表工程世界各興旺國(guó)家均對(duì)外表工程高度重視高度重視如美國(guó)工程科學(xué)院在為美國(guó)國(guó)會(huì)提供的如美國(guó)工程科學(xué)院在為美國(guó)國(guó)會(huì)提供的2000年前集中力量加強(qiáng)開(kāi)展的年前集中力量加強(qiáng)開(kāi)展的9項(xiàng)新科項(xiàng)新科學(xué)技術(shù)中，有關(guān)材料方面的僅有材料外學(xué)技術(shù)中，有關(guān)材料方面的僅有材料外表科學(xué)與外表技術(shù)的研究。表科學(xué)與外表技術(shù)的研究。 一、使用外表技術(shù)的目的1提高材料抵御環(huán)境作用能力:耐蝕性2賦予材料外表某種功能特性。包括光、電、磁、熱、聲、吸附、別離等

6、等各種物理和化學(xué)性能。3實(shí)施特定的外表加工來(lái)制造構(gòu)件、零部件和元器件等:電鑄、電刷鍍外表技術(shù)外表技術(shù)外表技術(shù)主要通過(guò)外表涂覆和外表改性技外表技術(shù)主要通過(guò)外表涂覆和外表改性技術(shù)來(lái)提高材料抵御環(huán)境作用能力和賦予材術(shù)來(lái)提高材料抵御環(huán)境作用能力和賦予材料外表某種功能特性。料外表某種功能特性。外表涂覆：主要采用各種涂層技術(shù)。外表涂覆：主要采用各種涂層技術(shù)。外表改性技術(shù)：用機(jī)械、物理、化學(xué)等方外表改性技術(shù)：用機(jī)械、物理、化學(xué)等方法，改變材料外表的形貌、化學(xué)成分、相法，改變材料外表的形貌、化學(xué)成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)。組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)。外表工程技術(shù)的目的和作用外表工程技術(shù)

7、的目的和作用外表工程技術(shù)的主要目的：通過(guò)外表處理使外表工程技術(shù)的主要目的：通過(guò)外表處理使材料外表按人們希望的性能進(jìn)行改變。材料外表按人們希望的性能進(jìn)行改變。外表工程技術(shù)是在不改變基體材料的成分、外表工程技術(shù)是在不改變基體材料的成分、不削弱基體材料強(qiáng)度的條件下，通過(guò)物理手不削弱基體材料強(qiáng)度的條件下，通過(guò)物理手段或化學(xué)手段賦予材料外表以特殊的性能，段或化學(xué)手段賦予材料外表以特殊的性能，從而滿足工程技術(shù)上對(duì)材料提出的要求的技從而滿足工程技術(shù)上對(duì)材料提出的要求的技術(shù)。術(shù)。外表工程技術(shù)的作用就是改善或賦予外表各外表工程技術(shù)的作用就是改善或賦予外表各種性能種性能二、與外表現(xiàn)象有關(guān)的一些外表二、與外表現(xiàn)象有

8、關(guān)的一些外表技術(shù)技術(shù) 1外表濕潤(rùn)和反濕潤(rùn)技術(shù)外表濕潤(rùn)和反濕潤(rùn)技術(shù)2外表催化技術(shù)外表催化技術(shù)3膜技術(shù)膜技術(shù)4) 外表化學(xué)技術(shù)外表化學(xué)技術(shù)第二節(jié) 外表技術(shù)的分類 按學(xué)科特點(diǎn)分為：按學(xué)科特點(diǎn)分為： 1) 外表合金化：包括噴焊、堆焊、離子注入、外表合金化：包括噴焊、堆焊、離子注入、激光溶敷、熱滲鍍等。激光溶敷、熱滲鍍等。2外表覆層與覆膜技術(shù)：包括熱噴涂、電鍍、外表覆層與覆膜技術(shù)：包括熱噴涂、電鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化處理、化學(xué)鍍、氣相沉積、涂裝、化學(xué)轉(zhuǎn)化處理、化學(xué)鍍、氣相沉積、涂裝、堆焊、金屬染色、熱浸鍍等。堆焊、金屬染色、熱浸鍍等。3 外表組織轉(zhuǎn)化技術(shù)：包括激光、電子束外表組織轉(zhuǎn)化技術(shù)：包括激光、電子束熱處理技

9、術(shù)以及噴丸、輥壓等外表加工硬化熱處理技術(shù)以及噴丸、輥壓等外表加工硬化技術(shù)。技術(shù)。外表技術(shù)分類外表技術(shù)分類按照作用原理分類：按照作用原理分類：1原子沉積：沉積物以原子、離子、分子和粒子集原子沉積：沉積物以原子、離子、分子和粒子集團(tuán)等原子尺度的粒子形態(tài)在材料外表上形成覆蓋層，團(tuán)等原子尺度的粒子形態(tài)在材料外表上形成覆蓋層，如電鍍、化學(xué)鍍、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等。如電鍍、化學(xué)鍍、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等。2)顆粒沉積：沉積物以宏觀尺度的顆粒形態(tài)在材料顆粒沉積：沉積物以宏觀尺度的顆粒形態(tài)在材料外表上形成覆蓋層，如熱噴涂、搪瓷涂敷等。外表上形成覆蓋層，如熱噴涂、搪瓷涂敷等。3整體覆蓋整體覆蓋:涂

10、層涂層4) 外表改性：用機(jī)械、物理、化學(xué)等方法，改變材外表改性：用機(jī)械、物理、化學(xué)等方法，改變材料外表的形貌、化學(xué)成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺料外表的形貌、化學(xué)成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)。陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)。 材料外表工程技術(shù)按工藝特點(diǎn)分材料外表工程技術(shù)按工藝特點(diǎn)分 電鍍、化學(xué)鍍、熱滲鍍、熱噴涂、堆焊、化電鍍、化學(xué)鍍、熱滲鍍、熱噴涂、堆焊、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、涂裝、外表著色、氣相沉積、學(xué)轉(zhuǎn)化膜、涂裝、外表著色、氣相沉積、“三束三束改性以及外表熱處理、形變強(qiáng)化和改性以及外表熱處理、形變強(qiáng)化和襯里等襯里等1313類類 外表技術(shù)的廣義涵義1外表技術(shù)的根底和應(yīng)用理論2外表處理技術(shù)：它又包括外表覆蓋

11、技術(shù)、外表改性技術(shù)和復(fù)合外表處理技術(shù)三局部3外表加工技術(shù)4外表分析和測(cè)試技術(shù)5外表工程技術(shù)設(shè)計(jì)第三節(jié)第三節(jié) 外表技術(shù)的應(yīng)用外表技術(shù)的應(yīng)用一、一、 外表技術(shù)應(yīng)用的廣泛性和重要性外表技術(shù)應(yīng)用的廣泛性和重要性2-5%損失損失作用：防護(hù)作用：防護(hù)(Zn,Ni)、耐磨、耐磨(硬硬Cr,復(fù)合鍍復(fù)合鍍層、強(qiáng)化層、強(qiáng)化(復(fù)合鍍層、修復(fù)復(fù)合鍍層、修復(fù)(Fe)、裝、裝飾飾Cr)等。等。二、二、 外表技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料以及工程構(gòu)件和外表技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料以及工程構(gòu)件和機(jī)械零部件上的應(yīng)用機(jī)械零部件上的應(yīng)用工具、模具電鑄工具、模具電鑄三、外表技術(shù)在功能材料和元器件上的應(yīng)用三、外表技術(shù)在功能材料和元器件上的應(yīng)用 光學(xué)特性、電學(xué)特

12、性、磁學(xué)特性、熱學(xué)光學(xué)特性、電學(xué)特性、磁學(xué)特性、熱學(xué)特性、化學(xué)特性、能量轉(zhuǎn)換特性、化學(xué)特性、能量轉(zhuǎn)換(太陽(yáng)能電池材太陽(yáng)能電池材料、磁記錄材料料、磁記錄材料Co,Ni)、雙金屬、防護(hù)、雙金屬、防護(hù)涂層涂層四、外表技術(shù)在人類適應(yīng)、保護(hù)和優(yōu)化環(huán)境四、外表技術(shù)在人類適應(yīng)、保護(hù)和優(yōu)化環(huán)境方面的一些應(yīng)用方面的一些應(yīng)用 抗菌滅菌抗菌滅菌TiO2磷灰石磷灰石, 生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料人工骨人工骨材料外表工程是一門新興的邊緣學(xué)科材料外表工程是一門新興的邊緣學(xué)科材料外表工程是一門新的邊緣學(xué)科，它材料外表工程是一門新的邊緣學(xué)科，它涉及到諸如外表物理學(xué)、外表化學(xué)、金涉及到諸如外表物理學(xué)、外表化學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高

13、分子學(xué)、傳熱學(xué)、傳屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子學(xué)、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的理論，而且其本身也質(zhì)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的理論，而且其本身也溶入了諸多學(xué)科的新技術(shù)。溶入了諸多學(xué)科的新技術(shù)。思考題1材料外表工程技術(shù)為什么能得到社會(huì)的重視獲得迅速開(kāi)展？2外表工程技術(shù)的目的和作用是什么？3為什么說(shuō)外表工程是一個(gè)多學(xué)科的邊緣學(xué)科？第四章第四章 外表技術(shù)外表技術(shù)第三節(jié)第三節(jié) 外表科學(xué)的某些根本概外表科學(xué)的某些根本概念和理論念和理論 一、一、 固體材料及其外表固體材料及其外表1、固體材料、固體材料固體材料是工程技術(shù)中最普遍使用的材料。固體材料是工程技術(shù)中最普遍使用的材料。按照材料特性，可將它分為按照材料特性，可將它分為金屬材

14、料、金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料有機(jī)高分子材料復(fù)合材料復(fù)合材料 相的概念相的概念相相:物質(zhì)存在的某種狀態(tài)或結(jié)構(gòu)。物質(zhì)存在的某種狀態(tài)或結(jié)構(gòu)。相是系統(tǒng)中均勻的、與其他局部有界面分相是系統(tǒng)中均勻的、與其他局部有界面分開(kāi)的局部。開(kāi)的局部。均勻的是指這局部的成分和性質(zhì)從給定范均勻的是指這局部的成分和性質(zhì)從給定范圍或宏觀來(lái)說(shuō)是相同的，或是以一種連圍或宏觀來(lái)說(shuō)是相同的，或是以一種連續(xù)的方式變化，也就是沒(méi)有突然的變化。續(xù)的方式變化，也就是沒(méi)有突然的變化。在一定溫度和壓力下，含有多個(gè)相的系統(tǒng)在一定溫度和壓力下，含有多個(gè)相的系統(tǒng)為復(fù)相系。為復(fù)相系。兩種不同相之間的交界區(qū)稱為相界面。兩種不同

15、相之間的交界區(qū)稱為相界面。2、材料外表固體材料的界面有三種：固體材料的界面有三種： 外表外表固體材料與氣體或液體的分界面固體材料與氣體或液體的分界面晶界或亞晶界晶界或亞晶界多晶材料內(nèi)部成分、多晶材料內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶粒或亞晶之結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶?；騺喚еg的界面間的界面相界相界固體材料中成分、結(jié)構(gòu)不同的兩固體材料中成分、結(jié)構(gòu)不同的兩相之間的界面相之間的界面外表技術(shù)研究的對(duì)象是外表。對(duì)于固體材外表技術(shù)研究的對(duì)象是外表。對(duì)于固體材料與氣體界面，又有兩種不同的對(duì)象：料與氣體界面，又有兩種不同的對(duì)象：1清潔外表清潔外表2實(shí)際外表實(shí)際外表清潔外表清潔外表清潔外表清潔外表經(jīng)過(guò)諸如離子轟擊、高

16、溫經(jīng)過(guò)諸如離子轟擊、高溫脫附、超高真空中解理、蒸發(fā)薄膜、場(chǎng)脫附、超高真空中解理、蒸發(fā)薄膜、場(chǎng)效應(yīng)蒸發(fā)、化學(xué)反響、分子束外延等特效應(yīng)蒸發(fā)、化學(xué)反響、分子束外延等特殊處理后，保持在殊處理后，保持在106Pa109Pa超高真空下外來(lái)沾污少到不能用一般外超高真空下外來(lái)沾污少到不能用一般外表分析方法探測(cè)的外表表分析方法探測(cè)的外表實(shí)際外表實(shí)際外表實(shí)際外表實(shí)際外表暴露在未加控制的大氣環(huán)暴露在未加控制的大氣環(huán)境中的固體外表，或者經(jīng)過(guò)一定加工處境中的固體外表，或者經(jīng)過(guò)一定加工處理如切割、研磨、拋光、清洗等，理如切割、研磨、拋光、清洗等，保持在常溫和常壓也可能在低真空或保持在常溫和常壓也可能在低真空或高溫下的外表

17、高溫下的外表二、二、 外表晶體學(xué)外表晶體學(xué)固體材料通常以固體材料通常以晶態(tài)晶態(tài)和非晶態(tài)形式存在和非晶態(tài)形式存在于自然界。于自然界。1、理想外表結(jié)構(gòu)理想外表是一種理論的結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)理想外表是一種理論的結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面。陣平面。忽略了忽略了晶體內(nèi)部周期性勢(shì)場(chǎng)在晶體外表中斷的影晶體內(nèi)部周期性勢(shì)場(chǎng)在晶體外表中斷的影響響外表上原子的熱運(yùn)動(dòng)以及出現(xiàn)的缺陷和擴(kuò)外表上原子的熱運(yùn)動(dòng)以及出現(xiàn)的缺陷和擴(kuò)散現(xiàn)象散現(xiàn)象外表外界環(huán)境的作用等，因而把晶體的解外表外界環(huán)境的作用等，因而把晶體的解理面認(rèn)為是理想外表。理面認(rèn)為是理想外表。2、清潔外表結(jié)構(gòu)1清潔外表的一般情況清潔外表的一般情況依熱力學(xué)的觀點(diǎn)，外表附近的原

18、子排列總是趨于能依熱力學(xué)的觀點(diǎn)，外表附近的原子排列總是趨于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)，到達(dá)這種穩(wěn)定態(tài)的方式有兩量最低的穩(wěn)定狀態(tài)，到達(dá)這種穩(wěn)定態(tài)的方式有兩種：種：自行調(diào)整，原子排列情況與材料內(nèi)部明顯不同自行調(diào)整，原子排列情況與材料內(nèi)部明顯不同依靠外表成分偏析和外表對(duì)外來(lái)原子或分子的吸附依靠外表成分偏析和外表對(duì)外來(lái)原子或分子的吸附兩者的相互作用而趨向穩(wěn)定態(tài)兩者的相互作用而趨向穩(wěn)定態(tài)外表組分與材料內(nèi)部不同外表組分與材料內(nèi)部不同晶體外表的成分和結(jié)構(gòu)都不同于晶體內(nèi)部，晶體外表的成分和結(jié)構(gòu)都不同于晶體內(nèi)部，一般大約要經(jīng)過(guò)一般大約要經(jīng)過(guò)46個(gè)原子層之后才與體個(gè)原子層之后才與體內(nèi)根本相似，所以晶體外表實(shí)際上只有幾內(nèi)根

19、本相似，所以晶體外表實(shí)際上只有幾個(gè)原層子范圍。個(gè)原層子范圍。晶體外表的缺陷：平臺(tái)、臺(tái)階、扭折、外晶體外表的缺陷：平臺(tái)、臺(tái)階、扭折、外表吸附、外表空位、位錯(cuò)。表吸附、外表空位、位錯(cuò)。TLK模型模型單晶外表的單晶外表的TLK模型已被低能電子衍射模型已被低能電子衍射LEED等外表分析結(jié)果所證實(shí)等外表分析結(jié)果所證實(shí)外表弛豫外表弛豫晶體的三維周期性在外表處突然中斷，外表晶體的三維周期性在外表處突然中斷，外表上原子的配位情況發(fā)生變化，并且外表原子上原子的配位情況發(fā)生變化，并且外表原子附近的電荷分布也有改變，使外表原子所處附近的電荷分布也有改變，使外表原子所處的力場(chǎng)與體內(nèi)原子不同，因此外表上的原子的力場(chǎng)與體

20、內(nèi)原子不同，因此外表上的原子會(huì)發(fā)生相對(duì)于正常位置的上下位移以降低體會(huì)發(fā)生相對(duì)于正常位置的上下位移以降低體系的能量。系的能量。外表馳豫的最明顯處是外表第一層原子與第外表馳豫的最明顯處是外表第一層原子與第二層之間距離的變化，越深入體相，弛豫效二層之間距離的變化，越深入體相，弛豫效應(yīng)越弱，并且是迅速消失。應(yīng)越弱，并且是迅速消失。3、實(shí)際外表結(jié)構(gòu)、實(shí)際外表結(jié)構(gòu)1實(shí)際外表的一般情況實(shí)際外表的一般情況a外表粗糙度外表粗糙度從宏觀看，經(jīng)過(guò)切削、研磨、拋光的固體外從宏觀看，經(jīng)過(guò)切削、研磨、拋光的固體外表似乎很平整，然而從微觀角度觀察會(huì)發(fā)表似乎很平整，然而從微觀角度觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)外表有明顯的起伏、同時(shí)不可能有裂縫、

21、現(xiàn)外表有明顯的起伏、同時(shí)不可能有裂縫、空洞等?？斩吹取?)貝爾比層和剩余應(yīng)力固體材料經(jīng)過(guò)切削加工后，在幾個(gè)微米或者固體材料經(jīng)過(guò)切削加工后，在幾個(gè)微米或者十幾個(gè)微米的表層中可能發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的劇十幾個(gè)微米的表層中可能發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的劇烈變化，即造成一定程度的晶格畸變。烈變化，即造成一定程度的晶格畸變。這種晶格的畸變隨深度變化，在最外約這種晶格的畸變隨深度變化，在最外約5nm-10nm厚度可能會(huì)形成一種非晶態(tài)層，稱為貝厚度可能會(huì)形成一種非晶態(tài)層，稱為貝爾比層。爾比層。其成分為金屬和它的氧化物，而性質(zhì)與體內(nèi)其成分為金屬和它的氧化物，而性質(zhì)與體內(nèi)明顯不同明顯不同貝爾比層具有較高的耐磨性和耐蝕性貝爾比層具有

22、較高的耐磨性和耐蝕性材料經(jīng)各種加工、處理后普遍存在剩余材料經(jīng)各種加工、處理后普遍存在剩余應(yīng)力應(yīng)力剩余應(yīng)力按其作用范圍分為：剩余應(yīng)力按其作用范圍分為： 宏觀內(nèi)應(yīng)力和微觀內(nèi)應(yīng)力兩類宏觀內(nèi)應(yīng)力和微觀內(nèi)應(yīng)力兩類剩余應(yīng)力剩余應(yīng)力3 3外表氧化、吸附和沾污外表氧化、吸附和沾污外來(lái)原子吸附在外表上形成覆蓋層，并外來(lái)原子吸附在外表上形成覆蓋層，并往往能使外表重構(gòu)。往往能使外表重構(gòu)。吸附層原子或分子在晶體外表是有序排吸附層原子或分子在晶體外表是有序排列還是無(wú)序排列，與吸附的類型、吸附列還是無(wú)序排列，與吸附的類型、吸附熱、溫度等因素有關(guān)。熱、溫度等因素有關(guān)。4 金屬的化學(xué)處理金屬的化學(xué)處理化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)化學(xué)轉(zhuǎn)化膜

23、技術(shù)金屬的化學(xué)處理法是通過(guò)化學(xué)或電化學(xué)手段，使金屬的化學(xué)處理法是通過(guò)化學(xué)或電化學(xué)手段，使金屬外表形成穩(wěn)定的化合物膜層的方法。金屬外表形成穩(wěn)定的化合物膜層的方法。這種經(jīng)過(guò)化學(xué)處理生成的膜層稱之為化學(xué)轉(zhuǎn)化膜。這種經(jīng)過(guò)化學(xué)處理生成的膜層稱之為化學(xué)轉(zhuǎn)化膜。 化學(xué)成膜處理的機(jī)理是金屬與特定的腐蝕液化學(xué)成膜處理的機(jī)理是金屬與特定的腐蝕液接觸而在一定條件下發(fā)生化學(xué)反響，由于濃差極接觸而在一定條件下發(fā)生化學(xué)反響，由于濃差極化作用和陰極極化作用等，使金屬外表生成一層化作用和陰極極化作用等，使金屬外表生成一層附著力良好的，能保護(hù)金屬不易受水和其他腐蝕附著力良好的，能保護(hù)金屬不易受水和其他腐蝕介質(zhì)影響的化合物膜。介

24、質(zhì)影響的化合物膜。 由于化學(xué)轉(zhuǎn)化膜是金屬基體直接參與成膜反響而成的，因而膜與基體的結(jié)合力比電鍍層和化學(xué)鍍層這些外加膜層大得多。成膜的典型反響可用下式表示：式中，M為參加反響的金屬或鍍層金屬；A為介質(zhì)中的陰離子化學(xué)轉(zhuǎn)化膜分類化學(xué)轉(zhuǎn)化膜分類l氧化物膜：金屬在含有氧化劑的溶液氧化物膜：金屬在含有氧化劑的溶液中形成的膜，其成膜過(guò)程叫氧化。中形成的膜，其成膜過(guò)程叫氧化。 2磷酸鹽膜：金屬在磷酸鹽溶液中形磷酸鹽膜：金屬在磷酸鹽溶液中形成的膜，其成膜過(guò)程稱為磷化。成的膜，其成膜過(guò)程稱為磷化。 3鉻酸鹽膜：金屬在含有鉻酸或鉻酸鉻酸鹽膜：金屬在含有鉻酸或鉻酸鹽的溶液中形成的膜，俗稱鈍化。鹽的溶液中形成的膜，俗稱

25、鈍化。 化學(xué)轉(zhuǎn)化膜幾乎在所有的金屬外表都能化學(xué)轉(zhuǎn)化膜幾乎在所有的金屬外表都能生成，目前工業(yè)上應(yīng)用較多的是鐵、鋁、生成，目前工業(yè)上應(yīng)用較多的是鐵、鋁、鋅。鋅。 2. 轉(zhuǎn)化膜形成的根本方式轉(zhuǎn)化膜形成的根本方式使金屬外表生成轉(zhuǎn)化膜通常有兩種方式：使金屬外表生成轉(zhuǎn)化膜通常有兩種方式：一種是在處理液中不含重金屬離子，而使金一種是在處理液中不含重金屬離子，而使金屬外表的金屬與陰離子反響生成轉(zhuǎn)化膜；屬外表的金屬與陰離子反響生成轉(zhuǎn)化膜；這種使用的處理劑稱為非成膜型處理劑，其這種使用的處理劑稱為非成膜型處理劑，其使用實(shí)例有磷酸鐵、鉛酸鹽等；使用實(shí)例有磷酸鐵、鉛酸鹽等；另一種是在處理液與底材金屬之間雖然另一種是在

26、處理液與底材金屬之間雖然也發(fā)生了某種程度的溶解現(xiàn)象，但主要也發(fā)生了某種程度的溶解現(xiàn)象，但主要還是依靠處理液本身含有的重金屬離子還是依靠處理液本身含有的重金屬離子的成膜作用。的成膜作用。此種使用的處理劑稱為成膜型處理劑，其此種使用的處理劑稱為成膜型處理劑，其使用實(shí)例是磷酸鋅、磷酸錳等。使用實(shí)例是磷酸鋅、磷酸錳等。轉(zhuǎn)化膜的根本用途轉(zhuǎn)化膜的根本用途 防銹防銹防銹用化學(xué)轉(zhuǎn)化膜主要用于以下兩種情況：防銹用化學(xué)轉(zhuǎn)化膜主要用于以下兩種情況：對(duì)部件有一般的防銹要求，如涂防銹油等，對(duì)部件有一般的防銹要求，如涂防銹油等，轉(zhuǎn)化膜作為底層很薄時(shí)即可應(yīng)用轉(zhuǎn)化膜作為底層很薄時(shí)即可應(yīng)用對(duì)部件有較高的防銹要求，部件又不受撓對(duì)

27、部件有較高的防銹要求，部件又不受撓曲、沖擊等外力作用，轉(zhuǎn)化膜要求均勻致曲、沖擊等外力作用，轉(zhuǎn)化膜要求均勻致密，且以厚者為佳。密，且以厚者為佳。 耐磨耐磨 耐磨用化學(xué)轉(zhuǎn)化膜廣泛地應(yīng)用于金屬與金耐磨用化學(xué)轉(zhuǎn)化膜廣泛地應(yīng)用于金屬與金屬面互相摩擦的部位。屬面互相摩擦的部位。 外表上的磷酸鹽膜層具有很小的摩擦系數(shù)，外表上的磷酸鹽膜層具有很小的摩擦系數(shù)，因此減少了金屬面間的摩擦阻力。這種磷酸因此減少了金屬面間的摩擦阻力。這種磷酸鹽膜層還具有良好的吸油作用，在金屬接觸鹽膜層還具有良好的吸油作用，在金屬接觸面間產(chǎn)生了一緩沖層，從化學(xué)和機(jī)械兩個(gè)方面間產(chǎn)生了一緩沖層，從化學(xué)和機(jī)械兩個(gè)方面保持了基體，從而減小磨損。

28、面保持了基體，從而減小磨損。涂裝底層涂裝底層作為涂裝底層的化學(xué)膜要求膜層致密、質(zhì)地作為涂裝底層的化學(xué)膜要求膜層致密、質(zhì)地均勻、薄厚適宜、晶粒細(xì)小。均勻、薄厚適宜、晶粒細(xì)小。 塑性加工塑性加工金屬材料外表形成磷酸鹽膜后再進(jìn)行塑性加金屬材料外表形成磷酸鹽膜后再進(jìn)行塑性加工，例如進(jìn)行鋼管、鋼絲等冷拉伸，是磷酸工，例如進(jìn)行鋼管、鋼絲等冷拉伸，是磷酸鹽膜層最新的應(yīng)用領(lǐng)域之一。采用這種方法鹽膜層最新的應(yīng)用領(lǐng)域之一。采用這種方法對(duì)鋼材進(jìn)行拉拔時(shí)可以減小拉拔力，延長(zhǎng)拉對(duì)鋼材進(jìn)行拉拔時(shí)可以減小拉拔力，延長(zhǎng)拉拔模具壽命，減少拉拔次數(shù)。該法在擠出工拔模具壽命，減少拉拔次數(shù)。該法在擠出工藝、深拉延工藝等各種冷加工方面

29、均有廣泛藝、深拉延工藝等各種冷加工方面均有廣泛的應(yīng)用。的應(yīng)用。絕緣等功能性膜絕緣等功能性膜磷酸鹽膜層是電的不良導(dǎo)體，所以很早磷酸鹽膜層是電的不良導(dǎo)體，所以很早就用它作為硅鋼板絕緣層。就用它作為硅鋼板絕緣層。這種絕緣層的特點(diǎn)是占空系數(shù)小，耐熱這種絕緣層的特點(diǎn)是占空系數(shù)小，耐熱性良好，而且在沖裁加工時(shí)可減少工具性良好，而且在沖裁加工時(shí)可減少工具的磨損等。用溶膠一凝膠制得的膜，目的磨損等。用溶膠一凝膠制得的膜，目前大多是功能性的。前大多是功能性的。4 轉(zhuǎn)化膜技術(shù)的開(kāi)展動(dòng)向 當(dāng)前，世界上有關(guān)金屬的化學(xué)成膜技術(shù)開(kāi)展非常迅速，每月發(fā)表的有關(guān)專利文獻(xiàn)就達(dá)數(shù)十篇之多。從目前看，化學(xué)成膜技術(shù)今后的主要開(kāi)展動(dòng)向是

30、： 1化學(xué)外表處理技術(shù)必須與新的涂裝技術(shù)的開(kāi)展相適應(yīng)，即開(kāi)發(fā)和研制適合于新型涂料和涂裝方式的化學(xué)處理劑；2開(kāi)發(fā)研制對(duì)金屬件無(wú)需清理即可形成保護(hù)轉(zhuǎn)化膜的化學(xué)處理劑；3開(kāi)發(fā)研制不產(chǎn)生污染的化學(xué)處理劑；4開(kāi)發(fā)研制能簡(jiǎn)化工藝、縮短流程的化學(xué)處理劑；5開(kāi)發(fā)研制應(yīng)用于大型構(gòu)件的化學(xué)處理劑；6開(kāi)發(fā)具有更致密、保護(hù)性能更好的轉(zhuǎn)化膜；7開(kāi)發(fā)具有更高硬度、更耐磨的轉(zhuǎn)化膜；8開(kāi)發(fā)具有特殊功能的轉(zhuǎn)化膜。鋁和鋁合金的陽(yáng)極氧化鋁合金重量輕，比強(qiáng)度高，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性比鋼鐵好得多廣泛用于建筑、航空、機(jī)械、交通、儀器儀表及日用工業(yè)等領(lǐng)域通常鋁和鋁合金外表存在30-50A的自然氧化膜，在pH為4以下和9以上時(shí)不穩(wěn)定陽(yáng)極氧化可提高鋁

31、合金的耐蝕性、耐磨性、裝飾性、或作為電鍍、涂層的底層鋁陽(yáng)極化機(jī)理氧化膜的生成反響電化學(xué)反響和溶解反響化學(xué)反響同時(shí)發(fā)生Al3eAl3+6OH-3H2O+3O2-2Al3+3O2-Al2O3+Q電解液必須具有導(dǎo)電能力和一定溶解氧化膜的能力膜層結(jié)構(gòu)：阻擋層和多孔層組成內(nèi)部阻擋層為致密無(wú)孔且少水的Al2O3外層多孔層由孔隙和孔壁組成，膜組成為Al2O3.Al(OH)x.(SO4)y膜的生長(zhǎng)過(guò)程通電瞬間，由于氧和鋁有很強(qiáng)的親和力，迅速形成一層致密無(wú)孔的阻擋層100-150A)，它具有很高的絕緣電阻氧化鋁體積比鋁原子體積大故發(fā)生膨脹，阻擋層變得凹凸不平，造成電流分布不均勻，凹處電阻小電流大，在電場(chǎng)作用下發(fā)

32、生氧化膜的電化學(xué)及化學(xué)溶解，凹處加深逐漸變成孔穴，繼而形成孔隙。鋁和鋁合金陽(yáng)極氧化工藝前處理前處理脫脂、堿蝕、出光、化學(xué)或電化學(xué)拋光脫脂、堿蝕、出光、化學(xué)或電化學(xué)拋光陽(yáng)極氧化陽(yáng)極氧化硫酸法、草酸法、鉻酸法、混酸法硫酸法、草酸法、鉻酸法、混酸法氧化膜的著色、封閉氧化膜的著色、封閉脫脂配方氫氧化鈉8-12g/L，磷酸三鈉40-60g/L，硅酸鈉25-35g/L，溫度60-70oC,時(shí)間3-5min目的：除去鋁外表的油脂和氧化膜堿蝕配方配方 氫氧化鈉氫氧化鈉 50-100 g/L ，葡萄糖酸鈉，葡萄糖酸鈉 1-5 g/L ， 溫度溫度40-80oC， 時(shí)間時(shí)間0.5-3min目的：除去脫脂中殘存的自

33、然氧化膜、滲目的：除去脫脂中殘存的自然氧化膜、滲入基體外表層的污物、脫脂的剩余液、消入基體外表層的污物、脫脂的剩余液、消除模具痕跡、劃傷等缺陷，調(diào)整和整平基除模具痕跡、劃傷等缺陷，調(diào)整和整平基體外表，使其均勻一致，改善覆蓋層的結(jié)體外表，使其均勻一致，改善覆蓋層的結(jié)合力。合力。 Al2O3 + 2NaOH 2NaAlO2 + H2O 2Al + 2NaOH + 2H2O 2NaAlO2 + 3H2中和出光中和出光配方配方 一般：一般： 30-50%體積比硝酸溶液體積比硝酸溶液 高硅鋁合金和鑄鋁合金：高硅鋁合金和鑄鋁合金：HNO3:HF=1:3目的：堿蝕后，鋁外表仍殘留有不溶于目的：堿蝕后，鋁外表

34、仍殘留有不溶于堿的銅、錳、硅、鐵等合金元素，俗稱堿的銅、錳、硅、鐵等合金元素，俗稱掛灰，出光的目的是消除掛灰。掛灰，出光的目的是消除掛灰?；瘜W(xué)拋光和電化學(xué)拋光化學(xué)拋光工藝化學(xué)拋光工藝 磷酸磷酸 70-80g/L， 硝酸硝酸 3-5g/L， 硝酸銅，硝酸銅， 冰冰醋酸醋酸5-15g/L，溫度，溫度80-100oC，時(shí)間，時(shí)間0.5-4min電化學(xué)拋光工藝電化學(xué)拋光工藝 磷酸磷酸 53g/L， 硫酸硫酸14g/L ， 鉻酸鉻酸9g/L，溫度，溫度80oC，電流密度，電流密度16A/dm3， 時(shí)間時(shí)間1-2min目的：獲得光亮平滑的外表，提高裝飾效果目的：獲得光亮平滑的外表，提高裝飾效果機(jī)理：酸氧化

35、作用形成氧化膜，同時(shí)又被酸溶機(jī)理：酸氧化作用形成氧化膜，同時(shí)又被酸溶解，達(dá)動(dòng)態(tài)平衡。磷酸粘度高，生成的磷酸鋁解，達(dá)動(dòng)態(tài)平衡。磷酸粘度高，生成的磷酸鋁粘膜層在微觀凸出處，粘膜層薄，氣體攪拌使粘膜層在微觀凸出處，粘膜層薄，氣體攪拌使溶液更新容易，溶解快；在凹處粘膜層厚，對(duì)溶液更新容易，溶解快；在凹處粘膜層厚，對(duì)流更新緩慢，溶解慢，從而到達(dá)整平的目的。流更新緩慢，溶解慢，從而到達(dá)整平的目的。硫酸陽(yáng)極氧化工藝純鋁氧化純鋁氧化 硫酸硫酸150g/L， 鋁離子鋁離子5g/L，溫度，溫度15-25oC，電壓電壓15-18V， 電流密度電流密度1-1.5A/dm2寬溫氧化寬溫氧化硫酸硫酸140g/L， 鋁離子

36、鋁離子5g/L，酒石酸，酒石酸40g/L， 草草酸酸15g/L，溫度溫度15-45oC，電壓，電壓15-18V， 電流電流密度密度1-2A/dm2快速氧化快速氧化硫酸硫酸280-320g/L， 鋁離子鋁離子5g/L，硫酸鎳，硫酸鎳8-10g/L， 溫度溫度25-30oC，電壓，電壓15-18V， 電流密電流密度度2-3A/dm2各成分的作用和工藝參數(shù)的影響各成分的作用和工藝參數(shù)的影響硫酸濃度：濃度硫酸濃度：濃度100g/L,對(duì)氧化膜溶解作用小，對(duì)氧化膜溶解作用小，槽電壓升高，阻擋層增厚，著色性能降低。濃槽電壓升高，阻擋層增厚，著色性能降低。濃度過(guò)高，溶解作用大，膜生成率下降，阻擋層度過(guò)高，溶解

37、作用大，膜生成率下降，阻擋層和孔隙變薄，硬度、耐磨、耐蝕性降低。和孔隙變薄，硬度、耐磨、耐蝕性降低。酒石酸和草酸：采用低濃度的硫酸，參加酒石酒石酸和草酸：采用低濃度的硫酸，參加酒石酸和草酸，有機(jī)二元酸吸附在氧化膜外表，形酸和草酸，有機(jī)二元酸吸附在氧化膜外表，形成一層使成一層使H+濃度大為降低的緩沖層，致使膜濃度大為降低的緩沖層，致使膜的溶解速度降低，可擴(kuò)大溫度范圍，節(jié)省能源，的溶解速度降低，可擴(kuò)大溫度范圍，節(jié)省能源，同時(shí)可提高膜層性能。同時(shí)可提高膜層性能。鎳離子：提高氧化速度，擴(kuò)大電流密度和溫度鎳離子：提高氧化速度，擴(kuò)大電流密度和溫度的上限值。的上限值。Al 3+:新配電解液時(shí)需參加新配電解液

38、時(shí)需參加1g/L，才能獲得正，才能獲得正常的氧化膜?？赡苁橇蛩釋?duì)氧化膜溶解能力太常的氧化膜?？赡苁橇蛩釋?duì)氧化膜溶解能力太強(qiáng)的緣故。強(qiáng)的緣故。電流密度：升高電流密度就提高了膜層的生成電流密度：升高電流密度就提高了膜層的生成率。密度太高，電流效率降低，溶液溫升加快，率。密度太高，電流效率降低，溶液溫升加快，氧化膜溶解加快，對(duì)于形狀復(fù)雜的制件，電流氧化膜溶解加快，對(duì)于形狀復(fù)雜的制件，電流密度不均勻會(huì)造成膜厚度不均勻。電流密度低密度不均勻會(huì)造成膜厚度不均勻。電流密度低于于0.5A/dm2,生產(chǎn)力降低。生產(chǎn)力降低。電壓：電壓升高，阻擋層增厚，耐蝕性提高，電壓：電壓升高，阻擋層增厚，耐蝕性提高，但孔隙率降

39、低，影響著色性能。電壓過(guò)高，電但孔隙率降低，影響著色性能。電壓過(guò)高，電流密度增加，將導(dǎo)致氧化膜燒焦或形成疏松的流密度增加，將導(dǎo)致氧化膜燒焦或形成疏松的膜，且能耗增大。膜，且能耗增大。溫度：陽(yáng)極氧化是放熱過(guò)程，假設(shè)膜電溫度：陽(yáng)極氧化是放熱過(guò)程，假設(shè)膜電阻一定，電流增加阻一定，電流增加2倍，發(fā)熱增加倍，發(fā)熱增加4倍、倍、溫度升高、膜溶解加劇，膜層帶白且疏溫度升高、膜溶解加劇，膜層帶白且疏松、膜性能變劣、著色性不好。松、膜性能變劣、著色性不好。攪拌攪拌:為保障陽(yáng)極氧化質(zhì)量，除強(qiáng)制冷凍為保障陽(yáng)極氧化質(zhì)量，除強(qiáng)制冷凍外尚需攪拌電解液，使膜層附近液層的外尚需攪拌電解液，使膜層附近液層的熱量迅速散開(kāi)，防止局

40、部過(guò)熱，利于得熱量迅速散開(kāi)，防止局部過(guò)熱，利于得到均勻一致的膜層。到均勻一致的膜層。時(shí)間：通常時(shí)間：通常30-40分鐘，分鐘，60分鐘后膜增長(zhǎng)分鐘后膜增長(zhǎng)很慢，很慢，90分鐘后不再增厚。分鐘后不再增厚。氧化膜的著色氧化膜的多孔層具有很高的化學(xué)活性氧化膜的多孔層具有很高的化學(xué)活性著色可提高產(chǎn)品的裝飾性、耐蝕性和功著色可提高產(chǎn)品的裝飾性、耐蝕性和功能性能性著色方法著色方法有機(jī)染料和無(wú)機(jī)金屬鹽浸漬著色法：物有機(jī)染料和無(wú)機(jī)金屬鹽浸漬著色法：物理、化學(xué)吸附理、化學(xué)吸附電解發(fā)色法：氧化的同時(shí)進(jìn)行著色電解發(fā)色法：氧化的同時(shí)進(jìn)行著色電解著色法：氧化后再著色電解著色法：氧化后再著色電解著色法電解著色法硫酸鎳硫酸

41、鎳25-30g/L，硼酸，硼酸30-35g/L， 硫酸氨硫酸氨25g/L，pH 4.5-5.5, 溫度溫度20-35oC， 交交流電壓流電壓10-15V， 時(shí)間時(shí)間2-10min顏色：淺青銅、青銅、古銅、黑色顏色：淺青銅、青銅、古銅、黑色氧化膜的封閉處理氧化膜具有高孔隙率和吸附性，容易受氧化膜具有高孔隙率和吸附性，容易受到污染和腐蝕介質(zhì)的侵蝕到污染和腐蝕介質(zhì)的侵蝕無(wú)論著色與否，都必須進(jìn)行封閉處理無(wú)論著色與否，都必須進(jìn)行封閉處理機(jī)理機(jī)理 利用氧化膜的水化反響：蒸汽法利用氧化膜的水化反響：蒸汽法利用吸附阻化：無(wú)機(jī)鹽封閉法利用吸附阻化：無(wú)機(jī)鹽封閉法利用有機(jī)物屏蔽：浸油、涂漆利用有機(jī)物屏蔽：浸油、涂漆

42、沸水或水蒸氣封閉法沸水或水蒸氣封閉法 Al2O3 + nH2O Al2O3.nH2O 純水，純水， pH 6-9, 溫度溫度90-100oC, 時(shí)間時(shí)間15-30min無(wú)機(jī)鹽封閉法無(wú)機(jī)鹽封閉法硫酸鎳硫酸鎳4.2g/L, 硫酸鈷硫酸鈷 0.7g/L, 醋酸鈉醋酸鈉4.8g/L, pH 4.5-5.5, 溫度溫度80-85oC，時(shí)間，時(shí)間15-20min鋼鐵的磷化處理原理鋼鐵在磷化液中發(fā)生微電池反響Fe+2H3PO4Fe(H2PO4)2+H2Fe+Me(H2PO4)2MeHPO4+FeHPO4+H2Fe+Me(H2PO4)2MeFe(PO4)2+H2重排Me(H2PO4)2MeHPO4+H3PO4

43、3MeHPO4Me3(PO4)2+H3PO4磷化工藝流程除油除油 溫水洗溫水洗 冷水洗冷水洗 浸蝕浸蝕 冷水洗冷水洗 外表調(diào)整活化外表調(diào)整活化 磷化處理磷化處理 冷水洗冷水洗 封閉填充封閉填充 冷水洗冷水洗 熱水洗熱水洗 枯燥枯燥 浸油或涂裝浸油或涂裝磷化配方高溫工藝：磷酸二氫錳鐵鹽30-45g/L，硝酸錳15-25g/L，溫度95-98，時(shí)間15-30min控制：游離酸點(diǎn)6-9，總酸度點(diǎn)40-58，Mn2+8.5-12g/L,Fe2+Fe3+0.5g/L,P2O514-19g/L,NO3-6.5-11g/L總酸度：提高總酸度能加速磷化速度，總酸度：提高總酸度能加速磷化速度，細(xì)化膜層。過(guò)高那么

44、膜薄，過(guò)低速度慢細(xì)化膜層。過(guò)高那么膜薄，過(guò)低速度慢且結(jié)晶粗燥且結(jié)晶粗燥游離酸：游離酸高，磷化速度慢、膜層游離酸：游離酸高，磷化速度慢、膜層晶粒粗大多孔，耐蝕性降低。游離酸度晶粒粗大多孔，耐蝕性降低。游離酸度低，膜層薄。低，膜層薄。Mn2+: 提高膜硬度、附著力和耐蝕性，提高膜硬度、附著力和耐蝕性，使膜顏色加深，結(jié)晶均勻。使膜顏色加深，結(jié)晶均勻。Fe2+:高溫液中易氧化成高溫液中易氧化成Fe3+,繼而形成繼而形成磷酸鐵沉淀，導(dǎo)致游離酸度升高。磷酸鐵沉淀，導(dǎo)致游離酸度升高。P2O5:加快磷化速度并使膜層致密。含量加快磷化速度并使膜層致密。含量低，膜不致密且耐蝕性差，甚至不能成低，膜不致密且耐蝕性差

45、，甚至不能成膜。含量過(guò)高結(jié)晶粗糙，附著力降低，膜。含量過(guò)高結(jié)晶粗糙，附著力降低，白灰多。白灰多。NO3-:催化劑，加快磷化速度，提高膜層催化劑，加快磷化速度，提高膜層致密性。致密性。雜質(zhì)：雜質(zhì)：SO42-, Cl-將降低磷化速度，磷化將降低磷化速度，磷化膜多孔、耐蝕性差，不能超過(guò)膜多孔、耐蝕性差，不能超過(guò)0.5g/L，Cu2+在鋼鐵上發(fā)生置換，使工件發(fā)紅，在鋼鐵上發(fā)生置換，使工件發(fā)紅，耐蝕性降低。耐蝕性降低。磷化后的封閉磷化后的封閉磷化膜多孔，易吸附鹽類，需用去離子磷化膜多孔，易吸附鹽類，需用去離子水洗水洗封閉配方封閉配方重鉻酸鉀重鉻酸鉀 30-50g/L， 碳酸鈉碳酸鈉 2-4g/L， 溫溫

46、度度80-95oC, 時(shí)間時(shí)間 5-15min第六章 材料外表處理技術(shù)第五節(jié)電鍍、電刷鍍和化學(xué)鍍 一、一、 電鍍的概念及分類電鍍的概念及分類電鍍是一種用電化學(xué)方法在鍍件外表上沉積所需形態(tài)的金屬覆層工藝。電鍍?cè)恚菏侵冈诤杏兘饘俚柠}類溶液中，以被鍍基體金屬為陰極，通過(guò)電解作用，使鍍液中欲鍍金屬的陽(yáng)離子在基體金屬外表沉積出來(lái)，形成鍍層的一種外表加工方法。例如Zn2+2eZn(金屬離子復(fù)原反響Ni2+2eNi電鍍的目的：是改善材料的外觀，提高材料電鍍的目的：是改善材料的外觀，提高材料的各種物理化學(xué)性能，賦予材料外表特殊的的各種物理化學(xué)性能，賦予材料外表特殊的耐蝕性、耐磨性、裝飾性、焊接性及電、磁

47、、耐蝕性、耐磨性、裝飾性、焊接性及電、磁、光學(xué)性能等。光學(xué)性能等。鍍層一般為幾微米到幾十微米厚。鍍層一般為幾微米到幾十微米厚。電鍍工藝設(shè)備較簡(jiǎn)單，操作條件易于控制，電鍍工藝設(shè)備較簡(jiǎn)單，操作條件易于控制，鍍層材料廣泛，本錢較低，因而在工業(yè)中廣鍍層材料廣泛，本錢較低，因而在工業(yè)中廣泛應(yīng)用，是材料外表處理的重要方法。泛應(yīng)用，是材料外表處理的重要方法。鍍層按使用性能分類鍍層按使用性能分類防護(hù)性鍍層：例如鋅、鋅-鎳、鎳、鎘、錫等鍍層，作為耐大氣及各種腐蝕環(huán)境的防腐蝕鍍層。防護(hù)-裝飾性鍍層：例如Cu-Ni-Cr鍍層等，既有裝飾性，亦有防護(hù)性。裝飾性鍍層：例如Au及CuZn仿金鍍層、黑鉻、黑鎳鍍層等。耐磨和

48、減磨鍍層:例如硬鉻，松孔鍍，NiSiC，Ni-石墨，Ni-PTFE復(fù)合鍍層等。電性能鍍層:例如Au，Ag鍍層等，既有高的導(dǎo)電率，又可防氧化，防止增加接觸電阻。磁性鍍層：例如軟磁性能鍍層有磁性鍍層：例如軟磁性能鍍層有Ni-Fe，F(xiàn)e-Co鍍層；硬磁性能有鍍層；硬磁性能有Co-P，Co-Ni，Co-Ni-P等。等?？珊感藻儗樱豪缈珊感藻儗樱豪鏢n-Pb，Cu，Sn，Ag等等鍍層?？筛纳瓶珊感?，在電子工業(yè)中廣泛應(yīng)鍍層?？筛纳瓶珊感裕陔娮庸I(yè)中廣泛應(yīng)用。用。耐熱鍍層：例如耐熱鍍層：例如Ni-W，Ni，Cr鍍層，熔點(diǎn)鍍層，熔點(diǎn)高，耐高溫。高，耐高溫。修復(fù)用鍍層：一些造價(jià)較高的易磨損件，或修復(fù)用鍍層

49、：一些造價(jià)較高的易磨損件，或加工超差件，采用電鍍修復(fù)尺寸，可節(jié)約本加工超差件，采用電鍍修復(fù)尺寸，可節(jié)約本錢，延長(zhǎng)使用壽命。例如可電鍍錢，延長(zhǎng)使用壽命。例如可電鍍Ni，Cr，F(xiàn)e層進(jìn)行修復(fù)。層進(jìn)行修復(fù)。鍍層按與基體金屬之間的電化學(xué)性質(zhì)分類陽(yáng)極性鍍層和陰極性鍍層陽(yáng)極性鍍層和陰極性鍍層凡鍍層相對(duì)于基體金屬的電位為負(fù)時(shí)，鍍凡鍍層相對(duì)于基體金屬的電位為負(fù)時(shí)，鍍層是陽(yáng)極，稱陽(yáng)極性鍍層，如鋼上的鍍鋅層是陽(yáng)極，稱陽(yáng)極性鍍層，如鋼上的鍍鋅層。層。鍍層相對(duì)于基體金屬的電位為正時(shí)，鍍層鍍層相對(duì)于基體金屬的電位為正時(shí)，鍍層呈陰極，稱陰極鍍層，如鋼上的鍍鎳層、呈陰極，稱陰極鍍層，如鋼上的鍍鎳層、鍍錫層等。鍍錫層等。鍍層

50、按組合形式分類鍍層按組合形式分類單層鍍層，如單層鍍層，如Zn或或Cu層；層；多層金屬鍍層，例如多層金屬鍍層，例如Cu-Sn/Cr，CuNiCr鍍層等；鍍層等；復(fù)合鍍層，如復(fù)合鍍層，如 Ni-Al2O3，Co-SiC等。等。 假設(shè)按鍍層成分分類，可分為：?jiǎn)我唤鸺僭O(shè)按鍍層成分分類，可分為：?jiǎn)我唤饘馘儗?、合金鍍層及?fù)合鍍層。屬鍍層、合金鍍層及復(fù)合鍍層。 如何合理選用鍍層首先要了解鍍層是否具有所要求的使用性能，然后首先要了解鍍層是否具有所要求的使用性能，然后按照零件的服役條件及使用性能要求，選用適當(dāng)?shù)陌凑樟慵姆蹢l件及使用性能要求，選用適當(dāng)?shù)腻儗樱€要按基材的種類和性質(zhì)，選用相匹配的鍍鍍層，還要按基

51、材的種類和性質(zhì)，選用相匹配的鍍層。例如陽(yáng)極性或陰極性鍍層，特別是當(dāng)鍍層與不層。例如陽(yáng)極性或陰極性鍍層，特別是當(dāng)鍍層與不同金屬零件接觸時(shí)，更要考慮鍍層與接觸金屬的電同金屬零件接觸時(shí)，更要考慮鍍層與接觸金屬的電極電位差對(duì)耐蝕性的影響，或摩擦副是否匹配。極電位差對(duì)耐蝕性的影響，或摩擦副是否匹配。另外要依據(jù)零件加工工藝選用適當(dāng)?shù)腻儗印＠玟X另外要依據(jù)零件加工工藝選用適當(dāng)?shù)腻儗?。例如鋁合金鍍鎳層，鍍后常需通過(guò)熱處理提高結(jié)合力，假合金鍍鎳層，鍍后常需通過(guò)熱處理提高結(jié)合力，假設(shè)是時(shí)效強(qiáng)化鋁合金，鍍后熱處理將會(huì)造成過(guò)時(shí)效。設(shè)是時(shí)效強(qiáng)化鋁合金，鍍后熱處理將會(huì)造成過(guò)時(shí)效。此外，要考慮鍍覆工藝的經(jīng)濟(jì)性。此外，要考慮

52、鍍覆工藝的經(jīng)濟(jì)性。二、 電鍍的根本原理電鍍是指在直流電的作用下，電解液中的金電鍍是指在直流電的作用下，電解液中的金屬離子復(fù)原，并沉積到零件外表形成有一定屬離子復(fù)原，并沉積到零件外表形成有一定性能的金屬鍍層的過(guò)程性能的金屬鍍層的過(guò)程電解液主要是水溶液，也有有機(jī)溶液和熔融電解液主要是水溶液，也有有機(jī)溶液和熔融鹽。從水溶液和有機(jī)溶液中電鍍稱為濕法電鹽。從水溶液和有機(jī)溶液中電鍍稱為濕法電鍍，從熔融鹽中電鍍稱為熔融鹽電鍍鍍，從熔融鹽中電鍍稱為熔融鹽電鍍非水溶液、熔融鹽電鍍雖已局部獲得工業(yè)化非水溶液、熔融鹽電鍍雖已局部獲得工業(yè)化應(yīng)用，但不普遍應(yīng)用，但不普遍 電沉積的根本條件電沉積的根本條件金屬離子以一定的

53、電流密度進(jìn)行陰極復(fù)原時(shí)，金屬離子以一定的電流密度進(jìn)行陰極復(fù)原時(shí)，原那么上，只要電極電位足夠負(fù)，任何金屬原那么上，只要電極電位足夠負(fù)，任何金屬離子都可能在陰極上復(fù)原，實(shí)現(xiàn)電沉積。離子都可能在陰極上復(fù)原，實(shí)現(xiàn)電沉積。但由于水溶液中有氫離子、水分子及多種其但由于水溶液中有氫離子、水分子及多種其它離子，使得一些復(fù)原電位很負(fù)的金屬離子它離子，使得一些復(fù)原電位很負(fù)的金屬離子實(shí)際上不可能實(shí)現(xiàn)沉積過(guò)程。實(shí)際上不可能實(shí)現(xiàn)沉積過(guò)程。所以金屬離子在水溶液中能否復(fù)原，不僅決所以金屬離子在水溶液中能否復(fù)原，不僅決定于其本身的電化學(xué)性質(zhì)，還決定于金屬的定于其本身的電化學(xué)性質(zhì)，還決定于金屬的復(fù)原電位與氫復(fù)原電位的相對(duì)大小。

54、復(fù)原電位與氫復(fù)原電位的相對(duì)大小。假設(shè)金屬離子復(fù)原電位比氫離子復(fù)原電位更假設(shè)金屬離子復(fù)原電位比氫離子復(fù)原電位更負(fù)，那么電極上大量析氫，金屬沉積極少。負(fù)，那么電極上大量析氫，金屬沉積極少。 金屬?gòu)?fù)原的可能性金屬?gòu)?fù)原的可能性 金屬離子復(fù)原析出的可能性是獲得鍍層的首要金屬離子復(fù)原析出的可能性是獲得鍍層的首要條件，而要獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的鍍層，還要有合理的鍍條件，而要獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的鍍層，還要有合理的鍍液組成和合理的工藝控制液組成和合理的工藝控制 三、電鍍?nèi)芤杭肮に嚳刂?1、鍍液構(gòu)成：主鹽主鹽+絡(luò)合劑絡(luò)合劑+導(dǎo)電鹽導(dǎo)電鹽+緩沖劑緩沖劑+陽(yáng)極活化劑陽(yáng)極活化劑+鍍鍍液穩(wěn)定劑液穩(wěn)定劑+特殊添加劑特殊添加劑1. 主鹽：

55、沉積金屬的鹽類，有單鹽，主鹽：沉積金屬的鹽類，有單鹽，如硫酸銅、硫酸鎳等；有絡(luò)鹽，如鋅酸如硫酸銅、硫酸鎳等；有絡(luò)鹽，如鋅酸鈉、氰鋅酸鈉等。鈉、氰鋅酸鈉等。2. 絡(luò)合劑：配合劑與沉積金屬離子形成絡(luò)合劑：配合劑與沉積金屬離子形成絡(luò)合物，改變鍍液的電化學(xué)性質(zhì)和金屬絡(luò)合物，改變鍍液的電化學(xué)性質(zhì)和金屬離離子沉積的電極過(guò)程，對(duì)鍍層質(zhì)量有很子沉積的電極過(guò)程，對(duì)鍍層質(zhì)量有很大影響，是鍍液的重要成分。常用絡(luò)合大影響，是鍍液的重要成分。常用絡(luò)合劑有氰化物、氫氧化物、焦磷酸鹽、酒劑有氰化物、氫氧化物、焦磷酸鹽、酒石酸鹽、氨三乙酸、檸檬酸等。石酸鹽、氨三乙酸、檸檬酸等。3. 導(dǎo)電鹽：其作用是提高鍍液的導(dǎo)電能力，導(dǎo)電鹽

56、：其作用是提高鍍液的導(dǎo)電能力，降低槽端電壓提高工藝電流密度降低槽端電壓提高工藝電流密度.例如鍍鎳?yán)珏冩囈褐屑尤艘褐屑尤薔a2SO4。導(dǎo)電鹽不參加電極反。導(dǎo)電鹽不參加電極反響，酸或堿類也可作為導(dǎo)電物質(zhì)。響，酸或堿類也可作為導(dǎo)電物質(zhì)。4. 緩沖劑。在弱酸或弱堿性鍍液中，緩沖劑。在弱酸或弱堿性鍍液中，pH值值是重要的工藝參量。加人緩沖劑，使鍍液是重要的工藝參量。加人緩沖劑，使鍍液具有自行調(diào)節(jié)具有自行調(diào)節(jié)pH值能力，以便在施鍍過(guò)程值能力，以便在施鍍過(guò)程中保持中保持pH值穩(wěn)定。緩沖劑要有足夠量才有值穩(wěn)定。緩沖劑要有足夠量才有較好的效果，一般加人較好的效果，一般加人3040gL，例如，例如氯化鉀鍍鋅溶液

57、中的硼酸。氯化鉀鍍鋅溶液中的硼酸。5. 陽(yáng)極活化劑。在電鍍過(guò)程中金屬離子被不斷消耗，陽(yáng)極活化劑。在電鍍過(guò)程中金屬離子被不斷消耗，多數(shù)鍍液依靠可溶性陽(yáng)極來(lái)補(bǔ)充，使金屬的陰極析多數(shù)鍍液依靠可溶性陽(yáng)極來(lái)補(bǔ)充，使金屬的陰極析出量與陽(yáng)極溶解量相等，保持鍍液成分平衡。加人出量與陽(yáng)極溶解量相等，保持鍍液成分平衡。加人活性劑能維持陽(yáng)極活性狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生鈍化，保持活性劑能維持陽(yáng)極活性狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生鈍化，保持正常溶解反響。例如鍍鎳液中必須加人正常溶解反響。例如鍍鎳液中必須加人Cl-，以防止，以防止鎳陽(yáng)極鈍化。鎳陽(yáng)極鈍化。6. 鍍液穩(wěn)定劑。許多金屬鹽容易發(fā)生水解，而許多鍍液穩(wěn)定劑。許多金屬鹽容易發(fā)生水解，而許多金屬

58、的氫氧化物是不溶性的。生成金屬的氫氧化物金屬的氫氧化物是不溶性的。生成金屬的氫氧化物沉淀，使溶液中的金屬離子大量減少，電鍍過(guò)程電沉淀，使溶液中的金屬離子大量減少，電鍍過(guò)程電流無(wú)法增大，鍍層容易燒焦。流無(wú)法增大，鍍層容易燒焦。7. 特殊添加劑。為改善鍍液性能和提高鍍層質(zhì)量，特殊添加劑。為改善鍍液性能和提高鍍層質(zhì)量，常需加人某種特殊添加劑。其參加量較少，一般只常需加人某種特殊添加劑。其參加量較少，一般只有幾克每升，但效果顯著。有幾克每升，但效果顯著。特殊添加劑光亮劑光亮劑可提高鍍層的光亮度?？商岣咤儗拥墓饬炼取＞Я＜?xì)化劑晶粒細(xì)化劑能改變鍍層的結(jié)晶狀況，細(xì)化晶能改變鍍層的結(jié)晶狀況，細(xì)化晶粒，使鍍層致

59、密。例如鋅酸鹽鍍鋅液中，添加環(huán)粒，使鍍層致密。例如鋅酸鹽鍍鋅液中，添加環(huán)氧氯丙烷與胺類的縮合物之類的添加劑，鍍層就氧氯丙烷與胺類的縮合物之類的添加劑，鍍層就可從海綿狀變?yōu)橹旅芏饬??？蓮暮＞d狀變?yōu)橹旅芏饬?。整平劑整平劑可改善鍍液微觀分散能力，使基體顯可改善鍍液微觀分散能力，使基體顯微粗糙外表變平整。微粗糙外表變平整。潤(rùn)濕劑潤(rùn)濕劑可以降低金屬與溶液的界面張力，使可以降低金屬與溶液的界面張力，使鍍層與基體更好地附著，減少針孔。鍍層與基體更好地附著，減少針孔。應(yīng)力消除劑應(yīng)力消除劑可降低鍍層應(yīng)力。可降低鍍層應(yīng)力。鍍層硬化劑鍍層硬化劑可提高鍍層硬度?？商岣咤儗佑捕?。掩蔽劑掩蔽劑可消除微量雜質(zhì)的影響?？?/p>

60、消除微量雜質(zhì)的影響。2、 金屬的電鍍過(guò)程 當(dāng)直流電通過(guò)兩電極及兩極間含金屬離子的電解液時(shí)，金屬離子在陰極上復(fù)原沉積成鍍層，而陽(yáng)極氧化將金屬轉(zhuǎn)移為離子。Cu2+(溶液內(nèi)部)Cu2+陰極外表Cu2+陰極外表+2e-Cu(金屬) 電鍍槽中電化學(xué)反響示意圖 金屬沉積過(guò)程金屬沉積過(guò)程1傳質(zhì)步驟：液相中的反響粒子金屬水傳質(zhì)步驟：液相中的反響粒子金屬水化離子或配合離子向陰極外表傳遞的步驟，化離子或配合離子向陰極外表傳遞的步驟，有電遷移、擴(kuò)散及對(duì)流三種不同方式。有電遷移、擴(kuò)散及對(duì)流三種不同方式。2前置化學(xué)步驟：研究說(shuō)明，直接參加陰前置化學(xué)步驟：研究說(shuō)明，直接參加陰極電化學(xué)復(fù)原反響的金屬離子往往不是金屬極電化學(xué)