表面處理知識1課件

表面處理技術1．基本概念2．在金屬防護方面的作用3．分類4、常用工藝及其目的5．原理6、生產工藝過程7、膜層結構特點及其防護機理/能力8、表面膜層的質量檢測技術目錄1．表面處理技術的基本概念表面處理技術表面工程學的一個方面?zhèn)戎赜诠に嚰夹g

是1．表面處理技術的基本概念通過表面處理技術來改變固體材料的表面形態(tài)、化學成分和組織結構，以獲得所需表面性能的系統(tǒng)工程.表面工程全過程表面層的設計表面層的選材表面處理工藝表層質量控制與監(jiān)測工程應用失效分析1．表面處理技術的基本概念綜合了材料科學、冶金學、物理、化學的最新成果，是一門正在迅速發(fā)展的新型學科。表面工程研究對象：固體材料表面層物理方法、化學方法、電化學方法、高真空方法、生物高分子方法加工方法：加工手段：涂裝、處理、擴散、固定化形成特殊功能表面覆蓋層，達到裝飾、防護、特殊功能（如耐磨、耐高溫、導電、絕緣）

目的作用：2．表面處理在金屬防護方面的作用

根據金屬腐蝕機理和腐蝕形態(tài)，腐蝕破壞離不開金屬材料和腐蝕介質以及二者之間的界面反應

指防止金屬腐蝕

金屬防護金屬材料腐蝕介質界面反應2．表面處理在金屬防護方面的作用防止金屬腐蝕的方法主要包括三個方面：2）改善腐蝕環(huán)境和介質避免腐蝕發(fā)生物體

產品干燥劑2．表面處理在金屬防護方面的作用隔離金屬與腐蝕介質的直接接觸抑制腐蝕過程防止金屬腐蝕的方法主要包括三個方面：3）應用表面涂覆層和電化學保護方法地下管道陰極保護產品

2．表面處理在金屬防護方面的作用

表面處理方法是在金屬表面覆蓋各種保護層，從而使金屬與腐蝕介質分開﹑或改變表面狀態(tài)，使基體金屬不受腐蝕。2．表面處理在金屬防護方面的作用金屬表面保護層的要求即金屬上涂覆層的基本性能1）結合強度－－要求結合牢固、附著力強2）孔隙率及密度－－膜層致密、完整無孔、不透介質3）耐蝕性－－在大氣、水、等介質中良好的穩(wěn)定性、抗腐蝕性4）硬度－－硬度高、耐磨5）在金屬表面分布均勻3．表面處理技術分類表面處理是一門涉及多種學科的工業(yè)技術按其使用的方法可大致分成五大類16種工藝分類工藝方法舉例電化學方法電鍍鍍鋅、鍍鎳

陽極氧化鋁合金陽極氧化、化學方法化學轉化膜處理磷化、鈍化、化學氧化、發(fā)藍、鉻酸鹽處理

化學鍍化學鍍鎳、化學鍍銅熱加工方法熱浸鍍熱浸鋅、熱浸鋁

熱噴涂熱噴涂鋅、熱噴涂鋁

熱燙印熱燙印鋁箔

化學熱處理滲氮、滲碳

堆焊堆焊耐磨合金真空法物理氣相沉積（PVD）蒸發(fā)鍍、濺射鍍、離子鍍

化學氣相沉積（CVD）氣相沉積氧化硅或氮化硅

離子注入注硼其它方法涂裝噴漆、噴粉／（有多種方式，如靜電、電泳等）

激光表面處理激光淬火、激光重熔

沖擊鍍沖擊鍍鋅

超硬膜處理金剛石薄膜、立方氮化硼薄膜4、常用工藝及其目的工藝技術成熟度高，設備要求比較簡單，適用面廣，生產成本較低。工藝化學轉化膜陽極氧化電鍍涂裝

4、我公司所用工藝及其目的應用的目的防腐蝕裝飾導電耐磨5．表面處理技術的原理5.1電鍍原理電鍍是一個電化學過程也是一種氧化－還原過程5.1電鍍原理電鍍時，工件作為陰極、鍍層材料（金屬或合金）作為陽極，一同浸入電解液中、并通入直流電。陽極化的電極與電鍍相反：工件為陽極、其它金屬為陰極電鍍裝置必須包括三部分：1）外電路2）電鍍溶液3）與鍍液接觸的兩個電極5.1電鍍原理電鍍層的生長過程5．表面處理技術的原理5.2表面轉化金屬的表面轉化是指采用化學處理液使金屬表面與溶液界面上產生的化學或電化學反應、生成穩(wěn)定的化合物薄膜的處理過程按照轉化過程中是否存在外加電流，分為：化學轉化電化學轉化（即陽極氧化）5.2.1陽極氧化機理5.2表面轉化陽極氧化與電鍍過程一樣，也是一個氧化還原反應過程。只是工件所處極性與電鍍相反。當有外加電流時，溶液中的水分子被電解、同時產生初生態(tài)的[O]，氧原子立即在陽極與金屬材料（如鋁）表面發(fā)生化學氧化反應，生成氧化膜5.2.1陽極氧化機理5.2表面轉化氧化膜的生長過程包含兩個方面膜的電化學生成過程膜的化學溶解過程只有膜層的生成速度恒大于溶解速度時，才能獲得較厚的氧化膜5.2.2化學轉化膜5.2表面轉化按成膜的主要組成物類型氧化物膜鉻酸鹽膜磷酸鹽膜等等按生產習慣氧化膜鈍化膜著色膜磷化膜分類5.2.2化學轉化膜5.2表面轉化是鐵與含有錳、鐵、鋅等的磷酸鹽溶液產生化學反應，在表面生成一層難溶于水的磷酸鹽保護膜。華為鋁零件的化學氧化是實際上應該是鋁的鉻酸鹽轉化膜?；瘜W氧化鋼鐵磷化5.2.2化學轉化膜5.2表面轉化化學轉化所需設備簡單、操作方便、生產效率高、成本低，適用范圍廣，尤其適用于大型零件、組合件、以及難以用電化學方法獲得完整膜層的復雜零件（如細長管、點焊件、鉚接件等）。

5．表面處理技術的原理5.3涂裝利用高分子涂料作原料，采用各種涂裝方法使其附著到制品表面，生成具有各種特性的固著膜層（涂層）?，F(xiàn)代稱作高分子涂裝技術5.3涂裝按施工方法分類浸涂法手工噴涂法淋涂法電泳涂裝靜電噴涂粉末涂裝卷材輥涂法……5.3涂裝這兩種噴涂法油漆均可采用而粉末則只用靜電噴涂空氣噴涂法靜電噴涂我們的加工廠所用：油漆粉末5.3涂裝5.3.1空氣噴涂原理傳統(tǒng)的空氣噴涂是利用壓縮空氣將流體吹散成霧狀后附著于被涂物表面。

5.3涂裝5.3.1空氣噴涂原理適用性極廣，對任何復雜工件、任何液體涂料幾乎都能適用5.3涂裝5.3.2靜電噴涂原理靜電噴涂是利用靜電場對電荷的作用原理而實現(xiàn)的適用于工件外形不太復雜而且大批量生產的流水線作業(yè)5.3涂裝5.3.2靜電噴涂原理以接地的工件為陽極，接上負高電壓的靜電噴槍使涂料霧化并帶負電荷，與工件間形成高壓靜電場，在電場力的作用下，涂料粒子迅速飛向異極性的工件表面，在工件表面放電，使靜電消失，涂料便均勻而牢固地沉積在工件表面，形成了均勻的涂膜。5.3í?×°5.3.2靜電噴涂原理5．表面處理技術的原理由于電流分布規(guī)律，電化學處理膜層表面結構會放大基體材料表面的缺陷6、生產工藝過程所有表面處理工藝都至少包含三個基本步驟：前處理成膜過程烘烤/固化有些工藝在成膜后還有一個工序后處理6、生產工藝過程6.1電鍍--------鋼、銅、鋅合金材料電鍍清潔干燥水洗電鍍水洗后處理水洗浸蝕水洗裝掛除油拆卸6.1電鍍--------鋼、銅、鋅合金材料電鍍清潔手工清潔處理：清除大量的油污、污物，以及厚實的氧化皮裝掛：保持溶液流動順暢，零件方向避免形成斊鼣，位置和數(shù)量利于鍍層均勻沉積、不影響鍍層質量裝掛6.1電鍍--------鋼、銅、鋅合金材料電鍍化學/電解除油：清除表面油脂，使表面達到斔げ黃茢狀態(tài)一般利用酸液對金屬表面進行溶解腐蝕，去除表面氧化膜和銹蝕產物，也可提高表面光澤度除油浸蝕6.1電鍍--------鋼、銅、鋅合金材料電鍍在零件表面沉積上金屬膜層1）鈍化---------在鍍層金屬表面形成一層薄而致密的化學轉化膜，加強抗蝕能力；2）封閉--------機械方法在鍍層孔隙中填充進微?？捎袡C物分子，同樣是加強保護作用。電鍍后處理6.1電鍍--------鋼、銅、鋅合金材料電鍍一般通過加溫烘烤，使零件表面的水份蒸發(fā)干燥；同時可使鈍化膜等固化、穩(wěn)定。干燥6、生產工藝過程6.2鋁材陽極氧化/化學氧化清潔干燥水洗陽極氧化水洗著色水洗浸蝕水洗裝掛除油拆卸水洗封閉化學氧化66.3噴涂鋅基合金磷化/電鍍氧化噴砂24h內噴涂鋼件鋁件8h內噴涂6.3噴涂裝掛化學除油水洗浸蝕手工清潔處理磷化流程磷化水洗干燥拆卸水洗電解板6.3噴涂噴漆流程調漆噴底漆局部保護烘烤刮膩子噴面漆烘烤打磨噴底漆烘烤前處理6.3噴涂噴粉流程前處理局部保護噴粉固化打磨刮膩子7、膜層結構特點及其防護機理與防護能力各種表面膜層的結構不盡相同，其對基體材料的保護機理各式各樣。電化學保護的機理是：金屬原電池中陽極腐蝕、而陰極受保護。因此電鍍層類別中又有陽極性鍍層和陰極性鍍層之分機械保護的原理隔離腐蝕介質與基體材料直接接觸、而起到的保護屏蔽作用。7、膜層結構特點及其防護機理與防護能力電化學保護陰極陽極eeMeeMe+腐蝕介質eD-D7、膜層結構特點及其防護機理與防護能力7.1鍍鋅層由于鋅相對于鐵基體為陽極性鍍層，在有電解液存在時，鋅層為陽極，先發(fā)生腐蝕，從而鋼基體受到了保護鈍化膜鍍鋅層鋼基材鍍層中存在微孔鈍化膜是致密的7、膜層結構特點及其防護機理與防護能力7.1鍍鋅層當鋅層全部腐蝕完后，基體鋼鐵發(fā)生腐蝕，即出現(xiàn)紅色銹蝕物當鈍化膜被腐蝕穿底后，發(fā)生鋅層的腐蝕、氧化，即出現(xiàn)白色粉狀物。首先是鈍化膜產生腐蝕變化（即變黑）；在遭遇腐蝕介質時：7、膜層結構特點及其防護機理與防護能力7.1鍍鋅層鋅鍍層可達到336至500小時以上鋼基材才出現(xiàn)銹蝕彩色鈍化膜可達到96小時以上不出現(xiàn)腐蝕跡象鹽霧試驗7、膜層結構特點及其防護機理與防護能力7.2鋼上的鍍鎳層鎳鍍層相對于鐵是陰極性鍍層，只有當其無孔隙時才具有良好的保護性。當鍍層達到一定厚度時，孔隙率會降低；增加銅底層，也可減少孔隙率；鍍多層鎳，可提高耐蝕性。鋼基材鎳鍍層銅鍍層7、膜層結構特點及其防護機理與防護能力7.2鋼上的鍍鎳層在光滑表面上鎳層約20微米就沒有孔隙但在粗糙表面上需要更厚的鎳鍍層耐蝕性表面光潔度基體金屬種類電鍍工藝因素7、膜層結構特點及其防護機理與防護能力7.2鋼上的鍍鎳層當鍍鎳層沒有孔隙時，則一般會長期保持鎳層外觀而不發(fā)生腐蝕變化。當鹽霧試驗能通過CASS試驗8小時（中性鹽霧試驗一般為48-72小時）時，就具有良好的保護作用了。7、膜層結構特點及其防護機理與防護能力7.2鋼上的鍍鎳層若出現(xiàn)腐蝕，即是鋼鐵基體的腐蝕物紅銹（或底層銅的綠色腐蝕物）鋼基材鎳鍍層銅鍍層7、膜層結構特點及其防護機理與防護能力7.3銅上鍍鎳層鎳相對于銅是陽極性鍍層。但若鍍層太薄，孔隙率太大，底層銅易發(fā)生氧化而導致變色（黑色或綠色）。7、膜層結構特點及其防護機理與防護能力7.4陽極氧化膜鋁的陽極氧化膜是一層多孔膜，必須進行封閉處理，著色或封閉時可以有水分子或染色劑分子或其它鹽類分子沉積在孔隙底部，起到封孔的作用，從而隔絕了鋁與空氣接觸、提高了抗蝕性。7、膜層結構特點及其防護機理與防護能力7.4陽極氧化膜膜層厚度一般為5-20微米，耐蝕性好，硬度高，絕緣。一般能抵抗240小時以上的中性鹽霧試驗﹐最高可通過500小時鹽霧試驗

若出現(xiàn)腐蝕，則是鋁基體材料的腐蝕物：白色產物7、膜層結構特點及其防護機理與防護能力7.5化學氧化膜致密，導電；但薄，耐蝕性不如陽極化膜鋁上的化學氧化膜至少應通過100小時的鹽霧試驗，彩色膜可通過168小時。若出現(xiàn)腐蝕，首先是保護膜發(fā)生變化，一般是出現(xiàn)黑色傾向；當保護膜被穿透后，鋁基材腐蝕，出現(xiàn)白色產物。7、膜層結構特點及其防護機理與防護能力7.6磷化膜鋼的磷化膜是顯微孔隙結構，因此對油漆等有機涂層具有良好的吸附作用，但其耐蝕性較差，對鋼基體的保護作用較弱。磷化膜的鹽霧試驗一般只能通過2小時左右。出現(xiàn)腐蝕時，直接是鋼鐵材料的銹蝕，首先顏色變黃，嚴重時產生紅色腐蝕物。7、膜層結構特點及其防護機理與防護能力7.7油漆涂層油漆對底材是一種機械保護作用，其關鍵在于膜層中不能有孔隙，必須在基體材料上附著牢固。底漆的作用是加強油漆與金屬基體的附著力，面漆主要起保護及裝飾作用。只有當油漆層達到涂料本身規(guī)定的厚度時，涂層才具有規(guī)定的各項性能。

7、膜層結構特點及其防護機理與防護能力7.7油漆涂層普通油漆層的防護能力應該達到鹽霧試驗500小時以上不出現(xiàn)基體材料腐蝕。戶外使用的應通過1000小時。出現(xiàn)腐蝕即是基體材料的腐蝕，鋼件出現(xiàn)紅、黃色銹跡，鋁或鋅材料出現(xiàn)白色腐蝕物。7、膜層結構特點及其防護機理與防護能力7.8粉末涂層與油漆的作用和性能一樣。同樣是在規(guī)定厚度才能消除涂層孔隙、達到各項性能指標。耐蝕性指標以及出現(xiàn)腐蝕的現(xiàn)象都與油漆涂層一樣。8、表面膜層的質量檢測技術8.1膜層厚度測量定義：膜層厚度是指兩個不完全平整的平行平面之間的距離，是個幾何概念。由于實際上存在的表面是不平整和不連續(xù)的，而且膜層內還可能存在著氣孔、雜質、晶格缺陷和表面吸附分子等，所以嚴格地定義和精確地測量膜厚實際上是很困難的。不管用哪種方法，都是一個平均值，而且是包含了雜質、缺陷以及吸附分子在內的膜厚值。8.1膜層厚度測量氣孔晶粒界面空穴、晶格缺陷假想膜層剖面8.1膜層厚度測量測量方法分成：1）破壞性測量測量時膜層和基材同時受到破壞，或者僅膜層受到破壞。2）非破壞性測量測量時膜層與基材均未受到破壞。通常是根據表面信息間接地求出厚度，如通過測定其磁化率和導電度求出厚度。8.1膜層厚度測量常用厚度測量法的種類與特點方法

原理或特點厚度范圍及精度破壞性測量顯微鏡法（金相法）取樣、拋光、浸蝕后用顯微鏡測定橫斷面膜層厚度。是標準試驗方法。操作比較復雜，要求技術熟練?？蛇M行小件的測定。最小誤差±0.8um;光學顯微鏡適合2um以上膜層；掃描電鏡可測量到0.01um

電解法（庫侖計法）使用適合于膜層與基體的電解液，對一定面積的膜層進行恒電流陽極電解，根據溶解膜層的時間求出厚度?？梢詼y定多層膜各層的厚度。但不能測定小件及復雜零件的厚度。測量范圍0.5-300um。厚度1-30um時誤差為±5％。

點滴及液流法對膜層進行化學溶解，根據溶解需要的時間或液流的體積求出厚度。裝置簡單、操作簡便。誤差大，測量薄層時高達30％

析出量（附著量）測量法（質量法）測定單位面積膜層的析出量（附著量），計算出膜層平均厚度。稱重法，精度小于5％

測微計測量測定選定部位基體與膜層的總厚度，退膜后再測定同一部位基體的厚度，根據二者差值求出厚度。

8.1膜層厚度測量常用厚度測量法的種類與特點測量面積可小至0.05mm2；測量厚度在15um以內測量方法

原理或特點厚度范圍及精度非破壞性測量磁性法測定傳感器與基體之間的磁引力或磁阻的變化，根據變化值換算成厚度。測定對象：強磁性基體上的非磁性膜層和磁性或非磁性基體上的鎳鍍層（特殊儀器或探頭）根據工作原理，分為：磁力法、場強法、矯頑力法和磁感應法（即磁阻法，普遍用）常用測量范圍：5-750um。測量精度取決于試件及儀器的設計和校準，除低于5um的膜層外，一般精度在10％以內，帶微機的電磁法測量儀可高達±1％。

渦流法探測器內裝有通以高頻電流的線圈，當靠近導體時，將產生渦流，通過測定流經線圈的電流變化，間接測定厚度。測量范圍1-1000um。測量精度±1％。

β射線法通過測量射線的穿透量或反散射量，求出膜層厚度，膜層金屬原子序數(shù)和基體的原子序數(shù)差別夠大時，就可以進行測量。對于貴金屬鍍層的測定利用價值高。測量面積可小至0.2mm2；根據不同原子序數(shù)可測量的厚度范圍不同，如金可達50um，原子序數(shù)小的銅或鎳可達300um

熒光X射線法照射X射線，測定熒光X射線強度，換算出膜層厚度。與射線法比較，中間膜層厚度變化影響小，測定厚度與面積也可在較廣的范圍內選擇。

測微計測量用測微器測量電鍍前后的尺寸差，求出膜層的厚度。

觸針法

精度約5％8、表面膜層的質量檢測技術8.2膜層表面粗糙度的檢驗定義：表面粗糙度是指表面微觀不平度高度的算術平均值測定方法接觸法非接觸法觸針式比較法光學式樣板對照法光反射法光切斷法光干涉法8.2膜層表面粗糙度的檢驗檢測中的注意事項1）測量方向：表面粗糙度值，是在垂直于被測表面的法向剖面、即垂直于加工刀紋的剖面上測量的。2）測量部位；應選擇有代表性的一處或幾處進行檢測。3）表面缺陷；針孔、麻點、毛刺等不計入粗糙度數(shù)值內。4）取樣長度：應規(guī)定，以防止形狀誤差和波紋度對測量結果的影響8、表面膜層的質量檢測技術8.3膜層的硬度檢測常作為膜層耐磨性應用的首要指標顯微硬度：載荷低于5-10N的硬度稱作顯微硬度（國際標準規(guī)定2N以下）硬度是膜層材料抵抗外來物體擠壓變形的能力8、表面膜層的質量檢測技術8.4膜層結合強度的檢測多數(shù)測量方法都是破壞