1、金 屬 材 料 表 面 處 理 技 術(shù),DT(I) SQA,品管進(jìn)階培訓(xùn)講座,1基本概念 2表面處理在金屬防護(hù)方面的作用 3表面處理技術(shù)分類 4常用工藝及其目的 5表面處理原理 6生産工藝過程 7膜層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其防護(hù)機(jī)理/能力 8表面膜層的質(zhì)量檢測技術(shù) 9公司表面實(shí)驗(yàn)室其它測試,總目錄,1表面處理技術(shù)的基本概念,表面處理技術(shù),表面工程學(xué)一個方面,偏重于工藝技術(shù),是,A不同工藝方法,對表面塗裝處理改性,特殊功能表面層,B表面工程內(nèi)涵,通過表面處理技術(shù)來改變固體材料的表面形態(tài)、化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，以獲得所需表面性能的系統(tǒng)工程.,表面工程,表面層的設(shè)計(jì),表面層的選材,表面處理工藝,表層質(zhì)量控制與監(jiān)測

2、,工程應(yīng)用,失效分析,C表面處理研究對象/方法/手段/目的,綜合了材料科學(xué)、冶金學(xué)、物理、化學(xué)的最新成果，是一門正在迅速發(fā)展的新型學(xué)科。,表面工程,2表面處理在金屬防護(hù)方面的作用,A根據(jù)金屬腐蝕機(jī)理和腐蝕形態(tài)，腐蝕破壞離不開金屬材料腐蝕介質(zhì)及二者之間的界面反應(yīng),指防止金屬腐蝕,金屬防護(hù),B防止金屬腐蝕的方法主要包括三個方面,1）研制新材料、改善材料的組織和表面狀態(tài),提高材料的抗蝕性能,2）改善腐蝕環(huán)境和介質(zhì),避免腐蝕發(fā)生,a.隔離金屬與腐蝕介質(zhì)的直接接觸 抑制腐蝕過程,3）應(yīng)用表面涂覆層和電化學(xué)保護(hù)方法,b.改變表面狀態(tài),使基體金屬不受腐蝕.,C.覆蓋法,在金屬表面覆蓋一層金屬或非金屬物,而使

3、金屬與腐蝕環(huán)境隔離,D.金屬表面保護(hù)層的要求,即金屬上涂覆層的基本性能,1）結(jié)合強(qiáng)度要求結(jié)合牢固、附著力強(qiáng),2）孔隙率及密度膜層致密、完整無孔、不透介質(zhì),3）耐蝕性在腐蝕環(huán)境中有良好的穩(wěn)定性、抗腐蝕性,4）硬度硬度高、耐磨好,5）在金屬表面分布均勻,3表面處理技術(shù)分類,表面處理是一門涉及多種學(xué)科的工業(yè)技術(shù) 按其使用的方法可大致分成五大類16種工藝,金屬保護(hù)層 非金屬保護(hù)層,表面保護(hù)層分類,按結(jié)構(gòu)特點(diǎn),電鍍層屬于金屬保護(hù)層，氧化、化學(xué)轉(zhuǎn)化、噴涂膜層屬于非金屬保護(hù)層,按組成成分,除油漆和粉末涂層外，其它保護(hù)層都是無機(jī)涂層,無機(jī)膜層 有機(jī)膜層,4、常用工藝及其目的,工藝技術(shù)成熟度高，設(shè)備要求比較簡單

4、，適用面廣， 生產(chǎn)成本較低。,工藝,應(yīng)用目的,1鍍覆層選擇,陽極鍍層比底材電位低的金屬鍍層作為陽極(被 氧化)其完整性破壞后可借助電化學(xué)作用 保護(hù)基體其防護(hù)性能主要取決于鍍層厚度 陰極鍍層比底材電位高的金屬鍍層作為陰極(被 還原)只能機(jī)械性保護(hù)基體其完整性破壞 后將加速基體腐蝕其防護(hù)性能取決于孔 隙率和厚度,鍍覆層選擇原則 （1）零件材料狀態(tài)結(jié)構(gòu)尺寸公差 （2）零件使用環(huán)境（溫度濕度大氣） （3）鍍覆目的和要求（耐蝕耐磨裝 飾性等） （4）各層金屬之間的接觸腐蝕程度 （5）鍍覆層特性應(yīng)用範(fàn)圍特殊要求,常用鍍層及一般厚度 鋼鍍鋅(58m)鍍銅(812m)/鎳(812m) 鍍銅 (1218m)/鎳

5、(812m)/裝飾鉻(0.52m) 鍍銅(58m)/錫(58m) ,化學(xué)鍍鎳(58m) 鍍硬鉻(13m) 銅鍍鎳(35m)鍍硬鉻(13m) 鍍鎳(5 8m)/裝飾鉻(0.52m) 鍍錫(35m) 鍍鋅 鋁氧化鍍鋅(58m) ,化學(xué)鍍鎳(812m) 鎂化學(xué)氧化陽極氧化(1060m),2陽極氧化和化學(xué)氧化區(qū)別,5表面處理技術(shù)的原理,5.1 電鍍原理電鍍是一個電化學(xué)過程也是 一種氧化還原過程,在外電流（直流電）作用下，電解質(zhì)溶液中的金屬離子（或絡(luò)離子）遷移到陰極表面、發(fā)生還原反應(yīng)并形成新相（電結(jié)晶），這一過程叫作“金屬的電沉積；,當(dāng)電解質(zhì)溶液為水溶液時就叫“電鍍”,陰極表面所得到的金屬結(jié)晶層即為電鍍

6、保護(hù)層。,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。,電鍍裝置必須包括三部分： 1）外電路 2）電鍍?nèi)芤?3）與鍍液接觸的兩個電極,電鍍層的生長過程,薄,漲厚,完成,5.2 表面轉(zhuǎn)化,金屬的表面轉(zhuǎn)化是指采用化學(xué)處理液使金屬表面與溶液界面上產(chǎn)生的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)生成穩(wěn)定的化合物薄膜的處理過程,按照轉(zhuǎn)化過程中是否存在外加電流，分為： 化學(xué)轉(zhuǎn)化 電化學(xué)轉(zhuǎn)化（即陽極氧化）,5.2.1 陽極氧化,陽極氧化與電鍍過程一樣，也是氧化還原反應(yīng)。只是工件所處極性與電鍍相反即為陽極。,當(dāng)有外加電流時溶液中的水分子被電解同時產(chǎn)生初生態(tài)的O氧原子立即在陽極與金屬材料（如鋁）

7、表面發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧化膜,工件,氧化膜的生長過程包含兩個方面,膜的電化學(xué)生成過程 膜的化學(xué)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,氧化膜的生長過程,由于電流分布規(guī)律，電化學(xué)處理膜層表面結(jié)構(gòu)會放大基體材料表面的缺陷,5.2.2 化學(xué)轉(zhuǎn)化,化學(xué)轉(zhuǎn)化膜是金屬與溶液中物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化物等而在金屬表面附著所成的薄膜,5.2.2 化學(xué)轉(zhuǎn)化膜,5.2.2 化學(xué)轉(zhuǎn)化膜（續(xù)）,是鐵與含有錳鐵鋅等的磷酸鹽溶液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)在表面生成一層難溶于水的磷酸鹽保護(hù)膜,鋁零件的化學(xué)氧化實(shí)際上應(yīng)該是鋁的鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜,化學(xué)轉(zhuǎn)化所需設(shè)備簡單操作方便生產(chǎn)效率高成本低，適用范圍廣，尤其適用于大型零

8、件組合件、以及難以用電化學(xué)方法獲得完整膜層的復(fù)雜零件（如細(xì)長管、點(diǎn)焊件、鉚接件等）,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）,現(xiàn)代稱作,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,這兩種噴涂法油漆均可采用 而粉末只用靜電噴涂,空氣噴涂法,靜電噴涂,5.3.1 空氣噴涂原理,傳統(tǒng)的空氣噴涂 利用壓縮空氣將流體吹散成霧狀后附著于被涂物表面。 適用性極廣，對任何復(fù)雜工件、任何液體涂料幾乎都能適用,5.3.2 靜電噴涂原理,利用靜電場對電荷的作用而實(shí)現(xiàn) 適用于工件外形不太復(fù)雜大批量生產(chǎn)的流水線作業(yè)

9、1）以接地的工件陽極接上負(fù)高電壓的靜電噴槍 2）使涂料霧化并帶負(fù)電荷與工件間形成高壓靜電場 3）在電場力的作用下涂料粒子迅速飛向異極性的工件表面 4）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,5.3.2 靜電噴涂示意圖,工件,噴槍,涂料霧化,電源,6、生產(chǎn)工藝過程,所有表面處理工藝都至少包含三個基本步驟：,有些工藝在成膜后還有一個工序,6.1 電鍍鋼銅鋅合金材料被電鍍,手工清潔處理： 清除大量的油污、污物，及厚實(shí)的氧化皮,裝掛 ：零件方向保持溶液流動順暢，零件位置和數(shù)量利于鍍層均勻沉積、不影響鍍層質(zhì)量,化學(xué)/電解 除油 ： 清除表面油脂，使表面容易電鍍,用酸液

10、對金屬表面進(jìn)行溶解腐蝕，去除表面氧化膜和鏽蝕產(chǎn)物，提高表面光澤度,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(xué)轉(zhuǎn)化膜，加強(qiáng)抗腐蝕能力； 2）封閉-機(jī)械方法在鍍層孔隙中填充微粒如有機(jī)物分子，同樣是加強(qiáng)保護(hù)作用,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。,6.2 鋁材陽極氧化/化學(xué)氧化,6.3 噴涂,鋅基合金,鋼件,鋁件,噴涂前處理,磷化流程,1噴漆流程,2.噴粉流程,7、膜層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其防護(hù)機(jī)理/能力,各種表面膜層的結(jié)構(gòu)不盡相同，其對基體材料的保護(hù)機(jī)理各式各樣。,電化學(xué)保護(hù)機(jī)理 金屬原電池中陽極腐蝕、而陰極受保護(hù) 因此電鍍層類別中又有陽極

11、性鍍層和陰極性鍍層,機(jī)械保護(hù)原理 隔離腐蝕介質(zhì)與基體直接接觸、而起到保護(hù)屏蔽作用,7.1 電化學(xué)保護(hù),1. 鋼上鍍鋅層,由于鋅相對于鐵基體為陽極性鍍層，在有電解液存在時先發(fā)生腐蝕，從而保護(hù)鋼基體,鈍化膜,鍍鋅層,鋼基材,鍍層有微孔 鈍化膜致密,C當(dāng)鋅層全部腐蝕完后,鋼基體發(fā)生腐蝕,出現(xiàn)紅銹.,B當(dāng)鈍化膜被腐蝕穿底后,發(fā)生鋅層的腐蝕、氧化, 出現(xiàn)白色粉狀物.,A鈍化膜產(chǎn)生腐蝕變黑,在遭遇腐蝕介質(zhì)時：,A,B,C,正常鍍鋅,鍍鋅層可達(dá)到336至500小時鋼基材出現(xiàn)鏽蝕,彩色鈍化膜可達(dá)到96小時以上不腐蝕,鹽霧試驗(yàn),特別注意,7.2 鋼上的鍍鎳層,1不致密鎳鍍層相對于鐵是陰極性鍍層 只有當(dāng)其無孔隙時

12、才具有良好的保護(hù)性 2太薄當(dāng)鍍層達(dá)到一定厚度時孔隙率會降低 3未鍍銅底增加銅底層也可減少孔隙率 4鍍多層鎳可提高耐腐蝕性,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,當(dāng)鍍鎳層沒有孔隙時，一般會長期保持鎳層外觀而不發(fā)生腐蝕變化 當(dāng)鹽霧試驗(yàn)?zāi)芡ㄟ^CASS試驗(yàn)8小時（中性鹽霧試驗(yàn)一般為48-72小時）,就具有良好保護(hù)作用.,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）,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(dǎo)致變色（黑色或綠色）,7.4 陽極氧化膜,鋁的陽極氧化膜是一層多孔膜，必須進(jìn)行封閉處理著色或封閉時可以有

13、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、提高了抗腐蝕性。,鋁基材,多孔氧化膜,著色或封閉 分子沉積,陽極氧化膜特點(diǎn),膜層厚度一般為5-20微米耐腐蝕性好硬度高絕緣,一般能抵抗240小時以上的中性鹽霧試驗(yàn) 最高可通過500小時鹽霧試驗(yàn),若出現(xiàn)腐蝕則是鋁基體材料的腐蝕物：白色產(chǎn)物,7.5 化學(xué)氧化膜,致密，導(dǎo)電；但薄，耐腐蝕性不如陽極化膜,鋁上的化學(xué)氧化無色膜至少通過100小時的鹽霧試驗(yàn)彩色膜可通過168小時。,若腐蝕首先是保護(hù)膜發(fā)生變化，一般是出現(xiàn)黑色傾嚮 當(dāng)保護(hù)膜被穿透后，鋁基材腐蝕，出現(xiàn)白色產(chǎn)物,鋁基材,化學(xué)氧化膜,7.6 磷化膜,鋼的磷化膜是

14、顯微孔隙結(jié)構(gòu)，因此對油漆等有機(jī)涂層具有良好的吸附作用，但其耐腐蝕性較差，對鋼基體的保護(hù)作用較弱 磷化膜的鹽霧試驗(yàn)一般只能通過2小時左右 出現(xiàn)腐蝕時，直接是鋼鐵材料的鏽蝕，首先顏色變黃，嚴(yán)重時產(chǎn)生紅色腐蝕物,7.7 油漆涂層,油漆對底材是機(jī)械保護(hù)關(guān)鍵在膜層中不能有孔隙必須在基體材料上附著牢固,1.底漆加強(qiáng)油漆與金屬基體附著力; 2.面漆保護(hù)及裝飾作用; 3.只有當(dāng)油漆各層達(dá)到涂料本身規(guī)定的厚度時涂層才 具有規(guī)定的各項(xiàng)性能,普通油漆層的防護(hù)能力應(yīng)該達(dá)到鹽霧試驗(yàn)500小時以上不出現(xiàn)基體材料腐蝕(戶外使用應(yīng)通過1000小時),出現(xiàn)腐蝕即是基體材料的腐蝕鋼件出現(xiàn)紅黃色鏽跡鋁或鋅材料出現(xiàn)白色腐蝕物,7.8

15、 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(dá)到各項(xiàng)性能指標(biāo),耐蝕性指標(biāo)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(zhì)量檢測技術(shù),8.1 膜層厚度測量,A定義：膜層厚度是指兩個不完全平整的平行 面之間距是個幾何概念,由于實(shí)際表面不平整和不連續(xù)，而且膜層內(nèi)還可能存在著氣孔、雜質(zhì)、晶格缺陷和表面吸附分子等，所以嚴(yán)格定義和精確測量膜厚實(shí)際上很困難 不管用哪種方法，都是一個平均值，而且是包含了雜質(zhì)、缺陷以及吸附分子在內(nèi)的膜厚值。,B假想膜層剖面,C測量方法分成： 1）破壞性測量 膜層和基材同時受到破壞，或僅膜層受到破壞 2）非破壞性測量 膜層與基材均未受到破壞 通常根據(jù)表

16、面信息間接求出厚度如通過測定其 磁化率和導(dǎo)電度求出厚度,常用厚度測量法的種類與特點(diǎn)-破壞性法,非破壞性法,8.2 膜層表面粗糙度的檢驗(yàn),表面粗糙度是指表面微觀不平高度的算術(shù)平均值,測定方法,接觸法,非接觸法,觸針式,比較法,光學(xué)式,樣板對照法,光反射法 光切斷法 光干涉法,檢測中的注意事項(xiàng),1）測量方向 垂直于被測表面的法向剖面即垂直加工刀紋的剖面 2）測量部位 選擇有代表性的一或幾處進(jìn)行檢測 3）表面缺陷 針孔、麻點(diǎn)、毛刺等不計(jì)入粗糙度數(shù)值 4）取樣長度 應(yīng)規(guī)定以防止形狀誤差和波紋度對測量結(jié)果影響,8.3 膜層的硬度檢測,縣微硬度：載荷低于5-10N的硬度 （國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定2N以下）,硬度是膜

17、層材料抵抗外來物擠壓變形的能力 常作膜層耐磨性應(yīng)用的首要指標(biāo),8.4 膜層結(jié)合強(qiáng)度的檢測,多數(shù)測量方法都是破壞性的常用如下,結(jié)合力 附著力,1）使膜發(fā)生局部變形的方法摩擦法 2）使基材發(fā)生變形的方法彎曲法 3）使用粘接劑的方法百格膠帶法 4）其它淬火法,劃痕法（百格膠帶法） 彎曲法 熱震法 摩擦拋光法 剝離法 纏繞法 銼刀法 .,8.5 膜層孔隙率的檢測,孔隙率是膜層到基體通道中單位面積上氣孔的數(shù)目 大多用化學(xué)方法測定： 貼濾紙法、涂膏法、浸漬法等,8.6 膜層耐蝕性的檢測,鹽霧試驗(yàn) 腐蝕膏試驗(yàn) 濕熱試驗(yàn) 周浸試驗(yàn) SO2腐蝕試驗(yàn) H2S腐蝕試驗(yàn) 大氣暴曬試驗(yàn),中性鹽霧 NSS,乙酸鹽霧 AA

18、SS,銅加速乙酸鹽霧 CASS,NaCl 505g/l,溶液,352,pH,6.5-7.2,溫度,增加冰乙酸,3.1-3.3,352,再加入CuCl2H2O 0.260.02g/l,3.1-3.3,502,試驗(yàn)報告中應(yīng)包括以下內(nèi)容,1所依據(jù)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)號 2所用鹽和水的類型 3被測材料或產(chǎn)品的類型 4試樣的尺寸、形狀、試樣面積和表面狀態(tài) 5試樣的制備，包括試驗(yàn)前的清洗和對試樣邊緣或 其它特殊區(qū)域的保護(hù)措施 6膜層的已知特征及表面處理說明 7試樣數(shù)量,8試驗(yàn)后的清洗方法 9試樣放置角度 10試驗(yàn)周期及中間檢查結(jié)果 11試驗(yàn)溶液和pH值 12試驗(yàn)溫度 13收集液的密度 14影響試驗(yàn)結(jié)果的意外情況 15檢查的時間間隔,8.7 其它,膜層及界面的形貌表面分析,膜層及界面的成分與結(jié)構(gòu)分析,膜層內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變的檢測,外觀,耐磨性,氧化膜的封閉能力,9公司表面實(shí)驗(yàn)室其它測試,內(nèi),內(nèi),試樣制備,ICP電感耦