第四章 表面处理.doc

第四章 表面处理
表面处理基础知识
一、表面处理概述
表面处理技术就是通过各种工艺手段，赋予表面不同于基体材料的组织结构、化学组成，因而具有不同于基体材料的特殊性能。
诸如高硬度、高疲劳强度、高耐磨耐蚀性、抗高温氧化性等。
二、表面处理的作用
1、腐蚀保护性
2、抗磨性
3、电性能
4、耐热性
5、光学特性
6、电磁特性
7、密封性
8、装饰性
9、耐疲劳性、保油性、焊接性等。
三、表面处理的分类
1、按工艺特点分
（1）电镀：包括合金电镀、复合电镀、电刷镀、非晶态电镀、非金属电镀等。
（2）涂装
（3）堆焊
（4）热喷涂：火焰丝材喷涂、火焰粉末喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂及爆炸喷涂等。
（5）热渗镀
（6）化学转化膜：包括阳极氧化、化学氧化、磷酸盐膜、铬酸盐膜和草酸盐膜。
（7）金属着色：包括电化学着色、化学着色和染料着色。
（8）气相沉积：分化学气相沉积和物理气相沉积。
（9）三束改性：包括电子束技术、离子束技术和激光束技术。
2、按学科特点分
（1）表面合金化技术：包括喷焊、堆焊、离子注入、激光熔敷、热渗镀等。
（2）表面覆层与覆膜技术：包括热喷涂、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金属着色、热浸镀等。
（3）表面组织转化技术：包括激光、电子束热处理技术，以及喷丸、滚压等表面加工硬化技术。
第二节 热喷涂
一、概述
热喷涂是利用专用设备把固体材料加热到熔化或半熔化状态，并加速喷射到基体表面上，从而形成一种特制薄层以提高基体的表面性能。
1、热源：火焰、电弧、电热热源、爆炸热源和激光热源等。
2、热喷涂的材料：金属、合金、陶瓷、塑料、尼龙等。
3、基体：金属、陶瓷、玻璃、石膏、木材、布、纸等固体材料。
4、工艺过程：
加热熔化、熔滴雾化、粒子飞行、撞击基体、冷却凝固形成涂层
5、热喷涂的优点
（1）基体温度低，不变形、不弱化。
（2）喷涂尺寸不受限制。
（3）喷涂厚度可以控制。
（4）效率高。（与电镀相比较）
（5）可赋予普通材料以特殊的表面性能。
6、存在问题
（1）结合力低。
（2）孔隙率高。
（3）均匀性较差。
二、热喷涂方法
热喷涂的方法较多，诸如火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等。下面仅介绍火焰喷涂。
利用气体火焰放出的燃烧热进行的热喷涂称为火焰喷涂。
1、线材喷涂

线材喷涂的涂层特点：
（1）具有明显的层状结构。
（2）含有明显的气孔和氧化物夹渣。
线材喷涂的应用：
（1）在大型构件上喷涂铝和锌，以制备防护涂层。
（2）机械零件上喷涂合适材料，以获得耐腐蚀涂层、耐磨损涂层和耐高温氧化涂层等。
2、粉末喷涂
粉末材料：
纯金属粉、合金粉、复合粉、碳化物粉、陶瓷粉、金属陶瓷粉等。其中用的最多的是“自熔”合金粉。
“自熔”合金粉中含有起助熔作用和减少氧化作用的硼和硅。
工艺过程：
粉末喷涂形成涂层、加热涂层到熔点、涂层重熔、冷却形成致密涂层
涂层与基体形成冶金结合，非常牢固。涂层硬度可达50HRC以上。
应用：

主要用于机械零件、化工容器和辊筒表面制备耐蚀和耐磨涂层。
第三节 气相沉积
气相沉积也称干镀，按机理划分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。
一、物理气相沉积

物理气相沉积是利用蒸发或溅射等物理形式，把材料从靶源移走，然后通过真空或半真空空间使这些携带能量的蒸发粒子沉积到基体或零件的表面，以形成膜层。
物理气相沉积法主要有真空蒸镀、阴极溅射和离子镀。
1、真空蒸镀
在真空中使金属、合金或化合物
蒸发，然后凝结在基体表面上的方法叫真空蒸镀。
镀膜特点：
（1）镀膜由气相沉积，均匀性好；
（2）在真空条件下形成，纯净性好；
（3）成膜过程简单，工艺可精确控制。
应用：
真空蒸镀主要用于光学透镜的反射膜及装饰用的金膜、银膜。
2、阴极溅射
阴极溅射是利用高速正离子轰击某一靶材（阴极），使靶材表面原子以一定能量逸出，然后在工件表面沉积的过程。

阴极溅射与真空蒸镀相比有如下特点：
（1）薄膜的结合力高；
（2）容易相成高熔点物质的膜；
（3）可以在较大面积上得到均匀的薄膜；
（4）容易控制膜的组成；
（5）可以长时间地连续运转；
（6）有良好的再现性；
（7）几乎可以制造一切物质的薄膜。
3、离子镀
离子镀借助于一种惰性气体的辉光放电使欲镀金属或合金蒸发离子化，在带负电荷的基体（工件）上形成镀膜。
离子镀膜的特点：

（1）离子镀膜附着力强；
（2）均匀性好；
（3）取材广泛且能相互搭配；
（4）整个工艺过程无污染。
应用：
（1）形成附着力强的耐磨镀层；
（2）形成表面致密的耐蚀镀层、润滑镀层；
（3）形成各种颜色的装饰镀层；
（4）形成各种特殊性能镀层。
二、化学气相沉积
化学气相沉积是利用气态物质在一固体表面进行化学反应，而在该固体表面上生成固态沉积物的过程。
化学气相沉积的过程：
产生挥发性运载化合物、把挥发性化合物运到沉积区、发生化学沉积反应生成固态产物
常见的化学气相沉积反应有：
（1）热解反应；
（2）化学合成反应；
（3）化学传输反应。
1、热解反应
在真空或惰性气体保护下加热基体至所需温度后，导入反应物气体使之发生热分解，最后在基体上沉积出固相涂层。
热分解反应的化合物主要有：
（1）氢化物
（2）金属有机物。广泛用于沉积高附着性的金属膜和氧化物膜。
（3）氢化物和金属有机物体系，利用这类热解体系可在各种半导体或绝缘体上制备化合物半导体膜。
（4）其他气态铬合物和复合物，多用于贵金属（铂族）和其他过渡族金属的沉积。
2、化学合成反应
有两种或多种气态反应物在一个基体上相互反应进行沉积的反应称为化学合成反应。
化学合成反应主要有：
（1）用氢气还原卤化物来沉积金属和半导体；
（2）用氢化物、卤化物或金属有机化合物来沉积绝缘膜。
应用：
（1）制备各种单晶薄膜；
（2）制备多晶态和非晶态的沉积层，如二氧化硅、氧化铝、氮化硅、硼硅玻璃及各种金属化合物、氮化物和其他元素间的化合物等。
3、化学传输反应
把所要沉积的物质作为源物质，借助适当气体介质与之反应而形成一种气态化合物，这种气态化合物迁移到与源区温度不同的沉积区，在发生逆向反应，使得源物质重新沉积出来，这样的反应称为化学传输反应。
第四节 化学转化膜技术
化学转化膜技术是通过化学或电化学手段，使金属表面形成稳定的化合物膜层的技术。
实质就是处在表面的基体金属直接同选定介质中的阴离子反应，使之形成自身转化的产物。
化学转化膜技术主要有：
1、氧化膜或发蓝技术；
2、磷酸盐膜技术；
3、铬酸盐膜技术；
4、草酸盐膜技术；
5、阳极氧化膜技术。
一般原理：
使某种金属与某种特定的腐蚀液相接触，在一定条件下两者发生化学反应，由于浓差极化作用或阴、阳极极化作用，在金属表面形成一层附着力良好的、难溶的腐蚀生成物薄膜。
化学转化膜的方法：
1、电化学法；
2、化学法。
化学转化膜的施工方法：
1、浸渍法；
2、喷淋法；
3、刷镀法；
4、滚镀法。
应用：
化学转化膜广泛应用于金属与金
属相互摩擦的部位，如磷酸盐膜具有很小的摩擦系数和良好的吸油能力，从化学和机械两方面保护基体
第五节 电镀、电刷镀、热浸镀和化学镀
一、电镀

电镀是通过电解方法在固体表面获得金属沉积层的过程。
电镀的实质
在组成电极的金属与溶液的界面上进行氧化-还原反应。
常用的单金属电镀主要有：
镀锌、镀镍、镀铬、镀锡和镀铬。
电镀的作用：
1、防腐；
2、装饰；
3、改善焊接性能。
二、电刷镀

在不断供应电解液的条件下，用一只镀笔在工作表面上进行擦拭，从而获得镀层。
电刷镀与电镀的主要区别
电刷镀所用的溶液中含有欲镀的金属离子，并且比电镀过程中溶液中的金属离子的浓度要高得多。
电刷镀的特点：
设备简单，操作容易，镀层结合牢固，经济效益显著。
应用：
电刷镀主要用于机械设备的维修，如滚动轴承和轴颈的修理，孔类零件的修理，平面、键槽的修理等。
三、热浸镀
热浸镀是将一种基体金属浸在熔融状态的另一种低熔点金属中，在其表面形成一层金属保护膜的方法。
基体材料：钢、铸铁、铜等。
镀层金属材料：锌、锡、铝等金属及其合金。
根据热浸镀前处理的方法不同，热浸镀分为溶剂法和保护气体还原法。
1、溶剂法热浸镀
镀前在金属表面涂一层助镀剂，其作用包括清除金属表面的氧化物、防止镀前金属表面腐蚀和降低熔融金属的表面张力。
2、保护气体还原法热浸镀
（1）用煤气或天然气火焰加热金属表面，烧掉金属表面的油污、乳化液等，同时生成一层蓝色的氧化薄膜。
（2）然后在还原性气氛中还原为活性海绵状铁，并进行再结晶退火，
（3）待冷却到一定温度后进入镀锅进行热浸镀。
3、应用：该工艺主要用于钢带热浸镀锌、铝和钢管热镀锌等。
四、化学镀
化学镀是镀液中的离子在催化作用下，与镀液中的还原剂发生还原反应，从而在金属表面形成还原沉积层的过程。
催化剂：
1、被镀金属本身；
2、具有自催化作用的元素：Ni、Co、Pb、Cu、Ag、Au及其中一种或多种合金。
还原剂：
1、次磷酸盐；
2、甲醛；
3、硼氢化物以及氨基硼烷类及其衍生物等。
第六节 涂料及涂装方法
一、涂料
涂料是一种有机混合物，用以保护和装饰物体表面免受外界侵蚀，掩盖表面的缺陷，赋予各种丰富的色彩，改散外观。
1、涂料的组成
（1）成膜物质：油料和树脂。主要作用是形成漆膜，并决定涂料的性能，如硬度、耐磨、耐酸碱等。
（2）颜料：红丹、氧化亚铅、碱性铬酸铅、钡酸锌、偏硼酸钡等。主要作用是着色，还可起到防锈和填充作用。
（3）辅料：主要作用是改善涂料的工艺性及涂膜的物理、化学和力学性能。
（a）溶剂：石油、煤焦、酯类、醇类、酮类、醇醚类等。
（b）功能剂：增润剂、湿润剂、触变剂、稳定剂、悬浮剂、催化剂、固化剂等。

2、涂料的分类
（1）油性涂料、树脂涂料、油基涂料；
（2）色漆、清漆；
（3）汽车漆、船舶漆、木器漆；
（4）耐酸漆、防锈漆、绝缘漆；
（5）喷漆、烘漆；
（6）底漆、面漆、罩漆。
二、涂装技术
1、一般涂装方法：
（1）刷涂法；
（2）浸涂法；
（3）淋涂法；
（4）压缩空气喷涂。
2、新型涂装方法
（1）静电涂装法；
（2）电泳涂装法；
（3）粉末静电喷涂法。