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钣金常用表面处理技朮介绍

作者:佚名   发布时间:2009-09-08 18:13:04   浏览次数:5885

1.    磷酸盐皮膜处理

 

也称为磷化处理
1.1 磷酸盐皮膜机理
    2H3PO4+M→M(H2PO4)+H2
    3M(H2PO4)2→4H3PO4+M3(PO4)2
    M(H2PO4)2→MHPO4+H3PO4
生成的M3(H2PO4)2和MHPO4为磷酸盐膜的主要成分
 
1.2 磷酸盐皮膜的性质和用途
(1)    耐蚀性
在大气条件下很稳定﹐在有机油类﹐苯﹐甲苯及各种气体燃料中有很好的耐蚀性。但磷酸盐皮膜不耐酸﹐碱﹐氨﹐海水及水蒸气等。磷酸盐膜经过封闭处理后能大大提高其耐蚀性。
     磷酸盐皮膜的耐蚀性高于发蓝膜。
(2)    吸附性
        磷酸盐膜具有多孔构﹐有很好的吸附性﹐因此常用作油漆的底层和吸附润滑油后作为减摩层和润滑层。
(3)    电绝缘性
        磷酸盐膜是高电阻膜层﹐有很好的电绝缘性﹐击穿电压为240~250V, 涂绝缘漆后可耐1000~1200V,又由于磷酸盐膜不影响透磁性﹐因此常用作电磁装置的硅钢片。
(4) 不粘附熔融金属的特性
           此特性用于在热浸锌﹑锡铅合金时保护不需要浸涂部分。在浇铸减摩合金和电机铸铝转子时﹐将钢膜作磷酸盐处理﹐以防粘附。
 
1.3  邻酸盐膜成膜机理和构成
1.4  分类
                钢铁用化成处理剂             
                铝用化成处理剂
                锌用化成处理剂
                不锈钢用化成处理剂
                铜用化成处理剂
                镁用化成处理剂           
                其它化成处理剂
 
                 
 
 
 
                涂装打底用的化成处理剂
                塑性加工用化成处理剂
                防锈用化成处理剂
                耐磨用化成处理剂
                绝缘用化成处理剂
                塑料迭片用化成处理剂
涂装打底用皮膜特点﹕致密﹐均匀﹐薄得适当
                     结晶粗大会吸入涂料而减少光泽﹔不均匀会降低涂装后的耐蚀性﹔由于磷酸盐膜很硬很脆﹐皮膜过厚的话﹐涂装后遭到弯曲或冲击等外力时﹐即使别无缺陷﹐也可能脱落。
 
防锈用皮膜特点﹕致密﹐均匀﹐厚度越厚越好﹐孔隙率越低越好。
表 1.1 美军规格MIL-C-16173C要求的磷酸盐皮膜的防锈性

类型
等级
补助加工
盐水喷雾试验
磷酸铁
1
施行另外规定的防锈油
 
2
施行MIL-L-3150的润滑油
24
3
不补助加工
1.5
4A
进行无机密封﹐不进行补助加工
24
4B
进行无机密封﹐施行MIL-L-3150的润滑油
72
磷酸锌
1
施行另外规定的防锈油
 
2
施行MIL-C-16173‚Grade 2的不干性防锈油
48
3
不补助加工
2
4A
进行无机密封﹐不进行补助加工
24
4B
进行无机密封﹐施行防锈油或高熔点蜡
72
4C
进行无机密封﹐且染上规定色
24
4D
进行无机密封及染色﹐施行防锈油或蜡
72
4E
进行无机密封﹐施行规定的防锈油
24

 
1.5 磷酸盐皮膜构成
 

皮膜化成溶液
磷酸盐膜的成分及结构形态                       
钢铁表面
锌表面
锌系磷酸盐皮膜剂
Zn(PO4).4H2O
ZnFe(PO4)2.4 H2O
形态呈树枝壮﹐晶粒垂直于金属表面
Zn3(PO4).4H2O
锰系磷酸盐皮膜剂
(Mn﹐Fe)5H2(PO4).4H2O
形态呈圆球形晶系的层状结构﹐晶粒排列平行于金属表面
Zn3(PO4).4H2O
Mn5H2(PO4).4H2O
铁系磷酸盐皮膜剂
Fe3(PO4)2
ZnFe(PO4)2.4 H2O Fe3(PO4)2

 
1.6 磷酸盐化成工艺过程及监控
 脱脂→水洗→(除锈)→表面调整→化成→水洗→封闭处理或烤漆
化成工序的监控参数﹕游离酸度﹐全酸度﹐杂质含量。
脱脂工序的监控参数﹕ 游离碱度﹐全碱度。   
表面调整﹕由于脱脂溶液中的硅酸盐使膜结晶粗糙﹐膜重增加﹐不适合涂装﹔同时强碱溶液如NaOH也使锌盐磷化膜粗糙变厚﹐并且降低磷化膜的耐蚀性和柔韧性。活化晶核由于生成氢氧化物或氧化物的薄膜而减少﹐因此用弱碱性的磷酸钛盐溶液或稀草酸溶液对钢铁表面进行处理﹐可使大多数的晶核重新活化和复原﹐细化晶粒﹐增加晶粒数。
 
2﹑阳极氧化
又称为电化学氧化﹐阳极化
2.1 铝及铝合金的阳极化
2.11 氧化膜特性
(1)   多孔性
硫酸阳极化膜每平方微米大约有800个孔﹐草酸阳极化膜每平方微米大约有60个孔。由于氧化膜具有多孔状结构﹐所以膜层有很好的吸附性﹐对各种染料表现出很好的吸附能力﹐故氧化膜能进行化学着色﹐染成不同的颜色﹔另外也可在膜孔底部电沉积金属﹐进行电化学着色﹐使氧化膜不仅具有防护作用﹐还有装饰作用。
(2)   良好的耐磨性
由于阳极化膜硬度高﹐因此耐磨性好。
(3)   氧化膜的电绝缘性和绝热性
良好的电绝缘性使阳极化产品可作为电机和变压器的绕线圈﹐但其缺点是弹性小。良好的绝热性使有氧化膜存在的情况下﹐可防止零件在瞬间高温的情况下熔化。
2.1.2分类
 
                  硫酸阳极化 
                                     草酸阳极化
                  铬酸盐阳极化
                                     磷酸阳极化 
                   硼酸阳极化
 
                                           普通阳极化
 
 
 
 
 
                      硬质阳极化﹕膜层硬度高﹐具有很好的耐磨性和耐蚀性。硬氧化膜大多用于铝的活塞﹑汽缸﹑液压设备﹑减震器﹑齿轮及其它铝制零件。超硬铝(LC4)经硬质阳极化后可以代替钢使用。同时耐热性很好﹐能经受住短时间的2000˚C高温。因此硬氧化膜常作为一种能满足特殊要求的功能性膜层。
2.1.3阳极化的反应过程和膜的构成
阳极反应﹕Al-3e→Al3+
2Al3+ +3O2-→Al2O3
阴极反应﹕6OH-→3H2O+3O2-
2H++2e→H2
2.1.4膜的组成
      未封闭膜﹕    Al2O3 78.9% Al2O3˙H2O 0.5% Al2(SO4)3 20.2% 
H2O 0.4%
      水封闭后的膜﹕Al2O3 61.7% Al2O3˙H2O 17.6% Al2(SO4)3 17..9% 
H2O 2.8%
2.2 其它材料的阳极氧化
钛和钛合金的阳极氧化﹐
3﹑化学氧化
 

 
化学氧化
阳极氧化
工艺特点
(1) 成本低﹐生产效率高﹐收效快﹐可以大批量连续化生产
(1) 成本较高。
(2) 工艺稳定﹐操作方便﹐设备简单﹐溶液易维护﹐零件大小和形状不受限制
(2) 由于需外加电源﹐零件大小和形状影响电力线和电流的分布
(3) 对钢铁﹐铝﹐铜﹐银﹐锌﹐锡﹐镉以及它们的合金均可进行化学氧化。此外化学氧化在某些功能性应用领域也得到了令人满意的效果。因此﹐近年来化学氧化技朮得到了很大的发展。
(3)常用的为铝及其合金﹐镁及镁合金﹐钛及其合金的等材料阳极氧化。
膜层特性
(1)膜薄﹐一般厚度为0.5-4微米
(1) 膜厚
(2)质软﹐不耐磨﹐抗蚀性和耐磨性低于阳极氧化膜
(2) 耐蚀性好﹐硬度高﹐用于提高
(3)可得到某些阳极化膜不能具有的功能性膜层
如导电性氧化膜层
(3)可得到某些特殊功能性的膜层﹐如在多孔膜中沉积磁性合金作存储元件。太阳能吸收板﹐超高硬质膜等

 
3.1 铝的化学氧化
3.1.1分类
       纯水氧化法
       磷酸盐氧化法
       铬酸盐氧化法
       磷酸盐–铬酸盐氧化法
      碱性氧化法
 
 
     酸性氧化法﹐ 可得到透明膜层。
 
3.1.2后处理
有填充处理﹐钝化处理﹐喷涂处理等后处理以提高耐蚀性。
3.2 钢铁的化学氧化
因为得到膜层由呈现蓝黑色的四氧化三铁组成﹐所以又叫发蓝。发蓝膜薄﹐通常为0.6-1.5微米﹐因而耐蚀性差。但是由于其有很好的吸附性﹐经过填充处理的发蓝膜有较好的耐蚀性。如早期的枪炮管大多使用化学氧化后涂油﹐乌黑的油亮外表。发蓝膜薄﹐不影响零件的装配尺寸﹔对表面光洁度高或抛光的精密件﹐发蓝后表面既亮又黑﹐具有防护和装饰的双重效果。因此发蓝膜在精密仪器﹐光学仪器以及机械制造上广为应用。
4.化学镀
4.1化学镀的特性
(1)    不需要通电﹐将镀件直接浸入溶液即可。
(2)    可在金属﹐半导体和非导体材料上直接进行。
(3)    可在零件表面获得厚度均匀的镀层。
(4)    通过自催化特性可得到任意厚度的镀层。
(5)    膜层空隙少﹐致密﹐具有很好的耐蚀性﹐很高的硬度和耐磨性。
(6)    镀液稳定性差﹐更新快﹐成本比电镀高
4.2 化学镀种类
镍﹐铜﹐银﹐钴﹐金﹐钯﹐铂﹐铑等均可经过化学镀沉积到镀件表面。但最常用的主要有化学镀镍和化学镀铜。
4.2.1 化学镀镍
4.2.1.1 化学镀镍膜层特性

化学镀镍膜层
电镀镍层
空隙少﹐致密
多孔﹐只有达到一定厚度(25微米以上)才能做到无孔
耐蚀性好﹐12.5微米厚的耐蚀性优于25微米厚的电镀镍层
耐蚀性不如化学镀镍层
光亮化学镀镍层的亮度不如电镀亮镍层的亮度管理﹐只能得到半光亮镀层
可得到全光亮的镀层
镀层为镍磷合金层﹐含磷10%以上的镀层为非晶态镀层。
镀层为纯镍组成﹐晶体结构
无论是半光亮还是不光亮镀层脆性均较大
光亮镀层脆性大﹐延性小。半光亮层有一定的韧性﹐暗镍有较好的韧性。
 
成本高﹐在得到相同镀层的条件下﹐大约为电镀镍层价格的5倍
成本比化学镀镍低

4.2.1.2 化学镀镍的沉积机理
以次磷酸盐镀液为例﹐首先是次磷酸根在固体催化表面上氧化脱氢﹐并生成亚磷酸根﹐反应为﹕
H2PO2-+H2O→H++HPO32-+2H
吸附于催化表面上的活泼氢原子使镍离子还原成金属镍﹐而本身则氧化为氢离子﹐
Ni2++2H→Ni+2H+
同时溶液中的部分次磷酸根也被吸附在催化表面上的活泼氢原子还原成单质磷﹐
        H3PO2-+H→P+H2O+OH-
因此化学镀镍得到的是镍磷合金层﹐而不是单一的镍层。
化学镀镍过程中会发生析氢副反应﹕
2H→H2
4.2.1.3 化学镀镍的工艺过程
脱脂→活化→化学镀
4.2.1.4 塑料电镀与化学镀
塑料电镀的工艺过程﹕脱脂→粗化(微观粗化)→敏化(吸附易氧化的物质)→活化(多用胶体钯﹐通过与敏化步骤吸附的氧化物反应而获得一层具有催化作用的金属膜)→还原处理(消除残余活化物质)→化学镀镍或镀铜→电镀
 
4.2.1.5 化学镀镍的用途
石油管道﹐计算器硬盘﹐耐磨组件等
 
4.2.2其它化学镀的用途
化学镀铜主要用于非金属材料表面金属化﹐特别是印制电路板的孔金属化﹐实现孔两边导通。
化学镀银用于生产保温瓶(银镜反应)﹐装饰物等
 
5.防锈油脂
5.1概述
防锈油脂是在矿物油(或合成油)中加入油溶性缓蚀剂和其它辅助添加剂而组成的一种防锈材料。具有取材容易﹐成本较低﹐工艺简单﹐适应性广﹐防锈效果显著等优点。广泛用于机械制造过程及金属制品的储存﹑运输过程中。它与气相防锈材料﹐可剥性塑料共称为暂时防锈中的三大防锈材料。
5.2防锈油防锈的原理
防锈油一般由油溶性缓蚀剂和溶解缓蚀剂的油类组成。油溶性缓蚀剂在分子结构上都同时具备极性和非极性基团。非极性基团使其能溶于油中﹐极性基团则使其能吸附在金属表面﹐延缓金属腐蚀。油主要起保护缓蚀剂吸附分子﹐弥补吸附膜不完整之处﹐保障油膜的厚度等作用。由缓蚀剂和油在金属表面形成致密的吸附膜﹐有效阻止水分子﹑氧气﹑和其它腐蚀性介质的浸入﹐从而阻止金属腐蚀。
5.3 防锈油应具备的性能
(1)    防锈性能良好
(2)    无腐蚀性﹐与其所接触的金属或非金属部件不其作用。
(3)    对人体无害﹑无特殊臭味或其它刺激性气味
(4)    具有很好的化定性﹐在长期储存中不变质﹑不氧化﹑效果恒定。能有效防止有害气体和水扩散到金属表面﹐同时对手汗有一定的置换性
(5)    涂层不因温度变化而流失或龟裂﹔涂层应有一定的强度﹔涂层要薄﹐且除膜性好﹐并能适应多种包装材料的包装。
5.4 防锈油种类
       工序间防锈油
       防锈润滑两用油
       封存防锈油
       液体防锈油
       硬膜油
       软膜油
       溶剂稀释型防锈油
        不干性防锈油
        半干性防锈油
        干性防锈油
6 真空镀膜
6.1 分类
      真空蒸镀
 
     真空溅射镀
 
      离子镀
 
共同特点﹕在真空室内(有时充有负压的惰性气体)实行气相镀覆的一类技朮。
 
6.2真空蒸镀
将零件与涂层材料同时放在钟罩形的真空室内﹐涂层材料受热蒸发﹐蒸发出的分子(或原子)在自由行程内与受镀零件表面相遇﹐并不断凝结成膜。
镀件可以是金属﹐也可以是非金属。涂覆材料只能选择熔点低﹑蒸气压较高的材料﹐如锌﹐镉﹐铜﹐银﹐金﹐镍和铬等。对低熔点金属的镀覆效果好﹐只能用于镀薄膜。
真空蒸镀目前主要用于制作各种薄膜电子组件﹐沉积各种光学薄膜﹐以及在用陶瓷﹑金属﹑塑料﹑人造宝石和纸质制成的工艺美朮品上沉积装饰膜。
6.3 阴极溅射镀
     在真空度不太高的环境中﹐在强电场的作用下﹐利用气体放电时产生的高速正离子轰击阴极靶材料(镀覆材料)﹐从靶表面溅射出原子或分子并沉积到基体(被镀零件)表面上形成薄膜的技朮﹐或者说是利用溅射现象的成膜技朮。
     镀件可以是组成强电场的阳极﹐也可以是放在灰光放电区域内其它位置的零件。零件充作阳极的方法是直流双极溅射法﹐是一种简单而标准的溅射法。
     溅射镀膜层的附着力比蒸镀强﹐镀覆材料不受熔点和蒸气压的限制﹐但溅射镀的速度不如蒸镀快。
 溅射镀已经得到了广泛的应用。在表面强化和稳定化方面﹐溅射镀用于镀覆耐磨损层﹑超硬合金层﹑耐蚀层和抗高温腐蚀合金层等。用溅射镀来装饰塑料制品﹐外观美丽﹐附着力好。在电子和光学方面﹐溅射镀用于制造大规模和超大规模集成电路﹐高能红外激光中的红外反射膜。在磁性记录方面﹐溅射镀用于高密度和超高密度记录的磁盘﹑磁带和磁头的磁性层。在能源方面﹐可用于溅镀高效太阳能结晶电池的硅膜﹐固体电介质燃料电池中的氧化铬薄膜﹐在太阳能热发电吸附板上溅镀黑铬等
6.3离子镀
      离子镀是在真空蒸镀和溅射镀的基础上发展起来的一种新技朮。
在真空室内﹐镀覆材料作为蒸发源﹐并作为阳极﹐被镀基体作为阴极。
在合适的气压和电压下﹐基体和蒸发源之间会产生灰光放电﹐一部分氩气产生电离﹐由电离生成的氩离子受负高压基体的吸附轰击基体﹐使基体受到离子的刻蚀清晰而除去上面吸附的污染层。
 当清洗完毕后再使蒸发源中的涂覆材料蒸发﹐蒸发出的粒子进入灰光放电区﹐其中一部分电离为正离子﹐受负高压电场作用沉积在基体上。在发生沉积时﹐基体继续受氩离子和蒸发料离子的刻蚀清洗﹐所以只有沉积速度大于刻蚀速度的情况下﹐沉积层才能加厚﹐获得所需的膜层。
膜层有较高的附着力﹔绕镀能力强﹐基体各部分都能镀上均匀的镀层﹔离子镀膜层有较高的质量﹔镀前处理简单﹔可采用的基体材料和镀覆材料简单﹔沉积速度与真空蒸镀一样高﹐可以用于制备厚膜。
由于离子镀技朮可以镀覆用其它方法难以镀覆的膜层﹐且有优异的性能﹐因而应用十分广泛。离子镀膜可作为耐蚀﹑耐热﹑装饰﹑和耐磨等各种用途的膜层﹐在电子﹑原子能﹑航空航天及一般工业中都受到普遍的重视。
如镀铝﹐水溶液电镀铝由于实施困难﹐因而干镀就显得很重要。在软钢上镀覆10~12微米的铝层﹐能经受170~280小时的盐雾试验。因此非常适合螺栓﹑螺母以及飞机﹑船舶和桥梁结构的表面处理。
离子镀能镀覆陶瓷﹑玻璃﹑硅及硅的氧化物﹑铍及铍的氧化物钛合金等耐高温物质﹐因而在耐高温涂层方面得到了广泛的应用。
离子镀由于能在纸张﹑塑料﹑及各种纤维制品上镀覆﹐因而在装饰性电镀方面也得到广泛的应用。
离子镀用于镀覆陶瓷或半导体的电极膜﹐既避免了化学镀造成的残留液﹐又有较高的结合强度。
离子镀还能镀覆其它方式难以得到的优良耐磨﹑润滑涂层。
总之﹐离子镀的所有应用与它的特点分不开。








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