表面处理技术.docx
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表面处理技术
表
面
处
理
技
术
第一节
概
论
人们使用表面技术已经有悠久的历史。
我国早在战国时代已进行钢的淬火,使钢
的表面获得坚硬曾。
欧洲使用类似的技术也有很长的历史。
但是,表面技术的迅速发
展是从工业革命开始的,尤其是最近30多年发展更为迅速。
一方面人们在广泛使用和
不断试验的过程中积累了丰富的经验;另一方面自60年代末形成的表面科学使表面技
术进入了一个新的发展时期。
1.1表面处理技术的涵义
广义地说,表面技术是直接与各种表面现象或过程有关的,能为人类造福活被人
们利用的技术。
表面处理的对象非常广泛,从传统工业到现在的高科技工业,从以前的金属
表面到现在的塑料,非金属的表面.它使材料更耐腐蚀,更耐磨耗,更耐热,它使材料之寿延
长,此外改善材料表面之特性,光泽美观等提高产品之附加价值,所有这些改变材料表面之
物理,机械及化学性质之加工技术统称为表面处理(surfacetreatment)或称为表面加工
(surfacefinishing)。
1.2使用表面处理技术的目的
现在表面技术的应用十分广泛。
对于固体材料来说,使用表面技术的主要目的是:
(1)提高材料抵御环境作用的能力;
(2)赋予材料表面某种功能特性。
包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等
各种物理和化学性能;
(3)实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等
1.3表面处理技术的重要性
表面处理工业虽然不是工业之主流,但只有透过表面处理,制品的特性及价值才能充
份发挥出来.应用电镀(plating),阳极处理(anodizing),化成处理(convesioncoating),涂装(coating)
等工业技术,达到防蚀,增进可焊性,润滑性,耐磨性,附着性及钢材防止渗碳等的多项目的.
所以表面处理为各种加工制造工业不可或缺的过从传统工业到近代高科技,表面处
理技术一直扮演非常重要性之角色.例如宇宙飞船,人造卫星,集成电路等之发展表面处理技
术都有决定性之影响.由于表面处理对材料月异,带动相关科技工程之进步。
1.4表面处理技术的分类
表面处理技术可以从不同的角度进行归纳、分类。
例如按照作用原理可以分为以
下四种基本类型:
(1)原子沉积。
沉积物以原子、离子、分子和离子团等原子尺度的粒子形态在材
料表面上形成覆盖曾,如电镀、化学镀、物理气相沉积等。
(2)颗粒沉积。
沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层,如热喷
涂、搪瓷涂敷等。
(3)整体覆盖。
它是将涂敷材料余同一时间施加余材料表面,如包、贴片、热浸
镀、涂刷、堆焊等。
(4)表面改性。
用各种物理、化学等方法处理表面,使之组成、结构发生变化,
从而改变性能,如表面处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理、离子注入
等。
又可以按工艺来分为以下几部分:
表面覆盖技术、表面改性技术、复合表面处理
技术。
后续章节我们将主要探讨我们经常要用到得一些表面处理技术。
如电镀、涂装、
喷砂、阳极处理等。
第二节电镀
2.1前处理
在电镀之前往往要进行一些前处理,这样才能保证镀层的质量。
下面首先简单介
绍一下有关前处理的一些基本知识。
这只是帮助我们了解到电镀之前要进行清洁等其它
处理。
2.1.1前处理的意义和目的
1.意义
一般前处理工程过程为,研磨预备洗净水洗电解脱酯水洗酸浸及活性化水中和水洗
电镀。
2.目的
前处理的目的是为了得到良好的镀层,由于镀件在制造、加工搬运、保存期间会
有油酯、氧化物锈皮、氢氧化物、灰尘等污物附着于镀件表面上,若不去除这些污物
而进行电镀将得不到良好的镀层。
镀件质量,前处理占很重要的地位。
2.1.2前处理不良往往会造成成品镀层有些缺陷,实践经验告诉我们主要是一下一些缺
陷:
(1)剥离,
(2)气胀,(3)污点,(4)光泽不均,(5)凹凸不平,(6)小孔,(7)降低耐蚀性,
(8)脆化。
电镀之不良,前处理占很大的原因。
2.1.3电镀前需要去除的典型淤物
不良的前处理会造成缺陷,那我们就有必要了解一下前处理的主要对象有哪些,
下面简单介绍一下电镀前需去处的典型淤物:
(1)润滑油
(6)淬火残留物
(2)切削油
(7)热处理盐
(3)研磨油
(8)热处理盐
(4)热斑
(9)污迹
(5)锈及腐蚀物
(10)油漆及油墨
2.1.4前处理的方法
前处理的方法很多,这里只举例说明一下,具体工作中需要用到时再学习。
1.喷砂除锈(abrasiveblasting),2.滚筒除锈(tumbling),3.碱剂洗净(alkaline
cleaning),5.溶剂洗净(solventcleaning),6.蒸气脱脂(vapordegreasing)
2.2
电镀的原理
我们常用的电镀有镀铬、镀镍等。
下面我们将重点学习以下几种电镀。
2.3镀铬
2.3.1铬的性质
(1)色泽:
银白色,略带蓝色。
(2)原子量:
51.996。
(3)比重:
7.2。
(4)熔点:
1900。
C
(5)硬度:
800~10OOHB。
(6)标准电位:
为一0.71伏特。
(7)在潮湿大气中很安定,能长久保持颜色。
(8)硝酸,硫化物,碳酸塭及有机酸中很安定。
(9)易溶于塭酸及热浓硫酸。
(10)苛性钠溶液中铬阳极易溶解。
(11)铬镀层耐热性佳,在480"C以下不变色,50O℃以上才开始氧化,700"C则硬度
下降。
(12)铬镀层优点为硬度高、耐磨性好、光反射性强。
(13)铬镀层缺点为太硬易脆、易脱落。
(14)铬的电位比铁负,钢铁镀铬是属于阳极性保护镀层,而铬本身于大气中易形成极
薄的钝态膜,所以耐腐蚀。
(15)铬镀层具多孔性,所以对钢铁腐蚀性不很理想,所以一般先镀铜,再镀镍最后
再镀一层铬才能达到防腐蚀及装饰的目的。
(16)铬镀层广泛应用在提高零件之耐腐蚀性、耐磨性、尺寸修补、反射光,及装饰
等用途。
2.3.2镀铬的种类
1.传统式铬酸镀铬。
2.催化物铬酸镀铬。
3.自动催化铬酸镀铬。
5.熙色铬箪镀。
6.滚桶镀铬。
7.多孔铬电镀。
8.微裂铬电镀。
9.无裂铬电镀。
2.3.3镀铬之特性
(1)须严格控制浴温、电流密度、极距等操作条件
(2)均一性差,对复杂形状镀件需适当处理。
(3)电流效率很低,须较大电流密度。
(4)阳极采用不溶解性阳极,铬须用铬酸补充。
(5)电镀过程中不许中断
(6)形状不同镀件不宜同槽处理,须用不同的挂具‥
(7)镀件预热与浴温一致,附着性才会好。
(8)镀件要彻底活化,要带电入槽,附着性才艮好‥
(9)需用冲击电流(大于正常50-100%)在开始电镀较复杂形状镀件
约2-3分钟而后慢慢降至正常电流密度范围内。
2.3.4镀铬之影响因素
(l)CrO3浓度与导电度关系
(2)温度兴导电度之关系
(3)CrO3浓度与电流效率之关系
(4)硫酸浓度之影响
浓度低时,低电流密度下电流效率高,反之电流效率低‥
(5)三价铬的影响
1.三价铬很少时,沈积速率减媛。
2.三价铬很高时,镀层变暗。
3.三价铬增加,则导电度降低,需较大电压
4.三价铬愈多,光泽范围愈小。
(6)电流密度及温度的影向
1.镀浴温度升高,电流效率降低。
2.电流密度愈高,电流效率愈高。
3.高电流密度,低温则镀层灰暗,硬度高脆性大,结晶粗大‥
4.高温而低电流密度,镀层硬度小,呈乳白色,延性好,无网状裂纹,结晶细
致,适合装饰性的镀件。
5.中等温度及中等电流密度,镀层硬度高,有密集的网状裂纹,光亮硬质铬镀
层。
(7)杂质的影响
1.铁杂质,电解液不稳定,光泽镀层范围缩小,导电性变差,电压须增高,去除
铁杂质比三价铬还困难,要尽量防止铁污染,不要超过10g/l
2.铜、锌杂质,含量低时,对镀层影向不大,铜最好不要大于3g/l
3.硝酸,是镀铬最有害的杂质,镀浴须严禁带入硝酸污染‥
(8)阳极及电流分布之影响
1.阳极较大,电流分布较不均匀使镀层厚度不均勺‥
2.阳极面积大,三价铬形成较多。
3.复杂镀件,阳极宜用象形电极或辅助电极,使电流分布均匀。
4.阳极的铅易氧化,形成黑色的氧化铅及黄色的过氧化铅。
过氧化铅导电性不良,
应立刻除去。
5.电流因尖端及边缘效应,造成镀层厚度不均,可采用绝缘物遮盖尖端或边缘。
2.3.5镀铬之挂架(Rack)
镀铬其镀浴均一性极差,电流效率很低,须使用较高电流密度,所以挂架之设计要
求对镀铬质量影响很大。
其设计要点如下:
(l)安定不溶解。
(2)导电顺利不发熟,需足够截面积。
(3)与镀件接触良好。
(4)结构以焊接方式,导电钩要弯成直角
(5)非电镀部份要用绝缘物覆盖,以减少电流消耗。
(6)结构要简单、易制造、轻便。
(7)镀件放置位置要使气体自由逸出容易。
(8)应用辅助电极、双极电极。
(9)依镀件的形状、尺寸、数量及镀层用途等因素决定挂架之设计
2.3.6镀铬之缺陷及其原因
(l)镀层粗糙有颗粒
1.电流太大。
2.阴极保护不当或末装。
3.阴阳极太近。
4.表面前处理不好,
5.镀浴有浮悬杂质,
6.硫酸太少。
(2)镀层脱落
1.前处理不良。
2.中途断电。
3.中途加冷水。
4.预热不够。
(3)局部无镀层
1.电流太小。
2.镀件互相遮盖。
3.装挂不当,气体停滞。
(4)镀层不均匀
1挂具接触不良。
2气体不易逸出。
3阳极型状不当
(5)沈积速度慢
1.电流太小。
2.三价铬太小。
3.二极间距太大。
4.镀件过大。
5.槽内镀件过多。
(6)镀层暗色
1.温度太低。
2.硫酸此例太少。
3.三价铬太多。
(7)镀层针孔
1.前处理不佳。
2.气体停滞镀件表面上。
3.镀件被磁化。
4.浮悬杂质。
5.表面活性剂。
6.镀浴有磁性粒子。
2.3.7三价铬电镀(1752/2752所采用的电镀)
三价铭的电镀历史此六价铬久,其特点是只要六价铬所需的电流一半,电流效率较高,废液毒性小处理容易,但所用化学品昂贵,所以一直没有被广泛采用,三价铬电
镀一直积极地被研究,目前已有些专利及伤业配力公开发行,其中特点在良好的被覆性及低铬浓度,使废液处理的问题减小。
详细资料由厂商提供,三价铬电镀的主要困难之一是六价铬会在镀浴阳极形成,有专利配方可以防止或还元六价铬。
2.3.8镀铬之回收及废物虚理
铬酸废液可用回收法或消毁(destroy)法处理,其选择因素有:
(1)投资金额。
(6)厂液童。
(2)人工及维护成本。
(7)铬酸之价格。
(3)化学品价格。
(8)水费。
(4)空间。
(9)环境保护之规范。
(5)公共设备成本。
最好是减少废液生成,其方法有:
(1)尽量滴干。
(4)回收洗净水。
(2)应用滴干囤收槽。
(5)控制水的带入(drag-in),
(3)挂架避免使镀件装水(cuppingaction)。
2.4镀金
2.4.1金的性质
(1)原子序:
79
(2)原子量:
196.9665
(3)结晶构造:
FCC
(4)熔点:
1063℃
(5)沸点:
2809℃
(6)密度:
19.302g/cm
(7)电组:
2.06μΩ-cm
(8)抗拉强度:
124MPA
(9)硬度:
25Vickers(10)标准电位:
+1.68
(11)原子价:
+1及+3
(12)金是一种带有黄色金属,是最软化金属之一,有最大的延性及可锻性
(13)金有非常优良的导电性,不易腐蚀生锈,长期使用可确保电开关及接点的倒电
做用
(14)金有优良的红外线反射性
(15)金的抗酸性强,可抵抗大多数酸侵蚀,只有王水才可溶解它,氰酸在没有氧下反
应非常慢,但含氧则反应变快,磷酸不做用,硫酸250℃以下不作用,氢氟酸在没有氧化剂下不做用,盐酸在沸点下不做用,硝酸落没有卤素则不会作用,晒酸是惟一的单酸能和金作用
(16)金可抵抗碱金属的之氢氧化物及碳酸化物在任何温度下作用,但碱金属之氰化
物溶液在含有氧下会溶解金
(17)熔融的过氧化讷及氰化物会腐蚀金,其他非氧化性盐类及硝酸盐类则不会做用
(18)汞及汞盐会与金作用,要避免接触防止金合金应力脆裂
2.4.2镀金的用徒
镀金的用途分为装饰性及工业性,装饰性的镀金可镀成许多种颜色及各种K金镀层,
应用与珠宝,手饰,装饰品等,工业上之电子工业如何印刷电路,接点,接合器,应用金的良好
接触性质,抗腐蚀性及可焊性,太空工业上应用金的高反射性,化学工业上应用金的抗化学
性。
2.4.3镀金步骤
1.清洁:
依据污物的种类及程度做彻底的洗净
2.酸浸:
去除氧化物遗迹
3.活化性:
不锈钢,镍,及镍合金,钼,及钨等用氯化镍酸液活化,而后用氰化物(10%
KCN)浸渍
4.金打底镀:
用低金,高自由氰化物镀浴作几秒钟预镀
5.镀金:
根据配方操作条件及镀层的要求进行电镀
2.4.4金镀浴中各种成份的作用
1.供给电镀金离子
2.产生自由氰化物,使氰化金化合物分解,增加导电性,防止铜镍的沉积
3.碳酸钾:
增加导电性,用做缓冲剂
4.碳酸氢二钾:
做用如同碳酸钾
2.4.5金属液的控制
1.全金属分析:
用比重测定法或极化计测定法
2.自由氰化物分析:
硝酸银滴定
3.温度
4.电流密度
5.有机污染:
用哈氏槽试验
2.5镀银
2.5.1银的性质
(1)原子序:
47。
(2)原子量:
107.868。
(3)密度:
10.491g/cm3。
(4)熔点:
960.8℃。
(5)沸点:
2212℃。
(6)电阻:
159μΩ-cm3。
(7)结晶构造:
FCC。
(8)标准电位:
+0.7991V
(9)原子价:
1。
(10)银是金属中导热及导电性最好的。
(11)纯银的硬度有80~120Vicker较金稍硬,呈纯白色。
(12)化学的抗蚀性良好,尤其对有机酸最为良好,对食品的抵抗性也很好,
所以大量使用在餐器。
(13)轴承润滑性非常优越,飞机上轴承常镀上银。
(14)反射性强,用于玻璃反射器上。
(15)在空气中不易氧化,但空气中有硫化物则变黑色。
2.5.2银底镀(SilverStrike)
银较大部份金属〝贵〞(noble),所以银会在银镀浴中置换析出,附着性差。
为了防
止此现象在镀银先用低银含量高自由氰化物(freecyanide)镀浴打底电镀。
对于钢铁基材
镀银则做二次打底(doublestrike),打底电镀(strikeplating)除了可防止浸镀镀层(immersion
deposit)的发生,也是将不同的金属加以包覆起来,例如焊接及装配组件。
装饰银底镀时
间在8~25秒,工程性银底镀时间在15~35秒。
2.5.3镀银(SilverPlating)
镀银可分装饰性镀银(decorativesilverplating)及工程镀银(enginee-ringsilverplating)。
装饰性镀银应用于如手饰、刀、匙、叉。
工业应用于电子工业上的电接头、半导体组件
(semi-conductorcomponents)、电达天线。
机械工业上的如高负荷轴承(heavy-dutybearings)防止擦粘作用(galling)及粘蚀作用(seizing)、高热气的密封(sealing)。
镀银使用的阳极(anodes)需高纯度,至少要达到999的纯度。
阳极袋(anodebag)也需使用。
黑色阳极(blackanodes)在镀银有时会发生,其原因有pH太低、电度密度太大、低自由氰化物(freecyanide)及少量的铁、铋(bismuth)、锑(antimony)、硫、硒(selenium)、碲(tellurium)。
钢铁及不透钢的阳极用在打底电镀,石墨和铂(platinum)阳极用在特殊情况,阴效率是100%,除非镀浴污染严重。
2.5.4镀银之后处理(PostplateTreatments)
银在大多空气中很快就变色(tarnishes),此变色为黑竭色之硫化物污迹(sulfidestain)不仅泵坏外观而且损失焊接性(soderability)及增加接触之电阻(contactresistance)。
为了防
止或阻延此变巴的形成,镀银需做镀后处理如再镀上层(overlays)金或铷(rhodium),镀化处理(passivationtreatments)包括铬酸盐处理(chromating)及涂装氧化镀(beryllium)、胶状物(colloidal)。
2.5.5银镀浴之光泽剂(Brighteners)镀银之光泽剂有下列几种:
(1)二硫化碳(carbondisulfide):
0.01~0.02mg/1。
(2)硫代硫酸钠():
0.3~1.5g/1。
(3)硫代硫酸铵(60%):
1~2mg/1。
(4)有机含硫化合物。
(5)VA或VIA元素(Se、Bi、Sb)之错合物(complex)。
一般有机光泽剂可得较好的电特性(electricalproperties)。
锑(antimony)或硒(selenium)的光泽可得较耐磨的银镀层。
2.5.6银镀浴之配方(Formulation)
(1)正规镀浴(tranditionalelectrolyte)
(2)高速浴(highspeedbaths)
(3)非氰化物镀浴(non-cyanidesystems)
2.5.7银镀浴中组成的作用
(1)银:
以氰化银、氰化银钾、硝酸银、氯化银或碘化银形式提供银离子做电镀沈积用。
(2)游离氰化钾:
增加导电性及均一性,但太多会使阳极极化(polarization)。
(3)氢氧化钾:
在高速浴中降低阳极极化作用、增加导电性。
(4)碳酸钾:
增加导电性、均一性。
(5)温度:
较高温度可用较高电流密度。
(6)光泽剂:
加强镀层光亮作用,少量使用。
(7)电流密度:
由温度、搅拌程度,自由氰化物浓度而有所改变。
(8)金属杂质:
降低阴极效果,铬会产生脱落,铁会生成多孔呈黄色。
(9)有机杂质:
均一性变差,电流密度范围少,产生较粗糙及多孔镀层。
2.5.8银镀浴的控制及净化
银镀浴的控制是以化学分析维持金属银,自由氰化物(freecyanide)的浓度、调节浴温、搅拌程度及使用阳极袋。
有机物杂质用活性碳处理,金属杂质可用沈淀法、螯合法或镀出法去除。
2.6常见镀种的镀层厚度参考值
镀种及相应厚度如下
名称
厚度
备注
金
厚金
0.1um以上
根据金厚度的不同
酸金
0.1um以下
银
厚银
0.1um以上
根据银厚度的不同
薄银
0.1um以下
以下通指镀层总的厚度
三价铬
三价光铬
15~20um
底材为镜面
(不含有害物质)
三价半光铬
8~10um
底材为镜面+咬花
铬
三价珍珠铬
15~20um
六价铬
六价光铬
15~20um
底材为镜面
(含有害物质)
六价半光铬
8~10um
底材为镜面+咬花
六价珍珠铬
15~20um
镍
光镍
光镍
哑镍
半光镍
珍珠镍
无电解镍
即化学镍或沉镍
沉铜沉镍
黑镍
即枪色
枪
亮枪
15~20um
底材为镜面
哑枪
半光枪
8~10um
底材为镜面+咬花
珍珠枪
15~20um
亮锡钴
15~20um
锡钴
即仿铬
半光锡钴
8~10um
珍珠锡钴
15~20um
第三节涂装
3.1涂装工艺介绍
我们常用到的粉末涂装就是将粉末涂料,经高压静电等方法喷涂再工件上,经温度固化形成膜层。
一般是按这样的顺序进行的
工件表面处理静电喷涂温度固化成品
3.2静电喷涂
涂料经静电喷枪喷出时带上电荷,经正负电荷相吸引,粉末涂料吸附在工件上儿完成。
还有静电浸涂、热浸涂等。
3.2.1固化条件
粉末涂料的固化时间,以材料助剂的不同而变化:
环氧型、环/聚酯型、聚酯型,固化:
180±5˚C/15--20分钟亚光、无光类涂层固化:
200±10˚C/15--20分钟
3.2.2质量要求
膜层外观:
平滑、轻微桔皮现象,无颗粒状。
膜层厚度:
60--70μm。
附着力:
划格法,无脱膜,冲击试验。
3.3如何在ABS塑料表面涂装
ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯共聚物的英文缩写。
这种塑料有较高的强度和良好的加工性能,故广泛地用作机械部件、电器器件、汽车零件及化工设施等。
但ABS容易发生紫外光降解,涂装的ABS制品能克服紫外光降解,并能使其外观得到改善。
涂漆的方法和要求如下:
1基层处理
可用乙醇或汽油脱脂并除去脱膜剂。
2涂料选择
适用的涂料有丙烯酸漆、环氧漆、聚氨酯漆、生漆等,常用品种有115丙烯酸外用磁漆、7182丙烯酸聚氨酯漆、丙烯酸塑料用漆等。
有条件也可自己配漆。
如取生漆300份、朱合漆340份、浓缩牛乳150份(鲜牛奶浓缩到50%体积)、氧化铁或雌黄(三硫化二砷)100份制成的混合漆(可保存1~2个月)。
取此漆100份和33份甲苯二异氰酸酯混合。
再取此混合漆100份,同50份二甲基硅树脂的甲苯煤油混合。
即得ABS用涂料。
此漆涂刷时不用底漆,与ABS的附着力良好。
3涂漆与干燥
可喷涂、浸涂、淋涂及滚涂等。
ABS涂层一般选择自干型漆,若需烘烤成膜,温度
不能超过75℃,时间约为20~30分钟。
第四节阳极处理
4.1什么是阳极处理
阳极处理是化成皮膜(ConversionCoating)技术的一种,根据ASTM的定义化成皮
膜指的是利用化学或电化学处理,使金属表面生成一种含有该金属成份的皮膜层,例如
锌的铬酸盐皮膜处理,钢铁的磷酸盐皮膜处理,铝合金的阳极处理等,欲施行化成皮膜
处理的金属,其形成的化合物或氧化物必须不具水溶性,同时也不是粉状物,亦即必须
是连续皮膜。
此单元完全以常见的铝阳极处理为讨论对象。
4.2阳极处理的目的与应用
一般铝合金很容易氧化,氧化层虽有一定钝化作用,但长期曝露之结果,氧化层仍
会剥落,丧失保护作用,因此阳极处理的目的即利用其易氧化之特性,藉电化学方法控
制氧化层之生成,以防止铝材进一步氧化,同时增加表面的机械性质。
另一目的是,藉
不同化成反应,产生各种色泽(发色)增进美观。
铝合金阳极处理应用广泛,飞机皮、
军事武器、复印机抄纸滚桶、建筑物铝帷幕、铝门窗等。
4.3制程
于电解槽中,将金属(如铝或铝合金)工件置于阳极,施加一定电压与电流,促使
工件表面形成附着良好的氧化层。
简要而言,发生下述反应:
阳极:
Me+XH2O→MeOX+2XH++2Xe-
阴极:
H2O+e-→1/2H2+OH-
一般而言,阳极处理
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