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金屬材料表面處理技術(shù),DT(I)SQA,品管進階培訓(xùn)講座,1﹒基本概念2．表面處理在金屬防護方面的作用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)特點及其防護機理/能力8﹒表面膜層的質(zhì)量檢測技術(shù)9﹒公司表面實驗室其它測試,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,表面層的選材,表面處理工藝,表層質(zhì)量控制與監(jiān)測,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方面的作用,A﹒根據(jù)金屬腐蝕機理和腐蝕形態(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,,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,而使金屬與腐蝕環(huán)境隔離﹒,D.金屬表面保護層的要求,即金屬上涂覆層的基本性能,1）結(jié)合強度－要求結(jié)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(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,金屬保護層非金屬保護層,表面保護層分類,按結(jié)構(gòu)特點,電鍍層屬于金屬保護層，氧化、化學(xué)轉(zhuǎn)化、噴涂膜層屬于非金屬保護層,按組成成分,除油漆和粉末涂層外，其它保護層都是無機涂層,無機膜層有機膜層,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，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)作用保護基體﹐其防護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)﹐只能機械性保護基體﹐其完整性破壞后﹐將加速基體腐蝕﹐其防護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(5~8μm)﹑鍍銅(8~12μm)/鎳(8~12μm)﹑鍍銅(12~18μm)/鎳(8~12μm)/裝飾鉻(0.5~2μm)﹐鍍銅(5~8μm)/錫(5~8μm),化學(xué)鍍鎳(5~8μm)﹐鍍硬鉻(1~3μm)銅－鍍鎳(3~5μm)﹑鍍硬鉻(1~3μm)﹑鍍鎳(5~8μm)/裝飾鉻(0.5~2μm)﹑鍍錫(3~5μm)﹑鍍鋅鋁－氧化﹐鍍鋅(5~8μm),化學(xué)鍍鎳(8~12μm)鎂－化學(xué)氧化﹑陽極氧化(10~60μm),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)晶層即為電鍍保護層。,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?）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）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膜﹒,鋁零件的化學(xué)氧化實際上應(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（如細長管、點焊件、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)﹒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,用酸液對金屬表面進行溶解腐蝕，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，加強抗腐蝕能力；2）封閉---機械方法在鍍層孔隙中填充微粒﹐如有機物分子，同樣是加強保護作用,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)特點及其防護機理/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機理各式各樣。,電化學(xué)保護機理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﹒,機械保護原理隔離腐蝕介質(zhì)與基體直接接觸、而起到保護屏蔽作用,7.1電化學(xué)保護,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,鍍鋅層可達到336至500小時鋼基材出現(xiàn)鏽蝕﹗,彩色鈍化膜可達到96小時以上不腐蝕﹗,鹽霧試驗,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)其無孔隙時才具有良好的保護性﹒2﹒太薄﹕當(dāng)鍍層達到一定厚度時﹐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?zāi)芡ㄟ^CASS試驗8小時（中性鹽霧試驗一般為48-72小時）,就具有良好保護作用.,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,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﹐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(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﹐彩色膜可通過168小時。,若腐蝕﹐首先是保護膜發(fā)生變化，一般是出現(xiàn)黑色傾嚮﹔當(dāng)保護膜被穿透后，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,鋼的磷化膜是顯微孔隙結(jié)構(gòu)，因此對油漆等有機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,油漆對底材是機械保護﹐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.底漆加強油漆與金屬基體附著力;2.面漆保護及裝飾作用;3.只有當(dāng)油漆各層達到涂料本身規(guī)定的厚度時﹐涂層才具有規(guī)定的各項性能﹒,普通油漆層的防護能力應(yīng)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(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-破壞性法,非破壞性法,8.2膜層表面粗糙度的檢驗,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,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行檢測3）表面缺陷針孔、麻點、毛刺等不計入粗糙度數(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,鹽霧試驗腐蝕膏試驗濕熱試驗周浸試驗SO2腐蝕試驗H2S腐蝕試驗大氣暴曬試驗,中性鹽霧NSS,乙酸鹽霧AASS,銅加速乙酸鹽霧CASS,NaCl505g/l,溶液,352℃,pH,6.5-7.2,溫度,增加冰乙酸,3.1-3.3,352℃,再加入CuCl2H2O0.260.02g/l,3.1-3.3,502℃,試驗報告中應(yīng)包括以下內(nèi)容,1﹒所依據(jù)的試驗標(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，包括試驗前的清洗和對試樣邊緣或其它特殊區(qū)域的保護措施6﹒膜層的已知特征及表面處理說明7﹒試樣數(shù)量,8﹒試驗后的清洗方法9﹒試樣放置角度10﹒試驗周期及中間檢查結(jié)果11﹒試驗溶液和pH值12﹒試驗溫度13﹒收集液的密度14﹒影響試驗結(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﹒公司表面實驗室其它測試,內(nèi),內(nèi),試樣制備,ICP電感耦合電漿光譜議,1﹒波長範(fàn)圍:165~800nm.2﹒材料或溶液微量元素分析,如重金屬Pb,Cd等的含量﹒：0.001p確度：0.001pp,精確度：0.001ppm,PH計1.測定水溶液樣品的酸度(PH值)2.測量範(fàn)圍:0~14.00PH3.測量精度:≦0.05PH,比重計1.測量範(fàn)圍:0.6~2.0g/cm32.解析度:0.001,3.1.2物理性質(zhì)之檢測儀器,PH計1.測定水溶液樣品的酸度(PH值)2.測量範(fàn)圍:0~14.00PH3.測量精度:≦0.05PH,比重計1.測量範(fàn)圍:0.6~2.0g/cm32.解析度:0.001,UV1.波長範(fàn)圍：190nm~1100nm2.波長精度:0.3nm3.光度計模式及範(fàn)圍:吸收度ABS=﹣３~3Abs;穿透度%T=0~300%T;,紫外及可見光光譜儀,紫外及可見光光譜儀UV1.波長範(fàn)圍：190nm~1100nm2.波長精度:0.3nm3.光度計模式及範(fàn)圍:吸收度ABS=﹣３~3Abs;穿透度%T=0~300%T;,物質(zhì)濃度測試,3.5.2有機物質(zhì)特性鑒定之儀器,有機物質(zhì)特性鑒定,FTIR有機物的定性分析和結(jié)構(gòu)研究波數(shù)範(fàn)圍:400~4000cm-1（波長：2.5~25nm）,3.5.2有機物質(zhì)特性鑒定之儀器,GC有機物或部分無機物的定性定量分析積分敏感度：0.1μ?sec線性度：0.1%,