表面处理技术培训讲义

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表面处理技术培训讲义

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表面处理技术培训讲义

一、金属的腐蚀
按原理分：
1.化学腐蚀（缓慢的、均匀的、没有腐蚀电流产生）——化学浸蚀溶解
2.电化学腐蚀（有腐蚀电流产生，快速的、不均匀的）是最广泛的腐蚀形式
按破坏形式分：点蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、丝状腐蚀、磨损腐蚀等。
按腐蚀介质分：大气腐蚀、土壤腐蚀、海水腐蚀、生物腐蚀、融盐腐蚀等
二、电化学腐蚀原理
1.阴极，阳极、腐蚀介质（电解液）
构成原电池，阳极发生腐蚀溶解，产生腐蚀电流。铜锌电池原理图
2.金属的标准电极电位
金属活动性顺序表（钾钙钠镁铝锌铁锡铅（氢）铜汞银铂金）活性越强，电位越负，自然界没有金属态存在（如钠、钾、铝）；电位越正，自然界有金属态存在（如铜、银、金）。
稳态能级——原子序数小的碱金属、碱土金属很容易失去电子达到稳态能级，形成金属离子。大原子序数金属表面电子多，能级较高，较小的能量不容易引起电子跃迁，稳态发生变化，因此，性质很稳定。
3.电位差
两种材料由于标准电极电位的不同，导致两者之间形成电位差。如果有腐蚀介质存在，就会发生电化学腐蚀。如钢材，是由铁和碳组成，如果将钢材直接暴露在潮湿的空气中，钢材就会很快的腐蚀生锈。电位差越大的合金材料，越容易腐蚀，如硬铝12（铝铜合金）和铝镁合金相比，铝镁合金耐蚀性明显好于铝铜合金。另如铝压铸件、锌铝压铸件。
三、金属的防护
1.电镀/化学镀
几种保护方式①牺牲阳极——阳极性镀层（钢铁表面各种镀锌、铜表面镀镍等）
            ②惰性隔离层——阴极性镀层（铝合金化学镀镍，铜合金镀银、金）镀层必须致密无空隙，否则，腐蚀将会加剧。
            ③镀层组合——铜+镍（双层或三层）+铬，铜+镍+金，利用层间电位差将纵向大电流腐蚀转化为横向小电流分散的均匀腐蚀，
2.转化膜
钝化层——表面形成一层致密的惰性膜层，阻止了底层的进一步腐蚀。钢铁的发蓝，磷化、铝的化学氧化和阳极氧化，不锈钢的钝化，铜的氧化
3.涂层
各种有机涂料——通过固化成膜，在金属表面形成一层致密的有机保护膜。按成膜物质来分：酚醛树脂涂料、醇酸涂料、丙烯酸涂料、聚酯涂料、环氧树脂涂料、聚氨酯涂料等。按分散形式来分：有机溶剂涂料（单组分、双组分）、水性涂料、无溶剂涂料（粉末涂料）。
4.表面改姓
化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗），物理气相沉积（真空蒸发镀、真空溅射镀、离子注入），激光改姓、电子束改性。
四、镀覆层的设计选择
1.环境条件分类
良好条件：不暴露在大气中，相对湿度不大于70%，密封条件下，不受腐蚀介质作用。
一般条件：非露天，一般大气条件，相对湿度不大于95%。
恶劣条件：户外、露天，受各种腐蚀介质作用，相对湿度会大于95%。
特殊条件：高温、低温、耐磨、特殊介质环境。
2.接触偶
两种材料的电位差大小决定了接触偶得大小（见表3）。电位差越大，腐蚀越快。一般条件下，标准电极电位差不超过0.5伏时，可以安全使用。
接触偶等级：0级——不引起接触腐蚀可安全使用
            1级——引起接触腐蚀，但影响不严重，在多数场合下可以使用，热带海洋环境例外。（需进行涂装）
            2级——引起严重的接触腐蚀，除在有空调的干燥室内或密封良好的条件下，一般不宜采用。（必须用绝缘垫片隔离）
接触偶设计过程中，应尽量避免大阴极小阳极现象出现。
3.镀覆层设计原则
镀覆层设计时须考虑以下各项因素：
①零件的材料、结构、形状、配合公差
②零件储存和使用环境条件特征
③金属镀覆层的特性和分类、应用范围、厚度系列与选择原则
④金属材料接触偶级别
⑤镀覆的目的和各种性能要求
⑥镀覆层的表示方法
根据电化学特征，结构设计中尽量避免两端盲孔等溶液无法进入或流动的区域和结构，当孔较小、较深时，要增加工艺横孔，以提高溶液流动性和改善电场分布，提高镀层均匀性和可镀性。
黑色金属电镀后会不同程度的产生氢脆抗疲劳性能下降，需要受力的高强度钢和薄壁零件，要注意氢脆、疲劳和应力集中等。
镀层组合不可随意设计，必须经过试验验证性能满足各项要求的镀层组合才可以采用。
带有螺纹连接、压合、搭接、铆接、电焊、单面焊等组件，因存在缝隙，原则上不可以进行镀覆。
应注意镀覆层的使用温度范围，超过允许的使用范围时，不仅会导致性能无法达到，甚至可能引起基体金属的开裂和脆断。
在密闭情况下，应考虑有机挥发气氛对锌镉镀层的腐蚀作用。
五、结构设计中常见镀覆层介绍
1.镀锌
镀锌层为银白色，钝化后具有不同的颜色。
彩虹色钝化——耐蚀性好，膜层导电，装饰性差。工艺成熟，应用最广泛，
蓝白色钝化——装饰性好，耐蚀性差，适用于使用环境好、要求不高的零件
银白色钝化——装饰性好，耐蚀性差，适用于使用环境好、要求不高的零件
黑色钝化——有一定的装饰性、耐磨性好、耐蚀性好，适用于有一定装饰和耐磨要求的零件。
军绿色钝化——有一定的装饰性、耐蚀性很好、导电性差，适用于有一定外观装饰和好的防腐性能要求的零件。
对于钢和铜，锌是阳极性镀层，在一般环境下有较好的防护性能。但在海水、海雾直接接触的情况下，其防护性能不如镉镀层。


  
使用温度不应超过250度，否则会产生镉脆，再低于70度的环境和高于70度的水中，耐蚀性显著下降。
在密封和空气不流通时，非金属挥发物（低分子羧酸、酚、醛、氨气）能腐蚀锌镀层。促使其迅速产生“白霜”。
2.镀镍
镀层为稍带淡黄的银白色，对于钢为阴极性镀层，因此，单层镍不宜作防护层，常以铜+镍+铬复合镀层作为防护层
具有良好的抗氧化性，在300——600度条件下能防止零件氧化，常温下具有磁性，加热到360度失去磁性。
硬度低于铬，只能承受轻微的磨擦。但镀层较硬不易扩善，因此经常做为贵金属电镀和许多装饰性镀层的中间层。
由于不同的添加剂可以镀出成分不同镍镀层，因此派生出许多性能不同的镀镍层并可以进行组合：暗镍、半光亮镍、光亮镍、高硫镍、黑镍、珍珠镍。
镀层特性
目前，暗镍已很少使用，其优点：镀层无应力，缺点：外观差，不耐指纹，镀液对杂质敏感，工艺不稳定。
半光亮镍：优点是镀层基本无应力，可取代暗镍。缺点是使用添加剂，含量难以化验，只能根据试片和经验判定，精确控制有一定的难度。
光亮镍：优点是外观装饰性好，可以达到镜面光亮，镀层硬度较高，缺点：镀层有脆性，不适用于需弯曲或垂直受力的零件，表面如果不在镀装饰铬，外观很容易氧化变色，耐磨性也不如铬层。
高硫镍：镀层夹杂的硫含量较高，镀层活性较强，作为半亮镍和两镍的中间层，提高镍层间的电位差，将纵向腐蚀转化为横向腐蚀，起到牺牲阳极的作用，现在已很少采用。
黑镍：有一定硬度和消光性，可以缓解视觉疲劳。但镀层颜色不耐久，适用于光学、武器和铭牌等相关部件，缺点耐蚀性差，须有后处理。工艺稳定性也不太好。
珍珠镍：又叫缎面镍，沙镍。外观装饰性镀层，具有雾面效果。底层需亮镍打底。缺点是工艺稳定性较差。
3.镀硬铬和镀装饰铬
镀铬层的颜色为稍带浅蓝色调的的银白色，铬的标准电极电位比铁低，但由于铬在大气中具有钝化能力，所以铬镀层对于钢是阴极性镀层，对于铜合金（黄铜除外）是阳极性镀层，对于铝合金是阴极性镀层。
硬铬
硬铬层硬度为HV900—1200。
硬铬镀层具有较高的耐热性，400度时开始氧化，并且，硬度随之降低。硬铬镀层具有高硬度和低的磨擦系数。有很高的耐磨性，但镀层脆不能承受弯曲和冲击。
镀铬过程对钢基体的力学性能有影响，疲劳性能下降幅度较大。
装饰铬
装饰铬镀层具有很高的反光性能，并能长时间保持其反光性。
由于铬镀层本身具有微裂纹且多孔，因此，单层铬镀层不宜作防护层用。要提高耐蚀能力，必须先镀铜再镀双层镍。底层采用酸性镀铜或氰化镀铜，然后镀半光亮镍+光亮镍（半光亮镍厚度至少要达到镍层总厚度的三分之二），最后镀0.3微米的铬即可。镀装饰铬必须达到镜面光亮才可镀铬，否则达不到装饰效果。
镀黑铬
镀层呈深灰色至黑色，比黑镍镀层耐磨性好，镀层硬度HV130—150，在一般的大气条件下较稳定，有良好的消光性能，适用于光学零件，使用时颜色会逐渐减退。
4.化学镀镍
化学镀镍层对于钢、铝及铝合金是阴极性镀层，对于铜及铜合金（黄铜除外）是阳极性镀层。化学镀镍层是层状结构，孔隙率低，其耐蚀性比镀镍好得多。
镀层硬度比较高，稍有脆性，镀层中含有磷，因此对导电性和导磁性有显著影响。磷含量越高，镀层硬度越高，耐蚀性越好。
钢表面化学镀镍层经400度热处理后，硬度可以达到HV900-1100，可以取代硬铬层。镀层具有类似于不锈钢的外观，镀层抗氧化性也比较强。
由于是化学沉积，镀层均匀性比电镀好很多，适用于形状复杂，要求镀层均匀且有防腐或耐磨要求的零件。缺点是工艺较复杂，成本较高。
5.铝合金化学导电氧化
氧化膜比较薄，硬度低，不耐磨，不能锡焊（能点焊），具有较小的接触电阻，根据膜厚和工艺不同，颜色有无色、浅黄色、黄绿色和彩虹色。有一定的耐腐蚀性。适用于要求导电且有一定耐蚀性要求的零件。
6.铝合金阳极氧化
硫酸阳极氧化
阳极氧化是一般铝合金最常用的防护和装饰方法。膜层具有较高的防护能力，膜层多孔，与油漆的结合力良好，经重铬酸钾、热水封闭空隙，可以提高膜层的耐腐蚀性，用染料填充孔隙，可以得到所需要的各种颜色（含硅铝合金除外），但着色后的膜层防护性能低于重铬酸钾、热水填充的膜层。膜层经150度以上烘烤时，会出现发纹，随着温度升高发纹变短变细，数量增多，但对耐蚀性无明显影响。膜层不导电，有一定的耐磨性，膜较脆，基体变形后，膜会出现裂纹。经抛光表面，可以得到光亮美观的膜层，有较好的装饰性。阳极氧化对铝合金的疲劳性能有影响。对疲劳性能要求高的零件不宜采用。
硬质阳极氧化
硬质阳极氧化是使铝合金零件表面达到耐磨和防腐蚀的有效办法。膜层硬度高HV250-400，具有良好的耐磨性、耐热性、绝缘性和耐蚀性。膜层脆，随着膜厚增加脆性增大。膜层厚度20-80微米。
瓷质阳极氧化
膜层外观似搪瓷，颜色为浅灰色至钢灰色。膜层薄，很致密，不透明，具有良好的耐磨性、耐蚀性和电绝缘性，膜层还有一定的韧性，基体变形是不容易崩裂。适用于精密零件的防护与装饰。
7.镀锡和锡铅
镀锡层为银白色或浅灰白色。新的镀锡层易钎焊，随着时间的延长，特别是在潮湿的环境下，易氧化变得不易钎焊。锡镀层较软，在干燥的环境下，化学稳定性好。镀层导电性能和焊接性能好。适合于需要焊接或导电的零件。
镀锡铅合金层为灰白色。镀层经热熔后能大大降低孔隙率，易于焊接。在钢铁件表面镀锡时，要有足够厚的铜层打底。适用于钎焊的零件。
8.磷化和发蓝
钢铁零件发蓝膜是由不同的氧化铁所组成，膜层颜色随合金成分不同而不同，钢铁法蓝的零件适合在油中工作，防护能力较低。生产成本很低。工艺很稳定。适用于不适于电镀的精密机械零件，武器等。
磷化膜为灰色至暗灰色。膜层具有晶体结构，不导电，硬度低，不耐磨，弹性极小，基体变形时膜层容易脱落。磷化膜与油漆结合力较好，常用来做油漆的底层。单独的磷化膜防护能力较差，表面涂漆后装饰和防护性能大大提高。
9.达克罗涂覆
达克罗涂层又叫水基锌铬涂层，是由超微锌片、铝片及特殊有机物结合在一起形成的层状结构的膜层。由于锌的阳极保护作用和铬酸的钝化效应，铝对锌腐蚀的抑制作用，使达克罗涂层具有超强的耐腐蚀性。由于没有经过酸洗，不会产生氢脆。膜层耐候性良好，有一定的导电性。适用于户外工作的大型结构件和各种用途的紧固件。是取代热镀锌和电镀锌的最佳工艺之一。缺点是：膜层是层状结构，不太适合作底层使用。

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