《金属材料表面改性》PPT课件.ppt

工程材料的表面防护,要求,耐高温性 隐身性 耐蚀性 耐磨损性,第10章 金属材料表面改性处理,10.1 转化膜处理 10.2 电镀 10.3 离子沉积 10.3.1 化学气相沉积法 10.3.2 物理气相沉积法 10.4 热喷涂 10.5 涂装 10.6 表面着色和染色 本章小结,10.1 转化膜处理,转化膜处理是将工件浸入某些溶液中,在一定条件下使其表面 形成一层致密的保护膜,提高工件防腐蚀的能力,增加装饰作用。常 用的转化膜处理有氧化处理和磷化处理. 10.1.1 氧化处理 1.钢的氧化处理(发蓝处理) 定义: 工艺过程: 应用: 2.铝的氧化过程 10.1.2 磷化处理 定义: 工艺过程: 应用:,第10章 金属材料表面改性处理,钢铁工件发蓝处理工艺过程,化学除油 水洗 酸洗 水洗 氧化 水洗 补充处理 水洗 吹干 检验 影响因素:碱浓度、温度、工件含碳量,第10章 金属材料表面改性处理,钢铁工件发蓝处理工艺过程,铝的氧化处理,铝的氧化目的： 化学氧化工艺：碱性溶液化学氧化 酸性溶液化学氧化 铬酸盐化学氧化 磷酸盐铬酸盐化学氧化 电化学氧化工艺（阳极氧化）： 常用电解液有：硫酸（WH2SO4为15%20%）、 铬酸（WCrO3）为3%10%）、 草酸（WH2CO4为2%10%） 为了防止阳极氧化生成的多孔结构被腐蚀和污染，必须进 行封闭处理。常用蒸汽封闭法、盐溶液封闭法、石蜡或油类 或树脂类封闭法。,第10章 金属材料表面改性处理,磷化处理工艺,第10章 金属材料表面改性处理,10.2 电镀,第10章 金属材料表面改性处理,返回,普通镀铬工艺,预处理和镀前处理 电镀 标准镀铬溶液 铬酐250 g/L、硫酸2.5 g/L 电镀温度 4250 C、 阳极 铅（常加 6%锑或锡）、 电压 612 V， 电流密度 1640 A/dm2， 补充铬酐 使溶液成分保持稳定. 电镀后 处理 漂洗 烘烤除氢 175180 ,第10章 金属材料表面改性处理,刷镀示意图,第10章 金属材料表面改性处理,1工件 2镀液 3供液瓶 4棉花包套 5阳极 6镀笔 7直流电源 8接液盘,镀铬的刷镀液的组成和工艺条件,第10章 金属材料表面改性处理,10.3.1 化学气相沉积法,定义:化学气相沉积是在高温下将炉内抽成真空或通入氢气, 然后通入反应气体并在炉内产生化学反应,使工件表面形成覆 层的方法,简称CVD法. 应用:刀具、模具、工具、零件等,目的是提高其耐磨性. TiCl4+CH4+H2 TiC+4HCl +H2 特点:反应温度高,需通入大量氢气,工件易产生氢脆,且不安全, 废气HCl有毒.,第10章 金属材料表面改性处理,气相沉积技术化学气相沉积,气相沉积技术等离子体化学气相沉积,10.3.2 物理气相沉积法,定义:物理气相沉积法是把金属蒸气离子化后在高压静电场使离 子加速并沉积于金属表面形成覆层的方法,简称PVD法. 特点:沉积温度低,速度快,渗层成分和结构可控制,无公害. 1.真空溅射: (以沉积TiC为例） 工艺方法：在真空钟罩内通入氩气，在真空度为1。3310-1 Pa的氩气中，作为阴极的碳化钛带有负14kV的高压。在阴极 靶与工作台之间的两侧有两根钨丝作为灯丝，灯丝被加热到白 热状态并使其带有0100kV负偏压时发射电子，使钟罩内氩气 电离氩离子（Ar+）以极快速度轰击碳化钛靶，使碳化钛以分子 状态溅射并沉积于安装在工作台上作为阳极的工作表面，在工 件表面涂覆一层高硬度碳化钛。 速度:1.11.5m/h、刀具碳化钛的厚度达46 m、模具的厚度 达68 m，其硬度达2500-4000HV。,第10章 金属材料表面改性处理,气相沉积技术物理气相沉积,真空蒸镀 离子镀 溅射镀膜,气相沉积技术物理气相沉积,真空蒸镀 离子镀 溅射镀膜,高频离子镀装置示意图,第10章 金属材料表面改性处理,1工件 2-高频激励线圈 3钛 4气体入口 5针阀 6测温热电偶,10.4 热喷涂,定义:在高温热源作用下,将金属、合金、金属陶瓷、陶瓷等材料 熔化或部分熔化,并通过高速气流使其成为雾化微粒,喷向工件表 面后构成喷涂层的方法称为热喷涂. 热喷涂工艺过程：表面制备、预热、预喷粉、喷熔、冷却、喷层 后期加工 热喷涂方法：电弧喷涂、火焰喷涂、等离子弧粉末喷涂 应用： 用于钢材抗大气腐蚀时，喷铝层0.1mm，喷锌层0.15mm， 在静止状态下可保护基体达10年之久。 用于耐热构件上，如工作温度500，则喷铝0.175mm 后不需其他处理；工作温度900 ，喷铝合金后，在800900 加热扩散；工作温度1000，则喷镍铬合金0.375mm后再喷0.10 的铝层，并涂煤膏沥青溶液，干后再进行加热扩散。 用于修理磨损曲轴和机床传动轴时，先用镍拉毛后再用电 弧热喷涂法喷钢（45钢、弹簧刚），修复磨损表面。,第10章 金属材料表面改性处理,20钢 喷涂G302铁基粉末 4%硝酸酒精溶液,变形颗粒,空洞,20 钢 喷涂喷焊M80S20 浸蚀剂：王水 M80S20铁基非晶自熔合金粉末成分为(Fe,Cr,Ni,W,Mo)80(B,Si,C)20,树枝晶共晶,热喷涂材料,氧化铝-氧化钛复合粉末 化学成分：20%TiO2 80%Al2O3 生产工艺：团聚-烧结 粒度范围：-200+400目 作用：耐磨损、摩擦系数小，耐磨和抛光性能好，是优异的抗磨粒磨损、硬面磨损、 纤维磨损、粒子侵蚀和颗粒冲蚀磨损。,氧化铝-氧化钛复合粉末AT20 氧化铝-氧化钛复合粉末 化学成分：20%TiO2 80%Al2O3,氧化铝-氧化钛复合粉末AT40 氧化铝-氧化钛复合粉末 化学成分：40%TiO2 60%Al2O3,氧化铝-氧化钛复合粉末AT3 氧化铝-氧化钛复合粉末 化学成分：3%TiO2 97%Al2O3,氧化铝-氧化钛复合粉末AT13 氧化铝-氧化钛复合粉末 化学成分：13%TiO2 87%Al2O3,氧化铬粉末材料 化学成分：98%Cr2O3 生产工艺：熔融-破碎,氧化锆粉末材料 化学成份：95%ZrO2 5%,激光相变硬化 激光熔化凝固处理 激光冲击硬化 激光表面合金化 激光表面熔覆,10.5 激光烧结,反射镜,聚光镜,激光束,反射镜,激光熔覆：利用高能密度激光束将具有不同成分、性能的合金与基材表面快速熔化，在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层的快速凝固过程。 激光合金化：利用高能密度激光束将合金元素和基材薄层熔化，使基体与合金元素混合形成适当的合金。,激光熔覆,激光合金化,20 喷涂M80S20 +激光重熔 浸蚀剂：王水 M80S20铁基非晶自熔合金粉末成分为(Fe,Cr,Ni,W,Mo)80(B,Si,C)20,树枝晶共晶,M板条,20钢 喷涂M80S20 +激光重熔 浸蚀剂：王水 M80S20铁基非晶自熔合金粉末成分为(Fe,Cr,Ni,W,Mo)80(B,Si,C)20,树枝晶共晶,20钢 喷涂M80S20 +激光重熔 浸蚀剂：王水 M80S20铁基非晶自熔合金粉末成分为(Fe,Cr,Ni,W,Mo)80(B,Si,C)20,树枝晶共晶,M板条,10.6 金属表面形变强化,堆焊,作用 材料 铁基 钴基 镍基 铜基 碳化物 工艺,10.7 金属表面堆焊,10.8 涂装,定义:利用喷射、涂饰等方法，将有机涂料涂覆于工件表面并 形成与基体牢固结合的涂覆层过程称为涂装。 目的：提高耐磨性、美化工件表面（掩饰表面缺陷、丰富色 彩）、保护表面免受外界（空气、水分、阳光及其他腐蚀介质） 侵蚀。还可色彩伪装、防红外伪装、电气绝缘等。 涂料一般由成膜材料、颜料、溶剂、助剂四部分组成。 方法：浸涂法 、空气喷涂法 、静电喷涂法 、电泳涂装法 、 粉末涂装法,第10章 金属材料表面改性处理,浸涂法,浸涂法是将工件浸入漆槽中进行涂装的方法，自动浸 涂是将工件置放在悬链上，借悬链沿轨道的运动自动浸 入漆槽中涂漆。 特点：工艺简单、省工省料、，便于实现自动化，常 用于大批量生产的流水线上。,第10章 金属材料表面改性处理,空气喷涂法,喷涂法是利用压缩空气，用喷枪将油漆雾化并喷射到 工件上的方法。 特点：漆膜均匀、平滑、喷射灵活。适合各种大小的 工件。但漆的利用率低。,第10章 金属材料表面改性处理,静电喷涂,静电喷涂是用静电喷枪使油漆雾化并带有负电荷，与 接地的工件间形成高压静电场，静电引力使漆雾均匀沉 积在工件表面，形成均匀的漆膜。 特点：漆膜均匀、生产率高（比空气喷涂高13倍）、 油漆利用率高（可达80%90%）、污染少、易于实现 自动化。,第10章 金属材料表面改性处理,电泳涂装,电泳涂装是将电泳漆用水稀释到固体成分为10%15% 工件作为直流电正极浸入电泳槽内，电泳漆中的树脂和 颜料在电场作用下移向阳极并沉积于工件表面，形成不溶 于水的漆层，然后用水冲去附于工件表面的残液，烘干后 形成均匀的漆层。 特点：漆膜厚度均匀、质量好、边缘覆盖好，涂料利用 率高（可达95%以上），生产率高，便于实现自动化，污 染小。,第10章 金属材料表面改性处理,粉末涂装,粉末涂装的基本方法有静电喷涂法和硫化床法两种。 1）粉末静电喷涂的电源由高压静电发生器供给，其产生的高电压 接到喷枪的内部或前端。粉末在供粉器中与空气流混合，进入喷 枪，在喷枪内部和出口处带上电荷。在静电场的作用下，粉末粒 子飞向接地的工件上，当粉末涂覆一定厚度时，后来的粉末由于 同性相斥而不能被吸附，使膜厚均匀地覆盖工件。被喷涂的工件 在固化炉中将粉层熔融、流平和固化，形成均匀的膜层。 2）硫化床法是在容器内装一孔径为0.40.8m的多孔板，在板上 的粉末由于板下的压缩空气通入而产生沸腾状，加热后的工件浸 入沸腾的粉层而粘上粉末层，其厚度可根据工件浸入时间和工件 预热温度来调整，然后再经过烘烤进行固化，形成平滑的膜层。,第10章 金属材料表面改性处理,10.9 表面着色和染色, 金属的着色是通过化学或电化学等处理方法,使金属自身表面 产生色调的变化并保持金属光泽的工艺. 着色方法：化学法：是利用溶液与金属表面产生的化学反应生 成氧化物、硫化物等有色化合物。置换法：是溶液中金属离子 进行化学置换反应并沉积在工件表面，形成有色薄膜。热处理 法：是将工件置于一定环境氛围中热处理，使其表面形成具有适当 结构和色彩的氧化膜。电解法：是将工件置于一定的电解液中进 行电解处理，使工件表面形成多孔、无色的氧化膜，然后再进行着 色或染色处理，形成各种色彩的膜层。 着色前处理：电镀（钢铁） 着色后处理：涂覆一层透明的保护膜 金属的染色是通过金属表面的微孔或吸附作用和化学反应将 染料均匀涂覆在金属表面，也可利用电解法使金属