广粘表面处理剂技术资料

1、 广粘表面处理剂工件表面(Surface是工件内部材料与周围环境的交界面,通常表面的定义是指深几个m (m到几十个610m 的厚度,并且包含许多不同的薄层所构成,如图一所示。它所承受外界的各种作用和因而受到的影响及产生的反应,例如对光和热的反射及吸收,受外力作用所产生的摩擦及破坏现象等,都与内部材料有很大的差别。随着科技的展进,材料被应用的范围日趋广泛且复杂,对材料性质的要求也较以往严苛,尤其适用在高温,潮湿、强酸,接触面为高速相对运动或辐射的恶劣环境下,工件材料表面的抵抗能力成为产品功能(Function表现和使用寿命长短的关键因素之。因此,对工件表面除了美观要求之外,尚有耐磨耗,防锈,防腐

2、蚀,耐高温,或绝缘性等不同的要求,因而表面处理早已成为机械、航天、电子等产业之产品制造过程中不可或缺的一个重要环节。 氧化层母材图一 工件表面的结构表面处理是指用于改善工件表面的状态和其机械、物理或化学性质的方法。一般经过铸造等机械加工法制造的产品,大都需要对其全部或部分的表面再进一步实施清洁、硬化、研磨、拋光、涂漆或电镀等处理,以增进其表面的各种特性、光滑度和美观等。表面处理的目的及应用例可归纳如下:1.增加表面的硬度、耐磨耗、抗疲劳等机械性质,应用于模具、活塞、汽缸、工具机、滑轨、轴、齿轮等。2.增加表面对养化及腐蚀的抵抗能力,应用于化工机械、兽医器具、汽车钣金等。3.增加表面之耐热、热传

3、导、热反射等特性,应用于散热板、航天发动机零件等。4.改善表面粗糙度及摩擦作用,应用于机械零组件之滑动面、轴与轴承、刀具、工具等。5.改变表面之导电及电阻的性质,应用于电子零件、内存、半导体组件等。6.改变表面对光的反射,选择性吸收、耐候等特性,应用于反射镜、汽机车零件等。7.增进表面的干净、光泽、颜色、美观等,应用于各类型民生用品、运动器材、装饰品等。一、表面前处理目的在为后续加工步骤做必要的准备,或为了增进产品外表的干净及美观,包含表面清洁和表面机械处理。表面清洁是指利用各种溶剂或超音波等方式,将工件表面附着的油污、碎屑、各种杂物及氧化或腐蚀的生成物等,加以去除以得到工件材料之真正表面层。

4、表面机械处里则是以喷砂、研磨或电解拋光等方法,除了可达到清洗效果外,尚可更进一步使工件表面光滑,增加其光泽及附着能力。1.1 、表面清洗(Surface cleaning经过一般加工后之工件的表面常附着有污物,例如油、脂、蜡、碳粒、其它金属颗粒、粉尘或砂粒等。此外在工件表面上之氧化层等生成物,则又是另一形式的异物。以上两者在后续加工,尤其是在进行下一步骤的表面处理前,都必须被清除干净。表面清洁的方法有:1.清洁剂清洁法(Detergent cleaning使用含有界面活化剂(又称综合清洁剂或碱性清洁剂的溶液,加温后,对工件浸没(Immersion其中或对工件喷洒(Spray以产生洗净效果。接着

5、可用有机溶剂,如汽油、三氯乙烯等进一步去除残留的污物。对于紧附表面的污物,则可适用乳液清洁剂加以清除。水或水蒸气的洗濯,也是常见的表面清洁方法。2.电解清洁法(Electrolytic cleaning工件浸没于电解水液中,通以电流,藉容液中水分子电解产生氢气或氧气的上升搅拌作用,洗净污物。通常用于需要特别清洁的表面,如电镀、油渍等的前置处理。3.超音波清洁法(Ultrasonic cleaning利用超音波的振动能量特性,迫使液体剧烈的摩擦工件面,可完全清洁复杂面或细小工件的部份,甚至包括凹部或裂缝内部的污物。4.酸性清洁法(Acid cleaning以有机酸、矿物酸等酸性清洁液,进行酸洗或

6、蚀刻工件表面的氧化层(生锈层、腐蚀生成物,或高温加工时产生氧化物的硬化层等。1.2 表面机械处理藉由机械力或电力的作用,不仅可以清除工件表面上的污物、锈蚀、毛边等,而且还可增进表面光滑度极附着能力,以利电镀或其它的表面处理。1.喷砂(Sand blast利用喷砂机将硅、氧化铝、金属颗粒或玻璃球等磨料经喷嘴以高速吹向工件表面,利用磨料颗粒撞击时的力量去除污物及铲平表面的粗糙凸起部份。2.研磨及拋光(Abrasion and Polishing研磨是利用研磨布轮固定在研磨机上,和研磨机一起以高速旋转。研磨布轮上涂以研磨剂或使用不同号数的砂纸,其磨料颗粒的细度视需要而定,当与工件表面接触时,产生摩擦

7、作用,达成清洁磨平的功能,如图二所示。拋光则是在研磨之后进行,将工件表面研磨成更为平滑光亮,使用的介质为拋光剂,更细颗粒的磨料和润滑剂结合而成。3.电解拋光(Electrolytic Polishing电解拋光是利用电化学原理,其作用过程和电镀刚好相反。装设方式为在酸性电解液中,将准备被拋光物当做阳极,阴极可使用铅、石墨或不锈钢等。电解拋光是缓慢的自表面上的凸起粗糙部份之多于材料去除而得到一致性的表面,使表面变得极为平滑、友光泽。电解拋光尚有下列的优点:可用于表面有凹凸部份而机械磨光困难完成者,可使表面不会积存杂物,不会有应力产生且不受温度的影响,且表面形成钝态,抗锈蚀能力变佳,适用于不锈钢等

8、金属加工。 图二研磨工作2 、表面硬化处理目的在增进工件表面的硬度,耐磨耗及抗疲劳等机械性质,但并不影响内部材料(又称为心部的特性或改变工件的尺寸及外型之加工。使用的方法有从表面渗透碳、氮等元素,藉由其扩散来改变表面层的化学成分;或利用火焰、高周波等产生热并对工件表面层进行淬火处理改变其组织而不改变其化学成分;或以机械力的珠击方式使表面产生压缩残留应力等,来达成工件表面硬化之目的。2.1 表面渗透法表面渗透法是指经过适当的程序,把某些元素渗透扩散到工件的表面层因而改变其化学成分,然后是需要再配合适当的处理步骤(如淬火使表面层硬化的方法。这是一种属于化学方法的表面硬化处理。被用来做渗透的元素有碳

9、(C、氮(N、硫(S及硼(B等,故此方法即是以所渗透的元素加以分类。利用表面渗透法处理钢材工件,可以改善材料表面层的硬度及耐磨耗性,而心部仍保有原来的韧性,可以抵抗冲击力的作用,使工件能兼顾韧性及耐磨耗的要求。1.渗碳(Carburizing在高温的环境下,将碳元素从原先含碳量较低的钢材工件表面渗入,经过一段时间后,自表面到其下某依预定深度材料的含碳量会有不同程度的增加。再将整个工件作淬火处理,则含碳量低的心部仍为低硬度并保有原来之韧性,但是含碳量较高的表面层之应度会变高。渗透层愈靠近表面的含碳量愈高,随着深度的增加,其含碳量逐渐减少。故当实施淬火后,硬度分布值也跟着不同,硬度HRC50以上的

10、材料距离工件表面之深度称为有效渗透深度,其值从小于0.5到1.5mm,如图三所示。一般产生高碳的表面硬度为HRC55到65,在热处理期间工件会发生扭曲现象。渗碳的方法有:(1固体渗碳(Pack carburizing:以渗碳剂(木炭为主将工件包围,密封于容器内,加热到5809500C并保持一段适当的时间候即可将容器取出炉外,待冷却后取出工件。(2液体渗碳(Liquid carburizing:将工件浸入氰化钠(NaCN为主的溶融盐浴中,当温度在7000C 以上时,以渗碳反应为主。在9000C 以上时则产生渗碳反应。(3 气体渗碳(Gas carburizing:把,等气体以适当比例空气混合后,

11、通过100011004CH 83H C 104H C 0C 得镍(Ni触媒产生吸热型控制炉气,再经添加之增碳作用,即可进行渗碳反应。4CH (4 真空渗碳(Vacuum carburizing:利用真空热处理炉,在减压状态下使用上述之渗碳性气体实施渗碳。因其渗碳效果良好,工件仍可保持辉面,操作简单、省时、省能源、低污染,目前已成为许多重要零件实施渗碳时所采用的方法。 图三 低碳钢渗碳后含碳量分布2. 氮化法(Nitriding用于特殊钢的表面硬化法,和渗碳不同之处为硬化不是经淬火而得,且实施的温度较低。在不含水的氨气(NH 3中方入含有铝(Al或铬(Cr的合金钢,加热温度至5005500C ,

12、保持长时间,使合金钢表面形成硬度很高又具耐腐蚀性的氮化层,且完成后不再做其它热处理故变形很小。特别是经氮化处理后,在工件表面会形成很大的残留硬力,可增进其耐疲劳性。氮化的方式有:(1 使用氨气(NH 3的气体氮化(2 使用溶融氰化物(如NaCN ,KCN ,NaCNO ,KCNO 等的盐浴氮化。当使用NaCN ,在温度较低时(约以下,以产生氮化反应为主。C 0700(3 使用氨气(NH 3和还原性气体(含CO之混合气体的气体软氮化法。(4 在低真空时,利用辉光放电(Glow discharge以产生氮离子进行氮化的离子氮化。3. 渗碳氮化法(Carbonitriding同时对工件表面层渗入碳和

13、氮的方法,实施温度在A 1点(以上,渗碳氮化的方法有:C 0727(1 气体渗碳氮化:使用气体渗碳炉,并在原来的炉气中添加氨气(NH 3进行作业。渗碳氮化层的组成,随工件母材、炉气成分、处理的温度和时间而有所不同。例如处理温度愈高则愈接近单纯渗碳处理,即氮气的影响愈小。反之,若温度愈低则愈接近纯氮化处理。(2 液体渗碳氮化:在前面叙述之液体渗碳处理时,若处理温度较高则形成渗碳为主的反应;若处理温度在之间,则NaCN 分解出来的碳和氮会同时渗透进入工件表面,就成为渗碳氮化了。C C 009007004. 渗硫法(Sulfurizing将硫(S渗透扩散到工件表面层,使生成硫化物时,可降低表面层之摩

14、擦系数,用来改善耐磨耗性。渗硫处理是在其它加工及调质处理后才实施。通常使用液体盐浴法。5. 渗硼(Metallic cementation法将硼(B渗透扩散到工件表面层,使生成硼化物时,可得到良好的耐磨耗性、耐蚀性、耐热性等。特点为硼化物本身的硬度很高,不需再实施淬火,故不必考虑工件变形或破坏的问题。渗硼的方式有利用固体的硼粉末、液体的溶融硼砂、电解的溶融浴和气体的B2H6。6.金属渗透法(Metallic cementation将金属元素等渗透扩散到工件表面,使生成物硬质合金层,以提高其耐磨耗性、耐蚀性、耐热性等。依所要求特性的不同而有不同的渗透元素,如铝(Al、铬(Cr、硼(B。常用的方法

15、是将含有该金属粉末渗透剂和要处理的工件一起放入容器中,加热至适当温度,并保持一段时间进行渗透处理。此法又称为扩散被覆法(Diffusion coating。2.2 表面淬硬法表面淬硬法是指经由适当的加热过程,使钢材工件表面层的温度升高以至变态成沃斯田铁组织后,立刻进行急速冷却之淬火作用而得到麻田散铁组织的硬化表面层。这是一种属于物理方法的表面硬化处理。表面淬硬法和表面渗透法所要求得到的工件特性相同。表面淬硬法中用以产生热量,促使工件表面层温度升高的方法有火焰(Flame加热,高周波加热(如图四所示,电浆(Plasma加热、电解(Electrolysis加热,雷射(Laser加热和电子束(Ele

16、ctron beam加热等。2.3 珠击法珠击法(Shot peening是指利用高压空气或离心力方式将细小的铸钢粒或玻璃等,以高速且反复地撞击工件表面,使形成不均匀的塑性变形,因而产生压缩残留硬力(Compressive residual stresss。压缩残留硬力可大为增进工件的耐疲劳抵抗,而工件表面的强度和硬度也因而提高。3 表面防护处理工件表面因与外界环境接触,或较容易受到环境中对其不利因素的影响而产 图四高周波粹火硬化生损坏。常见的表面损坏型式有:1.生锈(Rusting铁系(Ferrous金属材料才会发生。指空气中的氧和铁元素形成氧化物,俗称铁锈。铁锈极易剥落以至无法保护工件内部

17、的材料,致使材料不断的被氧化(生锈而损失。非铁系金属与氧化形成的氧化物反而具有保护工件内部材料的优点,如铝、钛、钢等之氧化物。2.腐蚀(Corrosion大部分的金属在含有水分的环境中,易发生电子转移作用,而成为离子型式,并与母材分离,称之为腐蚀,它是一种电化学反应(Electrochemical reaction。腐蚀的型式很多,产生的原因也各有不同,常见的如图五所示。表面被其它物体碰撞或摩擦以致有部分的材料脱落,造成表面凹痕,不光滑或不美观等情况。因此为加强工件表面之防锈、防腐蚀及抵抗外界侵扰破坏的作用等能力,最直接的方法就是把工件表面和外界环境隔绝开来。表面防护处理即是使用电镀、蒸镀、喷

18、覆、涂层、硬物覆面、油漆等方式,使镀层材料在工件表面上产生一层被覆以保护工件母材,同时也可增进美观。镀层材料的功能有两类,一类是本身比工件母材更耐蚀,以发挥隔离保护的作用另一类是比工件母材更易蚀,充当牺牲阳极,此时镀层愈厚保护效果愈好。(a均匀腐蚀(钢铁生锈(b伽凡尼腐蚀(异种金属的电腐蚀(c间隙腐蚀 (d孔穴腐蚀 (f应力腐蚀(f选择性腐蚀(成分改变(e晶界腐蚀(f冲模腐蚀图五腐蚀的型式3.1 电镀电镀(Electroplating是指将被镀工件浸入电镀槽中,并置于阴极位置,做为电镀的金属则置于阳极。当通以直流电后,阳极金属因其电子的脱落成为阳离子落入电镀液中,而电镀液中之金属阳离子则在工件

19、表面上析出沉积形生成一层金属薄膜将其覆盖,如图六所示。位于阴极之工件的电镀层厚度会受到电流密度、电镀液是否搅拌、电镀液温度、电镀液添加剂、工件材料和表面状况等因素的影响。电镀是电化学反应的一种,大部份的金属都可以被用来店度到其它工件上,使用最多的依序是锌(Zn、镍(Ni、锡(Sn、镉(Cd、铜(Cu、铬(Cr、金(Au、银(Ag、铅(Pb等。电镀层可形成良好的保护效果,可以防渗、防蚀、耐磨和增进美观。 图六电镀3.2 热浸热浸(Hot dipping是金属工件在经过良好处理后,浸入低熔点的金属液槽中,如锌、锡、铅、铝等,形成电镀层的方法。应用最多的是钢铁热浸镀锌。因为锌的耐蚀性比钢铁差,所以锌

20、扮演的是牺牲阳极的角色,因而使母材钢铁得到良好的保护。镀层厚度由浸镀时间控制。上述两种方法形成镀层所提供的保护作用有两种模式,一种是比较被镀工件材料的电化作用大,故即使局部失去镀层,其余的镀层仍会因电腐蚀(Galvanic作用而牺牲本身,继续扮演着保护的角色,如镀锌钢板;另一种镀层一旦剥落露出工作材料,则可能在暴露处发生腐蚀,如镀锡铁皮。分别如图七(a和(b所示。 图七镀层保护作用的模式3.3 无电电镀无电电镀(Electroless plating又称化学电镀(Chemical plating,是利用工件表面催化作用,使镀液中的金属阳离子还原成元素状态而析出沉积在工件的表面,因此并没有使用电

21、极也没有通电现象。镀层厚度由工件浸入的时间长短所控制。被用做为镀层的金属主要有镍、钴、铜等。无电电镀大都用于非导体工件,如印刷电路板的盲孔镀铜、塑料板的镀镍、装饰品的镀金等。3.4 电铸电铸(Electroforming的作用原理和电镀相同,但它是一种制造金属产品的方法。置于阴极的是铸模(Casting mold,当金属沉积析出在其上面所形成的镀层即为产品。铸模与镀层并不会紧密结合,在作用完成后,两者会分离。此法可生产大小不同的产品,尤其是适合于少量或复杂的工件。3.5 物里蒸镀物里蒸镀(Physical vapor deposition,PVD是指在真空中,把金属加热成饱和蒸汽,当它遇到温度

22、较低的被镀工件时,蒸汽即沉积于工件表面上形成薄膜。此法常应用在电子组件,如太阳电池、磁头等的表面处理。蒸镀材料有金、银、铝等,但不包括高熔金属或高温时易分解的高分子化合物。加热方法有电阻加热、电弧加热、雷射加热、电子束加热等。溅镀(Sputtering deposition法是利用高速的惰性气体(通常为氩气撞击镀层材料,引起其原子溅射出来并被覆到被镀工件表面上。为得到高速,将通入的气体离子化,成为电浆(Plasma通过电场的加速才能达成。3.6 化学蒸镀化学蒸镀(Chemical varpor deposition ,CVD不仅将金属镀在工件表面上,也适用于蒸镀含有碳、氮、硼、硅和氧等陶瓷材料

23、之镀层,是一种利用高温产生化学反应的制程。典型的应用例子如在切削刀具上镀氧化钛(TiN的镀层。首先在惰性气体及大气压下,得到,然后通入四氯化钛(TiCl C 010509504、氢气(H 2和氮气(N 2,经化学反应后,即可在刀具表面上形成氮化钛镀层及氯化氢。同理可用于产生碳化钛(TiC和氧化铝(Al 2O 3镀层。化学蒸镀法所产生的镀层通常较物理蒸镀法所得到的为厚。此外,化学蒸镀的主要缺点是必须在高温下才能发生化学反应,故可能造成被镀工件的金相改变或外形产生畸变。物里蒸镀和化学蒸镀为半导体产业中不可或缺的重要制程之,应用于晶圆表面之镀层材料的沉积。3.7 喷砂喷砂(Spraying是利用可产

24、生火焰、电弧或电浆的喷嘴,将金属合金、碳化物、氧化物或陶瓷材料熔化成小液滴或颗粒状,再以高速撞击方式喷覆于工件表面上。使用的喷覆材料形式可以是棒状、线材或粉末状。喷漆则是另一种应用形式。3.8 涂层涂层(Coating包含陶瓷涂层和金属氧化物的化成涂层。陶瓷涂层是指将非金属化合物,如玻璃、碳化钨等粉末,涂层在工件表面上,然后加热使之熔化而粘附,所得的涂层有良好的抗蚀能力。化成涂层(Chemical conversion coating是指在金属表面施以化学或电化学作用使生成化合物表面层。所得表面层含有被处理的金属成分。常见的化成处理有1. 磷酸盐处理,所得的磷酸盐涂层并无防蚀功能,主要是用来增

25、加油漆的附着性。2. 酪酸处理,多用于锌、镉等,所得氧化铬涂层可防蚀,又可增强油漆之附着性。3. 铝的阳极处理,将于3.10节中叙述。此外,包层(Cladding处理是先把金属粉末制成护面金属(Clad metal,然后被与工件接触,利用物理作用之加热及加压或螺炸法等方式,使两者粘附接着,在其接触面间有扩散现象发生。类似的方法有硬物雾面(Hard facing处理是利用焊接技术将涂层材料覆盖在工件表面上形成一厚的层、边或点状之耐磨耗硬化层。3.9 油漆油漆(Paint又称为有机涂层,可用来隔绝工件表面和腐蚀环境,以达成防蚀效果,另外一项很重要的功能就是增加美观。油漆的组成包括主要成分的颜料(P

26、igments、树脂(Resins和溶剂(Solvents及少量的添加剂(Additives。颜料为细小的固态分子,并不溶于含树脂的液体中,通常为无脂的金属盐或氧化物,特性是具有颜色、遮蔽性及防腐蚀。树脂则用以结合颜料分子并粘附于工件表面上,树脂的种类很多,各有其特定的功能,分别适合于耐候、耐酸、耐碱或耐水等不同的用途。溶剂是使油漆有足够的流动状态以方便施工,并使油漆均匀被覆于工件表面;并且不论是有机溶剂或水溶性溶剂,都会自油漆中挥发离去。添加剂的量虽少,却可提供许多重要的性质,较重要的有干燥、安定、湿性、防腐等。3.10 阳极处理阳极处理(Anodizing是专为铝和铝合金所发展出来的表面氧

27、化处理。铝在空气中氧化,形成氧化层可防止空气的继续侵蚀,但其保护的能力有时尚嫌不够。利用阳极处理可得到较厚的铝氧化层。其程序为将铝浸入电解液中当做阳极,电解溶液含有硫酸或铬酸,当通电后,铝会氧化形成氧化铝涂层。经阳极处理后,工件可增加耐蚀性,表层更硬、更耐磨耗、更光量且更美观。镁和钛也可使用阳极处理。3.11 钢铁发蓝将钢铁工件浸入含有硝酸钠和氰化钠的混合液中,加热发生化学反应,使工件表面生成一层黑色或蓝色的氧化物薄膜,称为钢铁发蓝(Blueing。其氧化膜厚度很薄,防蚀能力并不强,但其色泽美丽且具润滑性,已被广泛应用于制造工业。尤其国防工业的武器零件,以此法处理所得的防护层不反光,不但可防止被发现又不影响使用人员的瞄准