材料表面工程技术之转化膜与着色技术

1、材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 转化膜与着色技术材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 1 转化膜的根本特性及用途 n定义：n 金属化学处理法化学转化膜是通过化学或电化学手段，使金属外表形成稳定的化合物膜层的方法。n机理：n 金属与特定的腐蚀液接触而在一定条件下发生化学反响，由于浓差极化作用和阴极极化作用等，使金属外表生成一层附着力良好的，能保护金属不易受水和其他腐蚀介质影响的化合物膜。材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n特点：n 由于化学转化膜是金属基体直接参与成膜反响而成的，因而膜与基体

2、的结合力比电镀和化学镀膜层大的多。n用途n保护和装饰n提高涂膜与基体的结合力n耐磨减摩n用于冷成形加工n电绝缘性nzenmZnmAMAM材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n分类：n按形成机理分为：n化学转化膜n电化学转化膜n按成分分为n氧化物膜n磷酸盐膜n铬酸盐膜n草酸盐膜n按用途分为n功能性膜耐磨、减摩、润滑、电绝缘、冷成型加工、涂层基底n防护性n装饰性材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 2 磷化n磷化膜是由金属外表与稀磷酸及磷酸盐溶液接触而形成的。以钢铁磷化处理应用最广。n钢铁磷化膜按其厚度n厚膜、薄膜，n根据磷化膜的形

3、成方式n假转化型磷化、转化型磷化。n根据其处理溶液成分或温度n锰系、锌系、锌锰系、锌钙系磷化n高温(90以上)、中温(60-70)、低温(30-50)和常温(室温)磷化等。材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n钢铁磷化膜形成根本机理n磷化膜的形成n(1) Fe+2H3PO4Fe(H2PO4)2+H2pH值升高n(2) Me(H2PO4)2MeHPO4+H3PO4n 3Me(H2PO4)2 Me3(PO4)2+4H3PO4n使可溶性磷酸二氢盐向不溶性磷酸盐转化，沉积成膜。nFe+ Me(H2PO4)2 FeHPO4+MeHPO4+H2nFe+ Me(H2PO4)

4、2 Me2Fe(PO4)2+H2nFe与磷酸二氢盐反响。n Me(H2PO4)2+Fe(H2PO4)2+8H2O Me3(PO4)24H2O+Me2Fe(PO4)24H2O+8H3PO4材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n成膜过程及加速所用n磷化过程不仅是化学过程，而且还有电化学过程。难溶性磷酸盐的沉积发生在微阴极区，而阳极极化处理效果却相反。 n随着温度的上升，速率亦相应增大，最后到达最大值。外表越粗糙，晶核数就越多，成膜速度也越快。溶液性质不同，其相界面的扩散系数、溶液成分进入晶格时结晶的排列情况以及催化作用和抑制作用也不同。n磷化处理到一定时间以后，成

5、膜速度降低到零，膜的形成和溶解到达平衡。磷化膜的形成并不是在停止放氢时就停止了，而是在细孔中进一步形成。在停止放氢的一瞬间，膜的孔隙率仍占金属总面积的320，只有在某一时间以后(大约10min)，孔隙率才到达0.5的恒定值。 材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n为了加快磷化速度，提高磷化膜质量，通常采用的方法是：n参加氧化剂，如NO3-，NO2-，ClO2-等，它们能除去成膜时产生的H和亚铁离子。n参加电位比铁高的金属离子，如Cu2+、Ni2+、Co2+，它们通过电化学反响沉积在基材外表上，扩大阴极面积，加速磷化过程。材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏

6、科技大学 材料科学与工程学院 n钢铁磷化工艺n预处理n脱脂浸蚀预处理n外表调整工序n对于非涂装的防护磷化(厚膜)，n外表调整包括机械方法(如擦、刷、喷砂等)和化学方法(如钛盐、草酸、镍盐、铜盐等)，其中最有效和最有实用价值的是钛盐活化。 材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n磷化n厚膜磷化n92以上，1560min，膜厚20m以上，膜重60g/m2。n用途：用于浸油、防护油或蜡及染黑后作防护用。n薄膜磷化n温度一般为2090，时间短0.53min，厚度15m，膜重范围浸渍磷化为25g/m2，喷林为13g/m2。n用途：主要是涂装底层。n转化型磷化材料表面工程技

7、术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n磷化膜的结构n无定型磷酸盐n结晶型磷酸盐n磷化膜的性质：防护性n金属磷酸盐转化膜质量评定已建立国家标准，见GB/T113761997。n当所用的磷化膜是作为涂装底层时，其质量检验应采用GB/T 68071986?钢铁工件涂漆前磷化处理技术条件?。n转化膜的膜重测量方法见GB/T 97921988?金属材料上的转化膜，单位面积膜层质量的测定(重量法)?。 材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 3 铬酸盐钝化膜 n铬酸盐膜形成机理 n 铬酸盐膜的形成是通过金属溶液界面上的化学反响，其中关键反响是金属与六价铬之

8、间的氧化复原。 n金属与六价铬之间的氧化复原反响，金属外表溶解，金属离子进入溶液，六价铬被复原成三价铬。n上述反响消耗了氢，金属外表pH值升高，使凝胶状的Cr(OH)3，等在外表沉淀，形成钝化膜。 n上述凝胶状沉淀物吸附其它成分，如六价铬、水、金属离子等，构成成分复杂的铬酸盐钝化膜。材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n钝化膜为无定形膜，由不溶型的三价铬化合物和可溶性的六价铬化合物组成。n不溶型局部具有足够的强度和稳定性，为骨架；n可溶性局部充填在骨架内部；n当钝化膜受到轻度损伤时，露出的基体与膜中的可溶性局部相互作用，使膜修复。材料表面工程技术-表面微细加工

9、技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n锌的钝化n预处理：除去工件外表的油、脂、污物、氧化皮。 n钝化：钝化最常用的六价铬化合物是铬酸酐、重铬酸钠、重铬酸钾，并加有硝酸、硫酸，有的还有少量添加剂以改善工艺。 n老化：钝化膜形成后的烘干称为老化处理。 材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n铝和铝合金的铬酸盐钝化 n预处理：预处理是先脱脂再进行碱蚀，以除去制件外表氧化层，露出新鲜、均匀的基体外表。n成膜处理：铝材铬酸盐膜成膜溶液的特殊之处是含有氟离子。材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 4 化学氧化 化学氧化处理因为本钱低，设备

10、简单，处理方便，使用范围不断扩大。化学氧化处理可在铝、铜、钢铁、锌、锡、镉等金属及其合金上进行，获得不同性能、不同颜色的氧化膜。材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n钢铁的化学氧化 n钢铁的化学氧化俗称发蓝处理，膜的主要成分是Fe3O4。根据制件的外表状态、材料成分和氧化处理工艺标准的不同，可获得蓝黑色和黑色的氧化膜。n应用：机械零件、精密仪器与仪表、武器和日用品的防护与装饰。n氧化在碱性溶液中进行，氧化后没有氢脆影响，像弹簧钢、细钢丝及薄钢片件也常用氧化膜作为防护层。 n钢铁的化学氧化常用强碱溶液，称为碱性氧化法。即在较高温度(130以上)下，在氢氧化钠溶液

11、中参加氧化剂(硝酸钠或亚硝酸钠)进行处理。铁反响生成亚铁酸钠(Na2Fe02)和铁酸钠(Na2FeO4)，然后两者相互作用，生成磁性氧化铁(Fe3O4)膜。 材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n反响如下：n3Fe+NaNO2+5NaOH3Na2FeO2+H2O+NH3n6NaFeO2+NaNO2+5H2O=3Na2Fe2O4+7NaOH+NH3 nFe+NaNO3+2NaOH=Na2FeO2+NaNO2+H2On8NaFeO2+NaNO3+6H2O=4Na2FeO4+9NaOH+NH3 Na2Fe2O4+Na2FeO2+2H2O=Fe3O4+4NaOH 材料

12、表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n铝及铝合金的化学氧化 AlAl3+3e2H2O+2e- 2OH-+H2A13+2OH- AlOOH+H+2H+2e- H22AlOOH A12O3H2O材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 5 草酸盐钝化 钢铁材料在草酸盐溶液中处理可得到草酸盐膜，其耐蚀性能不高，不用作防护，在普通钢上用作涂装基底，在不锈钢及其它含铬、镍元素的高合金钢上用润滑剂载体，减少摩擦以利于冷加工，降低工具磨损，减少中间退火。 材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 6 电化学氧化 n电化学氧

13、化习惯称为阳极氧化，普遍用于轻金属材料的外表处理。 n轻金属材料重量轻、导电导热性好，但这些材料耐腐蚀性差，容易产生晶间腐蚀，耐磨性比较低。通过阳极氧化处理，可在其外表生成一层厚度达几十到数百微米的氧化膜。n根据不同用途，阳极氧化膜可赋予外表防护、装饰性、耐磨性、绝缘、隔热、光学性能等。材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n电化学氧化机理 铝及其合金的阳极氧化技术应用最广 n铝：阳极，析氧，Al2O3n其他金属：阴极，析氢H2O O +2H+2e 2Al+3O A12O3硫酸对金属铝和氧化膜的溶解作用为 2Al+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2 Al2

14、O3+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2O材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n阳极氧化工艺n预处理n氧化n防护装饰性的阳极氧化n硬质阳极氧化n阳极氧化膜的封闭 材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n阳极氧化膜的性能 n膜的厚度n孔隙度n结合力n硬度和耐磨性n柔韧性 n耐蚀性n膜的电性能n膜的热性能材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 7 着色技术 金属着色是采用化学或电化学方法赋予金属外表不同的颜色并保持金属光泽的工艺。材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院

15、 n铝和铝合金的着色n自然显色法：在一定的电解液和电解条件下，将金属进行阳极氧化处理时，由于电解质溶液、合金材料的组分及合金组织结构状态不同而产生不同的颜色。n吸附着色法：将生成了转化膜层的工件浸入加有无机盐或有机染料的溶液中，无机盐或有机染料首先被多孔膜吸附在外表上，然后向微孔内部扩散、渗透，最后堆积在微孔中，使膜层染上颜色。 n电解着色法：又称二次电解法或浅田法，以直流电在硫酸溶液中生成氧化膜，然后在金属盐的酸性溶液中进行交流电解着色。 材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 8 转化膜与着色技术的开展趋势 n研究与开发赋予这些材料外表高性能、多功能的外表处理

16、工艺始终是一个重要方面。n铝的微弧氧化以各种不同工艺将氟树脂嵌入铝阳极氧化膜的表层，或将纳米粒子引入氧化膜孔等工艺的研究，使金属外表或氧化膜层硬度、耐磨性、自润滑性、耐蚀性、绝缘性大大提高。 材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n提高产品装饰档次成为转化膜技术研究的一个重要方向。n通过对材料外表进行亚光、砂面、纹理、抛光等不同的处理，再加上(或不加)各种着色处理，可以使制件获得各种不同风格的奇特外观效果。 材料表面工程技术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n研究低消耗、低毒、少排放的“绿色外表工程技术 。n节约资源、保护环境 材料表面工程技

17、术-表面微细加工技术 江苏科技大学 材料科学与工程学院 n9、静夜四无邻，荒居旧业贫。4月-224月-22Thursday, April 21, 2022n10、雨中黄叶树，灯下白头人。15:26:0415:26:0415:264/21/2022 3:26:04 PMn11、以我独沈久，愧君相见频。4月-2215:26:0415:26Apr-2221-Apr-22n12、故人江海别，几度隔山川。15:26:0415:26:0415:26Thursday, April 21, 2022n13、乍见翻疑梦，相悲各问年。4月-224月-2215:26:0415:26:04April 21, 2022

18、n14、他乡生白发，旧国见青山。21 四月 20223:26:04 下午15:26:044月-22n15、比不了得就不比，得不到的就不要。四月 223:26 下午4月-2215:26April 21, 2022n16、行动出成果，工作出财富。2022/4/21 15:26:0415:26:0421 April 2022n17、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。3:26:04 下午3:26 下午15:26:044月-22n9、没有失败，只有暂时停止成功！。4月-224月-22Thursday, April 21, 2022n10、很多事情努力了未必有结果，但是不努

19、力却什么改变也没有。15:26:0415:26:0415:264/21/2022 3:26:04 PMn11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。4月-2215:26:0415:26Apr-2221-Apr-22n12、世间成事，不求其绝对圆满，留一份缺乏，可得无限完美。15:26:0415:26:0415:26Thursday, April 21, 2022n13、不知香积寺，数里入云峰。4月-224月-2215:26:0415:26:04April 21, 2022n14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。21 四月 20223:26:04 下午15:26:044月-22n15、楚塞三湘接，荆门九派通。四月 223:26 下午4月-2215:26April 21, 2022n16、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2022/4/21 15:26:0415:26:0421 April 2022n17、空山新雨后，天气晚来秋。3:26:04 下午3:26 下午15:26:044月-22n9、杨柳散和风，青山澹吾虑。4月-224月-22Thursday, April 21, 2022n10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话