设计材料与工艺第三章(含作业)

1、产品造型设计材料与工艺讲授者：邢艳芳工业设计史讲授者：邢艳芳 第3章 表面工程与热处理技术3.1 表面工程概述3.2 热处理3.3 表面工程技术方法与工艺产品造型材料与工艺 产品造型材料与工艺 教学基本要求1.掌握材料的热处理工艺；2.掌握电镀、化学镀和涂装的技术方法；3.了解热浸镀、热喷涂等技术方法。 产品造型材料与工艺3.1表面工程概述 表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆金属或非金属，以改善表面性能的系统工程。 目的：一是保护产品 二是提高表面的装饰效果，改善表面的物理性能、化 学性能及生物学性能。 达到：同材异质感、异材同质感 表3-1 产品造型材料与工艺工业设计常用的表面处理技术有

2、涂装、电镀、氧化着色等。表面工程按照功能分类为：表面装饰防腐蚀耐磨热功能光、电、磁等特种功能。3.2热处理3.2.1热处理概述1.热处理基本概念 将材料在固态下进行加热、保温和冷却以获得所需组织与性能的工艺。2.热处理的分类整体热处理 退火、正火、淬火、回火表面热处理 化学热处理（渗碳、碳氮共渗、渗氮） 产品造型材料与工艺3.2.2退火和正火1.退火 是将金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。 有完全退火和去应力退火。 （1）完全退火 是为了细化组织，降低硬度，改善可加工性，去除内应力。 （2）去应力退火 去除加工、焊接等造成的以及铸件内存的残余应力而进行的。2.正

3、火 是将钢加热到临界温度以上3050度，保温适当时间后，在空气中冷却的热处理工艺。目的是调整硬度，细化晶粒。 产品造型材料与工艺3.2.3淬火和回火1.淬火 是将钢件加热到临界温度以上，保持一定时间后快速冷却，获得高硬度组织的热处理工艺。为了提高钢的力学性能。 2.回火 是将钢件淬硬后加热到临界温度以下某一温度，保温一定时间然后冷却到室温的热处理工艺。 主要目的:一降低脆性、消除或降低残余应力，如不及时回火，往往会使工件变形甚至开裂;二是赋予工件所要求的力学性能，通过适当回火配合调整硬度、降低脆性，得到所需要的韧性、塑性。 产品造型材料与工艺回火分为：低温回火（250以下） 保持高硬度、高耐磨

4、性并降低淬火应力和脆性。中温回火（350-500 ） 获得较高的弹性极限和屈服强度，同时改善塑性和韧性。高温回火（500-600 ） 降低强度、硬度及耐磨性的前提下，大幅度提高塑性、韧性，得到较好的综合力学性能。 习惯将钢件淬火加高温回火的热处理工艺成为调质。图3-1 产品造型材料与工艺3.2.4表面淬火和化学热处理 1.表面淬火（常用） 是利用快速加热使工件表面很快加热到淬火温度，在热量传到心部之前即迅速冷却，使表面得到马氏体而被淬硬，而心部仍然保持未淬火状态组织。分为：（1） 感应淬火-利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面、局部或整体加热，并进行快速冷却的淬火工艺。（2）火焰淬火

5、-是应用氧-乙炔火焰对零件表面加热，随后冷却的工艺。用于中碳钢和中碳合金钢。淬硬深度26mm。单件或小批量的零件和需要局部淬火的零件。 表面热处理是指仅对工件表面进行热处理以改变其组织和性能的工艺。 产品造型材料与工艺2.化学热处理 是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。 常用有渗碳、渗氮和碳氮共渗 。 钢的渗碳：使低碳钢件表面得到高碳，经适当热处理后获得表面高硬度、高耐磨性，而心部仍保持一定强度及较高的塑性、韧性 。 渗碳工件的一般工艺： 锻造 正 火 机械加工 渗碳 淬火 低温回火 精加工钢的渗氮：提高工件表

6、面硬度、耐磨性、疲劳性质、耐蚀性及热硬性。作用是表面强化和表面保护。 产品造型材料与工艺3.3表面工程技术方法与工艺3.3.1电镀1.电镀基本原理 是通过电解方法在固体表面上获得金属沉积层的过程。 改变固体材料的表面特性，改善外观，提高耐蚀、耐磨及减摩性能。金属镀层，提供特殊的电、磁、热等表面特征和物理性能。 将具有导电表面的制件和镀层金属材料浸沉于含有某种金属离子的电解质溶液中，制件为阴极，镀层金属为阳极，在外电流作用下，金属离子向阴极移动，即可在制件表面上形成与基体牢固结合的镀层。阳极悬挂的镀层金属板用来不断向电镀液补充金属离子，保持电镀液的浓度。 产品造型材料与工艺 产品造型材料与工艺2

7、.镀层的主要特性及用途防护性镀层 防锈及防腐蚀，主要用于标准紧固件、仪器仪表底板和零件。装饰性镀层 表面装饰性有较高要求。防护装饰性镀层常用。功能性镀层镀层除有防腐蚀性和装饰性外，还要具有特殊性质和功能。1）耐磨和减摩镀层 耐磨的处理，采用电镀硬铬镀层、电镀以及化学镀镍磷镀层和复合镀镍镀层。汽缸、模具和量具等。 减摩的处理，在滑动接触面上镀上起固体润滑剂的韧性金属就可以减小滑动摩擦。轴瓦或轴套。 产品造型材料与工艺2）导电性镀层 提高表面导电性，镀铜、镀银等。3）磁性镀层 镀以镍铁、镍钴、镍钴磷等。4）高温抗氧化镀层 采用镀铬来防护（转子发电机内腔）。5）修复性镀层 重要机械零部件的修复。镀层

8、有铜、铁、硬铬。3.电镀工艺过程中的镀前预处理和镀后处理电镀工艺过程一般包括镀前预处理、电镀和镀后处理。镀前预处理1）使表面粗糙度达到一定要求，磨光、抛光等。2）脱脂采用溶剂溶解以及化学、电化学等方法。3）除锈，用机械、酸洗以及电化学等方法。4）活化处理，在弱酸中浸蚀。 产品造型材料与工艺镀后处理1）钝化处理 是在一定的溶液中进行化学处理，在镀层上形成坚实细密、稳定性高的薄膜。2）除氢处理 电沉积过程中有的有一些氢析出，会使镀件产生脆性，甚至断裂。4.常用金属表面装饰电镀镀铬1）铬镀层的性质和用途 铬在大气中有强烈的钝化能力，经久不变色，高硬度和优良的耐磨性和耐热性，好的耐蚀性和反光能力。 产

9、品造型材料与工艺根据使用要求，分为防护装饰性镀铬和镀硬铬:防护装饰性镀铬是在预先经过抛光的镀件表面上镀铬，可 以获得结晶细致，具有美丽光泽的镀层。镀黑铬。镀硬铬是在各种镀件表面上镀较厚的铬层，20m以上， 能发挥镀铬层的硬度高、耐磨性好的特点。应用在玻璃、 塑料的模具、游标卡尺等量具、汽缸活塞环等。2）镀铬液的配方及工艺条件 产品造型材料与工艺高雅的设计造型，表面装饰性的镀铬层，使得水龙头具有精致细腻如镜面一般的抛光效果。将造型和材料表面效果完美的结合在一起，水流出来的时候，水龙头表面能倒映出水的姿态。 产品造型材料与工艺镀镍1）镀镍层的性质和用途 镍是一种微黄色的金属，具有良好的强度和韧性，

10、能抵抗大气的腐蚀，与强碱不发生反应，在稀硫酸和稀盐酸溶液中溶解非常缓慢，不耐稀硝酸。 镀镍的价格比较贵，采用多层镀的方法来降低镍镀层的厚度。 装饰性表面处理-镀黑镍，是在镀液中含有锌时会使镍发黑的特性。2）镀镍液的配方及工艺条件 产品造型材料与工艺镀银1）镀银层的性质和用途 导电性最好，常用于装饰的目的。银是一种白色光亮、可塑及具有极强反光能力的金属，硬度比铜差、比金高。银在碱液和某些酸中十分稳定，但易溶硝酸和微溶硫酸。2）防止镀银变色的方法 变色原因：镀银层在大气中硫化物、卤化物等腐蚀介质的作用下，就会生成浅黄、黄褐、甚至黑褐色的硫化银薄膜；镀银层的表面清洗不净，留有电镀残液或金属杂质也会使

11、镀层变色；若银镀层表面粗糙或孔隙较多，也是造成镀银变色的因素。 产品造型材料与工艺防止镀银变色的工艺：在银层上造成一层保护膜，如化学钝化、电解钝化等。在银层上沉积一层薄贵金属。如金、铑、钯覆盖有机材料薄膜法，这种方法是在银表面上覆一层薄而透 明的有机材料与空气隔开，防止变色。电镀具有一定抗变色能力的银基合金镀层。镀金 价格昂贵，装饰性好，一般在铜或银度层上进行。 产品造型材料与工艺5.非金属材料上的电镀概述 采用给非金属材料施加一层金属镀层的方法，来满足不同应用场合对产品的要求。 有镀覆导电层、焊接层、导磁层、耐磨层和防护装饰镀层。-非金属材料-系绝缘体，无法直接电镀。 非金属材料制品表面施加

12、导电层的途径主要有： 涂刷金属或石墨粉、烧渗导电层、涂导电胶以及化学镀等。非金属材料制品在进行电镀前的主要工序为： 机械粗化 化学脱脂 化学粗化 敏化处理 活化处理 还原处理 化学镀覆。 产品造型材料与工艺非金属电镀工艺简介1）化学脱脂-有机溶剂脱脂和碱液脱脂。2）粗化-微观粗糙，提高结合力。有机械粗化和化学粗化。3）敏化-使表面吸附一些容易氧化的物质，为活化和化学镀 覆金属打基础，敏化剂有氯化氩锡、三氯化钠、 硫酸氩锡等。4）活化-使工件表面生成一层贵金属膜，以此作为化学沉积 时氧化还原反应的催化剂，加速化学镀覆的速度。5）化学镀-在非金属制品表面形成一层导电金属层。 产品造型材料与工艺 这

13、款国产的1000万像素的数码相机，给人的第一感觉比较厚重，不同于其他国外生产的1000万像素的卡片机。机身采用工程塑料，经过磨砂处理以减少塑料的感觉。整个机身除了镜头周围的一圈是金属材质外，其余都是电镀了金属层的塑料部件。 产品造型材料与工艺 这款耳机的材质为高柔性聚乙烯氨化树脂，耳机表面的装饰线条采用了点电镀工艺体现出金属的感觉，与鲜艳的色彩形成一种对比。 产品造型材料与工艺3.3.2化学镀 是指在没有外加电流通过的情况下，利用化学方法使溶液中的金属离子还原为金属，并沉积在基体表面形成镀 层的一种表面加工方法。 化学镀层具有耐磨、耐蚀、硬度高、焊接性好等性能，应用广泛。1.化学镀镍 用还原剂

14、将镀液中的镍离子还原为金属镍并沉积到基体表面的方法。还原剂有次磷酸盐、硼氢化物、氨基硼烷等。 化学镀镍层具有优良的耐磨性、耐热性及电磁学特性。2.化学镀铜 是在非导电体材料表面形成导电层。主盐采用硫酸铜，还原剂有甲醛、肼、次磷酸钠、硼氢化钠等。 产品造型材料与工艺3.3.3涂料与涂装 用有机涂料通过一定方法涂敷于材料或制件表面，形成涂膜的全部工艺过程称为涂装。1.涂料的性能及特点1）对基体有良好的保护作用；2）用于装饰外观，可赋予材料表面各种色彩，美化生活；3）具有特殊性能的涂料都具有其独特的作用；4）涂料选材范围广、工艺简单、适用性强，一般不需昂贵设备；5）涂料工业生产过程比较简单，设备也不

15、复杂，成本较低；6）涂料的性能评价包括很多方面，根据工程需要选择性能合适的 涂料和涂装技术。 产品造型材料与工艺2.涂料的主要组成及分类涂料的主要组成 主要成膜物质是涂料中的主要组分，是将其他成分粘结成一个整体，并能附着在制品表面，形成坚韧的保护膜。挥发成分（溶剂）-植物性溶剂、石油溶剂、酯类、酮类、醇类 产品造型材料与工艺水溶性树脂涂料 20世纪60年代工业上广泛应用的新型涂料。它主要由水溶性树脂、颜料、助溶剂和水组成，与一般溶剂型树脂涂料不同的是以水为溶剂。 可以采用电泳涂装，实现自动化，改善工作条件，效率提高，水溶性树脂涂料的性能都超过同类溶剂型品种。 水溶性烘烤底漆已广泛应用于汽车、自

16、行车、仪器、仪表、轻工产品等。 体质颜料是一种惰性颜料，又称填充颜料，具有增加涂膜厚度，控制涂料稠度，加强涂膜体质，提高涂膜耐磨性等。 产品造型材料与工艺粉末涂料 粉末涂料及其静电涂装技术是继水溶性电泳涂料后，又一次技术革命。是以粉末形态进行涂装并形成涂膜的新型涂料。粉末涂料的特点：是一种无溶剂固体状涂料，生产和施工安全，无污染，利于 环保；涂装周期短，工序较为简单；涂层色泽鲜艳、坚固耐用；可以厚涂便于实现自动涂装生产线；原材料利用率高。利用率高达95%以上；节约能源和资源，粉末涂料烘烤时间一般不超过30min； 产品造型材料与工艺涂料的分类根据成膜干燥机理涂料分为溶剂挥发类和固化干燥类1）溶

17、剂挥发类 主要是溶剂挥发使涂料干燥成膜。硝基漆等。2）固化干燥类 涂料的成膜物质是分子质量较低的线性聚合物，可溶解于特定的溶剂中，经涂装后待溶剂挥发，就可通过化学反应交联固化成膜，因已转化成体型网状结构，以后不能在溶解于溶剂中。 3.涂装工艺方法涂装工艺包括：涂装前表面预处理、涂布及涂层干燥固化。涂装前表面预处理（金属）1）清除工件表面的各种污垢。 产品造型材料与工艺2）对清洗过的金属工件进行各种化学处理，以提高涂层的附 着力和耐蚀性。3）用机械方法消除工件表面的加工缺陷和得到合适的表面粗 糙度。涂布 手工、浸涂、淋涂，空气喷涂，无空气喷涂法。干燥固化 产品造型材料与工艺4.涂装表面预处理金属

18、材料的表面处理 去杂物（污垢、水分、铁锈、氧化皮），并使工件具有一定的表面粗糙度。 主要有脱脂、去锈、磷化、钝化、表面整形等内容。塑料制品常用的表面处理方法1）手工或机械方法清除污物并获得粗糙表面。 砂纸打磨或喷 砂法；2）溶剂处理方法。 3）化学处理。采用强氧化剂进行轻微的腐蚀。硫酸等。 产品造型材料与工艺木材的表面处理 主要包括去木毛、清除污物及松脂、漂白、上色和表面补嵌等。漂白方法： 用漂白剂漂白，漂白剂有双氧水、次氯酸钠和过氧化钠。 表3-3 产品造型材料与工艺 单宁又称单宁酸、鞣质，存在于多种树木的树皮和果实中, 也是这些树木受昆虫侵袭而生成的虫瘿中的主要成分。单宁为黄色或棕黄色无定

19、形松散粉末, 在空气中颜色逐渐变深, 有强吸湿性; 不溶于乙醚、苯、氯仿， 易溶于水、乙醇、丙酮, 水溶液有涩味。单宁不是单一化合物， 化学成分比较复杂。表3-4 产品造型材料与工艺玻璃表面的预处理 清除表面油污、水迹外，要使其表面具有一定的粗糙度，方法是用棉纱头拌磨料后在玻璃表面反复、均匀地擦拭，或用氢氟酸涂于玻璃表面进行轻度腐蚀。3.3.7化学转化膜技术 就是通过化学或电化学手段，使金属表面形成稳定的化合物膜层的方法。其特点膜层的结合力好，主要是由于金属基体直接参与成膜反应而成。根据形成膜介质的不同，化学转化膜可以分为； 1）氧化物膜 2）磷酸盐膜 3）铬酸盐膜 产品造型材料与工艺1.钢铁

20、的化学氧化 钢铁材料在氧化剂中生成蓝、黑膜层，称为“发蓝”或“发黑”。钢铁高温化学氧化（发黑） 基本工艺过程：在浓碱性NaNO2、140度、1590min后，生成Fe3O4膜，厚度0.51.5m，通过浸油后，钢铁材料的耐蚀性大大提高。钢铁常温化学氧化（发蓝） 工件放在硫酸和硫酸铜为主要组成物的溶液中，210min后，用脱水缓蚀剂、石蜡封闭，钢铁材料的表面耐蚀性大大提高。 产品造型材料与工艺2.铝及铝合金的阳极氧化 在适当的电解液中，以金属作为阳极，在外电流作用下，使其表面上形成与基体牢固结合的氧化膜层的过程称为阳极氧化。阳极氧化膜的性质1）氧化膜的多孔性（都具有多孔的蜂窝状结构，孔隙率取决于 所采用的电解液及氧化的工艺条件）；吸附性好。2）氧化膜耐磨性好。硬度高。3）耐腐蚀性好。4）电绝缘性好。5）绝热性好。6）结合力强。 产品造型材料与工艺 产品造型材料与工艺铝及铝合金的阳