转化膜与着色技术

转化膜与着色技术第一页，共三十四页，2022年，8月28日教学目的和要求

学习磷化、化学氧化、电化学氧化等转化膜技术的基本原理，重要转化膜的基本特性及用途。重点：铝合金阳极氧化。第二页，共三十四页，2022年，8月28日前言表面转化膜与着色技术是材料表面工程技术中的重要分支之一，具有长久的历史，应用非常广泛。表面转化膜与着色技术的主要用途：防护提高基体与涂层间的结合力表面装饰性表面特殊性能第三页，共三十四页，2022年，8月28日8.1转化膜的基本特性及用途1、转化膜的形成方法定义：通过化学或电化学方法，使金属表面形成稳定的化合物膜层而不改变其金属外观(形状及几何尺寸)的一类技术。形成方法：将金属工件浸渍于处理溶液中，通过化学或电化学反应，使被处理金属表面发生溶解并与处理溶液发生反应，在金属表面上形成一层难溶的化合物膜层。重要技术特征：基体金属发生溶解、参与反应形成难溶的化合物膜层

不改变金属外观（外形）第四页，共三十四页，2022年，8月28日2、转化膜的性质和用途

(1)用于防护和装饰转(2)提高涂膜与基体的结合力(3)耐磨减摩(4)适用于冷成形加工(5)电绝缘性第五页，共三十四页，2022年，8月28日3、转化膜技术的分类按形成机理：化学转化膜-磷化膜、铬酸盐钝化膜、草酸盐膜、化学氧化膜电化学转化-阳极氧化膜按成分：氧化膜、磷酸盐膜、铬酸盐膜、草酸盐膜按用途：功能性膜：耐磨、减摩、润滑、电绝缘、冷成形加工、涂层基底等防护性、装饰性膜第六页，共三十四页，2022年，8月28日8.2磷化磷化膜是由金属表面与稀磷酸及磷酸盐溶液接触而形成的。磷化膜可在很多金属表面上形成，而以钢铁磷化处理应用最广。钢铁磷化膜分类：按厚度：厚膜、薄膜按磷化膜的形成方式：假转化型磷化、转化型磷化按处理溶液成分：锰系、锌系、锌一锰系、锌一钙系磷化按处理温度：高温、中温、低温和常温(室温)磷化等。第七页，共三十四页，2022年，8月28日一、钢铁磷化膜形成基本原理1、磷化膜的形成一般是在磷酸盐溶液中进行。第八页，共三十四页，2022年，8月28日反应过程(假转化型磷化)：第一阶段：第二阶段：主要过程：第九页，共三十四页，2022年，8月28日假转化型磷化：磷化膜的金属离子主要由溶液提供。转化型磷化：(铁系磷化)磷化膜的金属离子主要由基体转化提供。第十页，共三十四页，2022年，8月28日2、成膜过程及加速作用影响成膜的因素：

温度表面粗糙度溶液成分搅拌加速作用：加入氧化剂加入电位比铁高的金属离子

超声波第十一页，共三十四页，2022年，8月28日二、钢铁磷化工艺1、预处理表面调整(表调)：机械方法化学方法(钛盐活化)第十二页，共三十四页，2022年，8月28日2、磷化(1)厚膜磷化（通常）较长时间高温磷化用途：防护冷作、耐磨、润滑、电绝缘第十三页，共三十四页，2022年，8月28日(2)薄膜磷化处理时间较短用途：涂装底层(3)转化型磷化第十四页，共三十四页，2022年，8月28日3、磷化膜的结构无定型、结晶型多层结构，但无明显界面（结合力良好）多孔结构

第十五页，共三十四页，2022年，8月28日4、磷化膜的性质磷化膜一般需配合其他表面处理技术。第十六页，共三十四页，2022年，8月28日8.4化学氧化特点：成本低，设备简单，处理方便，使用范围广泛。适用范围：铝、铜、钢铁、锌、锡、镉等金属及其合金。目的：获得不同性能、不同颜色的氧化膜。第十七页，共三十四页，2022年，8月28日一、钢铁的化学氧化俗称发蓝处理，发黑处理膜的主要成分为Fe304氧化膜防护性能较差，需通过用肥皂或重铬酸钾溶液处理，或者进行涂油处理。常用于机械零件、精密仪器与仪表、武器和日用品的防护与装饰。氧化在碱性溶液中进行，氧化后没有氢脆影响。第十八页，共三十四页，2022年，8月28日碱性氧化法：常用强碱溶液。第十九页，共三十四页，2022年，8月28日为了得到较厚和耐蚀性较好的膜层，常使用两种溶液对制件进行两次氧化。第一槽主要是形成晶核，第二槽主要是加厚膜层。氧化后采用肥皂、重铬酸钾等进行钝化处理，以提高膜层性能。第二十页，共三十四页，2022年，8月28日二、铝及铝合金的化学氧化新鲜的铝表面会很快生成一层非晶态的氧化膜，但这层膜厚度一般只有4～5nm，防护性低。选择适当的溶液可以得到具有一定防护价值的化学氧化膜。第二十一页，共三十四页，2022年，8月28日工业上的化学氧化处理采用碱性溶液加适当的抑制剂。M.B.V法碱性化学氧化膜层组成(体积分数)为：75％Al203·H20+25％Cr203·H20第二十二页，共三十四页，2022年，8月28日8.6电化学氧化电化学氧化习惯称为阳极氧化，普遍用于轻金属材料的表面处理。轻金属材料重量轻、导电导热性好，但耐腐蚀性差(容易产生晶间腐蚀)，耐磨性比较低。通过阳极氧化处理，可在其表面生成一层厚度达几十到数百微米的氧化膜。阳极氧化膜可赋予表面防护、装饰性、耐磨性、绝缘、隔热、光学性能等。铝及其合金的阳极氧化技术开发最早、应用最广。第二十三页，共三十四页，2022年，8月28日一、电化学氧化机理铝是两性金属：既能溶于酸，生成Al+又能溶于碱，生成H2Al03-在一定的pH值范围内，铝的水合氧化物是稳定的。铝在大气中会自然形成非晶态的氧化铝膜，厚度为4—5nm。这层膜不致密，耐腐蚀性差，故需要进行阳极氧化。-第二十四页，共三十四页，2022年，8月28日阳极氧化体系：电解液：硫酸溶液阳极：铝制品阴极：其它材料(Sb、Al等)反应过程：直流电电化学过程：生成Al2O3化学过程：溶解形成多孔层第二十五页，共三十四页，2022年，8月28日氧化膜的生长过程及规律：

(1)曲线AB段：通电后数秒钟内，在铝表面形成连续、无孔的氧化铝膜(阻挡层，其硬度比多孔层高)，电压急剧上升；(2)曲线BC段：随电压上升和溶解作用增大，膜层局部被溶解或被击穿，产生了孔穴，氧化膜的电阻下降，电压随之下降，使反应继续进行；(3)曲线CD段：电压趋于平稳，阻挡层厚度不再变化；随着时间延长，形成孔隙及孔壁，氧化膜变成导电的多孔层结构；当膜的化学溶解速率等于膜的生成速率时，膜层便达到一定的极限厚度而不再增加。第二十六页，共三十四页，2022年，8月28日二、铝阳极氧化膜的组成与结构多孔膜为细胞状结构。采用铬酸、磷酸、草酸和硫酸得到的阳极氧化膜，结构完全相同。第二十七页，共三十四页，2022年，8月28日三、阳极氧化工艺1、预处理（P164）脱脂、碱蚀2、氧化增加电压及电流密度、降低溶液(槽液)温度及浓度，可增加膜的生长速率（膜厚）。

(1)防护装饰性的阳极氧化膜厚：8-20μm

(2)硬质阳极氧化硬质阳极氧化膜具有良好的耐磨性和隔热性；厚度：＞40μm第二十八页，共三十四页，2022年，8月28日3、阳极氧化膜的封闭氧化膜多孔，活性高，吸附性很强(着色)，容易被污染或被腐蚀介质侵入，氧化后的膜层必须要通过封孔才能达到最好的耐蚀效果。膜层封闭方法：在水蒸气或热水中水化封闭(热封闭)使用其它金属盐封闭(冷封闭)有机涂层涂覆封闭第二十九页，共三十四页，2022年，8月28日四、阳极氧化膜的性能1、膜的厚度与时间非直线关系；存在极限厚度。2、孔隙度膜的孔隙度对于耐腐蚀性、耐磨性以及对于膜上着色和封孔的难易程度都有很大影响。3．结合力氧化膜的结合力是非常强的，但沿着垂直于表面的方向易于横断破裂，即当弯曲时膜成平行线破裂。第三十页，共三十四页，2022年，8月28日4、硬度和耐磨性阳极氧化膜非常硬，使铝件的耐磨性大幅度提高。5、柔韧性膜的脆性直接随厚度增加而增加；除非剧烈变形，不会显著影响膜的保护性能。第三十一页，共三十四页，2022年，8月28日6．耐蚀性阳极氧化膜对制件具有防护性能。制件的耐蚀性及力学性能都可大幅度提高。

改善氧化膜的耐蚀性措施：①增加膜厚；②降低电流密度；（③降低阳极氧化温度；④减低酸浓度；）⑤改善合金结构的均匀性。第三十二页，共三十四页，2022年，8月28日7、膜的电性能阳极氧化膜绝缘性良好。8、膜的热性能阳极