超迈光电教你一文看懂金属表面改性技术

 

工程上所讲的化学镀也主要是指这种还原沉积化学镀。

化学镀的条件是以下几个方面：

(1)镀液中还原剂的还原电位要显著低于沉积金属的电位，使金属有可能在基材上被还原而沉积出来。

(2)配好的镀液不产生自发分解，当与催化表面接触时，才发生金属沉积过程。

(3)调节溶液的pH值、温度时，可以控制金属的还原速率，从而调节镀覆速率。

(4)被还原析出的金属也具有催化活性，这样氧化还原沉积过程才能持续进行，镀层才能连续增厚。

(5)反应生成物不妨碍镀覆过程的正常进行，即溶液有足够的使用寿命。

 

    化学镀镀覆的金属及合金种类较多，如Ni-P、Ni-B、Cu、Ag、Pd、Sn、In、Pt、Cr及多种Co基合金等，但应用最广的是化学镀镍和化学镀铜。化学镀层一般具有良好的耐蚀性、耐磨性、钎焊性及其他特殊的电学或磁学等性能，所以该种表面处理工艺能很好的完善材料的表面性能。

03热喷涂技术、热喷焊技术

    热喷涂技术、热喷焊技术都是利用热能（如氧-乙炔火焰、电弧、等离子火焰等）将具有特殊性能的涂层材料熔化后涂敷在工件上形成涂层的技术。具有可以制备比较厚的涂层(0.1~10mm)的特点，主要应用在制造复合层零件修复。

1热喷涂技术

(1)热喷涂技术原理与特点

    采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面，从而形成涂层的工艺过程，如图14所示。

    热喷涂过程主要包括：喷涂材料的熔化；喷涂材料的雾化；喷涂材料的飞行；粒子的冲击、凝固。

(2) 涂层材料

    热喷涂对涂层材料有一定的要求，需满足的条件：有较宽的液相区，在喷涂温度下不易分解或挥发；热稳定性好；使用性能好；润湿性好；固态流动性好（粉末）；热膨胀系数合适。涂层材料按照喷涂材料的形状可分为线材和粉末。

 

(3) 热喷涂涂层的结合机理

①机械结合：熔融态的粒子撞击到基材表面后铺展成扁平状的液态薄层，嵌合在起伏不平的表面，并形成机械结合。

②冶金结合：涂层与基体表面出现扩散和焊合，称为冶金结合。

③物理结合：当高速运动的熔融粒子撞击基体表面后，若界面两侧的距离在原子晶格常数范围内时，粒子之间依靠范德华力结合在一起。

(4) 涂层的形成过程

①喷涂材料被加热到熔融状态；

②喷涂材料被雾化成微小熔滴并高速撞击基体表面，撞击基体的颗粒动能越大和冲击变形越大，形成的涂层结合越好；

③熔融的高速粒子在冲击基材表面后发生变形，冷凝后形成涂层。

 

涂层结构是由大小不一的扁平颗粒、未熔化的球形颗粒、夹杂和孔隙组成。孔隙存在的原因：未熔化颗粒的低冲击动能；喷涂角度不同时造成的遮蔽效应；凝固收缩和应力释放效应。适当的孔隙可以储存润滑剂、提高涂层的隔热性能、减小内应力以及提高涂层的抗热震性等，但是过多的孔隙将会破坏涂层的耐腐蚀性能、增加涂层表面的粗糙度，从而降低涂层的结合强度、硬度、耐磨性，所以在涂层的制备过程中应严格控制孔隙的数量。

2热喷焊技术

(1)热喷焊技术的原理及特点

    热喷焊技术是采用热源将涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，并凝结于基体表面，形成与基体具有冶金结合的表面层的一种表面冶金强化方法，也称为熔结。相比于其他表面处理工艺，热喷焊所得的组织致密，冶金缺陷很少，与基体结合强度高，但是所用材料的选择范围窄，基材的变形比热喷涂大得多，热喷焊层的成分与原始成分有一定差别等局限性。

(2)热喷焊技术的分类热喷焊技术主要有火焰喷焊、等离子喷焊等。

    ①火焰喷焊：先在基体表面喷粉，再对涂层用火焰直接加热，使涂层在基体表面重新熔化，基体的表面完全润湿，界面有相互的元素扩散，形成牢固的冶金结合。

    火焰喷焊特点：设备简单；工艺简单；涂层与基体的结合强度高；涂层的耐冲蚀磨损性能好。

    ②等离子喷焊：以等离子弧作为热源加热基体，使其表面形成熔池，同时将喷焊粉末材料送入等离子弧中，粉末在弧柱中得到预热，呈熔化或半熔化状态，被焰流喷射至熔池后，充分熔化并排出气体和熔渣，喷枪移开后合金熔池凝固，最终形成喷焊层。

 

    等离子喷焊的特点：生产效率高；可喷焊难熔材料、稀释率低、工艺稳定性好、易实现自动化、喷焊层平整光滑、成分及组织均匀，涂层厚度更大且试验过程可精确控制

(3)热喷焊技术与热喷涂技术的区别

    ①工件表面温度：喷涂时工件表面温度＜250℃；喷焊要＞900℃。

    ②结合状态：喷涂层以机械结合为主；喷焊层是冶金结合。

    ③粉末材料：喷焊用自熔性合金粉末，喷涂粉末不受限制。

    ④涂层结构：喷涂层有孔隙，喷焊层均匀致密无孔隙。

    ⑤承载能力：喷焊层可承受冲击载荷和较高的接触应力。

    ⑥稀释率：喷焊层的稀释率约5%~10%,喷涂层的稀释率几乎为零。

04化学转化膜技术

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工艺过程。

化学转化膜技术，主要用于工件的防腐和表面装饰，也可用于提高工件的耐磨性能等方面。它是利用某种金属与某种特定的腐蚀液相接触，在一定条件下两者发生化学反应，由于浓差极化作用和阴、阳极极化作用等，在金属表面上形成一层附着力良好的、难溶的腐蚀生成物膜层。这些膜层，能保护基体金属不受水和其他腐蚀介质的影响，也能提高对有机涂膜的附着性和耐老化性。在生产中，采用的转化膜技术主要有和磷化处理和氧化处理。

1磷化处理

磷化是将钢铁材料放入磷酸盐的溶液中，获得一层不溶于水的磷酸盐膜的工艺过程。

 

钢铁材料磷化处理工艺过程如下：化学除油→热水洗→冷水洗→磷化处理→冷水洗→磷化后处理→冷水洗→去离子水洗→干燥。

磷化膜由磷酸铁、磷化锰、磷酸锌等组成，呈灰白或灰黑色的结晶。膜与基体金属结合非常牢固，并具有较高的电阻率。与氧化膜相比，磷化膜有较高的抗腐蚀性，特别是在大气、油质和苯介质中均有很好耐腐蚀性，但在酸、碱、氨水、海水及水蒸气中的耐腐蚀性较差。

磷化处理的主要方法为浸渍法、喷淋法和浸喷组合法。根据溶液温度不同，磷化又分为室温磷化、中温磷化和高温磷化。

浸渍法适用于高温、中温和低温磷化工艺，可处理任何形状的工件，并可获得不同厚度的磷化膜，且设备简单，质量稳定。厚磷化膜主要用于工件的防腐处理和增强表面的减摩性。喷淋法适用于中温和低温磷化工艺，可以处理面积大的工件，如汽车壳体、电冰箱、洗衣机等大型工件作为油漆底层和冷变形加工等。这种方法处理时间短，成膜速度快，但只能获得较薄和中等厚度的磷化膜。

2氧化处理

(1)钢铁的氧化处理

钢铁的氧化处理也称发蓝，是将钢铁工件放入某些氧化性溶液中，使其表面形成厚度约为0.5~1.5μm致密而牢固的Fe3O4薄膜的工艺方法。发蓝通常不影响零件的精密度，常用于工具、仪器的装饰防护。它能提高工件表面的抗腐蚀能力，有利于消除工件的残余应力，减少变形，还能使表面光泽美观。氧化处理以碱性法应用最多。

钢铁的氧化处理所用溶液成分和工艺条件，可根据工件材料和性能要求确定。常用溶液由为500g/L的氢氧化钠、200g/L的亚硝酸钠和余量水组成，在溶液温度为140℃左右时处理6~9min。

 

(2)铝及铝合金的氧化处理

①阳极氧化法

阳极氧化法是将工件置于电解液中，然后通电，得到硬度高、吸附力强的氧化膜的方法。常用的电解液有浓度为15％~20％的硫酸、3％~10％的铬酸、2％~10%的草酸。阳极氧化膜可用热水煮，使氧化膜变成含水氧化铝，因体积膨胀而封闭。也可用重铬酸钾溶液处理而封闭，以阻止腐蚀性溶液通过氧化膜结晶间隙腐蚀基体。

②化学氧化法

化学氧化法是将工件放入弱碱或弱酸的溶液中，获得与基体铝结合牢固的氧化膜的方法。主要用于提高工件的抗腐蚀性和耐磨性，也用于铝及铝合金的表面装饰，如建筑用的防锈铝，标牌的装饰膜等。

05 气相沉积技术

气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术可分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类。