表面处理基础知识

2008年09月22日星期一 08:48

1.1 表面处理( Surface Treatment )

表面处理的对象非常广泛,从传统工业到现在的高科技工业,从以前的金属表面到现在的塑料,非金属的表面.它使材料更耐腐蚀 ,更耐磨耗,更耐热,它使材料之寿命延长,此外改善材料表面之特性,光泽美观等提高产品之附加价值,所有这些改变材料表面之物理,机械及化学性质之加工技术统称为表面处理(surface treatment) 或称为表面加工(surface finishing).

1.1.1 金属表面处理(metal surface treatment)

金属经初步加工成型后需修饰金属表面,美化金属表面 ,更进一步改变金属表面的机械性质及物理化学性质等之各种操作过程,称之为金属表面处理.或称之金属表面加工(metal surface finishing).

1.2 表面处理的目的

表面处理的目的可以分四大类:

(1) 美观(appearance).

(2) 防护(protection)

(3) 特殊表面性质(special surface properties)

(4) 机械或工程性质(mechanical or engineering properties)

(1) 美观(appearance)

为了提高制品之附加价值,赋予制品表面美观,例如装饰性电镀

(decorative plating) Au, Ag, Rh, Ni, Cr,黄铜等电镀 (electroplating).

(2) 防护(protection)

为了延长制品的寿命,再制品表面披覆(coating)耐腐蚀之材料,例如保护性电镀(protective plating) Zn,Cd,Ni,Cr,Sn 等电镀.

(3) 特殊表面性质(special surface properties)

1. 提高制品之导电性(electrical conductiuity),例如电镀Ag,Cu.

2. 提高焊接性(soderability)在通讯急电子工业应用,例如Sn-Pb 合金电镀.

3. 提高光线之反射性(light reflectivity ) 例如宇宙飞船,人造卫星的外壳需反射光线,Ag及Rh的镀层被应用上.

4. 减小接触阻抗(contact resistance)例如在电子组件之Au及Pd电镀. (4) 机械或工程性质(mechanical or engineering properties )

1. 提高制品之强度(strenth),例如塑料电镀.

2. 提高制品之润滑性 ( bearing propertries ) 例如多孔洛电镀

(porous chromium plating), 内燃机之铝合金活塞 (piston) ,镀锡Sn以防止汽缸 (cylinder)壁刮伤.

3. 增加硬度(hardness)及耐磨性(wear resistance) ,例如硬洛电镀(hard chromium plating).

4. 提高制品之耐热性,耐候性,抗幅射线,例如塑料,非金属之电镀.

5. 渗碳(carburizing) ,氮化(nitriding) 之防止,例如钢铁表面化 (case hardening)时在不要硬化部份镀Cu.

1.3 表面处理之重要性

表面处理工业虽然不是工业之主流,但只有透过表面处理,制品的特性及价值才能充份发挥出来.应用电镀(plating),阳极处理(anodizing),化成处理(convesion coating),涂装(coating)等工业技术,达到防蚀,增进可焊性,润滑性,耐磨性,附着性及钢材防止渗碳等的多项目的. 所以表面处理为各种加工制造工业不可或缺的过从传统工业到近代高科技,表面处理技术一直扮演非常重要性之角色.例如宇宙飞船,人造卫星,集成电路等之发展表面处理技术都有决定性之影响.由于表面处理对材料月异,带动相关科技工程之进步.

1.4 表面处理技术之种类从表面处理之特性可分类:

表

_____ 机械法 ____ 珠击法,切削,搪磨,撒砂,精磨,研磨,超加工.

面

_____ 冶金法 ____ 表面硬化,(淬火,渗碳,氮化),扩散皮膜法.

形

_____ 化学法 ____ 电解研磨,酸洗,化学研磨,酸蚀雕刻.

成

表

_____ 表面披覆____ 电镀,无电镀,热浸镀,熔射镀,真空蒸着,阴极喷溅,

面

_____ 无机披覆____ 阳极处理,化成处理,着色,珐琅处理.

披

_____ 有机披覆____涂装,橡胶加衬,塑料加衬.

1.5 国内表面处理工业之状况及问题

依据民国70年行政院科技顾问组调查报告,有关表面处理工业,国内有约4000家,其中电镀工业约占1200家,分散全省各地,主要的生产项目有,工业电镀, 装饰电镀,热浸电镀, 阳极电镀,化成电镀,发色,涂装,从事表面处理的工作人员有15000至20000人,具有专业知识程度者约1000人至1500人.

1.5.1 原料及设备之供应

大部分昂贵之原料依靠国外进口,生产设备多为国产,较贵重之检验仪器设备75% 是进口货.国内原料成本极高,业着负担沉重,应设法改善,防止贸易商操纵市场,更要鼓励研究开发及生产重要之原料.

1.5.2 从业人员知识水平

一般从业人员的程度较低,科技短识及品管观念缺乏,难有研究开发新产品,唯赖低廉劳力,以求生存.政府有关单位应定期举办研习会,使业者获得新知蔚为研究风气,提高技术水准,对在职工程人员,鼓励利用建教合作方式,进修或在职训练,亦应举办各类技术鉴定考试,并规定业者之工厂作业需由技术士担任.

表面处理对材料之附加价值甚高,先进国家不惜投入庞大人力物力从事研究发

展,使得表面处理技术日新月异,我国要并驾齐驱,迎头赶上,势必从教育做起,在大专院校设立正规教育之表面处理人才,才能有雄厚发展实力.鼓励学校与工业

界间之建教合作,技术性问题需要由学校带动,学校要增添新设备,充实师资,积

极培育专业人才,企业界要仅量聘用教育较高科技人员,以增加研究发展之潜力.

1.5.3 生产及经营方式

一般专业厂商规模不大,主要为订货生产,小规模工厂没有管理制度,教育程度低,对人力,原料及能源造成无所谓的浪费.大厂则受到地下工厂恶性削价之竞争,影响小厂应集中投资,合并经营,始合乎经济原则.就有生产设备应适时予以淘汰,换置自动化处理设备,能以简化经营管理,提高生产效率,稳定质量,节省人工,提高产品之国际声誉,促进工业升级.

1.5.4 废物处理及公害

由于地下工厂甚多,使废物形成严重之公害问题,废物处理系统投资费用极高,非一般中小型表面处理工厂所能负担维持得起,根据经验及需要,认为设立表面处

理专业区,集中处理废物,废水,不但能减少公害,而且能管制地下工厂.

1.5.5 表面处理公会

表面处理是工业发展中很重要的一环,避免或防止表面处理界之恶性竞争或市场操纵,加强厂商彼此合作,联系与技术交流,应充份发挥公会功能,解决同业之困难.另应设有完整质量检验中心,集中检验,测定之服务,订定表面处理标准规范,作为厂商质量改善或质量保证之依据.

1.5.6 表面处理技术数据

根据业者的反映,国内技术资料的获得不亦且缺乏,技术难以突破, 应设置有健

全的表面技术数据处理中心,对研究开发者适时提供新颖充份之信息,对引进国

外技术者提供可参考数据.

1.6 国内表面处理工业发展之方向

国内表面处理工业之技术自行开者很少,大多仰赖国外厂商之业务代表或代理商. 往往引进之技术并非最前进者或只是局部的,因此使本国产品质量逊于外货乃为不可避免,产品之信誉及附加价值难以提升.国内学术机构也甚少做独立性

长期性之研究,国内欲求工业之升级,商品附加价值提高,必须大力提高表面处

理技术,以达成支持各项金属制造业,机器工业,电子工业之任务.

1.6.1 装饰电镀(decorative plating)

装饰电镀之主要目的改进产品之外观,提高产品附加价值,其主要产品如项链,胸针,耳环等饰物,合法登记之装饰电镀厂不足十分之一,地下小厂不需付税捐,废

水处里费用等,导致小厂吃大厂,劣币逐良币之反淘汰之恶性循环. 所以发展之

方向应为大厂增添新设备,提高技术水准,提高产品质量,加强取缔公害,自然促使非法及小厂淘或合并经营才能进一步发展.

1.6.2 工程电镀(engineering plating）

工程电镀之目的是增加产品之耐蚀力,延长使用寿命,改进机械性质等.现在许多精密模具无法使用机械加工, 也使用电镀法, 称之为电铸 (electroforming).工之规模较大,许多操作采用自动化,多附属于大规模较大机器制造厂.

独立之工程电镀厂也大都与大型机器金属制造厂订有长期加工契约,其恶性竞争较装饰性电镀小,笋嵹禤a经济发展,工程电镀技术水准必须精益求精,力争上游,其发展是大有可为的工程电镀使用支持料数量巨大,因此废物处理之公害问题需特别重视,稍一不慎将造成不可收拾的公害.

一般中小厂为节省开支没有废物处理设备,或有也只供参观检查时之用,浪费投资,罔顾员工及环境之安全与卫生.故今后发展方向为如何协助,促使这些小厂家合并始引进或研究开发更经济更有效新技术.工程电镀用之化学品如进镀成性质之添加剂,多为国外原料供货商之机密,利润甚高,若能长期研究必能研就发展成功替代品,以减低本国电镀工业之成本.

1.6.3 镀锡(tin plating)

镀锡生产应往高速率之连续生产方向发展,唯有使用高度自动化设备才能节省日益高涨之连续工资及能源.此种设备国内无法设计制造, 需向国外引进技术,近年来使用铝罐,铝箔,塑料瓶罐,腊纸盒,玻璃瓶等材料越来越普遍, 占去马口铁很大的市场尤其一些锡生产的开发国家如印度尼西亚,菲律宾,泰国,马来西亚等也开始生产马口铁,另外有逐渐改无锡铁皮(tin free steel)之趋势.

1.6.4 热漫镀锌(zinc hot dip coating)

镀锌钢片主要有电镀式镀锌钢片及热浸式钢片,其中以热浸式占大多数,镀锌钢片具有优良耐蚀性与低廉价格.主要用途为建筑如用在顶板(roofing),侧板(siding ),广告牌,风管等,其次为电器及机械业.国内镀锌钢片业者需淘汰更新陈旧设备,采用新式连续式热浸镀锌方式生产,产量大,质量佳,产品适用性广,成本低并加以配合耐高腐蚀力,镀层延性,抗热性,焊接性及美丽彩色涂装之需求提高制品之质量.如发展出来的铁锌合金镀面,差别镀锌,单面镀锌及铝锌合金镀面等.

1.6.5 阳极处理(anodizing)

铝的阳极处理是铝金属表面藉由电流的作用形成一层氧化物膜,坚硬耐磨,抗蚀性极高,色泽优美.铝合金本身易于加工,强度高,用途很广,磥琐T阳处理产品为铝门窗,家具,照相机及仪表外壳另件.铝材制造极其加工业也日益扩展,铝阳处理有相当市场潜力.

阳极处理之发展例如硬质阳极处理(hard anodizing),在低温电流亦有用交直流并用之阳极处理.这种硬化之阳极处理的铝材可用于活塞,汽缸,汽缸内衬,油压机及涡轮之另件,汽阀,齿轮,'枪械另件,离合器,煞车圆片,(brake disk),机器

另见及工具等.浴温,电流密度, 溶液成份需自动控制才能严格管制成品之质量以达客户要求.自动化需引进国外技术及大量之资金,所以同时要深入了解国外市场之潜力循序达成自动化.

1.6.6 涂装(coating)

涂装工业之成长仍应会继续扩大,应设法取缔地下工厂以减少公害保障合法厂商,避免恶性竞争.教育用户重视表面处理技术之价值,提高涂装质量之要求.大厂商应力争上游,自行发展高级产品而不能只埋怨小厂之低廉竞销.发展之趋势大多采用粉体涂装,以节省能源和溶剂并可减少公害.非溶剂之涂装和省能源型(紫外线硬化,低温硬化)之新产品我国涂装工业当然应该迎头赶上.

5.1镍的性质

(1) 色泽:银白色,发黄

(2) 结晶构造:FCC

(3) 比重:8.908

(4) 原子量:58.69

(5) 原子序:28

(6) 电子组态:1S^2 2S^2 2P^6 3S^2 3P^6 3d^8 4S^2

(7) 熔点:1457 C

(8) 沸点:2730 C

(9) 电阻:6.84 uohs-cm

(10) 抗拉强度:317 Mpa

(11) 电解镍有较高硬度

(12) 大气中化学性安定不易变色,在600 C以上才被氧化

(13) 液中不被溶解

(14) 镍抗蚀性比铜强,铜制品宜镀上镍

(15) 镍易溶于稀硝酸,但在浓硝酸形成钝态不易溶解

(16) 镍在硫酸、盐酸中溶解比在稀硝酸溶解慢

(17) 镍的标准电位-0.25伏特,比铁正,对钢铁是属于阴极性镀层

只有完全覆盖镍才能保护防止生锈

(18) 镍易于抛光可做为电镀中间层

(19) 当镍缺乏时可用铜锡合金代替

5.2镀镍工程

镍镀层的性质及外观能被控制而且操作范围很广,所以广泛被应用于装饰性工程性电镀及电铸

(1) 装镜面光泽的特性

工程性镀镍用于防腐蚀、耐磨、焊接性、磁性及其它特兴其镀层为纯的镍

镍电铸是用电镀的方法制造全镍质的零件及物品,如镍工具、模具、

铸模、唱片压板(record stampers),无缝管、染印网(printing screens)电镀反应为Ni+2e-Ni,其中Ni是由水溶液中镍盐提供而由阳极镍来补充、阳极效率近100% ,大于阴极电流效率所以镀浴之 Ni 离子及 pH会曾加，虽带出 (drag-out)可抵消Ni的增加,但有时仍不足须加水及其它成份调节镀浴成份,并加酸来保持pH值镀镍一般可分为全光泽镍、半光泽镍、双重镍、三重镍、工程镍、犁地镍、

电镀镍及镀黑镍

5.3装饰镍电镀

其各种镀浴配方(见5.4),其主要成份为硫酸镍(nickel sulfate)、氯化镍(nickel chloride)及硼酸(boric acid)。硫酸镍主要是提供Ni的来源,氯化镍是帮助阳极镍溶解及导电性,硼酸是帮助镀层平滑及更具延性。针孔防止剂(anti-pitting)或润湿剂(wetting agent)可防止氢气泡停滞而形成针孔镀层,不起泡沫之润湿剂可用空气搅拌减低表面张力。大部份的镍镀浴都属专利商业配方,必须依照厂商提供的数据操作,典型的配方为瓦特镀浴(wattsath)。

5.4装饰性镍镀浴配方

由添加剂的控制可得全光泽镍(fully-bright nickel)、半光泽镍(semi-bright nickel)及犁地镍(satin-like nickel)。全光泽镍含硫成份0.06％~0.1％,其添加剂至少需二种有机,一种是光泽剂含硫成份如benzene sulfonamide,enzene disulfonic acid,benzene trisulfonic acid, napthalene trisulfonic acid。另外一种是平滑剂(leveling agent)如formaldehyde, comarin, ethylene cyanohydrin及butynediol。这二种添加剂混合使用可得到光泽平滑镍镀层, 其光泽作用主要是硫共同析(codeposition)的结果。锌、镉,及硒(selenium)有光泽作用,半光泽镍只加平滑性添加剂所以不含硫,它很容易抛光而得到光泽表面,但一省去抛光而直接再镀一层全光泽即为二种镍(duplex nickel) 更耐腐蚀。通常双重镍与半光泽镍镀层厚度比为1:3。另外在全光泽镍与半光泽镍间再镀上很薄(10％全部厚度),一层含高硫份(0.15％)的镍即为三重镍(triple layer nickel),其耐蚀性更加。

5.5 工程性镀镍(Engineering Nickel Plating)

镍具有优良的物理、机械及化学特性所以在工程或工业上应用很多,如防止腐蚀、硬度、耐磨及磁性等。其镀层需无缺陷(defect-free)光泽性在这里不很重要。其镀层之主要机械性质有:1.强度(tensile strength), 2.延展性(elongation),3.硬度(hardness), 4.内应力(internal), 5.疲劳限度(fatigue life), 6. 氢脆性(hydrogen embrittlement), 镍镀层常被应用于化学、石油、食品及饮料工业上防止腐蚀,防止产品污染及保持产品纯洁。通常镍在氧化气氛下容易腐蚀,而还原性下不易腐蚀,但镍本身会形成氧化物钝态膜保护。当其氧化物保护膜被氯化物容液侵入则会形成针孔状腐蚀。一般镍镀层在中性或碱性溶液可以保护住,但太多数矿物则会被腐蚀。

5.6 工程镍镀浴配方

(1) 瓦特浴(watts bath)

硫酸镍 NiSO4．7H2O 300g/l

氯化镍 NiCl2．6H2O 60g/l

硼酸 H3BO3 37.5g/l

pH值 3

浴温 60C

电流密度 430A/m^2

(2) 全氯浴(all-chloride bath)

氯化镍(NiCl2．6H2O) 300g/l

硼酸 H3BO3 37.5g/l

pH值 3

电流密度 430A/m^2

(3) Sulfamate浴

Nickel Sulfamate Ni(H2NSO3)2 400g/l

硼酸 30g/l

pH值 4.5

浴温 57C

电流密度 430A/m^2

5.7 瓦特镀浴镍镀层机械性质之影响因素

抗拉强度(tensile strength):随镍离子浓度增加而增加,操作范围内与浴温,pH 值,电流密度比较没有关连。

延展性(elongation):随镍离子浓度增加而减少,温度增加至55C则增加,超过

55C则下降,与pH无关。

硬度(hardness):随镍离子增加而增加,温度上升至55C则减小,超过55C则增加。内应力(internal stress):随镍离子增加而增加,氯化物增加则剧烈增加,电流密度增加由减少变成增加。