表面工程学化学转化膜技术课件
表面处理技术概论-第4章 转化膜技术
⑶铝及铝合金阳极氧化膜的特点
①功能性：可以通过封孔处理以提高其保护性，也可在孔隙 中沉积特殊性能的物质而获得某些特殊功能，从而形成多 种多样的功能性膜层。
②吸附性：由于氧化膜呈现多孔结构，且微孔的活性较高， 有很好的吸附性。氧化膜对各种染料、盐类、润滑剂、石 蜡、干性油、树脂等均表现出很高的吸附能力。
4.1.4 表面转化膜用途
⑴提高材料的耐蚀性 ；氧化或磷化 ⑵提高材料的减摩耐磨性；磷化 ⑶提高材料的装饰性 ；钝化 ；着色 ⑷用作涂装底层；磷化膜 ⑸绝缘；磷化膜 ⑹防爆；瓦斯，粉尘，铝及铝合金与不锈钢
碰撞易通过铝热反应发生火花引爆。
• 4.2 阳极氧化
• 4.2.1 铝及铝合金的阳极氧化 • 4.2.2 铝阳极氧化膜的着色和封闭 • 4.2.3 镁合金阳极氧化
• 铝及铝合金进行阳极氧化时，由于电解质 是强酸性的，阳极电位较高，因此阳极反 应首先是水的电解，产生初生态的[O]，氧 原子立即对铝发生氧化反应，生成氧化铝， 即薄而致密的阳极氧化膜。阳极发生的反 应如下：
H2O-2e-→[O]+2H+
2Al+3[O]→A12O3
阴极只是起导电作用和析氢反应：
4.1 转化膜技术简介
• 转化膜是指由金属的外层原子和选配的介质的阴 离ne
镁合金摩托车端盖磷酸盐转化膜
它的生成必须有基底金属的 直接参与，也就是说，它是 处在表层的基底金属直接同 选定介质中的阴离子反应， 使之达成自身转化的产物 （MmAn）。
易实现机械化或自动化作业，生产效 率高，转化处理周期短、成本低，但 设备投资大
无需专用处理设备，投资最省、工艺 灵活简便。但生产效率低、转化膜性 能差、膜层质量不易保证
适用范围
第八章 化学转化膜技术.
钢铁高温化学氧化机理
Fe3O4在碱性溶液中的溶解度极小，钢铁 表面附近生成的Fe3O4很快就从溶液中析 出，在钢铁表面成核，并不断长大，形 成连续的、致密的黑色氧化膜。
钢铁高温化学氧化机理
在生成Fe3O4的同时，部分铁酸钠可能发 生水解，生成氧化铁水合物。 Na2Fe2O4+ （m+1） H2O = Fe2O3 • m H2O +2NaOH 含水氧化铁在高温下失水，形成红色沉 淀物吸附的黑色氧化铁膜上，形成“红 霜”，这是一种缺陷。
第八章 转化膜与着色技术
8.1概述
概念
基体金属＋处理液——难溶性膜层（转化膜） 在一定条件下，金属与特定的腐蚀液接 触发生化学、电化学反应，由于浓差极 化作用和阴极极化作用等，在金属表面 生成一层性质稳定，附着力良好的、能 保护金属的化合物膜。
8.1 概述
金属基体直接参与成膜反应生成，膜与 基体的结合力比电镀、化学镀和热喷涂 等这些外加膜层大得多。 成膜的典型反应式： mM+nAz- → MmAn+nze
钢铁化学氧化
钢铁常温化学氧化（酸性化学氧化或发黑）
80年代以来迅速发展的新技术。 具有氧化速度快, 膜层抗蚀性好, 节能、高 效,成本低,操作简单,环境污染小等优点。 钢铁表面的发黑处理,可得到均匀的黑色或 蓝黑色外观，其表面膜的主要成分是 CuSe ， 功能与Fe3o4相似。
钢铁常温化学氧化
常温发黑溶液在市场有商品供应 ， 其主 要成分是CuSO4、 二氧化硒， 还有各种催 化剂、缓冲剂、络合剂与辅助材料。
钢铁高温化学氧化工艺
溶液的维护
溶液的组分在使用过程中会发生变化， 要定期检测并作调整。 当沸点过高时，表示溶液过浓，易形成 红色挂灰，应加水稀释；沸点过低时， 表示浓度不足，此时不能发蓝或氧化膜 颜色不深，应补加氧化剂或蒸发去水。
表面工程ppt教程文件
新技术的应用趋势
纳米技术
纳米技术在表面工程中应用广泛，如纳米涂层、纳米颗粒 增强等，可提高材料表面的耐磨、耐腐蚀和抗老化性能。
3D打印技术
3D打印技术可用于制造复杂形状的表面结构，可实现个性 化定制和快速原型制造，为表面工程提供更灵活的制造方 式。
激光技术
激光技术在表面工程中用于处理金属、非金属等各种材料， 具有高精度、高效率、环保等优点，可实现表面强化、改 性、熔覆等功能。
合成纤维
高分子复合材料
高分子复合材料是由两种或两种以上 材料组成的新型材料，具有优异的综 合性能，广泛应用于航空、航天和汽 车等领域。
合成纤维具有质轻、强度高和耐磨等 特点，广泛用于纺织、航空和军事等 领域。
04 表面工程的应用案例
汽车工业的应用
汽车发动机制造
表面工程技术在汽车发动机制造 中广泛应用，如气缸体、气缸盖 的耐磨和耐腐蚀表面处理，以提
表面工程ppt教程文件
contents
目录
• 表面工程简介 • 表面工程的技术 • 表面工程材料 • 表面工程的应用案例 • 表面工程的未来发展
01 表面工程简介
表面工程的定义
01
表面工程是一门通过改变材料表 面的性质来提高材料耐腐蚀性、 耐磨性、装饰性和实现表面功能 特性的技术。
02
它涉及材料科学、物理学、化学 等多个学科领域，是材料保护和 表面技术的重要组成部分。
化学转化膜技术
化学转化膜技术是通过化学反应在金属表面形成一层 化合物膜的过程，以提高金属的耐腐蚀性和美观性。
输入 标题
详细描述
化学转化膜技术广泛应用于钢铁、铝和铜等金属的防 腐处理。形成的转化膜具有保护基体、提高耐腐蚀性 和抗氧化的作用。
化学转化膜
化学转化膜
化学转化膜是金属（包括镀层金属）表层原子与介质中的阴离子发生反应，在金属表面生成附着力良好的隔离层，这层化合物隔离层称为化学转化膜。
转化膜的形成既可以是金属—介质之间的纯化学反应，也可以是电化学反应。
化学转化膜具有防护性、装饰性、导电性、抗蚀性、减磨性、密封性等功能，它的防护性能和装饰性能已被广大用户所认识。
随着科技的发展，对材料表面性能的要求越来越高，对表面防护层的性能要求也越来越高。
化学转化膜由于其优异的性能，越来越受到人们的重视。
化学转化膜
(9-5) (9-4)
使反应(9-5)向右移动，并且使Fe的界面处pH值不断上升，溶液中所 生成的不溶性磷酸锌浓度不断增加，最后终于超越了它的溶度积。
由于Fe离子从基体进入溶液中的扩散速率一般比反应的速率低，因 此磷酸锌能够迅速而整齐地沉积在金属表面上，成为致密的膜层。
(3) 钝化的影响：在稀铬酸或铬酸盐溶液(0.01％)里进行后处理，可以 减小磷化膜自由孔隙面积，不仅可提高抗蚀性，还 可改善用漆层的性能。
(4) 温度的影响： 磷酸锌膜晶体结构相当于-磷锌矿[Zn3(PO4)24H2O]， 在105C，140C，163C分别可形成-磷锌矿(斜方晶 系片状体)、-磷锌矿(斜方晶系)以及-磷锌矿(单斜晶 系)结晶。
使用的处理剂称为成膜型处理剂，其使用实例是磷酸锌、 磷酸锰等。
转化膜的基本用途：
①防锈：转化膜作为底层很薄时即可应用；对部件有较高的 防锈要求时，转化膜需均匀致密，且以厚者为佳。
②耐磨：磷酸盐膜层具有很小的摩擦系数和良好的吸油作用。 在金属接触面间产生了一缓冲层，从而减小磨损。
③涂装底层：作为涂装底层的化学膜要求膜层致密、质地 均匀、薄厚适宜、晶粒细小。
(9-3)
锰盐主要按(9-1)式电离，锌盐几乎全按(9-3)式电离。
锰系磷酸盐膜生成机理
Mn(H2PO4)22H2O 30g
H2O
1L
在97～99C下加热1h，溶液发生如下电离反应: Mn(H2PO4)2 MnHPO4 + H3PO4
(9-1)
反应平衡之后，溶液中存在着一定数量的磷酸分子，未电离的 Mn(H2PO4)2分子以及不溶性的MnHPO4沉淀。 把净化的钢铁件浸入此溶液之中，发生以下反应：
化学转化膜技术
稀土转化膜
目前，稀土转化处理是镁合金无铬转化处理中 倍受关注的一种新方法，通过调节适当的浓度、 温度和成膜时间，可直接在镁合金表面得到性 能良好的化学转化膜层，能一定程度地提高镁 合金的耐蚀性，而且其转化膜毒性低，对环境 及人体危害较小。 当前的研究工作集中在含铈的稀土转化膜。
植酸转化膜
植酸(肌醇六磷酸酯)是从粮食等作物中提取的 天然无毒有机磷酸化合物，它是一种少见的金 属多齿螯合物。当其与金属络合时，易形成多 个螯合环，且所形成的络合物稳定性极强。 同时，该膜表面富含羟基和磷酸基等有机官能 团，这对提高镁合金表面涂装的附着力进而提 高其耐蚀性具有、占地少、操作简 单、能耗低、成本低廉等优点而倍受青 睐。
主要工艺
铬酸盐转化膜 磷酸盐转化膜 磷酸盐−高锰酸盐转化膜 锡酸盐转化膜 稀土转化膜 植酸转化膜
铬酸盐转化膜
铬酸盐转化膜的防蚀机理为铬酸盐转化涂层在 湿气和空气中起惰性的屏障作用，阻止了镁的 腐蚀。 尽管铬酸盐转化处理工艺成熟，性能稳定，转 化膜具有很好的防护作用，但该方法的致命弱 点是处理液中含有毒性高且易致癌的六价铬， 对人体健康有害，且污染环境，环保法规严格 限制其应用，铬酸盐处理工艺逐步被取缔。 因此，开发无铬化学转化膜工艺成为镁合金化 学转化膜的发展方向和研究热点。
3 转化膜形成的基本方式
使金属表面生成转化膜通常有两种方式： 一种是在处理液中不含重金属离子，而使 金属表面的金属与阴离子反应生成转化膜；
此种使用的处理剂称为非成膜型处理剂， 其使用实例有磷酸铁、铅酸盐等；
另一种是在处理液与底材金属之间虽然 也发生了某种程度的溶解现象，但主要 还是依靠处理液本身含有的重金属离子 的成膜作用。
化学成膜处理的机理是金属与特定的腐蚀 液接触而在一定条件下发生化学反应，由于浓 差极化作用和阴极极化作用等，使金属表面生 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。
03第三章转化膜技术
第3章conversion film technology3.1 概述3.2化学转化膜3.3电化学转化膜3.4金属的着色与染色定义概念化学转化膜的性质和用途6一、钢铁的化学氧化原理Z 采用含有氧化剂（亚硝酸钠、硝酸钠、硝酸钾）与氢氧化钠的混合溶液，在一定时间、一定温度下对钢铁材料进行氧化处理，使氢氧化钠、硝酸钠以及亚硝酸钠与金属铁作用，生成铁酸钠和亚铁酸钠，再由铁酸钠与亚铁酸钠相互作用生成四氧化三铁氧化膜。
上述机理中不出现氢在微阴极上析出的还原反应，因此可以解释高强度钢在强碱性中化学氧化不会发生氢脆的现象化学氧化膜的性质工艺方法常见工艺配方皂化（后处理）：肥皂30~50g/l,80~90℃,2~8min工艺流程：工艺方法工艺方法一、钢铁的化学氧化工艺方法工艺方法14工艺方法大帮助工艺流程：15常温化学发黑液配方及工艺条件常温化学发黑常见缺陷17二、铝及铝合金化学氧化Z 溶液成分：几乎都是碳酸钠为基本成分，添加碱金属的铬酸盐、硅酸盐、磷酸盐等Z 转化膜的成分：铝的水合化合物AlOOH 或Al2O3.H2O 等Z 工艺方法工艺流程特点及应用Z 化学氧化膜获得的氧化膜较薄、多孔、质软，力学性能和抗蚀性能均不如阳极氧化膜。
但在海水、过氧化氢、碱金属的硫酸盐、钙和锌的氯化物的溶液中，以定义：铬酸盐膜的组成和结构铬酸盐处理工艺22三、铬酸盐膜（钝化膜）影响铬酸盐膜质量的因素Z 三价铬的影响：三价铬有利于形成较厚的膜Z Cr 6+与SO42-的质量之比的影响：直接影响膜的颜色和厚度Z PH 值：PH 值达最佳时，才能得到较厚的铬酸盐膜Z 溶液温度：温度升高，膜的生成重量增加Z 干燥温度：低于50℃下干燥钢铁的磷化处理434242)(3)(PO H PO Me MeHPO PO H MeHPO PO H Me +===+===磷化膜的性质磷化膜的性质磷化膜的性能及应用磷化处理的方法一般工艺流程：脱脂→水洗→酸洗→水洗→磷化处磷化处理的溶液及工艺条件概念Z 概念221H e H →++阴极反应：电解液通电后发生电解阳极反应：↑+→−−O O H e OH 22442生成的部分新生（原子）氧与阳极铝反应，生成无水氧化铝热量O Al e O Al +→+++32363232一、铝及其合金的阳极氧化氧化膜的生长规律Z 无孔层形成：阳极氧化开始，表面即形成了一层厚度为0.01~0.1μm 的连续、致密、高绝缘性的氧化膜Z 多孔层形成：继续通电，氧化膜较薄处首先被击穿，形成多孔层Z 多孔层增厚：氧化超过一定时间，电压降至C 点，氧化膜的生成与溶解维持在一个基本恒定的值下进行，无孔层厚度不变，多孔层增厚铝合金阳极氧化方法硫酸法阳极氧化工艺影响氧化膜质量的因素影响氧化膜质量的因素影响氧化膜质量的因素阳极氧化膜的特性oxidation)原理42二、微弧阳极氧化原理Z 普通阳极氧化处于法拉第区，微弧氧化处于火花放电区中Z 当阳极氧化电压超过某一值时，表面初始生成的绝缘氧化膜补击穿，产生微区弧光放电，形成瞬间的超高温区域（200~800℃），在该区内氧化物或基底金属被熔融甚至气化，在与电解液接触反应中，熔融物激冷而形成非金属陶瓷层。
第7章 化学转化膜
第7章 化学转化膜化学转化膜是金属或镀层金属表层原子与水溶液介质中的阴离子相互反应，在金属表面形成含有自身成分附着性好的化合物膜。
成膜的典型反应式如下：z m n m M nAM A nze -+→+ （7-1）式中，M 为与介质反应的金属或镀层金属；A z-为介质中价态为z 的阴离子。
转化膜是表层的基底金属直接与介质阴离子反应，形成基底金属化合物（M m A n ）。
可见化学转化膜实际上是一种受控的金属腐蚀过程。
上述反应式中，电子可视为反应产物，转化膜的形成可以是金属与介质界面间的化学反应，也可以是施加外电源进行的电化学反应。
前者为化学法，后者为电化学法（阳极氧化）。
化学法时反应式产生的电子将传递给介质中的氧化剂。
电化学法时所产生的电子将传递给与外电源相接的阳极，以阳极电流形式脱离反应体系。
实际上，化学转化膜形膜过程相当复杂，存在着伴生或二次反应。
因此得到的转化膜的实际组成往往也不是按上式反应生成典型的化合物膜。
例如，钢铁件在磷酸盐溶液中进行磷化处理时，所得到磷化膜的主要组成是二次反应生成的产物，即锌和锰的磷酸盐。
尽管如此，考虑到化学转化膜形成过程的复杂性，以及二次反应产物也是金属基底自身转化的诱导才生成的，所以一般不再严格进行区分，都称为化学转化膜。
转化膜的形成方法大多是化学法，也可以用电化学法。
化学法是将金属在溶液中浸渍，通过化学反应形成转化膜，也可将溶液喷射于工件表面，通过化学反应成膜。
转化膜按它的组成物分为氧化物膜、硫化物膜、铬酸盐膜、磷酸盐膜和草酸盐膜。
电化学氧化法（阳极氧化法）是指工件作为阳极，在电解液中电化学处理，在金属表面形成10~20μm 稳定的转化膜的过程，也称电化学转化膜。
阳极氧化法可以大大提高铝及铝合金耐蚀耐磨性；可以改善外观，作为装饰用。
还能提高金属的热绝缘性和表层电阻，同时也可以作为油漆的底层。
转化膜用途十分广泛，可以分为：涂装底材用转化膜，塑性加工用转化膜，耐磨损用转化膜，防锈用转化膜，绝缘用转化膜和其他功用转化膜（如搪瓷底材用转化膜、装饰用转化膜）。