表面工程学化学转化膜技术
铝及铝合金的化学转化膜处理
铝及铝合金的化学转化膜处理
铝及铝合金的化学转化膜处理是一种表面处理技术，主要通过化学反应在铝及铝合金表面形成一层转化膜。
这层膜的外观和性质类似于金属的氧化物或氢氧化物，可以显著提高金属的耐腐蚀性和耐磨性，同时还可以赋予金属其他特殊性能，如绝缘性、导热性、美观性等。
化学转化膜处理的过程通常包括以下几个步骤：
前处理：这一步主要是清洁金属表面，去除油污、锈迹、杂质等，以保证转化膜的附着力和均匀性。
常用的清洁方法有机械法、化学法和电化学法等。
转化处理：在清洁的金属表面放入特定的化学溶液中，通过化学反应在表面形成一层转化膜。
这个过程通常需要一定的温度和时间，以促进化学反应的进行。
后处理：转化处理完成后，需要对金属表面进行清洗和干燥，以保证转化膜的质量和稳定性。
铝及铝合金的化学转化膜处理有多种类型，其中最为常见的是阳极氧化和化学氧化。
阳极氧化是一种通过外加电流使铝或铝合金表面的氧化膜增厚的方法，生成的氧化膜厚度可达数十至数百微米。
化学氧化则是通过化学反应在铝或铝合金表面形成一层氧化膜，通常生成的氧化膜较薄，约为0.5至4微米。
总之，铝及铝合金的化学转化膜处理是一种有效的表面处理技术，可以显著提高金属的耐腐蚀性和耐磨性，同时还可以赋予金属其他特殊性能。
这种处理方法广泛应用于航空、汽车、建筑、家电等领域。
表面工程复习题答案
表⾯⼯程复习题答案⼀、名词解释表⾯⼯程技术：为满⾜特定的⼯程需求，使材料或零部件表⾯具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理⽅法与⼯艺。
表⾯能：严格意义上指材料表⾯的内能，包括原⼦的动能、原⼦间的势能以及原⼦中原⼦核和电⼦的动能和势能等。
洁净表⾯：材料表层原⼦结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与体内相同的表⾯。
清洁表⾯：⼀般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后的表⾯。
区别：洁净表⾯允许有吸附物，但其覆盖的⼏率应该⾮常低。
洁净表⾯只有⽤特殊的⽅法才能得到。
清洁表⾯易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。
洁净表⾯的“清洁程度”⽐清洁表⾯⾼。
吸附作⽤：物体表⾯上的原⼦或分⼦⼒场不饱和，有吸引周围其它物质(主要是⽓体、液体)分⼦的能⼒。
磨损：相对运动的物质摩擦过程中不断产⽣损失或残余变形的现象。
腐蚀：材料与环境介质作⽤⽽引起的恶化变质或破坏。
极化：腐蚀电池⼯作时，阴、阳极之间有电流通过，使阴、阳极之间的电位差(实际电极电位)⽐初始电位差要⼩得多的现象。
钝化：由于⾦属表⾯状态的改变引起⾦属表⾯活性的突然变化，使表⾯反应速度急剧降低的现象。
(阳极反应受阻的现象)表⾯淬⽕：⽤特定热源将钢铁材料表⾯快速加热到Ac3(对亚共析钢)或者Ac1(对过共析钢)之上(奥⽒体化)，然后使其快速冷却并发⽣马⽒体相变，形成表⾯强化层的⼯艺过程。
喷丸强化：利⽤⾼速喷射的细⼩弹丸在室温下撞击受喷⼯件的表⾯，使表层材料在再结晶温度之下产⽣弹、塑性变形，并呈现较⼤的残余压应⼒，从⽽提⾼⼯件表⾯强度、疲劳强度和抗应⼒腐蚀能⼒的表⾯⼯程技术。
(喷丸强化技术)热喷涂：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形成涂层的⼯艺过程。
电镀：在含有欲镀⾦属的盐类溶液中，在直流电的作⽤下，以被镀基体⾦属为阴极，以欲镀⾦属或其它惰性导体为阳极，通过电解作⽤，在基体表⾯上获得结合牢固的⾦属膜的表⾯⼯程技术。
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：
金属表面的化学转化膜
1.防锈功能
转化膜一方面降低金属本身的化学活性，提高了在环境介质 转化膜一方面降低金属本身的化学活性， 中的热力学稳定性，另一方面对环境介质的隔离作用。 中的热力学稳定性，另一方面对环境介质的隔离作用。作防 锈用的化学转化膜主要用于以下二种情况： 锈用的化学转化膜主要用于以下二种情况： ①对部件有一般的防锈要求：如涂防锈油等，转化膜作为 对部件有一般的防锈要求：如涂防锈油等， 底层很薄时即可应用。 底层很薄时即可应用。 对部件有较高的防锈要求，部件减少冲击等外力作用： ②对部件有较高的防锈要求，部件减少冲击等外力作用： 转化膜要求均匀致密，且以厚者为佳. 转化膜要求均匀致密，且以厚者为佳
2.耐磨 耐磨
耐磨用化学转化膜广泛用于金属与金属面互相摩擦 的部位。 主要作用是： ①提高硬度； ②减少摩擦阻力（如表面上的磷酸盐膜层具有很小 的摩擦系数）； ③吸油：如磷酸盐膜层具有良好的吸油能力，在金 属接触面间产生了一缓冲层，从化学和机械两方面 保护了基体,有各种色彩，如锌镀层 经过铬酸盐处理可以得到彩虹色、军绿色、 亮白色、黑色等不同外观。有的化学转化 膜由于多孔，可以进行染色，如铝及其合 金制品经过阳极化处理后可以染上各种色 彩。
金属表面的化学转化膜能起到防护作用的原因： 金属表面的化学转化膜能起到防护作用的原因：
降低了金属本身的化学活性， （1）.降低了金属本身的化学活性，使金属的 ） 降低了金属本身的化学活性 热力学稳定性提高 将金属与环境介质隔离开。 （2）.将金属与环境介质隔离开。 ） 将金属与环境介质隔离开 因此，按用途分为防护性转化膜、 因此，按用途分为防护性转化膜、减摩或 耐磨转化膜、装饰性转化膜、绝缘性转化膜、 耐磨转化膜、装饰性转化膜、绝缘性转化膜、 涂装底层转化膜、塑性加工用转化膜。 涂装底层转化膜、塑性加工用转化膜。
铝合金表面化学转化膜制备技术的研究进展为的课题介绍
铝合金表面化学转化膜制备技术的研究进展为的课题介绍摘要本文对铝合金表面化学转化膜制备技术的研究进展进行了综述。
首先介绍了铝合金的应用领域和表面处理的重要性，然后详细讨论了不同制备方法对表面化学转化膜的形成和性能的影响，并总结了其特点和优势。
接着，重点介绍了几种常用的表面化学转化膜制备技术，包括阳极氧化、化学转化法、浸渍法和溶胶-凝胶法，并对它们的原理、工艺条件和应用进行了详细描述。
最后，展望了未来铝合金表面化学转化膜制备技术的发展方向和应用前景。
1.引言铝合金是一种重要的结构材料，广泛应用于航空、汽车、电子等领域。
然而，由于其本身的易氧化性和低耐蚀性，铝合金在使用过程中容易受到氧化、腐蚀等损害，降低了其性能和寿命。
为了增强铝合金的耐蚀性和耐磨性，改善其表面性能成为了一个重要的研究方向。
化学转化膜作为一种有效的表面处理方法，可以形成均匀、致密、具有一定厚度的膜层，能够提高铝合金的耐蚀性、耐磨性和附着力。
2.表面化学转化膜的形成和性能影响因素表面化学转化膜的形成和性能受多种因素影响，包括铝合金种类、表面处理方法、处理液组成、处理参数等。
不同的因素会对膜层的形貌、成分、厚度和性能产生不同的影响。
在制备工艺上，需要考虑溶液浓度、处理时间、温度等因素。
通过优化制备工艺条件，可以得到具有良好性能的表面化学转化膜。
3.阳极氧化法阳极氧化是一种常用的表面化学转化膜制备技术。
它通过电解处理，在阳极上形成氧化膜。
这种方法制备的膜层致密、均匀，可以提高铝合金表面的耐蚀性和耐磨性。
本节主要介绍了阳极氧化的原理、工艺步骤、工艺参数和应用。
4.化学转化法化学转化法是一种在化学反应条件下形成膜层的表面处理方法。
通过在特定的处理液中浸泡铝合金，可以使其产生化学反应，形成具有一定厚度的膜层。
本节介绍了几种常用的化学转化法，包括硫酸法、硫酸铝法和磷酸法，并分析了它们的原理、工艺条件和应用。
5.浸渍法浸渍法是一种简单、易行的表面化学转化膜制备技术。
转化膜
其中：M—表面金属，AZ- —介质中价态为z的阴离
子
注 ：上述反应式是化学转化膜反应的基本形式，具体的转
化膜形成过程要复杂的多，一般都包含多步化学反应和电 化学反应，也包含多种物理化学变化过程。其反应产物也 不像式中那样单一，而是要复杂的多。
1. 2转化膜的分类
按用途分为： 功能性膜（耐磨、减摩、润滑、电绝缘、冷成型加工、涂层基底） 防护性 装饰性
1. 3转化膜的基本用途
<1>防锈：转化膜一方面降低金属本身的化学活性， 提高了在环境介质中的热力学稳定性，另一方面 对环境介质的隔离作用。作防锈用的化学转化膜 主要用于以下二种情况：
①对部件有一般的防锈要求：如涂防锈油等，转化 膜作为底层很薄时即可应用。
转化膜技术
汇报人：张慧桥 指导老师：刘小萍 教授
1 概述
1.1定义及基本原理
定义： 转化膜技术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。
机理： 使金属与特定的腐蚀液相接触，在一定条件下
发生化学反应，在金属表面形成一层附着力良好的难 溶的生成物膜层。
特点：
由于化学转化膜是金属基体直接参与成膜 反应而成的，因而膜与基体的结合力比电镀和化 学镀膜层大的多。
◇ 钢铁常温发黑机理：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。
◇ 目前,常温发黑溶液在市场有商品供应,品种型
号甚多，其主要成分是CuSO4,二氧化硒,还含有 各种催化剂,缓冲剂,络合剂与辅助材料。
化学反应机理：
①SeO2溶于水中生成亚硒酸(H2SeO3):
SeO2 + H2O ---> H2SeO3 ②钢铁工件浸入发黑液中时,溶液中的游离Cu与Fe发生置换
第二节 表面技术的分类
表面技术Matton分类法
按照作用原理，表面技术可以分为以下四种 基本类型（Matton分类法）：
1） 原子沉积：沉积物以原子、离子、分子和粒子 集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖 层， 2） 颗粒沉积：沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材 料表面上形成覆盖层， 3） 整体覆盖：将涂覆材料于同一时间施加于材料 表面 4）表面改性：用机械、物理、化学等方法，改变 材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、 缺陷状态或应力状态。
材料表面工程 技术按工艺特 点分
电镀、化学镀、热渗镀、 热喷涂、堆焊、化学转 化膜、涂装、表面彩色、 气相沉积、“三束”改 性以及表面热处理、形 变强化和衬里等13类
表面技术的广泛的涵义，包括：
1） 表面技术的基础和应用理论。 2） 表面处理技术。它又包括表面覆盖技 术、表面改性技术和复合表面处理技术 三部分。 3） 表面加工技术。 4） 表面分析和测试技术 5） 表面工程技术设计。
三、表面改性技术
定义：采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的 组织结构，性能不同的一种技术。 作用：既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得 各种特殊性能。（耐磨，耐腐蚀，耐高温，超导，润 湿，绝缘，储氢等。） 掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿 命。 节约稀、贵金属。节约能源，改善环境。
三、表面改性技术
1.喷丸强化： 冷加工方法
2.表面热处理：淬火
3.化学热处理：渗氮，碳，硼，金属 4.等离子扩渗处理：离子渗氮，碳，碳氮共渗
5.激光表面处理：高亮度，高方向性，高单色性
6.电子束表面处理： 7.高密度太阳能表面处理：聚焦
8.离子注入表面改性：电离
四、 复合表面处理技术
离子喷涂与激光辐照复合 热喷涂与喷丸复合 化学热处理与电镀复合 激光淬火与化学热处理复合 化学热处理与气相沉积复合
表面转化膜技术
表面转化膜技术
表面转化膜技术是指通过化学或电化学的方法，使材料表面的性质发生变化，以达到防腐、耐磨、装饰等目的的一种技术。
具体来说，通过表面转化膜技术可以形成一层具有特殊性质的薄膜，这层薄膜可以改变材料表面的物理、化学和机械性能，从而提高材料的耐腐蚀性、耐磨性和装饰性等。
表面转化膜技术有很多种，其中比较常用的有化学氧化法、电化学氧化法、阳极氧化法等。
这些技术可以根据材料的不同性质和需要进行选择和应用，以达到最佳的处理效果。
表面转化膜技术的应用范围非常广泛，可以应用于金属、非金属等各种材料表面处理。
在金属材料方面，表面转化膜技术可以用于提高金属的耐腐蚀性和耐磨性，例如在钢铁、铝、铜等金属表面形成一层氧化膜或镀膜；在非金属材料方面，表面转化膜技术可以用于提高材料的硬度和耐磨性，例如在玻璃、陶瓷、宝石等材料表面形成一层硬化膜或镀膜。
总之，表面转化膜技术是一种重要的材料表面处理技术，通过它可以实现对材料表面的性质进行改变和优化，从而提高材料的综合性能和延长使用寿命。
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No3. 膜层电阻小，导电性好，耐蚀性好， 膜层薄，硬度低，不耐磨；
No4. 膜层薄，韧性好耐蚀性好。
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二、非铁金属的化学氧化
2 、镁合金的化学 氧化
δ 0.5~3 μm，膜
层薄、软，作为 底层
§1 氧化处理
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§1 氧化处理
为了提高膜层的耐蚀性，凡经1-3号处理的 膜层都要进行封闭处理：
还原反应：FeOOH＋e → HFeO2－ 生成Fe3O4：2FeOOH＋HFeO2－→ Fe3O4＋11OH－＋H2O *Fe3O4的生成速度：
? ? 晶核数多（过饱和度大）、晶粒细、膜层薄 ? ? 晶核数少（过饱和度小）、晶粒粗、膜层厚
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2）钢铁高温氧化工艺
§1 氧化处理
单槽法：操作简单、使用广泛
用途：精密仪器、光学仪器、武器、机械设备
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§1 氧化处理
钢铁的化学氧化：
1 ）高温氧化机理（化学＋电化学过程）
①化学反应机理（三个阶段）
生成亚铁酸钠： 3Fe+NaNO2+5NaOH=3Na2FeO2+H2O+NH3? 生成铁酸钠：
6Na2FeO2＋NaNO2+H2O=3Na2Fe2O4+7NaOH+NH3 ?
生成磁性氧化物： Na2Fe2O4＋Na2FeO2＋2H2O＝Fe3O4＋4NaOH 从溶液中经形核长大，形成致密的黑色氧化膜 。
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钢铁的化学氧化：
§1 氧化处理
1）高温氧化机理 （化学＋电化学过程）
②电化学反应机理 铁的溶解：Fe→ Fe2+＋2e
Fe2+→ Fe3+：6Fe2+＋NO2-+11OH－→ 6FeOOH＋H2O＋NH3
No1. 通用氧化液，操作方便，镀层美观光亮、薄
No2. 氧化速度快，膜层致密，光亮度略差
双槽法：两次氧化处理，膜厚、耐蚀性好
No3. 保护性好的蓝黑色光亮氧化膜
No4. 较厚的黑色氧化膜
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2 ）钢铁高温氧化工艺
§1 氧化处理
影响氧化膜成膜速度、厚度、致密性的因素：
①氢氧化钠：浓度? δ ? 膜层疏松、多孔 浓度? δ ? 防护能力差
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§1 氧化处理
2 钢铁常温化学氧化 （常温发黑__节能高效简便、污染小）
1) 钢铁常温发黑机理 置换反应：CuSO4+Fe→FeSO4+Cu ?
3Cu+3H2SeO3 →2CuSeO3+CuSe?+3H2O
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§1 氧化处理
2 钢铁常温化学氧化 （常温发黑__节能高效简便、污染小）
其 中：M__基体金属 A__介质阴离子
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分类（根据形成膜介质的不同）：
概述
1、氧化物膜__在含有氧化剂的溶剂中形成(氧化)
2、磷酸盐膜__金属在磷酸中形成(磷化)
3、铬酸盐膜__在铬酸或铬酸盐溶液中形成(钝化)
几乎所有的金属表面均能成膜，工业上以 Fe、 Al 、Zn、Cu、Mg为主。
第11章 化学转化膜技术
§11.1 氧化处理 §11.2 铝及铝合金的阳极氧化 §11.3 磷化处理 §11.4 铬酸盐处理
概述
化学转化膜：通过化学或电化学手段，使金属表 面形成稳定化合物膜层的方法。
结合力好：由于化学转化膜是金属基体直接参与 成膜反应而成的，因此膜与基体的结合力大。
典型反应：mM + nA Z－→ MmAn+ nZe
2）钢铁常温发黑工艺 2~10min后，用脱水缓蚀剂、石蜡封闭，耐蚀性 ??
影响表面膜的因素：
①成膜剂___铜盐、亚硒酸 加入磷酸辅助成膜，可提高耐蚀性和附着力
②PH缓冲剂___ 2~3之间，PH? 反应快、膜疏松，附着、耐蚀? PH? 反应慢、膜薄，稳定性?
③络合剂___
④表面润湿剂___十二烷基磺酸钠、OP-10 1%
②氧化剂：浓度? 氧化速度 ? 膜层致密、牢固 浓度? 氧化速度 ? 膜层厚而疏松
③温度：T ? δ ? 膜层质量下降
④氧化液中铁离子含量： 应有一定量的铁离子，可使膜层致密、结合牢固
⑤钢铁中的含碳量：C% ? Fe3C ? δ ? 发黑后→热水清洗→ 干燥→在105~110 ℃浸油
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一、钢铁的化学氧化
§1 氧化处理
氧化剂中生成蓝、黑膜层，称为 “发蓝”或“发 黑”，分为：高温化学氧化和常温化学氧化。
1 、钢铁高温化学氧化 （传统发黑方法）
浓碱性NaNO 2、140 ℃、15~90min 生成Fe 3O4膜，厚度0.5~1.5 μm（2.5μm） 浸油（吸附性好）耐蚀性大大提高
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二、非铁金属的化学氧化 1 、铝及铝合金的化学氧化
§1 氧化处理
设备简单，操作方便，生产效率高，不耗电，成本低。 δ0.5~4 μm，膜层多孔，具有良好的吸附性。
当PH 为4.45~8.38 时： Al ? Al 3 ＋+3e 3H 2O+3e ? 3OH －＋（3/2 ）H2 Al 3+ +3OH － ? AlOOH+H 2O AlOOH ? γ-Al 2O3?H2O 晶体吸附在表面上，形成氧化膜。
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§1 氧化处理
3 、铜及铜合金的化学氧化 生成CuO 或Cu 2O膜层，各种不同颜色的膜层
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第11章 化学转化膜技术
§11.1 氧化处理 §11.2 铝及铝合金的阳极氧化 §11.3 磷化处理 §11.4 铬酸盐处理
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铝及铝合金的阳极氧化：
§2 铝及铝合金Biblioteka 阳极氧化在适当的电解液中，以金属作为阳极，在外 加电流的作用下，使表面生成氧化膜的方法。
膜层厚：几十到几百μm （铝的自然氧化膜厚度0.010~0.015μm）
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§2 铝及铝合金的阳极氧化
铝及铝合金的阳极氧化：金属作为阳极
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§2 铝及铝合金的阳极氧化
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二、非铁金属的化学氧化
§1 氧化处理
* 铝合金化学氧化的分类：碱性氧化法、酸性氧化法 *Al －alloy 化学氧化工艺规范
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不同氧化工艺的特点：
§1 氧化处理
No1. 膜层软，孔隙率高，吸附性好，耐蚀性差；
No2. 硅酸钠作为缓蚀剂，无色氧化膜， 硬度高，孔隙率小吸附性差，耐蚀性好；
一、阳极氧化膜的性质及用途 1、膜层多孔