金属材料及其加工工艺简介

作为表面处理手段有着悠久的历 史。其应用范围遍及工业、农业、军 事、航护与装饰性 镀层外，还用于制备多种功能性镀层， 如导电镀层、磁性镀层、耐温镀层和 润滑镀层等。 整个电镀过程，可以分成镀前处理、 电镀施工和镀后处理三个阶段。镀前 处理包括表面平整——脱脂——酸 洗——活化等过程。
不锈钢和耐热钢的酸洗。 有色金属及其合金的酸洗。
电镀
电镀指借助外界直流电的作用，在溶液中进行电解反应， 使导电体例如金属的表面，沉积一金属或合金层。它能
使均匀溶解在溶液中的金属离子，有序地在溶液 (即镀液)和 基体接触表面获得电子、还原成金属原子并沉积在基体表面， 形成宏观金属层——镀层。
镀层分析鉴定
金属镀层试纸鉴定法主要应用于定性鉴定金属电镀层 的类别，特别对鉴定某些精密零件和仪表上的镀层有 很大的实用价值。方法具有迅速、简便、准确和不易 损坏金属镀层等优点。 镍镀层：
溶剂 浓硝酸。 鉴定步骤 在被鉴定的物体表面上，用玻璃棒蘸浓硝酸擦拭一下，然 后将预先用1％丁二（肟）乙醇溶液浸过的滤纸条放在被鉴定的物体 表面上，再加一滴浓氨水出现鲜红色即示镍镀层。 溶剂 浓盐酸。 鉴定步骤 在被鉴定的物体表面上，用玻璃棒蘸浓盐酸擦拭一下， (若溶液呈绿色即示铬镀层)。加一滴过氧化钠溶液，然后将预先用5 ％联苯胺醋酸溶液浸过的滤纸条，放在被鉴定的物体表面上，出现蓝 色即示铬镀层。
表面工程
温 度 华南理工大学机械工程学院
金属腐蚀
金属在环境介质的作用下引起的破坏和变化叫作金属 的腐蚀。也就是金属受其所在环境的影响，在表面生 成非金属性的腐蚀产物、使金属不断消耗的现象的总 称。 腐蚀不仅影响材料的外观，而且直接影响设备、构件、 建筑物的使用寿命。 为了避免和控制腐蚀，工业上多采用表面涂层的保护 方法。 涂覆的方法有：电镀、化学镀、热喷涂、热渗镀、热 浸镀、物理气相沉积、化学气相沉积、刷涂、阳极氧 化、磷化处理、铬酸盐化处理等。 在涂覆之前要进行必要的表面预处理过程，以使涂层 与金属基体有良好的结合。
施工设备与工装
电镀设备通常包括：电源，热源，水源，处理槽， 镀槽，整流器，过滤机，水处理装臵，空气压缩机、 热交换装臵，挂具，废水处理装臵等。
电镀缺陷及处理方法
外观质量差
粗糙毛刺、针孔、光亮度差、镀层不均匀、烧焦、斑点
性脆
有机杂质，金属杂质，氧化性杂质，PH值不适当，添加剂比 例不适当，电流密度过大等可能引起材料性脆。因此，尤其是 在光亮性电镀中各类添加剂的比例要严格控制，有机杂质要定 期分析、除去。 结合强度差将导致镀层起皮、脱落。就基体金属而言，表面处 理不当，如酸洗、除油不彻底，难镀金属活化处理不当，将使 结合力降低。镀液中有杂质，双极化现象的产生也会引起镀层 起皮或脱落。因此，要加强酸洗，严格除油，净化镀液，避免 双极化的产生，对不同金属基体要注意采取不同预处理，如金 属硬度高，内应力大时可适当升高温度，缩短阳极处理时间。 另外，镀液浓度、温度、电镀时间也会影响结合强度。
表面的划痕、毛刺、焊缝、砂眼、氧化皮，腐蚀痕和锈斑等宏观缺陷，提高表面的 平整程度。 粗化（喷涂时）。宏观粗化通常由车削和磨削来完成，具体方法有下切、开槽、 车螺纹、滚花、打磨等 。喷砂是热喷涂表面准备的主要方法之一，它既可以净化、 粗化工件表面，又可起到活化表面的效果。 脱脂（除油）。用化学或电化学方法除去表面油脂。可分为有机溶剂除油、化学 除油、电化学除油、擦拭除油及超声强化除油等。按程序可分为预除油、正式除油 和精除油。 酸洗（除锈）。金属表面的锈浊物、黑色氧化皮、氢氧化物等为碱性物质，用酸 浸蚀法除去。酸洗液主要成分常采用三酸，即硫酸、盐酸和硝酸。再依不同金属材 质添加其他无机盐、表面活性剂等。操作工艺条件亦因金属不同而异。酸洗法较为 简便，但废液和废气处理是必不可少的工序。近年来为减少处理费用与环境污染， 又开发出不少新型浸蚀液，以替三酸为主的侵蚀液。
铬镀层：

镀层后处理
电镀后的水洗，热水烫，干燥是普遍使用的最简单 的镀后处理。不同镀层依不同要求还有不同的镀后 处理。如镀锌层的钝化处理，镀银层的防变色处理， 在镀层上涂覆有机涂层，多层镀覆如镀钢／镍／锡 之间的处理等。 镀锌层的后处理。流程：清洗—去氢—钝化—浸热 水(＜60℃)—老化(烘干)—其他特定处理。 为了 提高镀锌层的化学稳定性、耐蚀性和装饰性，用铬 酸盐进行钝化处理，使表面形成一层稳定、致密的 铬酸盐钝化膜。按钝化膜的颜色分类，钝化可分为 彩色钝化、白色钝化、黑色钝化。 不良镀层的退除
表面预处理
零件或产品久臵于大气或储运过程中被空气、各种油质所污染，从而改 变了原有表面特性，给表面处理带来严重障碍。因此，在涂覆防腐涂层 前需要进行预处理，即恢复材料表面和内部差别的过程，使表面洁净并 处于活性状态。 表面预处理包括：
表面平整（电镀时）。一般用磨光、抛光、滚光及振动磨光和刷光等方法，除去
镀镍
镍是银白色金属，在空气和湿气中有很高的化学稳定性。对碱有较好 稳定性，但不耐酸。镀镍通常用于装饰和防护两方面。由于镍在空气 中长期暴露时表面易变色，所以，镍镀层上通常再镀上铬。 普通镀镍（镀暗镍）。普通镀镍现在很少用作装饰性镀层，多用于工 业应用中。就成分而言，使用最多的是瓦特镀液。 镀黑镍。黑镍镀层机械性能较黑铬层差，较脆，厚度通常约2µm， 耐蚀性差，常需再喷漆。但操作方便，成本低。为增加镀层与钢铁底 材的结合，可预镀铜或镀铜与锌再镀黑镍。为提高光泽和耐蚀性，可 用镍和锌光亮镀层打底。 光亮镀银与半光亮镀镍。在瓦特液中加入初级光亮剂和次级光亮剂就 成为光亮/半光亮镀镍液。半光亮镀镍很少单独使用，通常与光亮镍 组合成双层镍或三层镍，以便有效地起到防蚀作用。 镀多层镍。即镀双层镍和三层镍。 双层镍是先镀不含硫(低于0.005 ％)的半光亮镍层．再镀一层光亮镍，然后镀上铬。半光亮镍层厚为 总镍层厚度的60％一80％时有最佳抗蚀性。三层镍是在半光亮镍与 光亮镍层之间镀上一层高琉镍。高硫镍具有最负电位，因此三层镍防 蚀性显著高于双层镍。 其它特种镀镍：镍封闭、缎面镍、高应力镍。
废气处理
电镀技术的发展
随着科学技术与现代工业的发展，各个领域对材料不断提出新的需求。同 时，节约原材料，节约能源和环境保护的要求越来越高。因而，促使 电镀在单金属镀层的基础上有了很大发展，产生了许多新型电镀工艺。 如从一种溶液中在阴极上同时析出两种或两种以上的金属制取合金镀 层的合金电镀； 使第二相(常为非水溶性固体)微粒与金属共沉积制取复合镀层的复合 电镀； 制取非晶态合金镀层的非晶态电镀；不用镀槽而用镀笔进行快速电镀 的电刷镀； 在非金属材料上制取镀层的非金属电镀； 不用电流，利用适当还原剂使金属沉积在有催化能力的材料表面的化 学镀(也叫无电解镀)。 化学转化膜技术，金属着色技术等。 由上述新工艺的交叉融合或结合某种新技术手段或设备，又产生了一 些新型工艺，如非晶态复合镀，复合化学镀，非金属化学镀，非金属 刷镀，摩擦电喷镀，脉冲电镀，超声波电镀、超声波化学镀，激光处 理非晶态复合镀等。




活化（弱侵蚀）。即将零件臵入稀酸中极短时间（数秒到1min）酸洗，进 行轻微腐蚀。活化一方面是为了中和零件表面残存的碱，更主要是为了除去前处
理之后产生的极薄的氧化膜，显露出金相组织，从而使表面活化。
抛光
机械抛光
用抛光轮和抛光膏或抛光液对零件表面进一步 轻微磨削以降低粗糙度。
电解抛光
将工件做为阳极，在电解过程中，工件凸出部 位的溶解速率大于低凹部位，随着电解抛光的 进行，工件表面的凹凸不平即得以平整。
化学抛光
借化学作用，将工件浸入化学抛光溶液中进行 表面处理，以降低工件的表面粗糙度。
脱脂（除油）
酸洗（除锈）
钢铁的酸洗。
钢铁上的氧化膜成分是氧化亚铁(FeO)、氧化铁 (Fe2O3，即红锈)和四氧化三铁(Fe3O4，即黑皮)。 去除这些氧化皮常用温度为40～60℃、浓度为10％～ 20％的硫酸溶液或20～40℃、15％左右的盐酸溶液。 酸洗存在的问题一是金属基体可能产生溶解，即通常所 谓“过腐蚀”；二是所析出的氢向金属内部渗透，引起 氢脆。为防止这些问题，要加缓蚀剂。
电镀废液、废气的处理与环境保护
电镀废液包括镀液和处理液，废气主要是氮 氧化物和铬雾。这些废液废气直接排放必将 产生严重的环境污染。 废液处理
通常所用方法有：用化学或电化学方法使有害 物质转化为无毒或危害很小的物质，或使其转 化为不溶物而分离；用蒸发浓缩，离子交换， 反渗透，电渗析等进行浓缩分离，再进行回收 利用。


镀铬





铬是银灰色金属，硬度大，耐磨，耐蚀，耐热，化学稳定性好。但溶于氢卤 酸和热硫酸。镀铬主要用于装饰性镀层和耐蚀、耐磨镀层。 镀铬时以铬酐(CrO3)提供铬。铬酐有强氧化性，所以应注意防火，安全，防 污染等。镀液中要添加硫酸，氟化物、氟硅酸盐等强腐蚀性物质，对设备抗 腐蚀性要求高。两电极的气体使铬雾产生，因此减少铬雾散发到大气中是必 不可少的措施。镀铬的另一特点是电流效率低，速度慢。 防护装饰性镀铬——普通镀铬、滚镀铬、三价铬镀铬。 耐蚀镀铬层——微裂纹铬和微孔铬、微划痕镀铬。普通镀铬层上的裂纹会加 速金属底材的腐蚀。但当裂纹相当细密，密度高达300～800条/cm时，使 腐蚀电流分散，减缓了腐蚀速度，提高了镀层抗腐蚀性。 镀硬铬——镀硬铬与装饰性镀铬在本质上并无区别。只不过镀层较厚，通常 为0.1~0.2mm，甚至有时可达0.5mm。充分利用了铬层硬度大，耐磨性 好，摩擦系数小的特性，在工业上应用相当广泛，尤其是重负荷、高摩擦的 工况下。 镀黑铬——黑铬层铬含量55％～80％，其余是铬氧化物、氢等。黑铬层极 薄，耐磨性比镀镍层稍高。主要利用它的吸光、吸热性和特殊的黑色调，用 于光学仪器、航空仪表、集热板等。在不锈钢、镍、铜、锌压铸件上可直接 镀黑铬层。为了提高抗蚀性和装饰性，也可用铜、镍或铜锡合金作底镀层。 阳极用含锡7％的铅锡合金效果好。 松孔铬——在高负荷的摩擦条件下，通常要求材料有良好的润滑性。松孔铬 镀层的孔中可储存润滑油t增强了润滑性能，减小厂材料的摩擦磨损。