第七章 表面处理技术转化膜
合集下载
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
转化膜
化学反应机理为：
3Fe＋NaNO2＋5NaOH－－>3Na2FeO2＋H2O＋NH3 6Na2FeO2＋NaNO2＋5H2O－－>3Na2Fe2O4＋7NaOH＋NH3 Na2FeO2＋Na2Fe2O4＋2H2O－－>Fe3O4+4NaOH 在钢铁表面附近生成的Fe3O4，其在浓碱性溶液中的溶解度极 小，很快就从溶液中结晶析出，并在钢铁表面形成晶核，而后晶核 逐渐长大形成一层连续致密的黑色氧化膜。 在生成Fe3O4的同时，部分铁酸钠可能发生水解而生成氧化铁的水 物Na2Fe2O4＋（m＋1）H2O－>Fe2O3· 2O+2NaOH mH 含水氧化铁在较高温度下失去部分水而形成红色沉淀物附在氧化膜 表面，成为红色挂灰，或称“红霜”，这是钢铁氧化过程中常见的故障， 应尽量避免。
表1－1铝及铝合金碱性铬酸盐化学氧化溶液的配方及工艺条件
组成物的质量浓度 /G· L-1 碳酸钠 铬酸钠 配 方 编 号 1 40～60 15～25 2 50～60 15～20 3 40～50 10～20
氢氧化钠
磷酸三钠 硅酸钠 温度/℃ 时间/MIN
2～5
1.5～2 0.6～1.0 85～100 5～8 95～100 8～10 90～95 8～10
3.氧化膜的后处理 钢铁工件通过化学氧化处理,得到的氧化膜其防 护性仍然较差,所以氧化后还需进行皂化处理、浸油 或在铬酸盐溶液里进行填充处理。 4.不合格氧化膜的退除 不合格氧化膜经脱脂后,在10～15％(体积分数) 的HCl或H2SO4中浸蚀数秒或数十秒即可退除,然后 可再重新氧化。
2.1.2钢铁的磷化处理
2.钢铁常温化学氧化(酸性化学氧化)
◇ 钢铁常温发黑机理：钢铁表面的发黑处理,可
化学转化膜
生成的H3PO4与Fe发生如下反应而形成氢： 2H3PO4 + Fe Fe(H2PO4)2 + H2
(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：
(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：
7-化学转化膜
化学氧化膜很薄，对零件的尺寸和精度几 乎没有影响。 化学氧化时不析氢，不会造成零件氢脆。 广泛应用于精密仪器、电子设备、光学仪 器、仪表、弹簧和武器等的防护装饰。
化学氧化机理
钢铁表面化学氧化生成的氧化膜是由Fe3O4组成 转化膜的形成：电化学和化学过程。
✓ 由于钢铁表面是不均匀的，当将其浸入电解质溶液中时，表面上
将形成无数微电池。
电 ✓ 在微阳极区发生铁的溶解：Fe = Fe2+ + 2e 化 ✓ 在有氧化剂的强碱性介质中，溶解的铁发生转化，生成偏铁酸： 学 6Fe2+ + NO2- + 11OH- = 6HFeO2 + H2O + NH3
过 ✓ 在微阴极区偏铁酸被还原:
程
HFeO2 + e = HFeO2-
1.2 化学转化膜的用途
装饰作用
锌镀层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。 铝及其合金制品经过阳极化处理后获得多孔膜， 可以染上各种色彩。
润滑和减磨
如磷酸盐膜和草酸盐膜可以同时起到润滑和减摩的 作用，从而允许工件在较高的负荷下进行加工。
防止电偶腐蚀
化学转化膜电阻大，使较活泼的金属电位正移，异 金属接触部件之间的电偶腐蚀可以大大减小。
对钛、铝及其合金，因表面易钝化而导致电镀层结
涂镀底层 合不良。采用具有适当膜孔结构的化学转化膜作底层，
可以使镀层与基体金属牢固结合。
2 钢铁的化学氧化和磷化处理
2.1钢铁的氧化处理
钢铁在含有氧化剂的溶液中进行处理，使其表面生成一 层均匀的蓝黑到黑色膜层的过程。
氧化膜主要由Fe3O4组成，膜厚一般为0.5～1.5m。 氧化膜的颜色呈灰黑、深黑或蓝黑色，称为发蓝或发黑。
化学氧化机理
钢铁表面化学氧化生成的氧化膜是由Fe3O4组成 转化膜的形成：电化学和化学过程。
✓ 由于钢铁表面是不均匀的，当将其浸入电解质溶液中时，表面上
将形成无数微电池。
电 ✓ 在微阳极区发生铁的溶解：Fe = Fe2+ + 2e 化 ✓ 在有氧化剂的强碱性介质中，溶解的铁发生转化，生成偏铁酸： 学 6Fe2+ + NO2- + 11OH- = 6HFeO2 + H2O + NH3
过 ✓ 在微阴极区偏铁酸被还原:
程
HFeO2 + e = HFeO2-
1.2 化学转化膜的用途
装饰作用
锌镀层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。 铝及其合金制品经过阳极化处理后获得多孔膜， 可以染上各种色彩。
润滑和减磨
如磷酸盐膜和草酸盐膜可以同时起到润滑和减摩的 作用，从而允许工件在较高的负荷下进行加工。
防止电偶腐蚀
化学转化膜电阻大，使较活泼的金属电位正移，异 金属接触部件之间的电偶腐蚀可以大大减小。
对钛、铝及其合金，因表面易钝化而导致电镀层结
涂镀底层 合不良。采用具有适当膜孔结构的化学转化膜作底层，
可以使镀层与基体金属牢固结合。
2 钢铁的化学氧化和磷化处理
2.1钢铁的氧化处理
钢铁在含有氧化剂的溶液中进行处理，使其表面生成一 层均匀的蓝黑到黑色膜层的过程。
氧化膜主要由Fe3O4组成，膜厚一般为0.5～1.5m。 氧化膜的颜色呈灰黑、深黑或蓝黑色，称为发蓝或发黑。
第七章 金属转化膜技术2
7.5.3 钢铁的磷化工艺
• 钢铁典型的磷化工艺流程为：除油→水洗 →酸洗→水洗→表面整平→磷化→水洗→ 钝化（封闭处理） →水洗→干燥。
• 1、预处理 • 作涂装底层用的磷化膜，为获得结晶细致、 低膜重、耐蚀好的膜层，磷化前还须进行 表面活化处理，又称为表面调整。对于非 涂装用的厚膜磷化层，表面调整也可大大 提高其防护性。 • 表面调整所用的表调剂大致有三类：酸性 表调剂、表面活性剂和金属盐表调剂。
7.4.4 微弧氧化的应用
• 1、微弧氧化的应用领域
•微弧氧化膜具有阳极氧 化膜和陶瓷喷涂层两者 的优点。
2、微弧氧化的应用实例
• 在生物涂层中的应用 • 采用微弧氧化处理在镁合金表面制备生物涂 层，不但提高了基体的耐磨损、耐腐蚀性能， 而且通过在溶液中添加钙，磷、银等离子， 还可以形成具有生物活性和抗菌性的生物涂 层，提高了生物相容性。
7.6.1 铬酸盐膜的形成机理
• 铬酸盐处理是在金属/溶液界面上进行的多相反应。 一般认为铬酸盐膜形成过程大致分为以下三个步 骤。 • 1）表面金属被氧化并以离子的形式转入溶液，同 时有氢气在表面析出。 • 2）所析出的氢促使一定数量的Cr6+还原成Cr3+， 并由于金属/溶液界面处的pH值升高，使以胶体的 氢氧化铬形式沉淀。 • 3）氢氧化铬胶体自溶液中吸附和结合一定数量的 六价铬，在金属界面构成具有某种组成的铬酸盐 膜，
• 2、钝化处理 • 铬酸盐钝化液主要由六价铬化合物和活化剂 组成。常用的六价铬化合物有铬酐、重铬酸 钠或重铬酸钾。 • 活化剂的作用是促进金属的溶解，缩短成膜 时间，改进膜的性质和颜色。常用的活化剂 有硫酸、硝酸、卤化物、硝酸盐、醋酸盐或 甲酸盐等。 • 成膜一般在室温下进行，浸渍时间一般在 5~60s之间，铝和镁为1~10分钟。溶液的pH 值对钝化有一定影响，一般在酸性范围 1~1.8之间。
材料表面工程技术之转化膜与着色技术PPT课件( 30页)
转化膜与着色技术
§1 转化膜的基本特性及用途
定义：
金属化学处理法（化学转化膜）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：
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。
•
9、与其埋怨世界，不如改变自己。管好自己的心，做好自己的事，比什么都强。人生无完美，曲折亦风景。别把失去看得过重，放弃是另一种拥有;不要经常艳羡他人，
人做到了，心悟到了，相信属于你的风景就在下一个拐弯处。
•
10、有些事想开了，你就会明白，在世上，你就是你，你痛痛你自己，你累累你自己，就算有人同情你，那又怎样，最后收拾残局的还是要靠你自己。
钠、重铬酸钾，并加有硝酸、硫酸，有的还有少量添 加剂以改善工艺。
老化：钝化膜形成后的烘干称为老化处理。
铝和铝合金的铬酸盐钝化
预处理：预处理是先脱脂再进行碱蚀，以除去制件表面
氧化层，露出新鲜、均匀的基体表面。
成膜处理：铝材铬酸盐膜成膜溶液的特殊之处是含有氟
离子。
§4 化学氧化
化学氧化处理因为成本低，设备简单， 处理方便，使用范围不断扩大。化学氧化 处理可在铝、铜、钢铁、锌、锡、镉等金 属及其合金上进行，获得不同性能、不同 颜色的氧化膜。
加入氧化剂，如NO3-，NO2-，ClO2-等，它们能 除去成膜时产生的[H]和亚铁离子。
加入电位比铁高的金属离子，如Cu2+、Ni2+、 Co2+，它们通过电化学反应沉积在基材表面上， 扩大阴极面积，加速磷化过程。
钢铁磷化工艺
预处理
§1 转化膜的基本特性及用途
定义：
金属化学处理法（化学转化膜）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：
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。
•
9、与其埋怨世界，不如改变自己。管好自己的心，做好自己的事，比什么都强。人生无完美，曲折亦风景。别把失去看得过重，放弃是另一种拥有;不要经常艳羡他人，
人做到了，心悟到了，相信属于你的风景就在下一个拐弯处。
•
10、有些事想开了，你就会明白，在世上，你就是你，你痛痛你自己，你累累你自己，就算有人同情你，那又怎样，最后收拾残局的还是要靠你自己。
钠、重铬酸钾，并加有硝酸、硫酸，有的还有少量添 加剂以改善工艺。
老化：钝化膜形成后的烘干称为老化处理。
铝和铝合金的铬酸盐钝化
预处理：预处理是先脱脂再进行碱蚀，以除去制件表面
氧化层，露出新鲜、均匀的基体表面。
成膜处理：铝材铬酸盐膜成膜溶液的特殊之处是含有氟
离子。
§4 化学氧化
化学氧化处理因为成本低，设备简单， 处理方便，使用范围不断扩大。化学氧化 处理可在铝、铜、钢铁、锌、锡、镉等金 属及其合金上进行，获得不同性能、不同 颜色的氧化膜。
加入氧化剂，如NO3-，NO2-，ClO2-等，它们能 除去成膜时产生的[H]和亚铁离子。
加入电位比铁高的金属离子，如Cu2+、Ni2+、 Co2+，它们通过电化学反应沉积在基材表面上， 扩大阴极面积，加速磷化过程。
钢铁磷化工艺
预处理
7 第七章 金属转化膜技术
<3>草酸阳极氧化：
草酸阳极氧化是用2%～10%的草酸电解液通 以直流或交流电进行的氧化工艺。
由于草酸溶液对铝及氧化膜的溶解度小，所以可得到比 硫酸溶液中更厚的氧化膜层； 若用交流电进行氧化，可得较软、弹性好的膜层。 草酸阳极氧化的膜层一般为8～20微米，最厚可达60微 米。
影响氧化膜质量的因素主要有：
<1>硫酸阳极氧化：
在15-20%稀硫酸电解液中通以直流和交流电对铝 及其合金进行阳极氧化处理，可获得5～20微米厚， 吸附性较好的无色透明氧化膜。
硫酸阳极氧化工艺简单，溶液稳定，操作方便，允 许杂质含量范围较宽，电能消耗少，成本低，且几 乎可以适用于铝及各种铝合金的加工，所以在国内 已得到了广泛的应用。
铝及铝合金的化学氧化反应过程：
Al→Al3++3e 2H2O+2e- →2OH-+H2 A13++2OH- →AlOOH+H+ 2H++2e- →H2 2AlOOH → γA12O3· H2O（难溶）
碱性氧化法
酸性氧化法
氧化膜较薄，质软，具有良好的吸附性，可作为有机涂 层的底层，但其耐磨性和抗蚀性能均不如阳极氧化膜； 铝及铝合金的化学氧化处理设备简单，操作方便，生产 效率高，不消耗电能，适用范围广，不受零件大小和形状 的限制。
第七章
金属转化膜技术
导入
金属转化膜技术： 通过化学和电化学方法，使金属
表面形成稳定的化合物薄膜的技术。
1. 2.
常见案例：
钢铁的氧化和磷化； 铝及铝合金的阳极氧化；
3.
锌的铬酸盐钝化等。
第七章_电镀、第八章转化膜
第七章电镀§7.1电镀专业术语一、电镀常识表面处理的基本过程大致分为三个阶段：前处理，中间处理和后处理。
1．前处理：零件在处理之前，程度不同地存在着毛刺和油污，有的严重腐蚀，给中间处理带来很大困难，给化学或电化学过程增加额外阻力，有时甚至使零件局部或整个表面不能获得镀层或膜层，还会污染电解液，影响表面处理层的质量。
包括除油、浸蚀，磨光、抛光、滚光、喷砂、局部保护、装挂、加辅助电极等。
2．中间处理：是赋予零件各种预期性能的主要阶段，是表面处理的核心，表面处理质量的好坏主要取决于这一阶段的处理。
3．后处理：是对膜层和镀层的辅助处理。
二、电镀过程中的基本术语1．分散能力：在特定条件下，镀液使镀件表面镀层分布更加均匀的能力。
亦称均镀能力。
2．覆盖能力：镀液在特定条件下凹槽或深孔处沉积金属的能力。
亦称深镀能力。
3．整平能力：镀液使镀层的轮廓比底层更加平滑的能力。
亦称微观分散能力。
4．电流密度：单位面积电极上通过的电流强度，通常以A/dm²表示。
5．电流效率：电解时，实际析出（或溶解）物质的质量与理论计算应该析出（或溶解）的质量之比。
6．阴极性镀层：电极电位的代数值比基体金属大的金属镀层。
7．阳极性镀层：电极电位的代数值比基体金属小的金属镀层。
8．阳极泥：在电流作用下阳极溶解后的残留物。
9．沉积速度：单位时间内零件表面沉积出金属的厚度。
10．初次电流分布：在电极极化不存在时，电流在电极表面上的分布。
11．活化：使金属表面钝化状态消失的作用。
12．钝化：在一定环境下使金属表面正常溶解反应受到严重阻碍，并在比较宽的电极电位范围内使金属溶解反应速度降到很低的作用。
13．氢脆：由于浸蚀，除油或电镀等过程中金属或合金吸收氢原子而引起的脆性。
14．基体材料：能在其上沉积金属或形成膜层的材料。
15．辅助阴极：为了消除被镀制件上某些部位由于电力线过于集中而出现的毛刺和烧焦等毛病，在该部位附近另加某种形状的阴极，用以消耗部分电流，这种附加的阴极就是辅助阴极。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第7章化学转化膜
一、转化膜的定义
二、基本原理
三、分类
四、转化膜的基本用途
五、主要施工方法
六、化学转化膜的发展方向
七、应用
七、应用
七、应用
七、应用
思考
第7章化学转化膜
一、概述
一、概述
一、概述
一、概述
CuSO NaOH 常温氧化
高温氧化
二、高温氧化工艺
二、高温氧化工艺
二、高温氧化工艺
二、高温氧化工艺
红霜
二、高温氧化工艺
二、高温氧化工艺
二、高温氧化工艺
二、高温氧化工艺
二、高温氧化工艺
三、钢铁常温氧化
三、钢铁常温氧化
三、钢铁常温氧化
三、钢铁常温氧化
铝及铝合金的氧化
第7章转化膜
一、概述
一、概述
一、概述
二、磷化膜的形成原理
二、磷化膜的形成原理
三、影响磷化膜质量的因素
三、影响磷化膜质量的因素
三、影响磷化膜质量的因素
三、影响磷化膜质量的因素
四、钢铁磷化的主要工艺流程
四、钢铁磷化的主要工艺流程
第六章转化膜
锌及锌合金的钝化
7.5 着色膜。