常见表面处理课件.ppt

常见表面处理知识培训,主讲：夏孝恩 2013.11.16,2,内容安排,一、表面处理定义二、常见表面处理方法,1.0 电镀 2.0 热浸镀锌3.0 机械镀4.0 化学镀5.0 浸渍镀6.0 阳极氧化7.0 化学转化层,8.0 铬酸盐处理9.0 金属染色10.0 涂装11.0 热浸镀12.0 阴极溅射13.0 真空镀14.0 表面硬化：,3,一、表面处理定义,表面处理即是通过一定的方法在工件形成覆盖层 的过程，表面其目的是赋以制品表面美观、防腐 蚀的效果。进行的表面处理方法都归结于以下常用几种方法：电镀、热浸镀锌、机械镀、化学镀、浸渍镀、阳极氧化、化学转化层、铬酸盐处理、金属染 色、涂装、热浸镀、热浸镀锡、阴极溅射、真空镀、离子镀、表面硬化等。,4,二、常见表面处理方法,1.0 电镀(Electroplating)：工件作为阴极 将接受电镀的部件浸于含有被沉积金属化合物的水溶液中，以电流通过镀液，使电镀金属析出并沉积在部件上。一般电镀有镀锌、铜、镍、铬、铜镍合金等，有时把煮黑（发蓝）、磷化等也包括其中。1.1 五金电镀前处理和电镀：打磨去氧化皮-抛光-除油脱脂-水洗-酸洗除锈-碱洗中和-水洗-检查-上架-入槽电镀-烘干-检查-包装-出货 1.2 电镀的质量以其耐腐蚀能力为主要衡量标准，其次是外观。耐腐蚀能力即是模仿产品工作环境，设置为试验条件，对其加 以腐蚀试验。电镀产品的质量从以下方面加以控制：外观：制品表面不允许有局部无镀层、烧焦、粗糙、灰暗、起 皮橘皮状况和明显条纹，不允许有针孔麻点、黑色镀渣、钝化膜疏松、龟裂、脱落和严重的钝化痕迹。,5,二、常见表面处理方法,、镀层厚度：紧固件在腐蚀性大气中的作业寿命与它的镀层厚度成正比。一般建议的经济电镀镀层厚度为0.00015in0.0005 in(412um).热浸镀锌：标准的平均厚度为54 um（称呼径3/8为43 um），最小厚度为43 um（称呼径3/8为37 um）。、镀层分布：采用不同的沉积方法，镀层在紧固件表面上的聚集方式也不同。电镀时镀层金属不是均匀地沉积在外周边缘上，转角处获得较厚镀层。在紧固件的螺纹部分，最厚的镀层位于螺纹牙顶，沿着螺纹侧面渐渐变薄，在牙底处沉积最薄，而热浸镀锌正好相反，较厚的镀层沉积在内转角和螺纹底部，机械镀的镀层金属沉积倾向与热浸镀相同，但是更为光滑而且在整个表面上厚度要均匀得多。,6,二、常见表面处理方法,、氢脆：紧固件在加工和处理过程中，尤其在镀前的酸洗和碱洗以及随后的电镀过程中，表面吸收了氢原子，沉积的金属镀层然后俘获氢。当紧固件拧紧时，氢朝着应力最集中的部分转够，引起压力增高到超过基体金属的强度并产生微小的表面破裂。氢特别活动并很快渗入到新形成的裂隙中去。这种压力-破裂-渗入的循环一直继续到紧固件断裂。通常发生在第一次应力应用后的几个小时之内。为了消除氢脆的威胁，紧固件要在镀后尽可能快地加热烘焙，以使氢从镀层中渗出，烘焙通常在375-4000F（176-190）进行3-24小时。由于机械镀锌是非电解质的，这实际上消除了氢脆的威胁。,7,二、常见表面处理方法,2.0 热浸镀锌：通过将碳钢部件浸没温度约为510的溶化锌的镀槽内完 成。其结果是钢件表面上的铁锌合金渐渐变成产品外表 面上的钝化锌。热浸镀铝是一个类似的过程。热浸镀锌(Galvanizing),俗称铅水。2.1 一般螺丝多采用电镀方式，但用在电力、高速公路等室外的六角螺钉等用热浸锌；电镀的成本一般每公斤为0.60.8元，热浸锌一般为1.52元/公斤，成本较高。3.0 机械镀：通过镀层金属的微粒来冲击产品表面，并将涂层冷焊到产 品的表面上。4.0 化学镀：自催化镀(Auto-catalytic Plating)，一般称为“化学镀(Chemical Plating)”、“无电镀(Electroless Plating)”等自催化镍磷镀及工业应用。,8,二、常见表面处理方法,5.0 浸渍镀(Immersion Plating)：采用硫酸铜、硫酸亚锡为主盐的置换反应浸镀法在钢铁件表面制得金黄色铜锡合金层。通过添加含氟系阴离子及羧基系阴离子的络合剂,控制铜、锡离子的置换反应速度,获得 1 5%39%铜含量的合金镀层,外观呈 18 22K金色,膜层结合力好,耐蚀性优良。5.1 化学镀仿金的类型有两种,一种是使用还原剂的化学还原型,所形成的镀膜一般为赤褐色或色泽不好的金色,其镀膜的附着力差。,9,二、常见表面处理方法,另一种：浸镀即置换镀或接触镀,是一种无需外界电流或还原剂,利用两种金属的电位差产生的电动势驱动的置换反应。浸渍镀设备少、效率高、成本低。6.0 阳极氧化(Anodizing):接近表面镀层处理，金属或合金的电化学氧化。将金属或合金的制件作为阳极，采用电解的方法使其表面形成氧化物薄膜。金属氧化物薄膜改变了表面状态和性能，如表面着色，提高耐腐蚀性、增强耐磨性及硬度，保护金属表面等。例如铝阳极氧化，将铝及其合金置于相应电解液(如硫酸、铬酸、草酸等)中作为阳极，在特定条件和外加电流作用下，进行电解。阳极的铝或其合金氧化，表面上形成氧化铝薄层，其厚度为520微米，硬质阳极氧化膜可达60200微米。阳极氧化后的铝或其合金，提高了其硬度和耐磨性，可达250500千克平方毫米，良好的耐热性，硬质阳极,10,二、常见表面处理方法,氧化膜熔点高达2320K，优良的绝缘性，耐击穿电压高达2000V，增强了 抗腐蚀性能，在0.03NaCl盐雾中经几千小时不腐蚀。氧化膜薄层中具有大量的微孔，可吸附各种润滑剂，适合制造发动机 气缸或其他耐磨零件；膜微孔吸附能力强可着色成各种美观艳丽的色彩。有色金属或其合金（如铝、镁及其合金等）都可进行阳极氧化处理，这种 方法广泛用于机械零件，飞机汽车部件，精密仪器及无线电器材，日用品 和建筑装饰等方面。补充：除金属外，其他物质在阳极所引起的氧化作用，也称为“阳极氧化”补充：在现实工艺中，针对铝合金的阳极氧化，比较多，可以应用在日常 生活中，以为这种工艺的特性，使铝件表面产生坚硬的保护层，可 用于生产厨具等日用品。但铸造铝的阳极氧化效果不好，表面不光 良，还只能是黑色。铝合金型材就要好一点。,11,二、常见表面处理方法,7.0 化学转化层(Chemical Conversion Coating)：用电化学法或化学法利用金属离子与均悬浮在溶液中的不溶液性，使金属或其腐蚀产物与环境中的组成成分发生化学反应，从而在金属表面形成的无机物覆盖层。a.钢铁发蓝（Blackening)，俗称“煲黑或发黑”b.钢铁磷化(Phosphating):c.复合电镀（弥散电镀）composite plating,12,二、常见表面处理方法,8.0 铬酸盐处理(Chromating)9.0 金属染色(Metal Colouring)：10.0 涂装(Paint Finishing)：包括各种涂装如手工涂装、静电涂 装、电泳涂装等。11.0 热浸镀(Hot dip)：热浸镀简称热镀，是将被镀金属材料浸于 熔点较低的其他液态金属或合金中进行镀 层的方法。此法的基本特征是在基体金属 与镀层金属之间有合金层形成。11.1 热浸镀锌(Galvanizing),俗称铅水。11.2 热浸镀锡(Tinning),13,二、常见表面处理方法,12.0 阴极溅射：具有足够能量的带电粒子或中性粒子碰撞物体表 面时，可把能量传递给表面的原子。只要表面原 子获得的能量大于本身的电离能，就能摆脱周围 原子的束缚而离开物体表面，这种现象称为溅射13.0 真空镀(Vacuum Plating)：真空镀主要包括真空蒸镀、溅射 镀和离子镀几种类型。它们都是采用在真空条件下 通过蒸馏或溅射等方式在塑件表面沉积各种金属和 非金属薄膜，通过这样的方式可以得到非常薄的表 面镀层，同时具有速度快附着力好的突出优点。因 其价格高一般用来作较高档产品的功能性镀层。,14,二、常见表面处理方法,13.1 离子镀(Ion Plating)：离子镀在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离，在气体离子或被蒸发离子的轰击下，将蒸发物质或其反应物沉积在基片上的方法。其中包括磁控溅射离子镀、反 应离子镀、空心阴极放电离子镀（空心阴极蒸镀法）、多弧离子镀（阴极弧离子镀）等。14.0 表面硬化：所谓表面硬化法是指通过适当的方法使零件的表层硬化而零件的心部仍然具有强韧性的处理。通过这种处理，可以改善零件的耐磨性以及耐疲劳性，而由于零件的心部仍然具有良好的韧性和强度，因此对冲击载荷有良好的抵抗作用。常用的表面硬化处理方法主要有渗碳、氮化、硬质阳极氧化、镀铬、表面淬火以及渗金属等。,15,六、质量检验的依据,二、常见表面处理方法,14.1 渗碳 钢的渗碳就是含碳量较低的钢制零件在渗碳介质中加热或者保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含碳量，在淬火之后含碳量高的表层硬度很高，而含碳量低的心部硬度低仍具有良好的韧性。目的是使零件获得高的表面硬度、耐磨性以及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。主要用于承受磨损、交变接触应力或者弯曲应力和冲击载荷的零件，如轴、齿轮、凸轮轴等，这些零件要求表面有很高的硬度而心部要有足够的强度和韧性。渗碳法分为固体渗碳法、液体渗碳法和气体渗碳法三种。另外还有真空渗碳法。,16,气体渗碳法示意图,气体渗碳法将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。渗剂为气体(煤气、液化气等)或有机液体(煤油、甲醇等)。优点:质量好,效率高；缺点:渗层成分与深度不易控制,二、常见表面处理方法,渗碳方法,17,二、常见表面处理方法,真空渗碳炉,固体渗碳法将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。渗剂为木炭。优点：操作简单；缺点：渗速慢，劳动条件差。,真空渗碳法将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳。优点:表面质量好,渗碳速度快。,18,二、常见表面处理方法,渗碳温度：为900-950。渗碳层厚度（由表面到过度层一半处的厚度）：一般为0.5-2mm。,渗碳层表面含碳量：以0.85-1.05为最好。渗碳缓冷后组织：表层为P+网状Fe3C;心部为F+P;中间为过渡区。,低碳钢渗碳缓冷后的组织,19,二、常见表面处理方法,渗碳后的热处理淬火+低温回火,回火温度为160-180。淬火方法有：预冷淬火法渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。,渗碳后的热处理示意图,20,二、常见表面处理方法,一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。二次淬火法：即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50，细化心部；第二次加热为Ac1+30-50，细化表层。,渗碳后的热处理示意图,21,常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50淬火+低温回火。此时组织为：表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量)心部：M回+F（淬透时）,二、常见表面处理方法,22,二、常见表面处理方法,14.2 氮化 氮化是指把合金钢（一般含有Al、Cr、Mo）在无水氨气（NH3）流中在500570左右长时间加热，使钢的表面形成一层硬度很高又耐腐蚀的氮化物（主要为Fe2N、Fe3N、Fe4N）。一般有气体渗氮液体渗氮和辉光离子渗氮。氮化时合金钢的含碳量一般在0.2%0.5%，主要由零件心部的机械性能来决定含碳量，含碳量高时阻碍N的扩散，从而减少氮化层的厚度，而含碳量少时，零件截面上的硬度梯度变化就会大，从而造成氮化层容易剥离。Al的作用是增加渗氮后钢的表面硬度，Cr可以增加氮化层的厚度，Mo可以防止在500570长时间加热造成的回火脆性，Cr、Mo对材质的改良也很重要。历史最久国际上普遍采用的渗氮钢是38CrMoAl。,23,一般的氮化零件的工艺流程为锻造退火粗加工调质精加工氮化。不需要氮化的部位可以镀Ni或者镀Sn或者镀Pb20%+Sn80%。氮化处理前先对零件进行调质处理，使其具有良好的塑性和韧性，氮化处理后不再实施淬火、回火，并且氮化处理本身的温度就比较低，所以工件的变形小。氮化处理后工件表面的硬度可以达到HRC6572，比渗碳处理后的硬度更高更耐磨，并且耐腐蚀性能要好。用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。,二、常见表面处理方法,24,二、常见表面处理方法,井式气体氮化炉,离子氮化炉,氮化温度为500-570氮化层厚度不超过0.6-0.7mm。气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。,离子氮化法是在电场作用下，使 电离的氮离子高速冲击作为阴极 的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮 化层脆性小。,25,二、常见表面处理方法,14.3 硬质阳极氧化 铝的阳极氧化是以铝或铝合金作阳极，以铅板作阴极在电解液中电解，使其表面生成氧化膜层。经过阳极氧化，铝表面能生成厚度为几个至几百微米的氧化膜。这层氧化膜的表面是多孔蜂窝状的，比起铝合金的天然氧化膜，其耐蚀性、耐磨性和装饰性都有明显的改善和提高。采用不同的电解液和工艺条件，就能得到不同性质的阳极氧化膜。工艺流程：脱脂除油碱腐蚀抛光阳极氧化染色封孔处理。,26,二、常见表面处理方法,碱腐蚀的目的是去除铝合金表面致密但不均匀的氧化膜，对高硅铝合金，采用HN03、HF混合溶液，其他铝合金采用以NaOH溶液为主的碱性槽液。抛光的目的是得到光亮的基体表面，分为机械抛光、电解抛光和化学抛光。机械抛光就是采用机械方法磨出光亮表面。电解抛光是利用电流的作用，使铝合金发生电化学反应，在铝合金表面凸凹不平的部分发生不同程度的溶解，使铝件表面产生光滑的镜面效果。化学抛光就是把零件浸在化学溶液里面发生反应从而得到光亮的表面，分为酸性抛光和碱性抛光。染色就是利用阳极氧化膜的多孔结构和强吸附性能，将已阳极氧化处理的铝制件浸渍在有机染料或无机染料的溶液中，则氧化膜针孔吸附染料而着色。另外还有电解着色、整体着色等。,27,二、常见表面处理方法,由于铝及铝合金生成的氧化膜具有高的孔隙率和吸附性，很容易被污染，尤其在腐蚀性环境中，腐蚀介质容易进入膜层孔隙而引起腐蚀。氧化膜染色后应进行封闭处理，以增加色泽的耐晒性和耐蚀性。在工业生产中，经过阳极氧化的膜层，不管染色与否，一般都要进行封闭处理。一般采用的是热水封闭和蒸汽封闭，其原理为氧化膜表面和孔壁的三氧化二铝在热水中发生水化反应，生成水合氧化铝，使原来氧化膜的体积增加33100%，氧化膜体积的膨胀使膜孔显著缩小，从而达到封孔的目的。反应式为：Al2O3+nH2O=Al2O3nH2O此外还可以采用各种化学溶液封闭，如重铬酸钾溶液封闭，封闭后的阳极氧化膜呈浅黄色，有特别高的耐蚀性。阳极氧化采用的电解液主要有硫酸、草酸、铬酸，其中硫酸阳极氧化处理应用最为广泛。如果没有特别指明，一般指的是硫酸阳极氧化。,28,二、常见表面处理方法,14.4 镀铬 铬的硬度可以达到 80010OOHV，是最硬的金属。它有很强的钝化性能，在大气中很快钝化，因而铬层在大气中很稳定，能长期保持其光泽，在碱、硝酸、硫化物、碳酸盐以及有机酸等腐蚀介质中非常稳定，但可溶于盐酸等氢卤酸和热的浓硫酸中。铬镀层优点为硬度高、耐磨性好、光反射性强。并且耐热性佳，在480C以下不变色，50O 以上才开始氧化，700 则硬度下降。铬镀层缺点为太硬易脆、易脱落。铬镀层具多孔性，所以对钢铁腐蚀性不很理想，所以一般先镀铜，再镀镍最后再镀一层铬才能达到防腐蚀及装饰的目的。镀硬铬就是比一般镀铬层厚一点，所以相应的时间也要延长，一般需要十几个小时。,29,二、常见表面处理方法,14.5 表面淬火 表面淬火是指将工件表面一定深度范围内迅速加热到淬火温度，然后迅速冷却，在一定深度范围内达到淬火目的的热处理工艺。目的是在工件表面一定深度范围内获得马氏体组织，而心部仍保持淬火前的组织状态（调质或者正火状态），从而使表面硬而耐磨，而心部又有足够的塑性和韧性。主要用于中碳调质钢和球墨铸铁制的机器零件。主要的表面淬火方式有感应加热表面淬火、火焰淬火以及激光加热和电子束加热表面淬火。,30,二、常见表面处理方法,14.5.1 感应加热表面淬火定义：是使工件表面产生一定的感应电流，迅速加热零件表面，然后迅速淬火的一种金属热处理方法。感应加热原理：工件放到感应器内，感应器一般是通入中频或高频交流电(500-300KHz)的空心铜管。产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，叫做集肤效应。利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800-1000C，而心部温度升高很小。根据电流频率的不同，可将感应加热表面淬火分为三类：第一类是高频感应加热淬火，常用电流频率范围为200300 千赫兹，一般淬硬层深度为0.52.0mm。适用于中小模数的 齿轮及中小尺寸的轴类零件等。,31,二、常见表面处理方法,第二类是中频感应加热淬火，常用电流频率范围为2500800HZ，一般淬硬层深度为210mm。适用于较大尺寸的轴和大中模数的 齿轮等。第三类是工频感应加热淬火，电流频率为50赫兹，不需要变频设备，淬硬层深度可达1015mm。适用于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、火车车轮等的表面淬火。感应加热表面淬火具有表面质量好，脆性小，淬火表面不易氧化脱碳，变形小等优点，所以感应加热设备在金属表面热处理中得到了广泛应用。见后面PPT图片,32,二、常见表面处理方法,4.5.2 火焰加热淬火 是用乙炔氧或煤气氧等火焰直接加热工件表面，然后立即喷水冷却，以获得表面硬化效果的淬火方法。火焰加热温度很高（约3000以上），能将工件迅速加热到淬火温度，通过调节烧嘴的位置和移动速度，可以获得不同厚度的淬硬层。表面淬火淬硬层深度一般计至半马氏体区。,对于金属铸件，比较常用的表面处理方法是：机械打磨，化学处理，表面热处理，喷涂表面,33,二、常见表面处理方法,感应加热表面淬火,火焰加热淬火,34,二、常见表面处理方法,高频感应加热 频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm,35,二、常见表面处理方法,中频感应加热 频率为2500-8000Hz，淬硬层深度2-10mm。,36,二、常见表面处理方法,工频感应加热频率为50Hz,淬硬层深度10-15 mm,37,二、常见表面处理方法,火焰加热:利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成本低，但质量不易控制。激光热处理:利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。,38,THANKS!,