金属材料及其加工工艺简介.ppt
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。,表面预处理,零件或产品久置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。活化（弱侵蚀）。即将零件置入稀酸中极短时间（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4060、浓度为1020的硫酸溶液或2040、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。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。,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、航空、化工和轻工业等领域。除了广泛用作制取防护与装饰性镀层外，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。,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2m，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。,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300800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0.10.2mm，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5580，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。,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。铬镀层：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。,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,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，水处理装置，空气压缩机、热交换装置，挂具，废水处理装置等。,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。,镀层质量的检验,外观检验外观质量是镀件最基本的要求。检验方法是以肉眼在300一6001x的近似自然光(如40w日光灯，相距750mm)照明下观察。应避免反射光的影响，有时也可用放大镜参考检验。要注意与标准样品的比较。检验项目有：光亮程度，覆盖程度，平整性，针孔，起泡，脱皮，毛刺，麻点，烧焦，树枝状或海绵状沉积层等。结合力检验加热法、弯曲法、锉刀法、划痕法厚度检验仪器测量法（磁性、涡流测厚仪）、电量法、量具法、计时液流法等。孔隙率检验贴滤纸法、溶液浇浸法等。腐蚀性检验大气腐蚀试验和人工加速腐蚀试验。,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。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。,涂料新进展,最为人们熟知的涂料当首推油性涂料油漆。油漆的使用历史悠久，可上溯到几千年前。而现在，由于石油化工和有机合成工业的发展，油漆正逐渐被合成树脂所取代。随着合成树脂涂料的性能不断提高，应用范围不断扩展。但合成树脂涂料在施工时，往往要用最终将扩散到大气中的有机溶剂，这既增加了成本，也造成了对大气的污染。因此，又开发出水溶性涂料和无溶剂涂料。水溶性涂料分为水溶性烘漆、水溶性自干漆、电泳涂料和乳化涂料。无溶剂涂料以树脂粉末涂料为主，还有树脂膜(即塑料膜)，塑料板及金属粉末涂料等。就涂料的作用而言，已远非简单的防护与装饰。现在，一方面是发展兼具多种作用的多功能涂料；另一方面，用于各种特定场合的功能性涂料又越来越专门化。新型的防护涂料，如带锈涂料，可直接在钢铁锈面上施涂，有些带锈涂料还兼有磷化、钝化的作用。各种专用功能性涂料，如示温涂料，防污涂料、润滑涂料、伪装涂料、防辐射涂料、防雷达涂料、红外辐射徐料、反红外光涂料、反紫外光涂料、防滑涂料、防虫涂料、防粘涂料、磁性涂料以及用于机械加工等行业的涂料等等，不胜枚举。具有特殊装饰效果的各种装饰性涂料，不断花样翻新，如闪光漆、丝光漆、钻石花漆、条纹漆、仿大理石漆、金属漆、仿花岗石漆、多彩漆和仿瓷漆等等。,涂料的基本构成,主要成膜物质也称基料或粘结剂，使涂料牢固地附着于被涂物表面，形成连续涂膜，这是构成涂料的基础。通常采用植物油、天然树脂、合成树脂以及某些无机物。次要成膜物质即涂料中的各种颜料和填料，是涂料中重要组成部分，通常是微溶或不溶于水不溶于有机溶剂的粉末物质。涂膜的不同功能主要取决于颜科或填料的种类。填料即体质颜料的加入还可降低涂料成本。按其功能颜料与填料通常可分为着色颜料、体质颜料、防锈颜料、耐温颜料、润滑颜料等。着色颜料有无机化合物、有机化合物和金属粉。无机着色颜料色泽稳定、品种多，应用最广。白色颜料有钛白粉(TiO2)、锌钡白(ZnS,BaSO4)、氧化锌(ZnO)、铅白(PbCO3)。辅助成膜物质这些物质本身不能成膜，但对涂料的生产、施工、储存和涂膜性能有很大影响。除稀释剂外，其他的辅助成膜物质常统称为涂料助剂。它们的用量很少，一般为百分之几到千分之几。但对改善涂料性能有非常明显的效果，是涂料必不可少的成分。各种涂料助剂的开发应用，是涂料不断发展、更新的一个主要因素。,涂料种类与性能,新型涂料,有机涂料成膜机理,物理成膜机理物理成膜是涂料中液体挥发后，涂料干燥成膜的过程，因此也称为挥发型成膜机理。这一过程中，成膜聚合物没有发生化学变化，通常在大气室温下就能迅速完成，也不需固化剂。这类涂料常常又被称为挥发性漆或喷漆。其中的聚合物一般是坚硬的线性聚合物。广泛使用的挥发性漆是硝酸纤维素漆(俗称蜡克)和丙烯酸漆。化学成膜机理化学成膜是涂料中线性或轻度支链状聚合物发生交联反应成为交联化聚合物，形成固态涂膜的过程。交联反应大致可分为两类。一是涂料与空气中成分发生交联固化反应；二是涂料中组分之间的交联固化反应，组分之间的交联固化反应分为两种情况，也就是通常所说的单组分涂料和双组分或多组分涂料。单组分涂料是涂料中有关组分在常温下不发生反应，当被加热或受到辐射等作用时才发生反应。属于这种类型的有：烘干型涂料，如各种烘漆，粉末涂料；辐射固化涂料，环氧酚醛涂料，环氧腮醛涂料等。,涂装方法,涂装前表面处理的一般步骤为表面整平，脱脂，除锈(酸洗)，化学转变(氧化、磷化和钝化)。前三个工序的处理方法和处理液与电镀的前处理基本相同。化学处理使金属表面形成一层保护性薄膜。这层薄膜有一定程度的防腐蚀性，还能提高涂膜与金属底材的结合力。在冷加工工艺中也具有减摩润滑作用。要获得性能优良的涂层，选择正确的涂装方法至关重要。选择时应考虑的因素有：涂装对象的性质、形状、大小和表面形态，涂料的性质和形态，涂装技术要求，涂装环境和设备，使用环境以及成本消耗等。涂装方法很多，较简单的有刷涂、浸涂、滚涂、淋涂、空气喷涂。这几种方法所需设备或工具简单，易操作，很早就开始应用。较新的方法有无空气喷涂，静电喷涂，粉末流化床涂装，粉末静电涂装，电泳涂装，自泳涂装等。,粉末涂装,粉末涂装是使悬浮状或喷射状的粉末涂料均匀地粘附到已预热的工件上，熔融、流平，然后固化形成坚硬涂膜。粉末涂装一次涂覆可得到50300m的厚膜。因无有机溶剂，所以没有通常厚度涂装时出现的流挂、积滞、气孔、塌边等缺陷，对环境污染小、中毒、火灾危险小。不需底漆，与金属底材也有很高的附着力。未粘附的涂料可回收，损耗低。工艺较简单，机械化程度高，易实现涂装自动化适用于批量生产。但涂膜外观不易达到液体涂料的效果，难于进行薄层涂覆，只限于精度要求不太高的金属工件。需较高温度的加热设备。不能像液体涂料那样容易调色和换色。粉末涂料都是合成树脂，也即塑料，所以粉末涂装也称为“涂塑”。按树脂的热性质特点，粉末涂料分为热塑性粉末涂料和热固性粉末涂料。常用热固性粉末涂料有环氧树脂、聚酯树脂和丙烯酸树脂等；热塑性粉末涂料有聚乙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚丙烯树脂；聚酰亚胺树脂(尼龙)、氟树脂和氯化聚醚。后三种价格较高，但耐腐蚀性、耐磨性和减磨性很好。,粉末涂装方法,粉末涂料的涂装方法可分为三类：一类是粉末熔融涂覆法，包括流化床法、熔射法和喷涂法，另一类是静电粉末涂覆法，包括静电粉末喷涂法、静电流化床法、静电粉末振荡法，第三类是电泳粉末涂装法。流化床法也称为沸腾床法、流动浸塑法或镀塑法。经净化后的压缩空气从气室经多孔板进入流化槽，使粉末涂料在槽中成为悬浮流动态(流化态)。而多孔板是只允许空气通过，粉末不能通过。将预热到粉末涂料熔点之上的工件浸入流化槽中，悬浮的粉末均匀地附着在工件上，形成熔融膜，加热固化或塑化后成为固态涂膜。熔射法也称粉末火焰喷涂法。用压缩空气使粉末涂料从熔射机的喷嘴喷出，高速通过从喷嘴周围吹出的氧气和可燃气体(如乙炔、液化气等)的燃烧火焰区，成为熔融状态，喷射到工件上形成涂膜。对热固性涂料，喷涂后还需进行再加热处理，使其充分固化。静电粉末喷涂是使待涂工件接地，表面带正电荷，涂料在直流高压电场中成为雾化的带负荷微粒，由于静电场作用，涂料微粒定向、快速池流向工件，经加热后，涂料粉末熔融固化形成漆层。,热喷涂,热喷涂简称喷涂，是利用热源将喷涂材料加热熔化或软化，靠热源自身的动力或外加的压缩气流，将熔滴雾化或推动熔粒成喷射的粒束，以一定速度喷射到基体表面形成涂层的工艺方法。热喷涂可以制备各种类型的涂层，既可作为预保护技术应用于新品制造，又可作为维修手段用于旧件修复。尤其是采用喷涂层或喷焊层，可以大幅度提高产品的使用性能和延长使用寿命，用经济的手段产生显著的经济效益和社会效益，因而受到重视，获得广泛的应用。,热喷涂,热喷涂作为制备涂层的方法，主要优点是：方法多样 热喷涂方法多达十几种，因而为制备涂层提供了多种手段。涂层广泛 由于喷涂材料范围广，品种多，因而可以制备各种类型的涂层。工件不限 热喷涂方法中，除喷焊只能用于金属基材外，几乎适用于在各种材料表面制备涂层，包括金属、陶瓷、玻璃等无机材料，以及塑料、木材、布、纸等有机材料。而且不限定工件尺寸，大至钢结构大桥，小至小塞规，均可采用热喷涂方法制备涂层。在喷涂过程中，工件温度可低于200，基材不发生组织变化，一般不变形。工艺简便 用一般热喷涂方法制备涂层，工艺程序少，操作简便，而且便于移动。局限性：一般用喷涂方法制备的涂层，涂层结合强度及密度受到一定限制。对于喷涂面积小的工件，沉积效率低，不经济。一般喷涂方法操作环境较恶劣，要求采取劳动保护和环境保护措施。影响涂层质量的因素多。难以对涂层质量进行非破坏性检查。,热喷涂工艺流程,工件的表面准备是热喷涂工艺非常重要的环节，这是因为它直接影响到了涂层和基体之间的结合强度。换句话说，结合强度的提高，是靠喷涂颗粒能否与基体表面很好地润湿，以及与微观不平的表面紧紧地咬住。因此，只有粗糙、洁净和新产生的活化表面，才能使喷涂时撞击基体表面的颗粒在塑性尚未消失时和表面牢固嵌合。,热喷涂的表面准备,工件的表面准备一般要达到以下三个目的：净化表面：去除被喷涂表面的各种杂物，特别是油污，以利于熔融粉粒与基材表面的润湿、贴合；粗化表面：使被喷涂表面粗糙不平，以利于粉粒与基体表面的镶嵌、填塞。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；活化表面:使被喷涂表面形成活化能力，如晶格缺陷、塑性变形，产生一定的应力状态，以利于增加颗粒与基体表面的吸附力，提高颗粒与基体表面的冶金结合能力。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。其活化表面的原因在于：第一，喷砂使工件表面形成一定的残余压应力，有利于松弛工件在喷涂过程中的涂层热应力，提高涂层的结合强度，同时也有利于提高工件的疲劳强度；第二，喷砂增大了金属表面晶粒的塑性变形，并造成晶格缺陷，使表面活性提高，有助于喷涂颖粒与基体间的物理化学结合的进行。所以工件喷涂前进行喷砂处理极为必要。但喷砂不能得到喷涂层厚度所需的预留量，需要先宏观粗化再喷砂。,热喷涂方法,火焰粉末喷涂,火焰喷涂法是以氧-燃料气体火焰作为热源，将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态，并高速喷射到经过预处理的基体表面上，从而形成具有定性能的涂层的工艺。此法的另一发展是使用液体燃料。氧-乙炔火焰喷涂可以喷涂各种丝材、棒材和粉末材料。方法简便，设备简单。氧-乙炔火焰温度低，气流速度不高，因而颗粒打击力小，涂层不够致密。,等离子喷涂,等离子喷涂是以等离子弧为热源的热喷涂。等离子弧是一种高能密束热源，其特点是：温度高、能量集中；焰流速度高；稳定性好；调节性好。等离子喷涂设备主要有电源、控制柜、喷抢、送粉器、循环水冷却系统、气体供给系统等。,缺陷,生锈,不锈钢和耐热钢的酸洗,有色金属的酸洗,镀镍,镀铬,静电粉末喷涂,喷粉,
