金屬表面處理工藝簡介

金屬表面處理，是在基材表面利用物理、化學(xué)、金屬學(xué)和熱處理等學(xué)科的技術(shù)來改變工件表面的狀況和性質(zhì)，以達到預(yù)定性能要求的工藝方法。

表面處理的作用：

• 提高金屬表面硬度、耐蝕性、耐磨性和減小摩擦系數(shù)；
• 減緩、消除和修復(fù)材料表面的變化及損傷；
• 節(jié)約能源、降低成本、改善環(huán)境；
• 改善外觀等裝飾作用；
• 其它特殊功能需求；

金屬表面處理工藝分類

金屬表面處理	改性處理	-通過物理、化學(xué)方法，改變基材的表面狀態(tài)；基材化學(xué)成分不變
	合金化處理	-通過物理方法，使添加材料進入基體，形成合金化層
	轉(zhuǎn)化膜處理	-通過化學(xué)方法，使添加材料和基材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成轉(zhuǎn)化膜
	覆膜處理	-在基材表面增加一層膜，基材不參與膜的形成

 

一、表面改性技術(shù)

1.1、表面淬火

表面淬火是指在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織情況下，利用快速加熱將表層奧氏體化后進行淬火以強化零件表面的熱處理方法。表面淬火的主要方法有火焰淬火和感應(yīng)加熱，常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰等。

1.2、激光表面強化

激光表面強化是用聚焦的激光束射向工件表面，在極短時間內(nèi)將工件表層極薄的材料加熱到相變溫度或熔點以上的溫度，又在極短時間內(nèi)冷卻，使工件表面淬硬強化。激光表面強化可以分為激光相變強化處理、激光表面合金化處理和激光熔覆處理等。

激光表面強化的熱影響區(qū)小，變形小，操作方便，主要用于局部強化的零件，如沖裁模、曲軸、凸輪、凸輪軸、花鍵軸、精密儀器導(dǎo)軌、高速鋼刀具、齒輪及內(nèi)燃機缸套等。

作用：

• 提高零件機械強度以及耐磨性、抗疲勞和耐蝕性等；
• 用于表面消光、去氧化皮；
• 消除鑄、鍛、焊件的殘余應(yīng)力等。

1.3、拋光

拋光是指利用機械、化學(xué)或電化學(xué)等作用，使工件表面粗糙度降低，以獲得光亮（也可以用于消除光澤）、平整表面的加工方法。目前大量應(yīng)用在各個行業(yè)，如手機等消費電子、家電、汽車等。

工藝流程

拋光工藝分很多種，有機械拋光、電解拋光、化學(xué)拋光及納米拋光等，其中機械拋光應(yīng)用比較廣泛，工藝流程主要包括：局部研磨、整體研磨、粗拋、精拋、清潔及檢驗等。

1.4、其它技術(shù)表明改性技術(shù)

噴丸——將大量高速運動的彈丸噴射到零件表面上，猶如無數(shù)個小錘錘擊金屬表面，使零件表層和次表層發(fā)生一定的塑性變形而實現(xiàn)強化的一種技術(shù)。

滾壓——是在常溫下用硬質(zhì)滾柱或滾輪施壓于旋轉(zhuǎn)的工件表面，并沿母線方向移動，使工件表面塑性變形、硬化，以獲得準確、光潔和強化的表面或者特定花紋的表面處理工藝。

拉絲——是指在外力作用下使金屬強行通過模具，金屬橫截面積被壓縮，并獲得所要求的橫截面積形狀和尺寸的表面處理方法稱為金屬拉絲工藝。

二、合金化技術(shù)

2.1 滲碳和滲氮

將工件置于特定介質(zhì)中加熱保溫，使介質(zhì)中活性原子滲入工件表層從而改變工件表層化學(xué)成分和組織，進而改變其性能的熱處理工藝。

與表面淬火相比，化學(xué)表面熱處理不僅改變鋼的表層組織，還改變其化學(xué)成分。根據(jù)滲入的元素不同，化學(xué)熱處理可分為滲碳、氮化、多元共滲、滲其他元素等。 化學(xué)熱處理過程包括分解、吸收、擴散三個基本過程。

化學(xué)表面熱處理最主要的兩種方式就是滲碳和滲氮。

對比	滲碳	氮化
目的	提高工件表面硬度、耐磨性及疲勞強度,同時保持基材內(nèi)部良好的韌性。	提高工件表面硬度、耐磨性及疲芳強度,提高耐蝕性。
材料	含0.1-0.25%C的低碳鋼,碳高則心部韌性降低	為含Cr, Mo,Al,Ti, V的中碳鋼
方法	?氣體涉碳法、國體滲碳法、真空滲碳法	氣體氨化法、離子氫化法
溫度	900-950℃	500 – 570℃
膜厚	0.5 – 2毫米	不超過0.6-0.7mm
用途	廣泛用于飛機、汽車和拖拉機等的機械零件，如齒輪、軸、凸輪軸等。	用于耐磨性、精度要求高的零件及耐熱、耐磨及耐蝕件。如儀表的小軸、輕載齒輪及重要的曲軸等

三、金屬表面轉(zhuǎn)化膜技術(shù)

3.1 發(fā)黑與磷化

• 發(fā)黑：
  鋼材或鋼件在空氣-水蒸氣或化學(xué)藥物中加熱到適當溫度使其表面形成一層藍色或黑色氧化膜的工藝。也稱為發(fā)藍。
• 磷化：
  工件（鋼鐵或鋁、鋅件）浸入磷化液（某些酸式磷酸鹽為主的溶液），在表面沉積形成一層不溶于水的結(jié)晶型磷酸鹽轉(zhuǎn)換膜的過程，稱之為磷化。

名稱	處理條件	顏色	膜特性	耐腐蝕性	應(yīng)用
發(fā)黑	濃堿溶液中煮沸，生成四氧化三鐵氧化膜	藍黑色	膜厚0.5-1.6微米，吸附性好，可浸油或填充處理	差	膜薄，不影響零件的裝備尺寸；對表面光潔要求高叫拋光的精密零件，發(fā)黑后表面既亮又黑，可防護和裝飾
磷化	磷酸鹽溶液中化學(xué)處理，生成結(jié)晶型磷酸鹽膜	灰色或灰黑色	膜厚3-20微米，吸附性好，可浸油或填充處理	一般	主要用于鋼鐵制件（槍炮等）耐蝕防護和噴漆前處理，以增加油漆與鋼鐵工件的附著力及防護性

3.2、陽極氧化

主要是指鋁及鋁合金的陽極氧化。陽極氧化是將鋁或鋁合金制件浸沉于酸性電解液中，在外電流作用下作為陽極，在制件表面上形成與基體牢固結(jié)合的防蝕Al2O3（氧化鋁）膜層。這層氧化膜具有防護性、裝飾性、絕緣性、耐磨性等特殊特性。

工藝流程:

單色、漸變色：拋光/噴砂/拉絲→除油→清洗等預(yù)處理→陽極氧化→中和→染色→封孔→烘干

雙色：

①拋光/噴砂/拉絲→除油→清洗等預(yù)處理→遮蔽→陽極氧化1→陽極氧化2 →封孔→烘干

②拋光/噴砂/拉絲→除油→清洗等預(yù)處理→陽極氧化1 →鐳雕→陽極氧化2 →封孔→烘干

技術(shù)特點:

• 提升強度；
• 實現(xiàn)除白色外任何顏色；
• 實現(xiàn)無鎳封孔，滿足歐、美等國家對無鎳的要求。

技術(shù)難點及改善關(guān)鍵點：

陽極氧化的良率水平關(guān)系到最終產(chǎn)品的成本，提升氧化良率的重點在于適合的氧化劑用量、適合的溫度及電流密度，這需要結(jié)構(gòu)件廠商在生產(chǎn)過程中不斷探索，尋求突破。

應(yīng)用：

常用于汽車、飛機的某些特殊部件的防護處理以及工藝品和日用五金制品的裝飾性處理。

四、表面覆膜技術(shù)

4.1、熱噴涂

熱噴涂是將金屬或非金屬材料加熱熔化，靠壓縮氣體連續(xù)吹噴到制件表面上，形成與基體牢固結(jié)合的涂層，從制件表層獲得所需要的物理化學(xué)性能。

利用熱噴涂技術(shù)可改善材料的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及絕緣性等。

應(yīng)用：航空航天、原子能、電子等尖端技術(shù)在內(nèi)的幾乎所有領(lǐng)域。

粉末噴涂：

是用噴粉設(shè)備（靜電噴塑機）把粉末涂料噴涂到工件的表面，在靜電作用下，粉末會均勻的吸附于工件表面，形成粉狀的涂層；粉狀涂層經(jīng)過高溫烘烤流平固化，變成效果各異（粉末涂料的不同種類效果）的最終涂層。

工藝流程：

上件→靜電除塵→噴涂→低溫流平→烘烤

技術(shù)特點：

優(yōu)點：

1、顏色豐富，高光、啞光可選；

2、成本較低，適用于建筑家具產(chǎn)品和散熱片的外殼等；

3、利用率高，100%利用，環(huán)保；

4、遮蔽缺陷能力強；

5、可仿制木紋效果。

4.2、真空鍍，氣相沉積

氣相沉積技術(shù)是指將含有沉積元素的氣相物質(zhì)，通過物理或化學(xué)的方法沉積在材料表面形成薄膜的一種新型鍍膜技術(shù)。

根據(jù)沉積過程的原理不同，氣相沉積技術(shù)可分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)兩大類。

物理氣相沉積（PVD）

物理氣相沉積是指在真空條件下，用物理的方法，使材料氣化成原子、分子或電離成離子，并通過氣相過程，在材料表面沉積一層薄膜的技術(shù)。

物理沉積技術(shù)主要包括真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍?nèi)N基本方法。

物理氣相沉積具有適用的基體材料和膜層材料廣泛；工藝簡單、省材料、無污染；獲得的膜層膜基附著力強、膜層厚度均勻、致密、針孔少等優(yōu)點。

廣泛用于機械、航空航天、電子、光學(xué)和輕工業(yè)等領(lǐng)域制備耐磨、耐蝕、耐熱、導(dǎo)電、絕緣、光學(xué)、磁性、壓電、滑潤、超導(dǎo)等薄膜。

化學(xué)氣相沉積（CVD）

化學(xué)氣相沉積是指在一定溫度下，混合氣體與基體表面相互作用而在基體表面形成金屬或化合物薄膜的方法。

由于化學(xué)氣相沉積膜層具有良好的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及電學(xué)、光學(xué)等特殊性能，已被廣泛用于機械制造、航空航天、交通運輸、煤化工等工業(yè)領(lǐng)域。

4.3、電鍍

電鍍是一種電化學(xué)和氧化還原的過程。以鍍鎳為例：將金屬制件浸在金屬鹽（NiSO4）的溶液中作為陰極，金屬鎳板作為陽極，接通直流電源后再制件上就會沉積出金屬鍍鎳層。

電鍍方法分為普通電鍍和特種電鍍。

普通電鍍	鍍鋅	主要用于鋼鐵零件上的防腐蝕用,是產(chǎn)量最大的鍍種。成本低、抗蝕性好、耐貯存,在輕工、機電、農(nóng)機和國防等廣泛應(yīng)用。
	鍍鎘	鋼鐵零件上鍍鎘,在海洋和濕熱大氣環(huán)境種,其保護性能比鍍鋅好,多用于航空、航海及電子工業(yè)中的零件防護.
	鍍錫	錫的腐蝕產(chǎn)物對人類無害,且易于釬焊,鍍錫廣泛用于食品耀頭包裝制品、飲具、餐具及電子工業(yè)中很多需要釬焊的零件。
	鍍銅	鍍銅常作為其他鍍層的中間層,以提高表面鍍層和基體金屬的結(jié)合力
	鍍鎳	應(yīng)用廣泛，可用于防護裝飾性和功能性兩方面。前者主要用于電器、五金、汽車等;后者用于易磨損產(chǎn)品的修復(fù)。
	鍍鉻	鍍鉻層有很高的硬度和優(yōu)良的耐磨性及較低的摩擦系數(shù),用于防護裝飾性鍍層,防止生銹和美化外觀。
特種電鍍	刷鍍	刷鍍不用鍍槽,旋轉(zhuǎn)的工件接直流電源的負極,鍍筆接正極,鍍筆前段用脫脂棉包住,澆注的鍍液浸貯在脫脂棉套內(nèi),鍍液中的金屬正離子在電場力作用下在工件表面(陰極)獲得電子而沉積于表面上,形成電鍍層。 優(yōu)點:設(shè)備簡單、操作靈活,可以進行局部電鍍和野外作業(yè)。
	滾鍍	滾鍍是將一定數(shù)量的小零件置于專用滾筒內(nèi),在滾動狀態(tài)下以間接導(dǎo)電的方式使零件表面沉積上各種金屬或合金鍍層,以達到表面防護裝飾及各種功能性目的 一種電鍍加工方式。 優(yōu)點:節(jié)省勞動力、表面質(zhì)量好、鍍層厚度波動性小等。
	掛鍍	掛鍍也叫吊鍍,是將零件裝在掛具上進行鍍層沉積處理的一種電鍍方式, 般用于大尺寸零件(如車輪教)的電鍍。

工藝流程：

前處理→無氰堿銅→無氰白銅錫→鍍鉻

技術(shù)特點：

優(yōu)點：

1、鍍層光澤度高，高品質(zhì)金屬外觀；

2、基材為SUS、Al、Zn、Mg等；成本相對PVD低。

缺點：

環(huán)境保護較差，環(huán)境污染風險較大。

常用材料常用表面處理工藝種類匯總（更新中）

• 金屬：電泳，噴砂，噴丸，拋光，蝕刻，電鍍，拉絲，微弧氧化，熱噴涂，陽極氧化，PVD、CVD真空鍍
• 塑料：噴涂，電鍍，印刷，鐳雕，咬花，IMD，OMD， NCVM
• 玻璃：玻璃鋼化，拋光，印刷，鍍膜，彩繪，雕刻和蝕刻，AF coating
• 陶瓷：研磨，拋光，AF處理，激光加工，PVD真空鍍，超聲波加工

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