表面处理技术论文

金属表面处理的种类及发展趋势齐齐哈尔华安特种容器有限公司冯立军目录一、前言二、正文1、金属表面处理方法2、金属表面处理种类3、金属表面技术未来发展方向三、结束语四、参考文献前言：近年来，金属表面处理技术获得了迅速发展，已广泛应用于众多领域。在表面处理技术及工程中，前处理占有极为重要的地位，他不仅作为表面处理前的一种预处理工序不可或缺，而且与后续表面处理的成败密切相关。除油、除锈、磷化、防锈等基体前处理是为金属涂层技术、金属防护技术做准备的，基体前处理质量对此后涂层制备和金属的使用有很大的影响。例如，对有磷化和无磷化处理的同一涂层进行盐雾试验，其结果是防腐蚀能力相差大约一倍。可见除油、除锈、防锈、磷化等前处理对涂层的防锈能力和金属的防护能力起着至关重要的作用。基体前处理的目的：一是增加涂层与基体的结合强度既加大附着力，二是增加涂层的功能如防腐蚀、防磨损及润滑等特殊功能。随着金属加工业、铁路制造业、汽车行业的飞速发展，对生产各种金属制品及铁路、汽车零部件产品的质量有了更高要求，通过长期的实践证明，一些简单、简易的前处理方式，已经不能满足金属加工及涂装的基本要求。只有采用标准的前处理生产工艺，才能使钢铁表面形成一层标准的磷酸盐膜和防护膜，以满足金属加工和涂装处理的质量要求。因此，选用低成本、低能耗、高品质的金属前处理产品，是企业保证涂装质量和防护质量稳定与否的重要因素。正文：表面处理即是通过一定的方法在工件表面形成覆盖层的过程，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：1、电镀(Electroplating)：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。2、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。3、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。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木螺钉等用热浸锌。电镀的效果：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：（1）、外观：制品表面不允许有局部无镀层、烧焦、粗糙、灰暗、起皮、结皮状况和明显条纹，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。（2）、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0.00015in～0.0005in(4～12um).热浸镀锌：标准的平均厚度为54um（称呼径≤3/8为43um），最小厚度为43um（称呼径≤3/8为37um）。（3）、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。（4）、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（5）.自催化镀(Auto-catalyticPlating)，一般称为化学镀(ChemicalPlating)、无电镀(ElectrolessPlating)等自催化镍磷镀及工业应用无电解镀镍是目前国际上发展速度较快的表面处理工艺。它以无公害、操作简单和可镀基底广泛以及镀层良好的耐磨耐腐性能受到工业界普遍瞩目和青睐。自催化镍磷镀（以下称化学镀镍）技术，是目前国际上发展速度最快的低温表面强化高新技术。它最初是作为电镀镍和电镀铬的代用镀层而工业化应用，以后发展到耐腐蚀性、耐磨性和电磁波屏蔽特性等多功能用途而获得广泛应用。尤其在国际上它作为一个无公害排放的表面处理工艺，获得绿色环保技术的美称，受到了工业界的普遍瞩目和青睐。其应用几乎涉及所有工业领域。化学镀镍在石油天然气工业中的应用多年来石油天然气一直是化学镀镍的检验场,化学镀镍已在大量的应用中有出色表现.在北美所有的化学镀镍中大约15%是用于油气工业.已证明对石油天然气工业最有价值的性能是镀层的厚度均匀性,优异的耐蚀性能以及耐磨/耐冲刷性能.许多用于这一领域的传统基体材料的性能通过应用化学镀镍而大大改善,并且降低了制造成本,延长了使用寿命.延长寿命这一点具有特别重要的意义,因为石油天然气工业中停机更换部件费用很高.石油天然气工业的作用分为三个主要部分,地面作业,地下/井下作业和海上作业.设备通常暴露于氢化物,硫化氢,二氧化碳,盐水,海水和含高浓度硫化物的暗礁水等苛刻的环境条件下,并且还合并有吸入泥沙和泥浆引起的磨损问题以及在某些情况下温度高达250ºC.通过化学镀镍而使性能提高的典型部件包括:地面作业----防喷器,制动系统,节流器,压缩机,燃气轮机,泵体,泵,连接管路和阀等;地下/井下作业---联接器,测井仪,拄塞,分隔器,泵,安全阀装置和油管.海上作业---防喷器,燃气轮机/压缩机,热交换器,泵,隔水管连接器和阀化学镀镍层的厚度均匀性,耐腐蚀性和耐磨性性能促使其广泛用于阀和流量控制装置.显然,这些设备是油井作业的关键设备,油井作业的主要经济因素是设备有良好的性能和长的寿命.人们首先认识到化学镀镍的可应用的性能是其耐腐蚀性,光洁度和厚度均匀性.这些性能为球阀塞提供了所要求的表面条件,并改善了阀座部分的密封状况.人们最初只把化学镀镍看作是可能代替硬铬的一种选择,而现在化学镀镍在这一市场已占统治地位.在这一领域最具典型性的是低碳钢球阀常常采用75微米厚的化学镀镍层.可以看到化学镀镍在石油天然气工业所有领域中已获得了成功的应用.例如:中东一家工厂的原油生产,相关的气体中含有55%的硫化氢,加工温度80ºC,压力20MN/m2(3000psi).在这种条件下,由于腐蚀,表面开裂和冲蚀而发生的失效使低碳钢球阀的最长使用寿命仅3个月.而球阀采用75微米的化学镀镍层大大延长了设备的使用寿命,经过两年的连续运行未见设备表面损坏.使用海水注入系统的采油厂,其球阀也能获得同样的好处.操作过程包括在高压下泵送海水以迫使原油到达表面.在沙特阿拉伯的Ghawar油田,阀采用75微米厚的化学镀镍层,成功地经受了操作条件的考验,运行四年未发现镀层损坏.化学镀镍除了已成功地应用于石油天然气工业中的球阀,它在其他工程领域的阀部件的应用也同样成功.例如:为埃及阿斯旺大坝项目制造的大型球阀的阀杆采用了化学镀镍.阀部件必须保证即使长期不动也能在需要时开闭自如并且运行可靠.采用75微米厚的化学镀镍层保护阀杆免遭腐蚀和磨损便提供了这种可靠性.106吨的巨型阀,其孔径260cm,仅上阀杆就超过了6吨重.在Khuff气井,经过化学镀镍处理的阀,节流器和其他部件的性能同样给人流下了深刻的印象.Khuff气井的气质较差,产生于大理石和石灰石岩层,岩层一般含有6%(mol)的二氧化碳和0.1%(mol)的硫化氢,它还含有大约28L/Mm3以己烷为主的冷凝物,7L/Mm3的水.井口气压一般为35MN/m2(5000psi),温度为90ºC,气体流速通常大于6米/秒.在这些条件下,由于腐蚀/冲蚀造成的钢部件损坏是非常严重的.点蚀和冲蚀导致碳钢节流器上金属损失率为每年3—5毫米,而在所有湿润表面上采用了25微米厚的化学镀镍层则成功地解决了这个问题.通过应用化学镀镍也能克服球阀在上述环境下产生的问题,一般采用75微米厚的化学镀镍层可使球塞至少六年免遭腐蚀.化学镀镍的耐腐蚀性,硬度,表面光洁度,润滑性对防火流量阀的生产和性能十分有益.要求这些阀正常操作时能不漏气泡,而在不小心暴露于650ºC温度后能充当节流阀,并且要求在着火时也能工作.化学镀镍也用于某些关键的安全阀中.例如:防喷器是用于紧急情况下的关闭油气井的安全阀,由液压驱动活塞组成,能够切入油气管道,堵塞油气的流动.经测试以后,只要求一套装置在紧急情况下运行一次,但必须保证性能良好,为此,在活塞或密封表面不允许发生腐蚀和物理损伤.常用大约100微米厚的化学镀镍曾来达到所需的硬度和耐腐蚀性.（6）.浸渍镀(ImmersionPlating)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15%～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。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（7）.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5～20微米，硬质阳极氧化膜可达60～200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250～500千克／平方毫米，良好的耐热性，硬质阳极氧化膜熔点高达2320K，优良的绝缘性，耐击穿电压高达2000V，增强了抗腐蚀性能，在ω＝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。（8）.化学转化层(ChemicalConversionCoating)；化学转化层(ChemicalConversionCoating)钢铁发蓝(Blackening)，俗称”发黑“钢铁磷化(Phosphating)...复合电镀（弥散电镀）compositeplating用电化学法或化学法使用权金属离子与均匀悬浮在溶液中的不溶液性...钢铁发蓝(Blackening)，俗称煲黑钢铁磷化(Phosphating)（9）铬酸盐处理(Chromating)（10）金属染色(MetalColouring)（11）涂装(PaintFinishing)，包括各种涂装如手工涂装、静电涂装、电泳涂装等（12）热浸镀(Hotdip)，。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（13）热浸镀锌(Galva