表面处理技术概论转化膜技术[精品ppt课件]

第四章转化膜技术目录•4.1转化膜技术简介•4.2阳极氧化•4.3微弧氧化•4.4化学氧化•4.5金属的磷化•4.6金属的铬酸盐钝化•4.7着色处理技术•思考题第四章转化膜技术•4.1转化膜技术简介•4.1.1转化膜的分类•4.1.2化学转化膜常用处理方法•4.1.3防护性能•4.1.4表面转化膜用途第四章转化膜技术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子反应而在金属表面上生成的膜层。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）。eAMAMnmxxnnm第四章转化膜技术•由此可见，化学转化膜的形成实际上可以看作是受控的金属腐蚀的过程。•电子是视为反应产物来表征的。化学转化膜的形成既可是金属/介质界面间的纯化学反应，也可以是在施加外电源的条件下所进行的电化学反应。第四章转化膜技术4.1.1转化膜的分类•按是否存在外加电流分类：化学转化膜与电化学转化膜•按膜的主要组成物分类：氧化物膜；铬酸盐膜、磷酸盐膜及草酸盐膜等•按界面反应类型：转化膜与伪转化膜两类•按基体金属种类：钢铁转化膜、铝材转化膜、锌材转化膜、铜材转化膜及镁材转化膜•按用途分：涂装底层转化膜、塑性加工用转化膜、除锈用转化膜、装饰性转化膜、减摩或耐磨性转化膜及绝缘性转化膜等•按形成膜层时所采用的介质分：氧化物膜－氧化；磷酸盐膜－磷化；铬酸盐膜－钝化第四章转化膜技术4.1.2化学转化膜常用处理方法方法特点适用范围浸渍法工艺简单易控制，由预处理、转化处理、后处理等多种工序组合而成。投资与生产成本较低、生产效率较低、不易自动化可处理各类零件，尤其适用于几何形状复杂的零件。常用于铝合金的化学氧化、钢铁氧化或磷化、锌材钝化等阳极化法阳极氧化膜比一般化学氧化膜性能更优越。需外加电源设备，电解磷化可加速成膜过程适用于铝、镁、钛及其合金阳极氧化处理。可获得各种性能的化学转化膜喷淋法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，但设备投资大适用于几何形状简单、表面腐蚀程度较轻的大批量零件刷涂法无需专用处理设备，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于大尺寸工件局部处理或小批零件以及转化膜局部修理化学转化膜常用方法、特点及适用范围第四章转化膜技术4.1.3防护性能•主要是依靠将化学性质活泼的金属单质转化为化学性质不活泼的金属化合物，如氧化物、铬酸盐、磷酸盐等，提高金属在环境中的热力学稳定性。一般来说，化学转化膜的防护效果取决于下列几个因素。①被处理基体金属的本质。②转化膜的类型、组成和结构。③膜层的处理质量，如与基体金属的结合力、孔隙率等。④使用的环境。第四章转化膜技术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。第四章转化膜技术•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镁合金阳极氧化第四章转化膜技术4.2阳极氧化阳极氧化的主要用途包括以下几点：⑴作为防护层：阳极氧化膜在空气中有足够的稳定性，能够大大提高铝制品表面的耐蚀性能。⑵作为防护-装饰层：在硫酸溶液中进行阳极氧化得到的膜具有较高的透明度，经着色处理后能得到各种鲜艳的色彩，在特殊工艺条件下还可以得到具有瓷质外观的氧化层。⑶作为耐磨层：阳极氧化膜具有很高的硬度，可以提高制品表面的耐磨性。第四章转化膜技术⑷作为绝缘层：阳极氧化膜具有很高的绝缘电阻和击穿电压，可以用作电解电容器的电介质或电器制品的绝缘层。⑸作为喷漆底层：阳极氧化膜具有多孔性和良好的吸附特性，作为喷漆或其他有机覆盖层的底层，可以提高漆或其他有机物膜与基体的结合力。⑹作为电镀底层：利用阳极氧化膜的多孔性，可以提高金属镀层与基体的结合力。第四章转化膜技术4.2.1铝及铝合金的阳极氧化•铝阳极氧化是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。⑴原理铝是两性金属，铝表面氧化物膜的生成既与点位有关，也与溶液的pH值有关。一般认为，铝和铝合金在碱性和酸性两种电解液里都能进行阳极氧化，最常用的是酸性电解液，工业上铝及铝合金的进行阳极氧化时，所用的电解液一般为中等溶解能力的酸性溶液，如硫酸、铬酸、草酸等，铅作为阴极，仅起导电作用。第四章转化膜技术•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第四章转化膜技术阴极只是起导电作用和析氢反应：2H++2e-→H2↑同时酸对铝和生成的氧化膜进行化学溶解：2Al+6H+→2Al3++3H2↑A12O3+6H+→2A13++3H2O因此,氧化膜的生长与溶解同时进行，只是在氧化的不同阶段两者的速度不同，当膜的生长速度和溶解速度相等时，膜的厚度才达到定值。第四章转化膜技术⑵铝阳极氧化膜的结构铝及铝合金的氧化膜具有蜂窝状结构，如下图所示。其规则的微孔垂直于表面．其结构单元尺寸、孔径、壁厚和阻挡层厚等参数均可由电解液成分和工艺参数控制。一般来说，孔的长度(膜厚)为孔径的1000倍以上。孔隙率通常在10％左右，硬质膜的孔隙率可以降至2％～4％，建筑用氧化膜的孔隙率约为11％。第四章转化膜技术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。③耐蚀、耐磨性：铝及铝合金阳极氧化处理后，再经过着色和封闭处理可以获得各种不同的颜色，并能提高膜层的耐蚀性、耐磨性。④绝缘性：铝的阳极氧化膜的阻抗较高，是热和电的良好绝缘体。同时氧化膜的导热性很低，其稳定性可达1500℃。阳极氧化膜与基体金属的结合力很强。第四章转化膜技术①硫酸阳极氧化：5－20微米，吸附力强，硬度高，耐磨，抗腐蚀，膜无色透明，染色。该工艺溶液稳定、允许杂质含量范围大，与铬酸盐、草酸法比节能省电。⑷铝及铝合金的阳极氧化工艺配方及工艺条件配比1配比2配比3硫酸（H2SO4）/（g/L）铝离子（Al3+）/（g/L）温度/℃电压/V电流密度/（A/dm2）时间/min阴极材料阳极与阴极面积比搅拌电源160~2002013~2612~220.5~2.530~60纯铝或铝锡合金板1.5:1压缩空气搅拌直流电160~200200~712~220.5~2.530~60纯铝或铝锡合金板1.5:1压缩空气搅拌直流电100~1102013~2616~241~230~60—1:1压缩空气搅拌交流电硫酸阳极氧化配方及工艺条件第四章转化膜技术②铬酸盐阳极氧化：膜较薄一般2－5微米，能保持原件精度和粗糙度，适用于精密件。膜空隙率低，质软，耐磨性差。配方及工艺条件配比1配比2配比3铬酸/（g/L）温度/℃电流密度/（A/dm2）电压/V时间/min50~6033~371.5~2.512~2230~6030~4038~400.2~0.612~2230~6095~10035~390.3~2.516~2430~60铬酸阳极氧化的工艺规范第四章转化膜技术③草酸阳极氧化：膜较厚，8－20微米，弹性好，耐蚀性好，绝缘性能好，成本高，为硫酸的3－5倍。配方及工艺条件配比1配比2配比3草酸/（g/L）温度/℃电流密度/（A/dm2）电压/V时间/min电源27~3312~211~2110~120120直流50~100352~340~6030~60交流50351~230~3530~60直流草酸阳极氧化的工艺规范第四章转化膜技术4.2.2铝阳极氧化膜的着色和封闭•由于铝及铝合金的阳极氧化膜具有独特的蜂窝状结构，因此可以利用其强的吸附能力，再经一定的着色和封闭处理而获得各种鲜艳的色彩和提高膜层的耐蚀性、耐磨性。•着色必须在阳极氧化后立即进行，着色前应将氧化膜用冷水仔细清洗干净。而在工业生产中，经阳极氧化后的铝及其合金制品，不论着色与否都要进行封闭处理，以防止氧化膜的污染，并能提高氧化膜的耐蚀性和绝缘特性。第四章转化膜技术一般最适用于进行着色的氧化膜，是从硫酸电解液中获得的阳极氧化膜。它能在大多数铝及铝合金上形成无色且透明的膜层，其孔隙的吸附能力也较强。氧化膜的常用着色方法是吸附着色法，所用色料为无机颜料或有机染料。另外，还有利用电化学反应来着色的电解着色法等。①无机颜料着色。无机颜料着色方法问世早，但目前已不甚流行，多被有机染料着色方法所取代。无机颜料着色机理主要是物理吸附作用，该法着色色调不鲜艳，与基体结合力差，但耐晒性好。(1)着色第四章转化膜技术颜色组成含量,g/L温度,℃生成的有色盐①醋酸钴Co(CH3COO)2.4H2O50～100②铁氰化钾K3Fe(CN)610～50①铁氰化钾K3Fe(CN)610～50②硫酸铜CuSO4.5H2O10～100①亚铁氰化钾K4Fe(CN)6.3H2O10～50②氯化铁FeCl310～100①铬酸钾K2CrO450～100铬酸铅②醋酸铅Pb(CH3COO)2.3H2O100～200PbCrO4①氯化钡BaCl230～50硫酸钡②硫酸钠Na2SO430～50BaSO4①醋酸钴Co(CH3COO)2.4H2O50～100氧化钴②高锰酸钾KMnO412～25CoO红色室温铁氰化钴Co3[Fe(CN)6]2铁氰化铜Cu3[Fe(CN)6]2绿色室温蓝色室温普鲁士蓝Fe3[Fe(CN)6]2黄色室温白色室温黑色室温无机颜料着色的工艺规范第四章转化膜技术②有机染料着色。当用有机染料着色时，阳极氧化膜组成中的新鲜的氧化铝将起到媒染剂的作用，有机染料着色的机理较复杂，一般认为有物理吸附和化学反应。着色所用的有机染料多为酸性直接染料。这些染料当中，有些是以物理吸附的形式进入氧化膜中，固色能力不良；另一些染料的固色性较好，可以认为是以化学吸附或与化学反应相结合的形式进入氧化膜的结果。第四章转化膜技术颜色染料名称浓度,g/L温度,℃时间,minpH值茜素红(R)5～1060～7010～20酸性大红(GR)6～8室温2～154.5～5.5活性艳红2～570～802～15铝红(GLW)3～5室温5～105～6酸性绿570～8015～205～5.5绿色直接耐晒翠绿3～5室温15～204.5～5铝绿(MAL)3～5室温5～105～6直接耐晒蓝3～515～3015～20直接耐晒翠蓝3～540～6010～154.5～5活性艳蓝5室温1～5酸性蓝2～560～702～154.5～5.5酸性黑(ATT)10室温3～10酸性元青10～1260～7010～15酸性粒子元(NBL)10～1560～7015～205～5.5苯胺黑5～1060～7015～305～5.5茜素黄(S)0.3茜素红(R)0.5活性艳橙0.570～805～15铝黄(GLW)2～5室温2～55～5.5红色蓝色黑色｛70～801～35～6金黄色有机染料着色的工艺规范第四章转化膜技术③电解着色。把经阳极氧化的铝及其合金放入含金属盐的电解液中进行电解，通过电化学反应，使进入氧化膜微孔中的重金属离子还原为金属原子，沉积于孔底无孔层上而着色。的到的彩色氧化膜，具有良好的耐磨性、耐晒性、耐热性、耐蚀性和色泽稳定持久等优点。目前在建筑装饰用铝型材上得到了广泛的应用。第四章转化膜技术电解液组成含量,g/L温度,℃交流电压V时间,min颜色硝酸银AgNO30.4～10硫酸H2SO45～30硫酸镍NiSO4.7H2O25硼酸H3BO325硫酸铵(NH4)2SO415硫酸镁Mg