表面工程概论9.ppt

第四章 化学转化膜 4.1 概述 4.1.1定义及基本原理 许多金属都有在表面上生成较稳定的氧化膜的倾向，这些膜在特定条件下能起保护作用，这就是金属的钝性。化学转化膜技术就是通过化学或电化学手段,使金属表面形成稳定的化合物膜层的技术。也就是使金属钝化。 化学转化膜：使金属与特定的腐蚀液相接触,在一定条件下发生化学反应，在金属表面形成一层附着力良好的、难溶的生成物膜层。 这些膜层，或者能保护基体金属不受水和其它腐蚀介质的影响，或者能提高有机涂膜的附着性和耐老化性，或者能赋予表面其它性能。 化学转化膜由于是基体金属直接参与成膜反应而生成，因而与基体的结合力比电镀层和化学镀层大的多。 几乎所有的金属都可以在选定的介质中通过转化处理得到不同应用目的的化学转化膜，但目前工业上应用较多的是钢铁、铝、锌、铜、镁及其合金。 拜斯泰克(BIEXTEX)和(WEBER)提出用下面的反应式来表示化学转化膜的形式: ??? mM + nAZ- --- MMAN + nZe 其中：????M——表面金属，???? AZ-——介质中价态为Z的阴离子 所以，化学转化膜同金属上别的覆盖层(例如金属的电沉积层)不一样，它的生成必须有基底金属的直接参与,与介质中阴离子生成自身转化的产物(MmAn)， 因此也可以说化学转化膜的形成实际上可看作是受控的金属腐蚀的过程。 4.1.2化学转化膜的分类 按获得方法可分为：化学法和电化学法； 按膜的主要组成物的类型分为：氧化物膜，磷酸盐膜，铬酸盐膜，草酸盐膜等。 4.1.3转化膜的基本用途 1防锈：转化膜一方面降低金属本身的化学活性，提高了在环境介质中的热力学稳定性，另一方面对环境介质的隔离作用。作防锈用的化学转化膜主要用于以下二种情况： ①对部件有一般的防锈要求：如涂防锈油等，转化膜作为底层很薄时即可应用。 ②对部件有较高的防锈要求，部件又不受挠曲，冲击等外力作用：转化膜要求均匀致密，且以厚者为佳。 2耐磨：耐磨用化学转化膜广泛用于金属与金属面互相摩擦的部位。其主要作用是①提高硬度，②减少摩擦阻力（如表面上的磷酸盐膜层具有很小的摩擦系数），③吸油：如磷酸盐膜层具有良好的吸油能力，在金属接触面间产生了一缓冲层，从化学和机械两方面保护了基体,减小磨损。 3涂装涂层：化学转化膜在某些情况下也可作为金属镀层的底层。作涂装底层的化学膜要求膜层致密，质地均匀，薄厚适宜，晶粒细小。 4防电偶腐蚀：在工程和机械的结构设计中，必须考虑到两种不同金属零件会由于装配接触而在使用环境的条件下产生电偶腐蚀的问题。而化学转化膜（例如镁合金上的铬酸盐和AL及AL合金上的阳极氧化膜）就可用于避免电偶腐蚀的发生。其作用是：①增大两金属表面间的接触电阻；②可以使较活泼的金属在环境介质中的电位变化，以降低配偶金属之间的电位差。 5塑性加工：金属材料表面形成磷酸盐膜后再进行塑性加工（例如进行钢管，钢丝等冷拉伸）时，可以减小拉拔力，延长拉拔模具受命，减少拉拔次数。该法在挤出工艺、深拉延工艺等各种冷加工方面均有广泛的应用。 6绝缘：磷酸盐膜层是电的不良导体，所以很早就用它作为硅钢板的绝缘层。这种绝缘层的特点是占空系数小、耐热性良好，而且在冲裁加工时可减少工具磨损等。 7装饰：依靠自身的装饰外观，或者靠他的多孔性质能够吸附各种美观的色料，常用于日常用品等的装饰上。 4.1.4、转化膜的主要施工方法 转化膜的主要施工方法有：浸渍法、喷淋法、刷涂法、滚涂法、蒸气喷枪法、三氯乙烯综合处理法等。 4.2 钢铁的化学氧化处理和磷化处理 4.2.1、钢的氧化处理 钢的氧化处理(又称发蓝或发黑):钢铁在含有氧化剂的溶液中进行处理，使其表面生成一层均匀的蓝黑到黑色膜层的过程。 根据处理温度的高低，钢铁的化学氧化可分为高温化学氧化法和常温化学氧化法。这两种方法所用处理液成分不同，膜的组成不同，成膜机理也不同。 1.钢铁高温化学氧化(碱性化学氧化) 1化学反应机理：高温化学氧化是传统的发黑方法，一般是在强碱溶液里添加氧化剂（如硝酸钠和亚硝酸钠），在140oC左右的温度下处理15～90分钟，生成以Fe3O4为主要成分的氧化膜，膜厚一般为0.5～1.5微米，最厚可达2.5微米。氧化膜具有较好的吸附性。将氧化膜浸油或做其他后处理，其耐蚀性能可大大提高。由于氧化膜很薄，对零件尺寸和精度几乎没有影响，因此在精密仪器、光学仪器、武器及机器制造业中得到广泛应用。 其化学反应机理为： 3Fe＋NaNO2＋5NaOH－3Na2FeO2＋H2ONH3 ? 6Na2FeO2＋NaNO2＋5H2O－3Na2Fe2O4＋ 7NaOH＋NH3 Na2FeO2＋Na2Fe2O4＋2H2O－Fe3O4+4NaOH