表面處理方法

       表面處理( Surface Treatment )：表面處理的對象非常廣泛,從傳統(tǒng)工業(yè)到現(xiàn)在的高科技工業(yè),從以前的金屬表面到現(xiàn)在的塑料,非金屬的表面.它使材料更耐腐蝕 ,更耐磨耗,更耐熱,它使材料之壽銘延長,此外改善材料表面之特性,光澤美觀等提高產(chǎn)品之附加價值,所有這些改變材料表面之物理,機械及化學性質(zhì)之加工技術統(tǒng)稱為表面處理 (surface treatment) 或稱為表面加工(surface finishing).  
    金屬表面處理(metal surface treatment)：金屬經(jīng)初步加工成型后需修飾金屬表面,美化金屬表面 ,更進一步改變金屬表面的機械性質(zhì)及物理化學性質(zhì)等之各種操作過程,稱之為金屬表面處理.或稱之金屬表面加工(metal surface finishing).

表面處理的目的

表面處理的目的可以分四大類:   
    一、美觀(appearance).  
    為了提高制品之附加價值,賦予制品表面美觀,例如裝飾性電鍍 (decorative plating) Au, Ag, Rh, Ni, Cr,黃銅等電鍍 (electroplating)。
    二、防護(protection)   
    為了延長制品的壽命,再制品表面披覆(coating)耐腐蝕之材料,例如保護性電鍍(protective  plating) Zn,Cd,Ni,Cr,Sn 等電鍍。
    三、特殊表面性質(zhì)(special surface properties)  
    1. 提高制品之導電性(electrical conductiuity),例如電鍍Ag,Cu。 
    2. 提高焊接性(soderability)在通訊急電子工業(yè)應用,例如Sn-Pb合金電鍍。  
    3. 提高光線之反射性(light reflectivity ) 例如宇宙飛船,人造衛(wèi)星的外殼需反射光線,Ag及Rh的鍍層被應用上。  
    4. 減小接觸阻抗(contact resistance)例如在電子組件之Au及Pd電鍍。  
    四、機械或工程性質(zhì)(mechanical or engineering properties)  
    1. 提高制品之強度(strenth),例如塑料電鍍。 
    2. 提高制品之潤滑性( bearing propertries ) 例如多孔洛電鍍(porous  chromium plating), 內(nèi)燃機之鋁合金活塞(piston) ,鍍錫Sn以防止汽缸 (cylinder)壁刮傷。  
    3. 增加硬度(hardness)及耐磨性(wear resistance) ,例如硬洛電鍍(hard chromium plating)。 
    4. 提高制品之耐熱性,耐候性,抗幅射線,例如塑料,非金屬之電鍍。

表面處理常用名詞術語

1.化學腐蝕  chemical corrosion   
    金屬在非電化學作用下的腐蝕(氧化)過程。通常指在非電解質(zhì)溶液及干燥氣體中，純化學作用引起的腐蝕。  
2.雙電層  electric double layer  
    電極與電解質(zhì)溶液界面上存在的大小相等符號相反的電荷層。  
3.雙極性電極  bipolar electrode  
    一個不與外電源相連的，浸入陽極與陰極間電解液中的導體?？拷枠O的那部分導體起著陰  
極的作用，而靠近陰極的部分起著陽極的作用。  
4.分散能力 throwing power  
    在特定條件下，一定溶液使電極上(通常是陰極)鍍層分布比初次電流分布所獲得的結(jié)果更  
為均勻的能力。  
    此名詞也可用于陽極過程，其定義與上述者類似。  
5.分解電壓  decomposition voltage  
    其定義與上述者類似。  
    能使電化學反應以明顯速度持續(xù)進行的最小電壓(溶液的歐姆電壓降不包括在內(nèi))。  
6.不溶性陽極(惰性陽極)  inert anode   
    在電流通過時，不發(fā)生陽極溶解反應的陽極。  
7.電化學 electrochemistry  
    研究電子導體和離子導體的接觸界面性質(zhì)及其所發(fā)生變化的科學。  
8.電化學極化(活化極化)  activation polarization  
    由于電化學反應在進行中遇到困難而引起的極化。  
9.電化學腐蝕  electrochemical corrosion   
    在電解質(zhì)溶掖中或金屬表面上的液膜中，服從于電化學反應規(guī)律的金屬腐蝕(氧化)過程。  
10.電化當量  electrochemical equivalent  
    在電極上通過單位電量（例如1安時，1庫侖或1法拉第時），電極反應形成產(chǎn)物之理論重量。通常以克/庫侖或克/安時表示。

11 電導率(比電導)  conductivity  
    單位截面積和單位長度的導體之電導，通常以S／m表示。  
12 電泳  electrophoresis  
    液體介質(zhì)中帶電的膠體微粒在外電場作用下相對液體的遷移現(xiàn)象。  
13 電動勢  electromotive force  
    原電池開路時兩極間的電勢差。  
14 鈍化電勢   passivation potential  
    金屬電極陽極極化時，金屬陽極溶解速率突然下降的電勢。通常腐蝕電流在達到鈍化電勢前經(jīng)歷一極大值。  
15 腐蝕電勢  corrosion potential  
    金屬材料在特定的腐蝕環(huán)境中自發(fā)建立的穩(wěn)定電極電勢。  
16 電流密度  current density  
    單位面積電極上通過的電流強度，通常以A／dm2表示。  
17 電流效率   current efficiency  
    電極上通過單位電量時，電極反應生成物的實際質(zhì)量與電化當量之比，通常以％表示。  
18 腐蝕速率，腐蝕電流   corrosion rate(vcor)，corrosion current(Icor)  
    腐蝕速率是材料特定表面上單位時間物質(zhì)轉(zhuǎn)變的量。或按法拉第定律，腐蝕速率是腐蝕電勢下的電流。  
    腐蝕電流為: Icor = nFvcor；  
    式中：n-電極反應的電子數(shù)；  
    F-法拉第常數(shù)；  
    vcor-腐蝕速率。  
19 電極  electrode  
    置于導電介質(zhì)(如電解液、熔融物、固體、或氣體)中的導體。電流通過它流入或流出導電介質(zhì)。  
20 電極電勢   electrode potential  
    在標準狀態(tài)下，某電極與標準氫電極(作為負極)組成原電池，所測得的電動勢稱為該電極的氫標  
電極電勢，或簡稱電極電勢。各種電極的氫標電極電勢可以表示出電極與溶液界面間電勢差的相對大小。

21 電解質(zhì)  electrolyte  
    本身具有離子導電性或在一定條件下(例如高溫熔融或溶于溶劑形成溶液)能夠呈現(xiàn)離子導電性的物質(zhì)。  
22 電解液  electrolytic solution   
    具有離子導電性的溶液。  
23 電離度  degree of ionization  
    溶液中的電解質(zhì)以自由離子存在的摩爾數(shù)與其總摩爾數(shù)之比。通常以％表示。  
24 去極化   depolarization   
    在電解質(zhì)溶液或電極中加入某種去極劑而使電極極化降低的現(xiàn)象。  
25 平衡電極電勢   equilibrium electrode potential  
    電極反應處于熱力學平衡狀態(tài)的電極電勢。  
26 正極  positive electrode   
    在原電池的兩個電極中電勢較正的電極。  
27 負極   negative electrode  
    在原電池的兩個電極中電勢較負的電極。  
28 陰極   cathode  
    發(fā)生還原反應的電極，即反應物于其上獲得電子的電極。  
29 陰極極化  cathodic polarization  
    當有電流通過時，陰極的電極電勢向負的方向偏移的現(xiàn)象。  
30 陰極性鍍層  cathodic coating  
    比基體金屬的電極電勢更正的金屬鍍層。

31 陽極  anode 
    發(fā)生氧化反應的電極，即能接受反應物所給出電子的電極。 
32 陽極泥   anode slime 
    在電流作用下，陽極溶解過程中產(chǎn)生的不溶性殘渣。 
33 陽極極化   anodic polarization 
    當有電流通過時，陽極的電極電勢向正的方向偏移的現(xiàn)象。 
34 陽極性鍍層  anodic coating 
    比基體金屬的電極電勢更負的金屬鍍層。 
35 遷移數(shù)  transport number 
    電流通過電解質(zhì)溶液時，溶液中某種離子攜帶的電流與通過的總電流之比稱為該離子的遷移數(shù)。 
36 超電勢  overpotential 
    電極上有電流通過時的電極電勢與熱力學平衡電極電勢的差值。 
37 擴散層  diffusion layer 
    電流通過時在電極表面附近存在著濃度梯度的溶液薄層。 
38 雜散電流  stray current 
    在需要通過電流的線路以外的其他回路(例如鍍槽槽體或加熱器等)中流過的電流。 
39 導電鹽  conducting salt 
    添加到電解液中能夠提高溶液電導率的鹽類物質(zhì)。 
40 體積電流密度  volume current density 
    單位體積電解質(zhì)溶液中通過的電流強度。通常以A／L表示。

41 沉積速率 deposition rate 
    單位時間內(nèi)鍍件表面沉積出金屬的厚度。通常以μm／h表示。 
42 初次電流分布 primary current distribution  
    不存在電極極化時，電流在電極表面上的分布。 
43 局部腐蝕 local corrosion 
    腐蝕破壞主要集中在表面局部區(qū)域，而其他部分幾乎未遭受腐蝕的一種現(xiàn)象。 
44 極化 polarization 
    電極上有電流通過時，電極電勢偏離其平衡值的現(xiàn)象。 
45 極化度 polarizability 
    電極電勢隨電流密度的變化率，它相當于改變單位電流密度所引起的電極電勢的變化。 
46 極化曲線 polarization curve 
    描述電極電勢與通過電極的電流密度之間關系的曲線。 
47 極間距Interelectrode distance 
    原電池或電解槽中兩電極(正、負極或陰、陽極)之間的距離。 
48 乳化 emulsification 
    一種液體以極微小液滴均勻地分散在互不相溶的另一種液體中的現(xiàn)象。 
49 應力腐蝕 stress corrosion 
    金屬材料在應力和腐蝕環(huán)境共同作用下而發(fā)生的開裂現(xiàn)象。 
50 析氣 gassing  
    電解過程中電極上有明顯可見的氣體析出現(xiàn)象。

51 活化  activation    
    用調(diào)整有效離子濃度，達到理想行為以消除電極表面的鈍化狀態(tài)。   
52 活度  activity   
    在標準狀態(tài)下，溶液中組分的熱力學濃度，即校正真實溶液與理想溶液性質(zhì)的偏差而使用的有效   濃度。   
53 標準電極電勢  standard electrode potential   
    在標準狀態(tài)下，電極反應中所有反應物與產(chǎn)物的活度(或逸度)均等于l的平衡電極電勢。   
54 濃差極化  concentration polarization   
    電極上有電流通過時，由電極表面附近的反應物或產(chǎn)物濃度變化引起的極化。   
55 鈍化  passivation   
    在一定溶液中使金屬陽極極化超過一定數(shù)值后，金屬溶解速率不但不增大，反而劇烈減小，這種使金屬表面由"活化態(tài)"轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>"鈍態(tài)"的過程稱為鈍化。由陽極極化引起的鈍化為電化學鈍化，而由溶液中某些鈍化劑的作用引起的鈍化則稱為化學鈍化。   
56 點腐蝕  spot corrosion   
    在金屬表面出現(xiàn)的點狀腐蝕。   
57 配位化合物  complex compound   
    金屬離子或原子與一定數(shù)目的帶負電的基團或電中性的極性分子形成具有配位鍵的化合物。   
58 復鹽  double salt   
    兩種鹽以一定比例共同結(jié)晶而成的化合物。它實質(zhì)上是以晶體形式存在的配位化合物。   
59 氫脆   hydrogen embrittlement   
    金屬或合金吸收氫原子和有應力存在下而引起的脆性。   
60 滲氫  seepage hydrogen   
    金屬制件在浸蝕、除油或電鍍等過程中常有吸附氫原子的這種現(xiàn)象。

61 界面張力  interracial tension  
    兩相界面間存在的使界面收縮的作用力稱為界面張力。若其中一相為氣體則稱為表面張力。  
62 臨界電流密度  critical current density  
    在電鍍所需電極反應的電勢范圍內(nèi)，能夠維持反應進行的最高或最低電流密度。高于最高電流密度時，電勢移動超出所需范圍，將有新的副反應發(fā)生。低于最低電流密度時，電極反應速率降低而達不到生產(chǎn)上的要求。   
63 半電池  half-cell  
    單一電極與電解質(zhì)溶液所構(gòu)成的體系。  
64 原電池  galvanic cell  
    能將化學能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。一個原電池可以看作是由兩個半電池組成的。  
65 鹽橋  salt bridge  
    連接兩個半電池用于減小液接電勢的裝置，通常為盛有濃度較高的電解質(zhì)溶液(例如飽和的KCL溶液)的玻璃管。  
66 pH值 pH  value  
    氫離子活度αH+(或近似地用濃度)的常用對數(shù)的負值，即pH＝一logaH+。  
67 基體材料  basis material(substrate)  
    能在其上沉積金屬或形成膜層的材料。  
68 輔助陽極  auxiliary anode  
    為了改善被鍍制件表面上的電流分布而使用的附加陽極。  
69 輔助陰極  auxiliary cathode  
    制件上某些電流過于集中的部位附加某種形狀的陰極，以避免毛刺和燒焦等缺陷，這種附加的陰極就是輔助陰極。   
70 接觸電勢  contact potential  
    兩種不同的導電材料接觸時，在界面上產(chǎn)生的電勢差。

71 晶間腐蝕  intercrystalline corrosion   
    沿著晶粒邊界發(fā)生的選擇性腐蝕。   
72 溶度積  solubility product   
    在一定溫度下難溶電解質(zhì)飽和溶液中相應的離子之濃度的乘積，其中各離子濃度的冪次與它在該電解質(zhì)電離方程式中的系數(shù)相同。   
73 溶解度  solubility   
    在一定的溫度和壓力下，在100g溶劑中所能溶解溶質(zhì)最大的克數(shù)。   
74 微觀覆蓋能力  microcovering power   
    在一定條件下電鍍液中金屬離子在孔隙或劃痕中電沉積的能力。   
75 槽電壓  tank voltage   
    電解時單元電解槽兩極間總電勢差。   
76 靜態(tài)電極電勢  static electrode potential   
    無外電流通過時，金屬電極在電解液中的電極電勢。   
77 螯合物  chelate compound   
    中心離子與配體多位配合形成的具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的配位化合物。   
78 整平作用  1eveling action   
    鍍液使鍍層表面比基體表面更平滑的能力。   
79 覆蓋能力  covering power   
    在特定的電鍍條件下，鍍液沉積金屬覆蓋鍍件整個表面的能力。   
80 主要表面  signiflcant surface   
    制件上電鍍前后的規(guī)定表面，該表面上的鍍層對于制件的外觀和(或)使用性能是極為重要的。   
81 沖擊電流  striking current   
    電鍍過程中通過的瞬時大電流。

表面處理方法

常用的表面處理方法主要有脫脂處理法、機械處理法和化學處理法三大類。選擇表面處理法應考慮多種因素，其中主要包括    
    （1）表面污染物的種類。如動物油、植物油、礦物油、潤滑油、臟土、流體、無機鹽、水份、指紋等。   
    （2）污染物的物理特性。如污染物的厚度、緊密或疏松程度等。  
    （3）膠接材料的種類。如鋼材料可用堿溶液，而處理黃銅、鋁材料時應考慮選用腐蝕性較小的溫和溶液。   
    （4）需要清潔的程度。   
    （5）清洗液的清潔能力和設備情況。   
    （6）危險性和價格成本等。   
    金屬表面處理方法    
    金屬表面在各種熱處理、機械加工、運輸及保管過程中，不可避免地會被氧化，產(chǎn)生一層厚薄不均的氧化層。同時，也容易受到各種油類污染和吸附一些其他的雜質(zhì)。    
    油污及某些吸附物，較薄的氧化層可先后用溶劑清洗、化學處理和機械處理，或直接用化學處理。對于嚴重氧化的金屬表面，氧化層較厚，就不能直接用溶劑清洗和化學處理，而最好先進行機械處理。    
    通常經(jīng)過處理后的金屬表面具有高度活性，更容易再度受到灰塵、濕氣等的污染。為此，處理后的金屬表面應盡可能快地進行膠接。    
    塑料表面處理方法    
    塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。在通常情況下，熱固性塑料要比熱塑性塑料容易膠接。但它們的表面能量均低于玻璃、陶瓷、金屬等親水性材料，而且它們表面常會粘附脫模劑或逸出增塑劑，因此不易為膠粘劑所浸潤，從而影響膠接強度。因此，一般均需對塑料進行表面處理。由于塑料的品種眾多，各種性能差別很大，因此表面處理的方法也就很不相同。以下介紹幾種常見的塑料表面處理方法。   
    橡膠表面處理方法    
    一般的橡膠材料表面都比較光滑，需要經(jīng)機械處理或化學處理增加其粗糙度，才能達到較高的機械強度。    
    其它材料表面處理方法    
    一、玻璃表面處理法    
    二、陶瓷表面處理法    
    1、研磨法 用細砂紙輕輕打磨，再用干燥空氣吹凈細粉。    
    2、酸處理法 先在用重鉻酸鈉3.5份、濃硫酸200份（或鉻酸1份，水4份）配成的處理溶液中，于室溫下浸漬10-15min，再用水洗凈，65 ° C下干燥。    
    三、混凝土表面處理法    
    四、木材表面處理法    
    適當刨光，并以木砂紙適當粗化，并控制含水量低于6-12%。對軟木，可涂敷一層底膠以增加膠接強度。

快速除去氧化皮酸洗工藝

碳鋼或低、中碳合金鋼制緊固件在潮濕的環(huán)境下易銹蝕，在熱鐓鍛和紅沖過程中，會形成黑色而致密的氧化皮，既影響美觀，又給后處理帶來不便，通?？捎脟娚?、噴丸和加熱酸洗以及常溫酸洗來除銹和除去氧化皮。下面介紹一種快速除去氧化皮酸洗工藝。 
    1、基礎配方 
    根據(jù)文獻《化學清洗實用技術》、《鋼鐵材料酸洗化學》、《酸洗除銹技術》等介紹，確立了以鹽酸為主的常溫酸洗除去氧化皮工藝的基礎配方（1L溶液）為： 
    鹽酸420mL，烏洛托品5g，十二烷基硫酸鈉5g，草酸5g，OP-105g，添加劑10mL，磷酸14mL。 
    鹽酸是主要成分；磷酸的加入可提高酸洗速度；草酸可與Fe2+、Fe3+絡合，加快氧化皮溶解；添加劑也可與Fe2+、Fe3+絡合，明顯加快氧化皮溶解；十二烷基硫酸鈉起潤滑和滲透作用；OP-10有滲透作用，同時還有抑霧作用。 
    2、含量的確定 
    鹽酸酸洗從420mL鹽酸加至1000mL中，結(jié)果氧化皮全部去除所用時間為48min，單位面積重量為118g/m2 ；基礎配方鹽酸為420mL時，氧化皮全部去除所用時間為23min，單位面積重量為101g/m2。 
    烏洛托品的加入不但降低了氧化皮的清除速度，增加了酸洗時間。從1g到5g的加入對基體的浸蝕略有增加，造成麻點、凹坑。 
    十二烷基硫酸鈉從1g到5g的分別加入試驗，僅加入1g酸洗就有所加快，再繼續(xù)增加用量，酸洗的速度加快并不明顯。 
    草酸從1g到5g的分別加入試驗，隨著草酸量的增加，氧化皮的清除速度隨之加快，超過5g時酸洗速度增加不明顯。 
    OP-10從1g到10g的分別加入試驗，加入1g時氧化皮清除速度加快，再繼續(xù)增加，速度增加不明顯，但加入后酸霧明顯減少。 
    添加劑從1g到10g的分別加入試驗，加入添加劑氧化皮溶解速度加快，當濃度大于10mL時，速度增加并不明顯。 
    磷酸分別為14、28、42、56、70、140mL溶液中加水到1000mL分別進行試驗，磷酸濃度增加使氧化皮清除速度加快，但超過56mL后速度增加已經(jīng)不明顯。因此，確定磷酸的含量為56mL/L。采用該配方氧化皮去除時間為約16min，與鹽酸酸洗相比較是其30%，大大縮短了氧化皮的去除時間。 
    3、結(jié)論 
    本工藝的最佳配方（1L溶液）：鹽酸42mL；十二烷基硫酸鈉10g；草酸5g；OP-1010g；添加劑10mL；磷酸56mL。 
    該配方去除氧化皮的速度比鹽酸溶液時間縮短70%。

材料保護 :表面合金化

通過擴散改變基體金屬表面層的成分和組織的材料保護技術。在機械製造中主要應用的是鋁﹑鉻﹑硅﹑釩﹑鋅等的表面合金化層或滲層。滲層是利用金屬鹵化物蒸汽與金屬表面層產(chǎn)生化學反應形成的﹐或是在液相中發(fā)生化學反應而形成的。

對於鋁有多種滲層。最早的是在碳素鋼或低合金鋼基體上獲得含鋁約25%﹑層厚約125～1000微米的覆層。這種覆層具有在大氣或爐氣中長期抗800℃以內(nèi)的氧化的能力﹐用於生產(chǎn)空氣加熱器﹑加熱爐和蒸汽過熱器的構(gòu)件。鋁鐵合金需要在滲劑中加熱到1080℃﹐經(jīng)24小時而獲得25～150微米厚的覆層。滲前若先鍍擴散屏蔽層(如鉑)﹐便可以抑制或延緩基體與覆層中金屬元素間的相互擴散。

鉻的滲層可在低碳鋼﹑高碳鋼﹑合金鋼﹑不銹鋼﹑工具鋼﹑鑄鐵和鐵粉燒結(jié)件上生成。可用粉末法﹐也可用熔鹽法。在低碳鐵金屬表面形成含高鉻的合金﹐厚度可達75微米﹐而且在高溫下的抗氧化性較好﹔在高碳的金屬表面可形成較薄的(12～50微米)碳化鉻層﹐這種滲鉻層在濕腐蝕條件下工作較好。滲鉻層在以后的熱處理中不受損毀﹐抗蝕性相當於含鉻30%的鋼。碳化鉻層的硬度很高﹐耐磨性良好﹐多用於保護閥門﹑噴嘴﹑泵﹑量規(guī)和工模具。

滲硅主要用於低碳(C〈0.25%)﹑低硫(S〈0.04%)鋼。工件埋在碳化硅粉末中﹐加熱到930～980℃時導入氯氣﹐經(jīng)氣相反應后可得125～250微米厚的脆性滲硅層。這種覆層具有耐磨﹑耐蝕性能﹐硬度高﹐還具有良好的抗擦傷性﹐用於泵軸﹑缸襯﹑閥門﹑傳送帶鏈的聯(lián)結(jié)件和洗瓶機的構(gòu)件。鈮﹑鉬﹑鉭﹑鎢等難熔金屬可作為航天器的短期有效構(gòu)件材料﹐多採用硅化物層來減少它們在1650℃時的氧化。發(fā)展更有效的抗熱腐蝕的滲層﹐也在探索中。

滲釩時﹐基體鋼材中的碳含量至少應為0.4%﹐滲釩層的硬度很高﹐但冷焊性不佳。高碳工具鋼的VC層﹐表面硬度在2牛頓載荷下可達HV22300﹐滲層厚度為19微米。在220號剛玉砂紙上的圓盤試驗結(jié)果表明﹐它的相對抗磨粒磨損性﹐遠高於滲硼層﹑滲氮層和滲碳層。

滲鋅主要用在鐵基體材料上。把工件﹑鋅粉和填料放在滾桶中滾動﹐并加熱到350～400℃﹐約3～12小時即可獲得滲層。滲層厚度在25～37.5微米間時﹐基體圓柱形工件直徑會脹大0.01～0.04毫米﹐所以組合件滲鋅時﹐應留一定的空隙量﹐便於滲后不加工即可裝配。滲鋅層的最大特點是厚度均勻﹐抗蝕性極好﹐滲鋅方法簡單﹐效果也好﹐但裝入和卸出時﹐粉塵飛揚﹐不僅污染大氣﹐而且還會使一部分鋅粉氧化。