不锈钢表面处理方法

’99第六届海峡两岸表面精饰联谊会论文集不锈钢表面
处理方法东北大学沈阳110006
刘福春文光男
摘要：概述7抛光、电镀等传统技术和离子束、激光等近代技术在不锈钢处理领域中应用和发展。

，
关键词：不锈钢表面处理
一、前言由于不锈钢具有良好的耐蚀性，所以在石油、化工、化肥、医药、造纸、原子能、海洋工程和
装饰
工程方面得到了广泛的应用，但在某些特定条件下不锈钢易发生点蚀、缝隙腐蚀、品间腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳等局部腐蚀破坏现象。

为此许多学者在不锈钢表面进行了各种处理和强化，以增加不锈钢的耐蚀性。

同时为了得到良好的装饰效果，还进行抛光、电镀、着色处理，为得到生物特性，使用离子注入进行表面改性。

二、传统表面处理技术
2．1抛光
经过机械加工的不锈钢材料表面、毛坯表面，经点焊、电焊、亚弧焊处理的表面，经热处理的表面，在实际使用中要求表面粗糙度，需要对零件进行抛光处理。

不锈钢抛光有机械抛光、化学抛光、电化学抛光等。

机械抛光对有氧化皮的零件需要进行松膜、去膜、化学钝化等处理工序，且易造成零件过腐蚀和失铬现象。

不锈钢电化学抛光是特殊的阳极过程，在此阳极过程中，挂在阳极上的金属制品表面被整平并呈现光洁的外观，电化学抛光做为一种表面精饰工艺广泛用于不锈钢制品表面的去毛刺，精饰抛光¨1。

耿强对电化学抛光工艺进行了改进n1。

而化学抛光能得到物理、化学和机械清洁的表面，有利防止零件的局部腐蚀，提高机械强度，延长零件使用寿命”l。

2 2电镀
与其它基体金属电镀不同，不锈钢在电镀前必须除去自然钝化膜，才能得到与基体结合牢固的良好镀层。

不锈钢经去油、浸渍、活化、预镀和电镀等工序，可得到铬、镍、金、银等镀层”】。

随着合金电镀工艺不断发展，不锈钢合金电镀也有了一定进展，如不锈钢电镀镍钼合金¨1。

2．3化学镀
化学镀是1946年由Brenner和Riddell发明的。

化学镀是一种沉积金属的、可控制的、自催化的化学反应过程。

化学镀与电镀相比，有许多优点，如均镀能力和深镀能力好；空隙少；设备简单，操作容易；镀层具有特殊的机械、物理和化学性能等。

其缺点是：镀液寿命短，废水排放量大，镀覆速度慢，成本高“1。

化学镀在不锈钢上应用主要是镀镍。

镀镍前需要进行前处理，除去不锈钢表面钝化膜，才能提高不锈钢与镀层结合力"】，化学镀镍可提高不锈钢表面硬度、自润滑性能、抗应力腐蚀性能¨J。

2．4热渗镀
热渗镀技术是用加热扩散的方法把某种金属或合金渗入基体金属表面，形成一合金层。

该技术的突出特点是镀层的形成主要依靠加热扩散的作用，因而结合非常牢固¨1。

热渗镀方法按接触介质划分有固渗、液渗和气渗。

有些学者研究了不锈钢铝铬共渗[91、等离子渗氮”州。

一130—
’99第六届海峡两岸表面精饰联谊会论文集
2 5着色
不锈钢着色法有化学着色法、电化学着色法、高温氧化法、气相裂解法及离子沉积法等。

1972 年由英国欧洲有限公司提出的1NCO着色法是酸性水溶液浸渍法，又称酸性氧化法。

该法是将抛光后的不锈钢浸入到80—90℃铬酐一硫酸混合液中，随时间的变化，表面生成不同厚度的氧化膜，由于光的干涉而产生不同的颜色I“1。

INCO着色法工艺流程是：前处理—斗水洗'÷着色_处理_硬膜处理-÷水洗叶干燥_成品。

色调变化是：黑_蓝叶金_红一绿。

新日铁着色法将不锈钢表面用重铬酸盐一硫酸着色液进行黑色着色”21。

文献“3。

分别对不锈钢着色机制、着色膜形态、成份和结构进行了研究。

周一扬对不锈钢恒电位方波充电法进行了研究，该法克服了INCO法浸泡时间长等缺点”引。

方景礼对新型的钼酸盐成膜和着色进行了研究”¨。

三、近代表面处理技术
3．1物理气相沉积
物理气相沉积技术是真空沉积加工中的一个大分支，它是利用蒸发或溅射等物理形式把材料从靶源移走，然后通过真空或半真空空间使这些携带能量的蒸气粒子沉积到基片或零件的表面以形成膜层。

物理气相沉积包括真空蒸镀(PVD)、离子镀(IP)、溅射沉积(MSD)。

真空蒸镀包括电阻加热蒸镀(R—PVD)、电子束加热蒸镀(EB—PYD)、激光加热蒸镀(L—PYD)等；溅射沉积(YlSD)包括磁控溅射沉积(MSP)、离子束溅射镀(IBS)等。

真空蒸镀是比较早的PVD工艺，结合力较低，在工件上已不多用；而阴极溅射和离子镀所得结合力较高，应用范围正在扩大，二者的特点是：①依靠Ar的辉光放电产生的离子溅射效应使工件表面净化，使表面在整个镀覆过程中保持清洁；(多蒸发或溅射的原子或分子被离解和加速，具有较高的能量，可以得到密度高的、粘结性能良好的涂层；③基体表面可生成微观的台金层；④除金属外，陶瓷、玻璃、塑料等表面上都可涂覆，得到粘结性良好的涂层；(萤涂层温度低，工件很少发生变形；(9 一般无需进行再加工；⑦采有反应性PVD能得到各种金属氧化物、碳化物和氮化物涂层；
⑧无公害。

为了提高不锈钢的耐蚀性，c．Liu在不锈钢上利用EB—PVD沉积了TiN“9。

，H-C，Neumann、梁成浩分别使用HCD技术在不锈钢上沉积了TiNbN，TiN¨0。

2¨，许兰萍利用MA—IP技术在不锈钢上沉积了Ti，ZrI扯I，Riviere利用IBS技术在不锈钢上沉积了SiC¨川。

3．2化学气相沉积
化学气相沉积(CVD)技术是指在相当高温度下，混合气体与基体的表面相互作用，使混合气体中的某些成分分解，并在基体上形成一种金属或化合物的固态薄膜或镀层。

CVD特点如下：(D镀层的化学成分可以变化，从而获得梯度沉积物，或者得到混合镀层；②可以控制镀层的密度和纯度；
③可以在大气压或者低于大气压下进行沉积；④通常沉积层具有柱状晶结构，不耐弯曲ⅢI。

CVD 包括
热解化学气相沉积(HCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)等。

Staia，Capitan分别在不锈钢上利用CVD沉积7 TiN、镧膜层”“2“。

3．3离子注入
离子注入是70年代初逐渐发展起来的一种新颖的表面改性方法。

它是把工件(金属、合金、陶瓷等)放在离子注入机的真空靶室中，在几十至几百千伏的电压下，把所需元素的离子注入到工件表面的一种工艺。

与通常的冶金方法不同，离子注入是用高能量的离子注入来获得表面合金层的，因而有如下特点：①溶质原子靠高能量撞进金属晶格内，因而它不受热力学平衡条件的限制，原则
一13l一
：!!笪查旦塑坚堕堂室亘堕堕壁堕叁笙塞堡——上任何元素都可以注八任何种基体金属中。

注入所得的表面合金层往往是亚稳态结构，如过饱和固溶体、非晶态，或一些难以用通常方法获得的新的相及化合物；②注入是一个无热的过程，不会引起零件的受热变形；③注入原子在注入合金层中的分布可计算和测定，注子离子的浓度和深度可控制；④注入原子与基体金属之间没有界面，因而注入层不会有剥落问题h川。

离子注入可使金属和合金的摩擦系数、耐磨性、抗氧化性、抗腐蚀性、耐疲劳性等发生显著变化。

目前，许多学者已把离子注入技术用于不锈钢表面的改性，以提高不锈钢的耐磨性和耐蚀性，不锈钢表面在离子注入N后，表层形成1一相，硬度和耐磨性有很大提高m。

引，离子注入Ti，也可提高耐磨性Ⅲ】。

不锈钢同时离子注入cr、N，耐蚀性明显改善¨引。

随着离子注入技术的发展，近几年又出现了注入加镀膜的方法，即离子束辅助沉积(IBAD)，又称为离子束增强沉积(1BED)。

李化龙使用IBED在不锈钢上沉积Si、Al、Y复合薄膜，显著提高了不锈钢的抗氧化性¨6i。

Meinert使用此技术在不锈钢上沉积了AI。

03、Ti02、SiOz、ZrOz，得到的不同薄膜在刺激性生理条件下有良好的耐蚀性，其中ZrO：的耐蚀性最好”引。

另外，离子束混合技术也是在离子注入技术基础上发展起来的新技术。

此技术是先在不参与作用的基体材料(如单晶氧化铝、氧化硅)表面上，交替镀上多层A、B两种金属薄膜，每层膜的厚度<150A然后用约束300Key的Xe+(或AT+、Kr+)轰击，使A、B金属原子发生混合，从而得到新的注入合金膜。

这神技术在不锈钢上也有应用和研究 1。

3．4激光表面处理
激光表面处理是采用高功率密度的激光束，以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料的自身传导冷却，来实现材料表面改性的工艺方法。

激光表面处理技术具有如下主要特点：(D激光熔化后形成的组织，其化学均匀性很高，而且晶粒非常细小，因而强化了合金，结果使耐磨性大大提高；
②激光热处理改善了合金的机械性能，所以显著提高工具的使用寿命；③在激光热处理层中，因马氏体转变而得到的残余压应力，提高了疲劳强度、硬度、耐磨性和抗腐蚀性能；④与常规热处理相比，激光热处理可以在不牺牲韧性的情况下，获得高硬度和高强度”9I。

因此，自1960年世界上第一台红宝石激光器问世以来，已获得了巨大的发展。

近几年来，在不锈钢表面处理方面得到了越来越多的应用。

J．Feng在不锈钢上利用激光涂覆制备了Ni—Cr／A1203复合膜层”引。

c．T．Kwok
和0．Y．Yin使用激光表面熔融显著提高了不锈钢的耐孔蚀、缝隙腐蚀、晶问腐蚀性能¨“42。

四、结语
在不锈钢传统工艺技术中，着色法生产的彩色不锈钢具有广阔的发展前景。

随着电子束、激光束、离子柬等近代技术进入表面技术领域，不锈钢表面处理技术将发生飞跃的进步，PVD、CVD、离子注入、激光表面处理技术将成为现代不锈钢表面处理的发展方向。

参考文献
1．文斯雄，电镀与精饰，1997，5(3)：20
2．耿强，路云鹤，材料保护，1995，9(9)：23
3周金保，电镀与环保，1998，7(4)：12
4．储荣邦，电镀与精饰，1998，7(4)：12
5邹坚，材料保护，1991，1(1)：26
6．赵文轸，金属材料表面新技术，西安交通大学出版社，1995
7．袁孝友，电镀与环保，1997，9(5)：26
一132—
’99第六届海峡两岸表面精饰联谊会论文集
8．左禹．许绍波，材料保护，1994，10(10)：5
9曹启宏，张震寰，材料保护，1990，12(12)：10
10 K．M arc hev．C V．C opper．S urfac e and Coatings Technology，1998，(99)：225
11．王先友，蒋汉瀛，材料保护，1996，5(5)：1
12．李青，材料保护，1994，1(1)：1
13．白新德，尤引娟，材料保护，1996，1(1)：12
14．周元康，王满力，1997，11(11)：20
15．J．H．Wang．J．G．Duth，Surface and Coatings Technology，1995，(73)：46 16朱有兰等，材料保护，1997，10(10)：22
17．周一扬等，材料保护，1997，1(1)：38
18．方景礼等．材料保护，1995，5(5)：38
19．C．Liu．A．Leyland、Surface and Coatings Technology，1995，(76)：615
20 H．一G．Neumann．U．Beck，Surface and Coatings Technology，1998，(100)：243 21．梁成洁等，腐蚀科学与防护技术，1995，4(2)：167
22．许兰萍等，腐蚀与防护，1999，2(2)：59
23．J—P．Riveiere，J．Del a i_ond，Surface and Coatings Technology，1998，(98)：1157 24．T s Sudarshan，范玉殿泽，表面改性技术工程师指南，清华大学出版社，1992
25Mariana H．Staia Brian Lewis．Surface and Coatings Technology，1995，(76)：231
26．J．J．Capitan，S．Lefebvre，Surface and Coatings，1998，(100)：202
27．汪泓宏等，离子束表面强化，机械工业出版社，1992
28．C．Blawert，A．Weisheit．Surface and Coatings Technology，1996，(85)：15
29 G．A．Collins，R．Hutchings，Surface and Coatings Technology，1995，(74)：417 30．R．Wei，J．J．Wjo，Surface and Coatings TEchnology，1996，83：235 31．X．Li．M．Samandi．Surface and Coatings Technology，1996，85：28
32 M．Guemmaz．A．Mosser．Surface and Coatings Technology，1998，(10)：353 33．S．Mandl，R．Gunzel，Surface and Coatings Technology，1998，(100)：372 34．P．J．Evans，J Hyvarinen，Surface and Coatings Technology，1995，71：151
35．J—P Hirvonen，D Ruck，Surface and Coatings Technology，1995，(74)：760
36．李化龙等，腐蚀科学与防护技术，1994，1(1)：47
37．K．Meinert．C．Uerpmann，Surface and Coatings Technology，1998，(103)：58
38 K．Meinert．G．K．Wolf，Surface and Coatings Technology，1998，(98)：1148
39．阎洪，金属表面处理新技术，冶金工业出版社，1996 40．J．Feng．M．G．S．Ferreira，Surface and Coatings Technology，1996，(88)：212 41．C．T．Kwok，H．C．Man，Surface and Coatings Technology，1998，(99)：295
42．Q．Y Pan．W．D．Huang，Surface and Coatings Technology，1998，(102)：245
一133。