表面工程学化学转化膜技术课件
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表面工程学化学转化膜技术ppt课件
§1 氧化处理
单槽法：操作简单、使用广泛
No1. 通用氧化液，操作方便，镀层美观光亮、薄
No2. 氧化速度快，膜层致密，光亮度略差
双槽法：两次氧化处理，膜厚、耐蚀性好
No3. 保护性好的蓝黑色光亮氧化膜
No4. 较厚的黑色氧化膜
2021/3/2
精品课件
7
Ch11 化学转化膜技术
2）钢铁高温氧化工艺
还原反应：FeOOH＋e → HFeO2－ 生成Fe3O4：2FeOOH＋HFeO2－→ Fe3O4＋11OH－＋H2O *Fe3O4的生成速度：
晶核数多（过饱和度大）、晶粒细、膜层薄 晶核数少（过饱和度小）、晶粒粗、膜层厚
2021/3/2
精品课件
6
Ch11 化学转化膜技术
2）钢铁高温氧化工艺
典型反应：mM + nAZ－→ MmAn+ nZe
其 中：M__基体金属 A__介质阴离子
2021/3/2
精品课件
2
Ch11 化学转化膜技术
分类（根据形成膜介质的不同）：
概述
1、氧化物膜__在含有氧化剂的溶剂中形成(氧化)
2、磷酸盐膜__金属在磷酸中形成(磷化)
3、铬酸盐膜__在铬酸或铬酸盐溶液中形成(钝化)
生成磁性氧化物： Na2Fe2O4＋Na2FeO2＋2H2O＝Fe3O4＋4NaOH
化学转化膜chemicalconversioncoating
化学转化膜chemical conversion
coating
7.1.1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。
：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.
7.1.2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。
7.1.3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：
表面工程ppt教程文件
高发动机性能和使用寿命。
汽车零部件制造
表面工程技术用于制造汽车零部件， 如齿轮、轴承、活塞环等，以提高 其耐磨、耐腐蚀和抗疲劳性能。
汽车涂装
表面工程技术用于汽车涂装，如电 镀、喷涂等，以提高车身的防腐、 防锈和装饰性能。
航空航天工业的应用
航空发动பைடு நூலகம்制造
表面工程技术用于制造航空发动机零 部件，如涡轮叶片、燃烧室等，以提 高其高温、高压和高速条件下的性能 和使用寿命。
陶瓷材料
陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性和耐高温等特点， 常用于制造刀具、磨具和高温炉具等。
玻璃材料
玻璃材料具有良好的透明性、化学稳定性和电绝 缘性，广泛用于光学仪器、电子和建筑等领域。
高分子材料
高分子材料具有质轻、绝缘、减震和耐磨等特点， 广泛用于塑料、橡胶、涂料和粘合剂等领域。
高分子材料
合成橡胶
合成橡胶具有良好的弹性和耐油性， 广泛用于轮胎、密封件和减震制品等 领域。
的质量和性能。
总结词
电镀过程中，需要选择 合适的镀层材料、工艺 参数和电镀液配方，以 确保镀层的质量和性能
。
详细描述
电镀技术有多种类型， 如镀锌、镀铬、镀金等 。根据不同的需求和应 用场景，选择合适的电 镀工艺和材料是至关重
要的。
喷涂技术
总结词
喷涂是一种通过喷枪或喷涂机将涂料喷涂到物体表面的技 术，常用于防腐、装饰和功能性涂层。
汽车零部件制造
表面工程技术用于制造汽车零部件， 如齿轮、轴承、活塞环等，以提高 其耐磨、耐腐蚀和抗疲劳性能。
汽车涂装
表面工程技术用于汽车涂装，如电 镀、喷涂等，以提高车身的防腐、 防锈和装饰性能。
航空航天工业的应用
航空发动பைடு நூலகம்制造
表面工程技术用于制造航空发动机零 部件，如涡轮叶片、燃烧室等，以提 高其高温、高压和高速条件下的性能 和使用寿命。
陶瓷材料
陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性和耐高温等特点， 常用于制造刀具、磨具和高温炉具等。
玻璃材料
玻璃材料具有良好的透明性、化学稳定性和电绝 缘性，广泛用于光学仪器、电子和建筑等领域。
高分子材料
高分子材料具有质轻、绝缘、减震和耐磨等特点， 广泛用于塑料、橡胶、涂料和粘合剂等领域。
高分子材料
合成橡胶
合成橡胶具有良好的弹性和耐油性， 广泛用于轮胎、密封件和减震制品等 领域。
的质量和性能。
总结词
电镀过程中，需要选择 合适的镀层材料、工艺 参数和电镀液配方，以 确保镀层的质量和性能
。
详细描述
电镀技术有多种类型， 如镀锌、镀铬、镀金等 。根据不同的需求和应 用场景，选择合适的电 镀工艺和材料是至关重
要的。
喷涂技术
总结词
喷涂是一种通过喷枪或喷涂机将涂料喷涂到物体表面的技 术，常用于防腐、装饰和功能性涂层。
化学转化膜
反应向右进行，生成不溶性磷酸盐。这些磷酸盐以结晶形态在阴极部 位析出，与铁表面直接以晶格连结的形式相结合。
铁系磷酸盐膜生成机理
含磷酸二氢钠10～15g/L的处理液，加热到50C时呈现出如下轻微 解离反应：
2NaH2PO4 Na2HPO4 + H3PO4 溶液中的pH值为5.5～6。
(9-6)
当式(9-6)达到平衡时，再把这种溶液喷淋在钢铁表面上，发生如下 反应：
b．酸洗：要尽量避免用强酸，一般用磷酸溶液进行酸洗 最合适；
c．机械清理：用喷砂或喷丸法清洁的表面质量最好；
d．活化：用正磷酸钛溶液(Ti：0.1～0.5 mg/L)的效 果最好。
(2) 磷化方法
厚膜经过浸油脂或蜡，用于防腐蚀；薄膜用于提高漆层的 结合牢度。
a．厚膜磷化：溶液成分比较简单的溶液，其中含有一代磷 酸锌、磷酸锰或磷酸亚铁和少量但数量严格确定的磷酸， 以及可缩短处理时间的添加剂。
b．染色：可以染成多种颜色，实用中一般为黑色。
c．涂油脂：可用植物油、动物油和矿物油，用植物性干 性油处理效果最好。
d．涂漆：涂油漆或清漆层的磷化膜抗蚀性最好。抗蚀性 比涂油提高100倍，涂在磷化膜底层上漆层的抗蚀性 大约是漆层本身抗蚀性的12倍。
2．假转化型磷化膜的性质
(1) 磷化膜的结构
a．假转化型磷化膜是结晶型的，由锌、锰、铁的二代磷 酸盐和正磷酸盐所组成，颜色为浅灰到深灰色，颜色 的不同反应了组织结构的差异。
化学转化膜技术
化学成膜处理的机理是金属与特定的腐蚀 液接触而在一定条件下发生化学反应，由于浓 差极化作用和阴极极化作用等，使金属表面生 成一层附着力良好的，能保护金属不易受水和 其他腐蚀介质影响的化合物膜。
由于化学转化膜是金属基体直接参与成膜 反应而成的，因而膜与基体的结合力比电镀 层和化学镀层这些外加膜层大得多。 成膜的典型反应可用下式表示：
化学转化膜处理工艺特别是无铬化学转 化膜工艺具有设备小、占地少、操作简 单、能耗低、成本低廉等优点而倍受青 睐。
主要工艺
铬酸盐转化膜 磷酸盐转化膜 磷酸盐−高锰酸盐转化膜 锡酸盐转化膜 稀土转化膜 植酸转化膜
铬酸盐转化膜
铬酸盐转化膜的防蚀机理为铬酸盐转化涂层在 湿气和空气中起惰性的屏障作用，阻止了镁的 腐蚀。 尽管铬酸盐转化处理工艺成熟，性能稳定，转 化膜具有很好的防护作用，但该方法的致命弱 点是处理液中含有毒性高且易致癌的六价铬， 对人体健康有害，且污染环境，环保法规严格 限制其应用，铬酸盐处理工艺逐步被取缔。 因此，开发无铬化学转化膜工艺成为镁合金化 学转化膜的发展方向和研究热点。
此种使用的处理剂称为成膜型处理剂， 其使用实例是磷酸锌、磷酸锰等。
化学镀与化学转化膜处理设备 铝合金黄膜化学转化剂
4 转化膜的基本用途
①防锈 ②耐磨 ③涂装底层 ④塑性加工 ⑤绝缘等功能性膜 ⑥装饰
5 镁合金表面化学转化膜的研究
由于化学转化膜是金属基体直接参与成膜 反应而成的，因而膜与基体的结合力比电镀 层和化学镀层这些外加膜层大得多。 成膜的典型反应可用下式表示：
化学转化膜处理工艺特别是无铬化学转 化膜工艺具有设备小、占地少、操作简 单、能耗低、成本低廉等优点而倍受青 睐。
主要工艺
铬酸盐转化膜 磷酸盐转化膜 磷酸盐−高锰酸盐转化膜 锡酸盐转化膜 稀土转化膜 植酸转化膜
铬酸盐转化膜
铬酸盐转化膜的防蚀机理为铬酸盐转化涂层在 湿气和空气中起惰性的屏障作用，阻止了镁的 腐蚀。 尽管铬酸盐转化处理工艺成熟，性能稳定，转 化膜具有很好的防护作用，但该方法的致命弱 点是处理液中含有毒性高且易致癌的六价铬， 对人体健康有害，且污染环境，环保法规严格 限制其应用，铬酸盐处理工艺逐步被取缔。 因此，开发无铬化学转化膜工艺成为镁合金化 学转化膜的发展方向和研究热点。
此种使用的处理剂称为成膜型处理剂， 其使用实例是磷酸锌、磷酸锰等。
化学镀与化学转化膜处理设备 铝合金黄膜化学转化剂
4 转化膜的基本用途
①防锈 ②耐磨 ③涂装底层 ④塑性加工 ⑤绝缘等功能性膜 ⑥装饰
5 镁合金表面化学转化膜的研究
转化膜
◇ 钢铁常温发黑机理：钢铁表面的发黑处理,可
得到均匀的黑色或蓝黑色外观，其表面膜的主要 成分是CuSe，功能与Fe3O4相似。
◇ 目前,常温发黑溶液在市场有商品供应,品种型
号甚多，其主要成分是CuSO4,二氧化硒,还含有 各种催化剂,缓冲剂,络合剂与辅助材料。
化学反应机理：
①SeO2溶于水中生成亚硒酸(H2SeO3):
<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。
<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。
1. 4转化膜的主要施工方法
• 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
浸渍法
刷 镀
滚镀法
法
2转化膜
□ 2.1 □ 2.2 □ 2.3 □ 2.4 □ 2.5
钢铁的化学氧化处理和磷化处理 铬酸盐钝化膜 草酸盐钝化 铝及其合金的氧化处理 微弧氧化
2.1 钢铁的化学氧化处理和磷化处理
2.1.1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。
SeO2 + H2O ---> H2SeO3 ②钢铁工件浸入发黑液中时,溶液中的游离Cu与Fe发生置换
得到均匀的黑色或蓝黑色外观，其表面膜的主要 成分是CuSe，功能与Fe3O4相似。
◇ 目前,常温发黑溶液在市场有商品供应,品种型
号甚多，其主要成分是CuSO4,二氧化硒,还含有 各种催化剂,缓冲剂,络合剂与辅助材料。
化学反应机理：
①SeO2溶于水中生成亚硒酸(H2SeO3):
<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。
<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。
1. 4转化膜的主要施工方法
• 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
浸渍法
刷 镀
滚镀法
法
2转化膜
□ 2.1 □ 2.2 □ 2.3 □ 2.4 □ 2.5
钢铁的化学氧化处理和磷化处理 铬酸盐钝化膜 草酸盐钝化 铝及其合金的氧化处理 微弧氧化
2.1 钢铁的化学氧化处理和磷化处理
2.1.1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。
SeO2 + H2O ---> H2SeO3 ②钢铁工件浸入发黑液中时,溶液中的游离Cu与Fe发生置换
《表面工程学》课件
利用各种涂层技术，增强 材料的抗腐蚀性、耐磨性 和导热性。
常见表面处理技术wk.baidu.com
等离子体表面处理
利用等离子体反应，对材料表面 进行清洁和改性。
电镀工艺
通过电解过程，在材料表面形成 金属或合金涂层。
激光刻蚀
利用激光束对材料表面进行精确 刻蚀，实现图形和文字的印刻。
表面工程学的发展前景
随着科技的不断进步和工业需求的增长，表面工程学将继续发展，为各行各 业带来更多创新和突破。
《表面工程学》PPT课件
通过本课件，您将了解表面工程学的定义、应用领域、基本原理、常见表面 处理技术以及发展前景，希望能为您带来启发和新的知识。
课程介绍
本课程将深入探讨表面工程学的重要性和应用，为您揭示其在不同行业中的 巨大潜力。
表面工程学的定义
表面工程学是研究对材料表面进行改性和处理的学科，旨在改善材料的功能性、性能和外观。
总结
通过本课程，您对表面工程学的重要性和应用领域有了更深刻的了解。继续探索和学习，将为您的事业带来无 限可能。
表面工程学的应用领域
表面工程学广泛应用于汽车制造、航空航天、电子设备、医疗器械等行业， 在提升产品质量和性能方面发挥着关键作用。
表面工程学的基本原理
1 材料相互作用
通过控制表面与环境的相 互作用，实现材料性能的 优化。
2 界面工程
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等离子体表面处理
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电镀工艺
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《表面工程学》PPT课件
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总结
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表面工程学的应用领域
表面工程学广泛应用于汽车制造、航空航天、电子设备、医疗器械等行业， 在提升产品质量和性能方面发挥着关键作用。
表面工程学的基本原理
1 材料相互作用
通过控制表面与环境的相 互作用，实现材料性能的 优化。
2 界面工程
《化学转化膜》
灰
Na2Fe2O4 + (m+1)H2O = Fe2O3·mH2O + 2NaOH
含水氧化铁在较高温度下失去部分水而形成红色沉淀物附在氧
化膜表面，成为红色挂灰而影响氧化膜的质量。
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化学氧化机理
理氧 化 膜 的 后 处
为了提高化学氧化膜的抗蚀能力，氧化后应进行填 充处理。
方法是：
(1) 皂化处理：30～50g/L的肥皂水溶液，80～ 90℃，浸泡1～2分钟。
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钢铁化学氧化双槽工艺
溶液组成及工艺条件
配方1
配方2
第一槽 第二槽 第一槽 第二槽
氢氧化钠 亚硝酸钠 硝酸钠 温度 氧化时
g/L 500～600 700～800 550～650 700～800
g/L 100～150 150～200
g/L
100～150 150～200
℃ 135～140 145～152 130～135 140～150
氧化膜主要由Fe3O4组成，膜厚一般为0.5～1.5m。 氧化膜的颜色呈灰黑、深黑或蓝黑色，称为发蓝或发黑。
化学氧化膜很薄，对零件的尺寸和精度几 乎没有影响。 化学氧化时不析氢，不会造成零件氢脆。 广泛应用于精密仪器、电子设备、光学仪 器、仪表、弹簧和武器等的防护装饰。
整理课件
整理课件
化学氧化机理
材料表面技术
（三）涂装方法
1. 一般涂装方法 包括刷涂、淋涂、压缩空气喷涂、高压无空气喷涂等。
2. 静电涂装法 3. 电泳涂装法
§4 表面涂敷技术
二、粘涂
材料表面粘涂技术是粘接技术的一个分支，它是将特种功能的胶粘剂
（通常是在胶粘剂中加入有机或无机填料，如二硫化钼、金属粉末、陶瓷 粉末和树脂粉末）直接涂敷于材料表面，使之具有耐磨、耐蚀、耐热、绝 缘、导电、导磁、防辐射等功能的一项新技术，主要用于零件的表面强化 与修复，也可使其获得某种特殊功能。
四、热浸镀
§4 表面涂敷技术
一、涂料与涂装
（一）涂膜的作用
1. 保护作用 2. 装饰作用 3. 标志作用 4. 特殊功能
（二）涂料的组成与类型
涂料一般由四大部分组成：主要成膜物质（如油脂、各类合成树 脂）、颜料、溶剂、助剂。
涂料的主要类型：
1. 普通涂料 2. 水性涂料 3. 粉末涂料 4. 其它涂料
表面工程功能
§1 材料表面技术概述
②节约材料资源。 用铁基粉末烧结成形后渗锌，代替铜制作弹子锁芯，耐 蚀性好，节约了大量铜。 用低碳钢渗铝，代替高合金耐热钢制作渗碳罐，节约了 铬镍资源并降低了成本。 英国汽车排气系统采用渗铝后，寿命比碳钢延长三倍。 钴合金Hs25叶片于1205℃工作2h后，因氧化起皮而失效， 经铬铝共渗后于1205℃，工作100h，仅失重14g/cm2，表面 刚刚起皮。 有人分析，船舶寿命周期一般为20～30年，报废时实际 失效件只是一部分，大约还有70％可以继续工作，如果用表 面强化处理其中一些薄弱部位，可使船舶寿命延长到30～35 年，船舶的全寿命周期费用降低30％左右。
表面工程技术的物理化学基础ppt课件
这种界面的特征是覆层与基材(或衬底)之间 未发生扩散或化学作用。
部分物理气相沉积层、涂装技术中有机粘
结涂层与基材的结合界面等均属于典型的
分子键结合界面。
35
3．基于固相宏观成分差异形成的 界面
(6)机械结合界面
机械结合界面指覆层与基材的结合界面主 要通过两种材料相互镶嵌的机械连接作用 而形成。
如原子空位、位错露头和晶界痕迹等物理 缺陷，
材料组分和杂质原子偏析等化学缺陷。 它们对于固体材料的表面状态和表面形成
过程都有影响。
41
表面晶体结构
在气相沉积和电镀时，原子的沉积过程一 般都是在晶体表面的扭折或台阶处率先形 核，再通过扩散逐渐长大的，因为这样所 需要的热力学驱动力最小。
洁净表面只有用特殊的方法才能得到，如高温 热处理、离子轰击加热退火、真空沉积、场致 蒸发等。
在高洁净度的表面上，可以发生多种与体内不 同的结构和成分变化，如驰豫、重构、台阶化、 偏析和吸附。
6
洁净表面
驰豫指表面附近的点阵常数在垂直方向上 较晶体内部发生明显的变化；
重构则是指表面原子在水平方向的周期性 不同于体内的晶面；
能够获得这种冶金结合的表面工程技术包 括激光熔覆技术、各种堆焊与喷焊技术等。
27
3．基于固相宏观成分差异形成的 界面
(2)扩散结合界面
两个固相直接接触，通过抽真空、加热、 加压、界面扩散和反应等途径所形成的结 合界面即为扩散结合界面。
表面工程-第2章-表面工程技术的物理、化学基础
*
分子键结合界面－是指涂(镀)层与基材表面以范德瓦尔斯力结合的界面。 特点：覆层与基材之间不发生扩散或化学作用。 处理方法：涂装技术等。
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机械结合界面－是指覆层与基材通过两种材料相互镶嵌的机械连接作用形成的界面。 特点：界面结合强度较低。 处理方法：热喷涂与包镀技术等。
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（2）洁净表面与清洁表面
*
弛豫—表面最外层原子与第二层原子之间的距离不同于体内间距(缩小或增大)的现象。
洁净表面存在：
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跳 转
原因：晶体的三维周期性在表面处突然中断，引起表面原子的配位情况、附近的电荷分布、所处的力场等均与体内原子有所不同，因此使表面上的原子会发生相对于正常位置的上、下位移，以降低表面能量。
下一页
晶体表面是原子排列面，有一侧无固体原子的键合，形成了附加的表面能。从热力学来看，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定态。达到这个稳定态的方式有两种： 一是自行调整，使表面原子排列情况与材料内部明显不同； 二是依靠表面的成分偏析、表面对外来原子（或分子）的吸附以及这两者的相互作用而趋于稳定态，因而使表面组分与材料内部不同。
吸附—当气体或液体分子趋近固体表面时，受到固体表面分子或原子的吸引力被吸附到表面，在固体表面富集，且仅限于固体表面的现象。
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任何气体在其临界温度以下，都会被吸附于固体表面，即发生物理吸附。但并不是任何气体在任何表面上都可以发生化学吸附。物理吸附和化学吸附有时会同时发生。 对于一个洁净的金属表面，化学吸附是连续进行直到饱和的过程，由于化学吸附是单层吸附，也就是说，当化来自百度文库吸附由局部覆盖金属表面直至整个表面完全被单分子层覆盖时，化学吸附便达到饱和，化学吸附终止，进一步输入气体分子时，则可能发生物理吸附或者发生化学反应形成某种化合物。
分子键结合界面－是指涂(镀)层与基材表面以范德瓦尔斯力结合的界面。 特点：覆层与基材之间不发生扩散或化学作用。 处理方法：涂装技术等。
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机械结合界面－是指覆层与基材通过两种材料相互镶嵌的机械连接作用形成的界面。 特点：界面结合强度较低。 处理方法：热喷涂与包镀技术等。
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（2）洁净表面与清洁表面
*
弛豫—表面最外层原子与第二层原子之间的距离不同于体内间距(缩小或增大)的现象。
洁净表面存在：
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跳 转
原因：晶体的三维周期性在表面处突然中断，引起表面原子的配位情况、附近的电荷分布、所处的力场等均与体内原子有所不同，因此使表面上的原子会发生相对于正常位置的上、下位移，以降低表面能量。
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晶体表面是原子排列面，有一侧无固体原子的键合，形成了附加的表面能。从热力学来看，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定态。达到这个稳定态的方式有两种： 一是自行调整，使表面原子排列情况与材料内部明显不同； 二是依靠表面的成分偏析、表面对外来原子（或分子）的吸附以及这两者的相互作用而趋于稳定态，因而使表面组分与材料内部不同。
吸附—当气体或液体分子趋近固体表面时，受到固体表面分子或原子的吸引力被吸附到表面，在固体表面富集，且仅限于固体表面的现象。
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任何气体在其临界温度以下，都会被吸附于固体表面，即发生物理吸附。但并不是任何气体在任何表面上都可以发生化学吸附。物理吸附和化学吸附有时会同时发生。 对于一个洁净的金属表面，化学吸附是连续进行直到饱和的过程，由于化学吸附是单层吸附，也就是说，当化来自百度文库吸附由局部覆盖金属表面直至整个表面完全被单分子层覆盖时，化学吸附便达到饱和，化学吸附终止，进一步输入气体分子时，则可能发生物理吸附或者发生化学反应形成某种化合物。
金属表面转化膜技术概述
金属表面转化膜技术概述
1.金属表面转化膜的概念
金属表面转化膜是指通过化学或电化学方法，使金属与特定的腐蚀液相接触，在金属表面形成一种稳定、致密、附着力良好的化合物膜层。图6-2所示为各种化学转化膜零部件。转化膜的形成方法是：将金属工件浸渍于化学处理液中，使金属表面的原子层与某些介质的阴离子发生化学或电化学反应，形成一层难溶解的化合物膜层。几乎所有的金属都可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。目前应用较多的是钢铁、铝、锌、铜、镁及其合金。转化物膜层的形成可用下式表示：
m M+n A z-=M
A n+nz e-
m
式中，M为表层的金属原子；A z-为介质中价态为z的阴离子；e-为电子。
图6-2 各种化学转化膜零部件
由氧化膜的形成过程反应方程式可知，氧化膜的生成必须有基体金属的直接参与，与介质中的阴离子反应生成自身转化的M m A n产物。氧化膜的优点主要表现在氧化膜与基体金属的结合强度较高，金属基体直接参与成膜，因而膜与基体的结合力比电镀层和化学镀层这些外加膜层大得多，但转化膜较薄，其防腐能力远不如其他镀层，通常还要有另外补充的防护措施。
2.金属表面转化膜的分类
表面转化膜几乎在所有的金属表面都能生成。各种金属的表面转化膜及其分类如下：
（1）按转化过程中是否存在外加电流来分类按转化过程中是否存在外加电流可分为化学转化膜和电化学转化膜两类。化学转化膜不需要外加电源，而电化学氧化需要外加电源。
（2）按转化膜的主要组成物的类型来分类按转化膜的主要组成物的类型可分为氧化物膜、磷酸盐膜、铬酸盐膜和草酸盐膜。氧化物膜是金属在含有氧化剂的溶液中形成的膜层，其成膜过程称为氧化；磷酸盐膜是金属在磷酸盐溶液中形成的膜，其成膜过程称为磷化；铬酸盐膜是金属在含有铬酸或铬酸盐的溶液中形成的膜层，其成膜过程通常称为钝化。金属表面转化膜的分类见表6-1。
材料表面工程技术-8转化膜与着色技术
转化型磷化 转化型磷化即铁系磷化。 转化型磷化即铁系磷化。铁系磷化的工艺过程稍有 不同，一般采取弱碱脱脂， 不同，一般采取弱碱脱脂，溶液含有碱金属多磷酸盐以 及使表面活化的钛化合物及表面催渗剂。 及使表面活化的钛化合物及表面催渗剂。原则上不采用 酸洗除锈工序。最好的成膜酸是PH值为 酸洗除锈工序。最好的成膜酸是 值为4~5，通常以磷 ， 值为 酸进行调整，磷化温度必须提高到60~70度。 酸进行调整，磷化温度必须提高到 度
§3 铬酸盐钝化膜
通过化学的方法在金属表面获得3 金属的钝化：通过化学的方法在金属表面获得 价或6价铬酸盐膜的方法， 价铬酸盐膜的方法 价或 价铬酸盐膜的方法，称为金属的铬酸盐处 也叫钝化。 理，也叫钝化。 铬酸盐膜结构致密，与基体结合力强，具有良好 铬酸盐膜结构致密，与基体结合力强，具有良好 的化学稳定性和耐腐蚀性。 的化学稳定性和耐腐蚀性。 铬酸盐颜色丰富，从无色透明到黄色、金黄色、 铬酸盐颜色丰富，从无色透明到黄色、金黄色、 淡绿色、橄榄色、黑色，应有尽有。 淡绿色、橄榄色、黑色，应有尽有。
磷化膜的形成
(1) Fe+2H3PO4→Fe(H2PO4)2+H2（pH值升高） (2) Me(H2PO4)2→MeHPO4+H3PO4 3Me(H2PO4)2 →Me3(PO4)2+4H3PO4 使可溶性磷酸二氢盐向不溶性磷酸盐转化， 使可溶性磷酸二氢盐向不溶性磷酸盐转化，沉 积成膜。 积成膜。 Fe+ Me(H2PO4)2 →FeHPO4+MeHPO4+H2 Fe+ Me(H2PO4)2 →Me2Fe(PO4)2+H2 Fe与磷酸二氢盐反应 与磷酸二氢盐反应。 Fe与磷酸二氢盐反应。 Me(H2PO4)2+Fe(H2PO4)2+8H2O →Me3(PO4)2·4H2O+Me2Fe(PO4)2·4H2O+8H3PO4
表面工程
施工方法
工艺
浸渍法
喷淋法
涂刷磷化
高温磷化 （90~98 ℃）
中温磷化 （50~70 ℃）
常温磷化 （20~25 ℃）
施工方法
• (1)浸渍磷化 适用于处理形状复杂的工件，沉渣量少，设备维护容 易。缺点是磷化时间较长，处理浓度高，膜层结晶粗糙。
(2)喷淋磷化 适用于处理几何形状较为简单的板材。由于喷射时的 冲击力和磷化时的化学作用的结合，使喷琳磷化的速度提高，浓度 较低，膜层结晶较为细密、均匀。缺点是工件内部部位不易磷化， 还易遭受腐蚀，喷淋的沉渣较多，设备投资大，维护困难。
铬酸盐膜的形成过程
• 形成原因：由于六价铬化合物有以下性质：1.在酸性溶液里铬酸盐是强氧化剂， 会使金属表面上生成不溶性盐或增加天然氧化膜的厚度。2.铬酸的还原物通常 是不溶性的，如三氧化二铬。3.金属的铬酸盐通常是不溶性的。4.铬酸盐能参 加许多复杂反应，而生成包括被处理金属离子在内的复合物沉积，当有些添加 剂在时更是如此。 • 成膜步骤：1.表面金属被氧化并以离子的形式转入溶液，同时氢在表面上析出。 2.所析出的氢促使一定数量的六价铬被还原为三价铬，并由于金属/溶
液界面液相区ph的提高，三价铬便以氢氧化铬胶体的形式沉淀。
3.氢氧化铬胶体自溶液中吸附和结合一定数量的六价铬，构成具有某 种组成的转化膜。
铬酸盐膜的组成与结构
组成：铬酸盐膜主要由三价铬和六价铬的化合物，以及基体金属或镀层金属的 铬酸盐组成。不同基体金属，采用不用的铬酸盐处理溶液，得到的膜层颜色和 膜的组成也不相同。
工艺
浸渍法
喷淋法
涂刷磷化
高温磷化 （90~98 ℃）
中温磷化 （50~70 ℃）
常温磷化 （20~25 ℃）
施工方法
• (1)浸渍磷化 适用于处理形状复杂的工件，沉渣量少，设备维护容 易。缺点是磷化时间较长，处理浓度高，膜层结晶粗糙。
(2)喷淋磷化 适用于处理几何形状较为简单的板材。由于喷射时的 冲击力和磷化时的化学作用的结合，使喷琳磷化的速度提高，浓度 较低，膜层结晶较为细密、均匀。缺点是工件内部部位不易磷化， 还易遭受腐蚀，喷淋的沉渣较多，设备投资大，维护困难。
铬酸盐膜的形成过程
• 形成原因：由于六价铬化合物有以下性质：1.在酸性溶液里铬酸盐是强氧化剂， 会使金属表面上生成不溶性盐或增加天然氧化膜的厚度。2.铬酸的还原物通常 是不溶性的，如三氧化二铬。3.金属的铬酸盐通常是不溶性的。4.铬酸盐能参 加许多复杂反应，而生成包括被处理金属离子在内的复合物沉积，当有些添加 剂在时更是如此。 • 成膜步骤：1.表面金属被氧化并以离子的形式转入溶液，同时氢在表面上析出。 2.所析出的氢促使一定数量的六价铬被还原为三价铬，并由于金属/溶
液界面液相区ph的提高，三价铬便以氢氧化铬胶体的形式沉淀。
3.氢氧化铬胶体自溶液中吸附和结合一定数量的六价铬，构成具有某 种组成的转化膜。
铬酸盐膜的组成与结构
组成：铬酸盐膜主要由三价铬和六价铬的化合物，以及基体金属或镀层金属的 铬酸盐组成。不同基体金属，采用不用的铬酸盐处理溶液，得到的膜层颜色和 膜的组成也不相同。
表面工程技术(PPT 90张)
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表面工程技术的背景
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表面工程形成一门独立的学科是近 20 来年的事： 1983年 表面工程的概念被首次提出 1986年 国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工 程联合会 1987年 中国机械工程学会表面工程研究所成立 1988年《表面工程》杂志创刊，后更名为《中国表面 工程》 2000年 全国焊接学会原“堆焊与热喷涂专业委员会” 正式更名为“堆焊及表面工程专业委员会”。 目前，全世界范围内，表面工程的应用已取得巨大的经 济效益，而且也逐渐发展成为横跨多个学科的边缘性、 综合性、复合型学科
材料表面工程
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概论
第一章
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第一章 材料表面工程概论
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主要内容： 1.1 表面工程的概述 1.2 表面工程技术的功能与分类 1.3表面工程的科学体系 1.4表面工程技术的应用 1.5表面工程技术的发展趋势
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1.1.1 表面工程技术发展背景
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磨损、腐蚀、断裂是机械零件工程构建的三大主要 破坏形式。前二者造成经济损失占很大比重。 数据 磨 损
美国：美国国家材料政策委员会向美国国 会提出的一份报告： 德国：1983年，前联邦德国调查，摩擦磨 摩擦磨损引起的损失1000亿美元/年； 损损失287亿马克； 英国：摩擦磨损损失51500英镑/年；
表面工程技术的背景
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表面工程形成一门独立的学科是近 20 来年的事： 1983年 表面工程的概念被首次提出 1986年 国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工 程联合会 1987年 中国机械工程学会表面工程研究所成立 1988年《表面工程》杂志创刊，后更名为《中国表面 工程》 2000年 全国焊接学会原“堆焊与热喷涂专业委员会” 正式更名为“堆焊及表面工程专业委员会”。 目前，全世界范围内，表面工程的应用已取得巨大的经 济效益，而且也逐渐发展成为横跨多个学科的边缘性、 综合性、复合型学科
材料表面工程
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主要内容： 1.1 表面工程的概述 1.2 表面工程技术的功能与分类 1.3表面工程的科学体系 1.4表面工程技术的应用 1.5表面工程技术的发展趋势
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1.1.1 表面工程技术发展背景
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磨损、腐蚀、断裂是机械零件工程构建的三大主要 破坏形式。前二者造成经济损失占很大比重。 数据 磨 损
美国：美国国家材料政策委员会向美国国 会提出的一份报告： 德国：1983年，前联邦德国调查，摩擦磨 摩擦磨损引起的损失1000亿美元/年； 损损失287亿马克； 英国：摩擦磨损损失51500英镑/年；
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3
一、钢铁的化学氧化
§1 氧化处理
氧化剂中生成蓝、黑膜层，称为“发蓝”或“发黑”，分 为：高温化学氧化和常温化学氧化。
1、钢铁高温化学氧化（传统发黑方法） 浓碱性NaNO2、140℃、15~90min 生成Fe3O4膜，厚度0.5~1.5µm（2.5µm） 浸油（吸附性好）耐蚀性大大提高
No1. 通用氧化液，操作方便，镀层美观光亮、薄
No2. 氧化速度快，膜层致密，光亮度略差
双槽法：两次氧化处理，膜厚、耐蚀性好
No3. 保护性好的蓝黑色光亮氧化膜
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7
2）钢铁高温氧化工艺
§1 氧化处理
影响氧化膜成膜速度、厚度、致密性的因素：
①氢氧化钠：浓度 δ 膜层疏松、多孔 浓度 δ 防护能力差
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18
§2 铝及铝合金的阳极氧化
铝及铝合金的阳极氧化：金属作为阳极
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19
§2 铝及铝合金的阳极氧化
一、阳极氧化膜的性质及用途
1、膜层多孔 蜂窝状，吸附能力很强（树脂、蜡、涂料）
2、耐磨性好 硬度高，吸附润滑剂后，进一步提高耐磨性
3、耐蚀性好
大气中很稳定，并与厚度、孔隙率有关，可 采用封闭处理，进一步提高耐蚀性
1) 钢铁常温发黑机理 置换反应：CuSO4+Fe→FeSO4+Cu
3Cu+3H2SeO3 →2CuSeO3+CuSe+3H2O
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9
§1 氧化处理
2 钢铁常温化学氧化（常温发黑__节能高效简便、污染小）
2）钢铁常温发黑工艺 2~10min后，用脱水缓蚀剂、石蜡封闭，耐蚀性
影响表面膜的因素： ①成膜剂___铜盐、亚硒酸
还原反应：FeOOH＋e → HFeO2－ 生成Fe3O4：2FeOOH＋HFeO2－→ Fe3O4＋11OH－＋H2O *Fe3O4的生成速度：
晶核数多（过饱和度大）、晶粒细、膜层薄
晶核数少（过饱和度小PP）T学习、交流晶粒粗、膜层厚
6
2）钢铁高温氧化工艺
§1 氧化处理
单槽法：操作简单、使用广泛
典型反应：mM + nAZ－→ MmAn+ nZe
其 中：M__基体金属 A__介质阴离子
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2
分类（根据形成膜介质的不同）：
概述
1、氧化物膜__在含有氧化剂的溶剂中形成(氧化)
2、磷酸盐膜__金属在磷酸中形成(磷化)
3、铬酸盐膜__在铬酸或铬酸盐溶液中形成(钝化)
几乎所有的金属表面均能成膜，工业上以Fe、 Al、Zn、Cu、Mg为主。
生成磁性氧化物： Na2Fe2O4＋Na2FeO2＋2H2O＝Fe3O4＋4NaOH 从溶液中经形核长大，形成致密的黑色氧化膜。
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5
钢铁的化学氧化：
§1 氧化处理
1）高温氧化机理
（化学＋电化学过程） ②电化学反应机理
铁的溶解：Fe→ Fe2+＋2e
Fe2+→ Fe3+：6Fe2+＋NO2-+11OH－→ 6FeOOH＋H2O＋NH3
当PH为4.45~8.38时：
AlAl3＋+3e 3H2O+3e 3OH－＋（3/2）H2 Al3++3OH－ AlOOH+H2O AlOOH γ-Al2O3•H2O 晶体吸附在表面上，形成氧化膜。
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11
二、非铁金属的化学氧化
§1 氧化处理
*铝合金化学氧化的分类：碱性氧化法、酸性氧化法 *Al－alloy化学氧化工艺规范
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12
不同氧化工艺的特点：
§1 氧化处理
No1. 膜层软，孔隙率高，吸附性好，耐蚀性差；
No2. 硅酸钠作为缓蚀剂，无色氧化膜， 硬度高，孔隙率小吸附性差，耐蚀性好；
No3. 膜层电阻小，导电性好，耐蚀性好， 膜层薄，硬度低，不耐磨；
No4. 膜层薄，韧性好耐蚀性好。
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13
加入磷酸辅助成膜，可提高耐蚀性和附着力 ②PH缓冲剂___
2~3之间，PH 反应快、膜疏松，附着、耐蚀 PH 反应慢、膜薄，稳定性
③络合剂___ ④表面润湿剂___十二烷基磺酸钠、OP-10 1%
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10
二、非铁金属的化学氧化 1、铝及铝合金的化学氧化
§1 氧化处理
设备简单，操作方便，生产效率高，不耗电，成本低。 δ0.5~4μm，膜层多孔，具有良好的吸附性。
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16
第11章 化学转化膜技术
§11.1 氧化处理 §11.2 铝及铝合金的阳极氧化 §11.3 磷化处理 §11.4 铬酸盐处理
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17
铝及铝合金的阳极氧化：
§2 铝及铝合金的阳极氧化
在适当的电解液中，以金属作为阳极，在外 加电流的作用下，使表面生成氧化膜的方法。
膜层厚：几十到几百µm （铝的自然氧化膜厚度0.010~0.015µm）
用途：精密仪器、光学仪器、武器、机械设备
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4
钢铁的化学氧化：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
§1 氧化处理
1）高温氧化机理（化学＋电化学过程）
①化学反应机理（三个阶段）
生成亚铁酸钠： 3Fe+NaNO2+5NaOH=3Na2FeO2+H2O+NH3 生成铁酸钠：
6Na2FeO2＋NaNO2+H2O=3Na2Fe2O4+7NaOH+NH3
第11章 化学转化膜技术
§11.1 氧化处理 §11.2 铝及铝合金的阳极氧化 §11.3 磷化处理 §11.4 铬酸盐处理
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1
概述
化学转化膜：通过化学或电化学手段，使金属表 面形成稳定化合物膜层的方法。
结合力好：由于化学转化膜是金属基体直接参与 成膜反应而成的，因此膜与基体的结合力大。
二、非铁金属的化学氧化
2、镁合金的化学 氧化
δ 0.5~3µm，膜层 薄、软，作为底 层
§1 氧化处理
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14
§1 氧化处理
为了提高膜层的耐蚀性，凡经1-3号处理的 膜层都要进行封闭处理：
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15
§1 氧化处理
3、铜及铜合金的化学氧化 生成CuO或Cu2O膜层，各种不同颜色的膜层
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20
§2 铝及铝合金的阳极氧化
一、阳极氧化膜的性质及用途
②氧化剂：浓度 氧化速度 膜层致密、牢固 浓度 氧化速度 膜层厚而疏松
③温度：T δ 膜层质量下降
④氧化液中铁离子含量： 应有一定量的铁离子，可使膜层致密、结合牢固
⑤钢铁中的含碳量：C% Fe3C δ
发黑后→热水清洗→ 干燥→在105~110℃浸油
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8
§1 氧化处理
2 钢铁常温化学氧化（常温发黑__节能高效简便、污染小）