常用材料表面处理

材料的表面处理

第一节概述

材料的种类很多，它们的组成、结构、性质及表面状态更是千差万别。由于不同产品对于其表面处理的效果和功能的要求不同，因此，材料表面处理所涉及的技术问题、工艺问题等也是十分广泛的，并与多种学科相关。本章仅从工业设计的特点出发，介绍几种表面处理工艺。

一、表面处理的功效

造型材料的种类很多，其中金属材料、木质材料和塑料则是最为常用的基本设计材料。从工业设计的特点出发，金属材料的强度高，加工性能较好，其加工表面具有金属光泽，表面较平滑；木材质轻，较易加工，其表面具有天然的木质纹理；塑料的来源丰富，品种很多，成型较方便，且价廉，质轻，透明性和着色性较好，是一种新颖的优良材料。这些材料，以及用它们制造成的产品，若不给以一定的表面处理，则在各种使用环境下，材料或制件的表面会受到空气、水分、日光、盐雾、霉菌和其他腐蚀性介质等的侵蚀，由于腐蚀、腐朽和老化作用，会引起材料或制件失光、变色、粉化及开裂等，从而出现破坏的后果。表面处理的功效就在于一方面保护产品，即保护材质本身赋予产品表面的光泽、色彩和肌理等而呈现出的外观美，并提高产品的耐用性，确保产品的安全性，由此有效地利用了材料资源；另一方面是根据设计的意图，给产品表面附加上更丰富的色彩、光泽和肌理等变化，使产品表面更有节奏感。此外，随着表面处理技术的发展，还可实现提高材料表面的硬度，并可赋予材料表面导电、憎水和润滑等特殊功效。

二、表面处理和加饰

从工业设计出发，表面处理的目的首先是美化产品的外观，也即按产品设计的要求调整其表面的色彩、亮度和肌理等。因此，材料本身具有的外观不符合设计要求时，必须采用适当的表面处理方法进行调整，以达到满足产品设计的要求。

三、表面加工

使金属材料加工成平滑、光亮、美观和具有凹凸模样的表面状态的过程称为表面加工，也即使金属材料表面恢复其本身具有的色泽、亮度和表面肌理特征而进行的处理，表面加工作为电镀和涂装的前处理也是重要的。

1．切削

切削是利用刀具对金属表面层进行加工的方法与铸造、锻造、压力加工等相比较，虽有切屑产生和材料废弃，但一般可迅速加工出高精度表面的产品。

2．研磨

研磨是把金属表面加工成平滑面、有光面、镜面为目的，有时也把研磨作为表面末道加工和电镀或涂装的前处理。研磨的方式有通过坚硬微细的研磨料进行的机械研磨，有通过电解金属表面溶解而进行的电解研磨，以及通过试剂作用引起金属化学溶解而进行的化学研磨。

(1)机械研磨。研磨一般金属表面常用的磨料有Al2O3系列磨料、SiC系列磨料和Cr2O3系列磨料等。它们的使用形态有研磨粒、油脂性研磨料、研磨布、研磨带、研磨纸、砂轮及液体研磨料等，可根据研磨的对象和目的选择使用。

在表面精密加工中，有滚筒研磨和抛光研磨等方法，其中使用简便的抛光研磨与其他机械加工方法不同，它能迅速地加工出具有不涉及尺寸精度的平滑的或具有镜面光泽的表面，是一种高效率的研磨方法。

(2)电解研磨和化学研磨。电解研磨和化学研磨有两方面作用：一是使金属表面溶解，另一是使金属表面的凸部选择性溶解而使表面平滑。电解研磨基于以电解作用使金属表面溶解，化学研磨则基于以强溶剂引起的直接的化学性溶解。由于这两种研磨方法能获得独特色调和光泽的加工面，所以在日用品、照明类器具以及机械零部件的表面加工中得到了广泛应用。3．蚀刻

蚀刻是利用化学药品的作用使被加工金属表面的特定部位浸蚀溶解而形成凹凸模样的一种加工方法。在蚀刻过程中，首先将整个金属表面用耐药性的膜(隔离膜或掩蔽膜)覆盖，而把表面上要求凹下去部位的膜用机械的或化学的方法除去，使这部分的金属表面裸露。然后将药液倒入其中，使裸露部分的金属溶解而形成凹部。最后，将剩下的盖膜用其他药液除去，这部分表面就成为凸部。这样，在金属表面就描绘出所设计的凹凸模样。17世纪发明并普及的铜版画，就是将铜板全面涂蜡，然后用针尖在蜡膜上描绘肖像或风景画，并置铜板于硝酸液中浸蚀，使被描绘的图像成为凹陷的部分，这一过程即是蚀刻的凹版制版工艺过程。对于这种技法，后又经过对掩蔽膜、蚀刻药液及描绘方式等的改进，在形成掩蔽膜方面发明了利用照相冲洗的照相制版法，并有效地利用此法得到表现复杂而色调微妙的特征部分，此即把蚀刻工艺用到了有价证券原版的制版等方面。由于照相制版可进行精细的加工，因此从印刷工业中的照相版、图线版及多色版的制版开始，以致发展到金属过滤器、集成线路块、彩电显像管、铭牌及印刷线路板等的制作方面，这种蚀刻工艺都得到了广泛的应用。

四、表面层改质处理

表面层的改质处理是有目的地改变金属表面所具有的色彩、肌理及硬度等性质，这实际上是使金属表面通过化学的或电化学的反应而转变成金属氧化物或无机盐覆盖膜的过程，由此来提高基体金属的耐蚀性、耐磨性及着色性能等。表面层改质处理的方法主要有化学处理、阳极氧化处理和金属着色处理等，这些处理有时也可作为电镀和涂装等工艺的前处理。1．化学处理

化学处理是通过氧或碱液的作用使金属表面形成氧化物或无机盐覆盖膜的过程。进行化学处理后，要求形成的覆盖膜对基体金属具有耐蚀保护性、耐磨性，并对基体金属有良好的附着能力，即不会从基体金属上剥离。化学处理也可用于金属表面的着色上，如铁器的发蓝

过程就是使其表面形成Fe2O3的覆盖膜，从而起到防蚀作用。

化学处理的应用实例很多，如对铁制品、钢制品通过磷酸或磷酸盐的处理，使其表面形成磷酸铁结晶的覆盖膜，即铁器的发蓝；不锈钢制品用酸处理使其表面钝化，以及对铜和铝制品的化学处理等。

2．阳极氧化处理

阳极氧化处理是使金属制件在阳极的电解作用下，在其表面形成氧化膜而使金属钝化的过程。这种工艺中以铝制品的阳极氧化应用最多，处理后生成的覆盖膜为阳极氧化铝成分。铝制品虽可不经处理而直接使用，但为使铝制品具有更高的耐蚀性和更好的装饰性，并能长久保持其优美的外观，阳极氧化处理是最为有效的方法。氧化膜具有多孔性，此孔有似于角柱体形的厚壁圆筒管子，它们相互密集排列在制件的表面上，因此可用特殊的电解液使氧化膜着色，使其成为有色的皮膜，也可在阳极氧化处理后使染料或其他金属附着(电沉积作用)在氧化膜的孔管内，然后对这些孔管给以封闭处理，而使制件表面的氧化膜变成不易褪色的有一定硬度的着色表面。

五、表面被覆处理

表面被覆处理层是一种皮膜，如涂层或镀层覆盖制品表面的处理过程，这也是一种重要的表面处理方法。依据于被覆材料和被覆处理方式的不同，表面被覆处理有镀层被覆(电镀、熔射镀、蒸发沉积镀和气相镀等)，有以涂装为主体的有机涂层被覆，还有以陶瓷为主体的搪瓷和景泰蓝等被覆。表面被覆处理依据于被覆层的透明程度可分为透明表面被覆和不透明表面被覆。透明被覆是为了充分利用并保护基体材料自身表面所具有的色彩和辉度而用透明皮膜进行的被覆处理，不透明被覆是为了使基体材料转变成具有所要求的性质、色彩、亮度和肌理的表面而用不透明皮膜进行的被覆处理。无论制品表面采用何种被覆处理，其目的均在于保护和美化制品表面，有时还可赋予制品表面一些特殊的功效。

1．镀层被覆

镀层被覆能在制品表面形成具有金属特性的镀层，这是一种较典型的表面被覆处理工艺。镀层被覆不仅可以提高制品的耐蚀性和耐磨性，并能调整制品表面的色彩感、平滑感、光泽感和肌理感，因此能保护和美化制品。由于有优异的镀层，常常可由此提高制品的品位或档次。

镀层被覆处理时的基体主要是金属材料，随着塑料和镀层被覆处理技术的发展，塑料制品的镀层被覆正在得到日益广泛的应用。

按镀层的表面状态可分成镜面镀层和粗面镀层(梨皮面、锻光面、不整粗面或基材表面的原状)两类，或分为有光镀层、半光镀层和无光镀层。镀层被覆处理的缺点是镀层的色彩单调，并对制品的大小和形状有所限制。镀层被覆的金属有Cu、Ni、Cr、Fe、Zn、Sn、Al、Pb、Au、Ag、Pt及它们的合金。

镀层被覆的方法有电镀、化学镀、熔射镀、真空蒸发沉积镀、气相镀等，还有特殊方法——刷镀法和摩擦镀银法。随着制品的多样化和对镀层功能性的要求，发展了合金镀、多层