各类涂层的加工制备

一各类涂层的加工、分类及应用

涂层材料按照涂层材料可分为金属涂层（包括各类金属，如铜、铝、镍等）、非金属涂层（油漆、树脂、陶瓷及有色矿物等）及复合材料涂层，按照功能划分可以分为防腐涂层、耐磨涂层、特殊涂层等。

1.1涂层的加工制备

现有的涂层制备方法有电镀、溶胶凝胶、原位反应、热喷涂、化学热处理、气相沉积、表面粘涂、热浸镀等方法。

1.1.1电镀法制备涂层

电镀是指在含有欲镀金属的盐类溶液中,以被镀基体金属为阴极，通过电解作用,使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来,形成镀层的一种表面处理方法。镀层性能不同于基体金属,具有新的特征。根据镀层的功能分为防护性镀层,装饰性镀层及其它功能性镀层。

该过程为氧化还原过程。现代电镀法分为合金电镀、单金属电镀、单层电镀、多层组合电镀、复合电镀等几大类。在电镀涂层时，首先进行表面准备，即为对基体表面进行相应的清洗，进而进行镀层的设计，然后进行镀层镀覆。

图1-1（a）电镀化学原理图1-1（b）电镀加工电镀的应用广泛，该技术应用于各种金属及非金属的装饰防护、及赋予这些金属和非金属的各种需要的特殊性能或者功能，且广泛应用于汽车工业、航空航天等各个部门，适合大批量生产。

1.1.2化学镀技术

化学镀是一种不需要通电，依据氧化还原反应原理，利用强还原剂在含有金属离子的溶液中，将金属离子还原成金属而沉积在各种材料表面形成致密镀层的方法。

该技术不外加电流二利用异相（固相、液相）表面受控自催化还原反应在基

体上获得所需性能的连续、均匀附着沉积过程的统称，又称化学沉积、非电解沉积、自催化沉积。

化学镀技术是比电镀技术更为年轻的表面覆盖技术，正式由于化学镀技术的发展才使得印刷线路板、计算机软盘和塑料电镀以及非金属表面金属化成为可能。

应用部门基体金属厚度/μm使用原因汽车工业制造原件钢10-15耐磨、耐蚀和润滑模具和铸模锌铸模合金钢25耐磨和零件脱模纺织机件喷丝头不锈钢25耐蚀、耐磨

化学和石油工业压气机和转子叶

片

钢/铝125耐蚀、耐磨

航空和航天工业直升飞机桨叶及

安全螺栓

钢25-30耐磨，耐应力腐蚀

电子工业手机外壳AL-Mg合金10-12黑Ni耐蚀、耐磨、装饰

材料加工工业挤压柱和筒钢25耐蚀、耐磨和润滑印刷工业印刷辊筒钢50光滑、耐磨、耐蚀矿山机械矿井支柱钢40耐蚀、耐磨

其他设计运动枪开关

及手柄

铝30耐蚀、耐磨保持花

纹美观

表1-1化学镀的应用

1.1.3溶胶凝胶技术

金属有机盐或者无机盐溶液，低温时经过水解、缩聚等化学反应，从溶液转变成为凝胶，进而合成玻璃、陶瓷等涂层。

图1-2（a）溶胶凝胶技术图1-2（b）溶胶凝胶技术应用

溶胶-凝胶法的机理为水解反应及聚合反应，其中水解反应中，金属盐在水中的性质手金属离子半径、电负性，配位数等因素影响，如Si，Al盐，他们溶解与纯水中畅电力出Mn+，并溶剂化。聚合反应为硅、碘及许多金属元素的醇盐或者无机盐在水解的同时均会发生聚合反应。

图1-3溶胶-凝胶技术原理图

1.1.4热喷涂技术

热喷涂技术是利用某种热源把细微而分散的金属和非金属喷涂材料加热到溶化或者半溶化状态，并高速喷向基体材料表面，从而形成各种所需的涂层的一种技术。这种喷涂工艺几乎可以喷涂所有的工程材料，如硬质合金、陶瓷、金属、石墨和金属陶瓷等。

图1-4热喷涂法的温度速度图

1.2涂层介绍

涂层的种类多种多样，下面就防腐涂层，耐磨涂层及特殊涂层分别进行举例介绍。

1.2.1防腐涂层

防腐涂层主要应用于金属防腐中，一般的防腐涂层的构成为：防污涂料+粘结层+防腐涂料+碳钢基体。涂层防护，即在金属表面涂覆一层保护层，通过保护层的屏蔽作用隔绝腐蚀介质与金属接触，或者通过涂层本身的缓蚀、电化学保护等对金属基材进行腐蚀防护。其中，有机涂层防护由于选择性宽、可用范围广、施工方便、制造成本低廉等优点，是迄今为止最有效、最经济实用和应用最广泛

的腐蚀防护手段。

涂层对金属基材的腐蚀防护主要有三种机理。第一种是物理屏蔽作用，涂层通过阻绝或者延缓水、氧气等腐蚀介质渗透到基材表面。第二种是缓蚀作用，通过涂层中缓蚀剂的作用减缓腐蚀反应速率，常见的有红丹防锈漆，其中的含油介质氧化生成低分子脂肪酸，与红丹反应生成的金属皂的分解物具有较强的缓蚀作用，含铬酸盐的涂层，在服役过程中与腐蚀介质接触释放出高价铬酸根离子，其强烈的氧化能力使金属表面发生钝化。但在腐蚀介质中存在cr-或so42-离子时,将会阻碍铬酸根离子的钝化能力。这两种都含有重金属离子会造成环境污染，目前正在减少使用。第三种就是富锌涂层的阴极保护作用。当水、氧气等腐蚀介质渗透到涂层中，锌粉与钢基材之间形成原电池，由于锌拥有更低的电极电位，锌粉作为阳极发生失电子的氧化反应，电子在钢基材上发生还原反应，从而对钢基材起到阴极保护作用。

在各类金属防腐涂层的比较中，冷涂锌涂层具有优异的施工性而被广泛应用。冷涂锌涂层的成膜物质均为有机树脂，常见的有聚苯乙烯树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂等，因此能方便的进行各种形式的施工涂装，如有气喷涂、无气喷涂、刷涂等，并能够达到涂层厚度和结构的设计要求，特别适用于目前在钢结构涂装中。此外，冷涂锌涂层均为单组分，使用过程中不需要添加固化剂、无熟化期等使用限制，且触变性能良好，稍作搅拌即可涂装施工。

表1-2冷涂锌涂层的主要技术指标

1.2.2耐磨涂层

耐磨涂层种类繁多，如表1-3所示功能涂层

举例耐磨涂层

电镀层

热喷涂层

激光表面处理涂层

堆焊层

物理气相沉积（PVD ）

化学气相沉积（CVD ）

固体润滑涂层电镀热喷涂Ni 基合金、Al2O3等激光相变硬化层，熔凝及涂敷堆焊耐磨合金离子镀TiN 、TiC 、Ti （CN ）镀TiC 、TiN MoS2复合涂层表1-3耐磨涂层应用举例

1）.低碳马氏体耐磨打底涂层

该涂层是用低碳马氏体打底耐磨型热喷涂用金属粉芯丝。

以火焰喷涂或电弧喷涂方式制备的耐磨涂层。常用火焰喷涂法或电弧喷涂制备涂层。第一，该涂层因结合强度高，表面粗糙，因此可做为打底。它可取代镍包铝、铝青铜等打底材料，被认为是优良涂层。第二是涂层硬度适中，可用于轧辊、风机叶片、汽车曲轴、曲轮轴等各种中等磨损件的表面修复。第三是对于不承受很大冲击载荷的磨损工件，由于这种粉芯丝材经简单除锈，不喷砂即可获得一定结合强度的涂层，因此，可用于进行修复或者耐磨性处理。不仅改善工作环境，还可以节约成本。

2）.复合电镀耐磨涂层

复合电镀耐磨涂层，在电解质溶液中用电化学或者化学方法，使金属与不溶性非金属固体微粒或者其他非金属固体微粒或者其他金属微粒共同沉积在金属表面而得到的涂层，称为复合电镀涂层。符合镀层只有基质金属和固体微粒两相。若基质金属是镍、镍合金或钴、铬、分散相为硬固体颗粒如SiC 、WC 、等，则所获得的复合电镀层具有高耐磨性，称之为耐磨复合电镀层。耐磨复合电镀层分为Ni 基耐磨复合电镀层，Fe 基耐磨复合电镀层，Cr 基耐磨复合电镀层，Co 基耐磨复合电镀层。耐磨复合电镀层由于优良的耐磨性能，被广泛用于工件表面耐摩擦磨损和耐磨粒磨损处理中。

图1-5复合电镀浆料