表面处理工艺发展：金属表面处理技术的应用与挑战

表面处理工艺发展：金属表面处理技术的应用与挑战

金属表面处理技术论文

表面处理是通过一定的方法在工件表面形成镀层的过程，下面就是我精心推荐给大家的一篇关于金属表面处理技术的论文，希望对大家有所帮助。

金属表面处理技术论文1

金属表面处理工艺开发

【摘要】表面处理是通过一定的方法在工件表面形成镀层的过程。近年来，金属表面处理技术发展迅速，被广泛应用于许多领域。随着技术的进步，更多的应用场合以及环保要求的提高也对表面处理技术提出了更高的要求。本文试图对表面处理技术的发展做一个总体的探讨。

【关键词】表面处理；金属镀层

1.表面处理的概念

表面处理是在基材表面人为地形成一层具有不同于基材的机械、物理和化学性能的表面层的工艺方法。表面处理的目的是为了满足产品的耐腐蚀、耐磨、装饰或其他特殊功能要求。表面处理一般包括前处理、电镀、涂漆、化学氧化、热喷涂等多种物理和化学方法。

2.涂装前表面处理

为了除去附着在物体表面的各种异物（如油污、铁锈、灰尘、旧漆膜等），提供适合涂装要求的良好基底，保证涂层具有良好的防腐性能、装饰性能和某些特殊功能，涂装前必须对物体表面进行预处理。人们把这种处理所做的工作统称为涂装前（表面）处理或（表面）预处理。

基体预处理的目的一是增加涂层与基体的结合强度，即增大附着力；二是增加涂层的防腐、抗磨、润滑等功能。常见的预处理方法主要有以下几种：

1. 手工处理

如刮刀、钢丝刷或砂轮等。工件表面的铁锈、氧化皮可用手工清除，但手工处理劳动强度大、生产效率低、质量差、清理不彻底。

2.化学处理

它主要是利用酸性或碱性溶液与工件表面的氧化物、油污发生化学反应，将其溶解在酸性或碱性溶液中，从而去除工件表面的铁锈、氧化皮、油污等，然后再用尼龙刷辊或304#不锈钢丝（耐酸碱溶液制作的丝刷辊）清洗达到目的。

3.机械处理

主要包括钢丝刷辊抛光、抛丸清理和喷丸清理。抛光方法是刷辊由电动机带动，刷辊在板带的上下表面以与轧件运动方向相反的方向高速旋转，刷去氧化铁皮。刷去的氧化铁皮通过闭式循环冷却水冲洗系统冲走。喷丸清理是利用离心力使弹丸加速，抛射到工件上进行除锈的一种方法。

4. 等离子处理

等离子表面处理机由等离子发生器、气体输送管道和等离子喷嘴组成。等离子发生器产生高压高频能量，在喷嘴钢管内激活，通过辉光放电控制，产生低温等离子体。借助压缩空气将等离子体喷射到工件表面。当等离子体遇到被处理物体表面时，发生改变和化学反应，使表面得到清洁，清除油脂、辅助添加剂等碳氢化合物污垢，或产生蚀刻使其变得粗糙，或形成致密的交联层，或引入含氧极性基团（羟基、羧基）。这些基团有促进各种涂层材料附着的作用，在粘结和油漆应用过程中得到优化。

3.常见的表面处理方法

目前金属表面处理方法可归纳为以下几种：

1.电化学法

该方法利用电极反应在工件表面形成镀层。主要方法有：1）电镀。在电解质溶液中，工件为阴极，在外电流作用下，在其表面形成镀层的过程称为电镀。镀层可以是金属、合金、半导体或含有各种固体粒子，如镀铜、镀镍等。2）氧化。在电解质溶液中，工件为阳极，在外电流作用下，在其表面形成氧化膜的过程称为阳极氧化，例如铝合金的阳极氧化。钢铁的氧化处理可用化学方法或电化学方法进行。化学方法是将工件置于氧化性溶液中，依靠化学作用，在工件表面形成氧化膜，如钢铁的发蓝处理。

2.化学法

这种方法是利用化学物质的相互作用，在不借助电流作用的情况下，在工件表面形成镀层。主要方法有：1）化学转化膜处理。在电解质溶液中，金属工件在不借助外电流作用的情况下，利用溶液中的化学物质与工件相互作用，在其表面形成镀层的过程称为化学转化膜处理。如金属表面的发蓝、磷化、钝化、铬盐处理等。2）化学镀。在电解质溶液中，不借助外电流作用，对工件表面进行催化处理，由于溶液中化学物质的还原作用，使某些物质沉积在工件表面形成镀层。这种工艺称为化学镀，如化学镀镍、化学镀铜等。

3.热处理

这种方法是在高温条件下使材料熔化或扩散，在工件表面形成涂层。主要方法有：1）热浸镀。把金属工件置于熔融的金属中，在其表面形成涂层的工艺过程叫热浸镀，如热镀锌、热镀铝等。2）热喷涂。把熔融的金属雾化后喷射到工件表面形成涂层的工艺过程叫热喷涂，如热喷锌、热喷铝等。3）热冲压。把金属箔加热加压，覆盖在工件表面形成涂层的工艺过程叫热冲压，如热冲压铝箔等。4）化学热处理。把工件与化学物质接触、加热，在高温下让某种元素渗入工件表面的工艺过程叫化学热处理，如渗氮、渗碳等。5）堆焊。 通过焊接将熔融的金属沉积在工件表面形成焊缝层的过程称为堆焊，例如耐磨合金的堆焊等。

4.真空法

该方法是在高真空状态下，将材料气化或电离，沉积在工件表面形成镀层的过程。主要方法有：1）物理气相沉积（PVD）。在真空条件下，将金属气化成原子或分子，或电离成离子，直接沉积在工件表面形成镀层的过程称为物理气相沉积。沉积粒子束来源于非化学因素，如蒸发镀、溅射镀、离子镀等。2）离子注入。在高压下将不同的离子注入工件表面，使其表面改性的过程称为离子注入，如硼注入。3）化学气相沉积（CVD）。在低压（有时也在常压）下，气态物质因化学反应在工件表面生成固态沉积层的过程称为化学气相镀，如气相沉积氧化硅、氮化硅等。

5. 其他方法

主要有机械法、化学法、电化学法和物理法。主要方法有：1）涂覆。用喷涂或刷涂的方式将涂料（有机或无机）涂敷于工件表面形成涂层的工艺过程叫涂覆，如喷涂、刷涂等。2）冲击镀。用机械冲击的方式在工件表面形成镀层的过程叫冲击镀，如冲击镀锌等。3）激光表面处理。用激光照射工件表面，使其组织结构发生改变的工艺过程叫激光表面处理，如激光淬火、激光重熔等。4）超硬膜技术。用物理或化学的方法在工件表面制备超硬膜的技术叫超硬膜技术。如金刚石膜、立方氮化硼膜等。5）电泳与静电喷涂。电泳法是将工件作为电极放入导电的水溶性或水乳化型涂料中，与涂料中的另一电极形成电路。 在电场作用下，涂料溶液解离成带电的树脂离子，阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动。这些带电的树脂离子连同吸附的颜料粒子一起电泳到工件表面形成涂层，这个过程叫做电泳。静电喷涂是在直流高压电场作用下，雾化的带负电的涂料粒子被引导飞到带正电的工件上，获得漆膜的过程，这就叫做静电喷涂。

4. 发展前景

目前，一些传统的表面处理方法，如堆焊、热喷涂、刷式喷砂等工艺往往不能满足现代工业的需要。例如，一些对温度特别敏感的金属零件，在加工过程中，会使零件表面达到很高的温度，造成零件变形或产生裂纹，影响零件的尺寸精度和正常使用，严重时会造成轴断裂；刷式喷砂虽然没有热影响，但喷砂层厚度不能太厚，造成严重的污染，其应用也受到很大的限制。目前，西方国家针对上述方法的不足，已开发出高分子复合材料的现场表面处理方法，其中较为成熟的是富世兰技术体系。材料的综合性能和可以随时进行机械加工的优越性，不仅完全满足使用要求和修复后的精度，而且可以减少设备在运行过程中的冲击和振动，延长其使用寿命。 由于材料是一种“变量”关系，当外力冲击材料时，材料会变形吸收外力，并随着轴承或其他零件的伸缩而膨胀和收缩，始终与零件保持紧密配合，减少磨损的机会。对于大型设备的磨损，还可以使用“模具”或“配套零件”现场修复损坏的设备，避免设备整体拆卸。还可以最大程度地保证零件的配合尺寸，满足设备的生产运行要求，延长设备的使用寿命，确保企业安全连续生产。在国内表面处理的应用中，高分子复合材料也发挥着越来越重要的作用。

参考：

[1]黄红军,谭胜,胡建伟,等.金属表面处理与防护技术.冶金工业出版社（2011-10）。

[2]庄光山,李莉,王海清等.金属表面涂装技术.化学工业出版社(2010-09).

金属表面处理技术论文第2部分

浅析金属表面处理与环境保护

摘要：本文通过理论研究和对金属表面处理行业的调查分析，阐述了各种主要的金属表面处理方法的优缺点、镀层性能、外观效果以及各种处理方法对环境的影响。结合本人多年从事机械设计和表面处理的经验，对机械设计中应采用的表面处理方法给出了建议。

关键词：金属表面处理；环保；涂装；装饰

1.金属表面处理概述

随着科技的进步、工业生产的发展和人民生活水平的提高，人们对生活用品及工业产品的质量越来越关注。

设备的制造品质也发生了变化，其产品不仅要求耐腐蚀、耐用，还要求清洁、美观、赏心悦目，甚至具有一定的观赏价值，因此表面处理技术在各个制造业中得到了广泛的应用。

表面处理技术对金属材料的保护和增值一直起着巨大的作用。一方面，它可以显著降低金属（特别是钢铁）的腐蚀速度，为社会节约大量财富，通过处理可以使其具有光亮的外观。另一方面，表面处理技术还可以设法赋予金属与电、磁、光、声、化学、力学等有关的各种新功能。由于材料的功能大多体现在其表面层，一些廉价的金属材料通过表面处理有可能获得耐磨、减摩、磁化、导电、易焊接、化学催化等特殊功能，其价值可成倍增加。也就是说，金属表面处理技术不仅可以为其它加工工艺提供平整、洁净、美观的表面，还可以独立形成具有重要价值的新型表面材料，其在制造业发展中的作用不容忽视。

金属表面处理技术涉及面很广，涉及的学科也很多。而且这些学科之间相差相当远，几乎没有人能够掌握表面处理技术的所有内容。另外，随着科技的进步和需求的增长，更新的技术也会不断加入到这个行列中。然而如此复杂而重要的综合技术却长期没有得到学术界的应用重视。本文所涉及的内容旨在为同行们提供一些表面处理中的选择方法、原则、应用实例等，希望对同行们有参考价值，并能起到启发作用。

2、金属表面处理在机械设计中的地位

在机械设计中，设计人员需要考虑很多设计因素，例如性能、机械原理、制造工艺等。

设备外观等。更多情况下机械零件的功能考虑较多，这就涉及到零件的热处理要求、表面涂装、电镀要求等表面处理要求，它们是保证金属零件强度、表面硬度以及表面质量、外观的重要措施，因此金属表面处理在机械设计中占有非常重要的地位。

3、金属表面处理的必要性

钢铁是世界上产量最大的金属，机械强度高，加工性能好，容易加工成各种制品，广泛应用于各个方面。各种机械设备、建筑材料、生活用品的制造都离不开钢铁。大到几十万吨的油轮，小到细小的铁钉，都是用钢铁制成的。但钢铁易生锈、易腐蚀，所以长期以来人们用碱使钢铁表面氧化变色，使之呈枪黑色或蓝色，既耐腐蚀，又有一定的光泽。但由于钢铁中缺少着色元素，除了用碱溶液氧化着色外，很难得到其它颜色，影响了钢铁制品的美观和使用价值，特别是一些工艺品过去多用铜等有色金属制成。后来人们发现，可以在钢铁表面镀上各种颜色的金属镀层，以增加装饰效果。 特别是随着着色技术的发展，可以在钢材上镀上其他金属镀层，如铜、镍、铬、锌等，然后再将镀层着色，大大增加了钢材的应用范围。近年来还采用浸渍技术，在钢材表面沉积一层薄层，不经电镀而着色，降低了钢材表面着色的成本，使钢材可以制成各种需要着色或装饰的日用工艺品。其外观可与铜或铝合金等其他产品一样，因此艺术装饰技术在钢材产品中得到广泛的应用。通过装饰处理，钢材产品质量和实用价值也得到了提高。

不锈钢的特点是耐腐蚀性能好，根据不同的使用环境和条件，可选择不同类型的不锈钢材料。但由于不锈钢材料大多采用稀有金属，价格昂贵，约为普通碳钢的5~10倍。与优质碳钢相比，不锈钢的强度和硬度较低，在很多方面不锈钢无法取代碳钢。碳钢加工成零件后必须经过必要的表面处理，因此钢件的表面处理是必不可少的。

4.金属表面处理的分类及作用

金属表面处理分为功能性表面处理和装饰性表面处理。

功能性表面处理包括：

金属热处理包括：淬火、正火、回火、碳氮共扩散等。其作用是改善金属表面

硬度、韧性、耐磨性等

功能镀层，如镀硬铬、化学镀镍等。其作用是提高金属表面硬度、耐磨性、

防腐及装饰功能。

其他表面处理方法包括机械滚压、等离子注入等，用于改善金属零件的表面性能。

表面硬度及耐磨性。

装饰表面处理有：装饰镀铬、镀镍、镀锌、镀钛，以及磷化氧化、表面喷涂等。

其作用是提高金属表面的耐腐蚀性能和装饰性的要求。

5.各种金属表面处理方法介绍

1、电镀：众所周知，镀铜、镀锌、镀镍、镀铬等都属于电镀，在古今经济建设中起到了十分重要的作用。但电镀中氰化物及重金属离子的存在，是影响环境的致命因素。

2、化学镀：化学镀是近年来发展起来的一种新型镀种，不需要电极，其镀层综合性能明显优于电镀。该镀种不含氰化物，重金属离子只要控制得当，就能达到环保排放标准，是国家重点支持的项目，发展前景广阔，是一种未来将取代电镀的环保型镀种。

3、喷涂：喷涂的种类很多，有高温涂料与常温涂料；有金属涂料与非金属涂料；有有机涂料与无机涂料。用户可根据产品的用途和使用环境选择不同的涂料。高温涂料如静电环氧、聚酯等粉末涂料；无机涂料如水性漆是未来喷涂行业的发展趋势，主要是因为涂料的性能和环保性。

六、环境保护概况

一切金属的表面处理都会涉及到对环境的影响，只是不同的表面处理方法对环境的影响程度不同，有的方法经过相应的处理后，可以达到国家的排放标准，有的方法则很难达到国家的排放标准。

前处理一般要进行脱脂、除锈，脱脂是碱性，除锈是酸性，不管是残液还是冲洗水，中和后都会产生盐和水，经过适当的处理后才可以达到排放标准。

在金属表面处理过程中，重金属离子对环境和人类生存影响最大。我国政府多年前就采取各种措施限制电镀行业的发展，但鉴于我国工业生产现状，要达到预定目标、达到发达国家的相关排放标准，还有许多工作要做。近年来，随着科技的发展，化学镍的出现，不但提高了涂装的质量，而且提高了环保性。水性漆的出现，给喷涂行业又增添了一个非常有潜力的成员，避免了油漆、涂料中有机溶剂等有害挥发性物质的出现，减少了环境污染。

六、结论

我国现在已成为制造业大国，金属表面处理是不可缺少的职业，如何选择表面处理方式，既能保证质量，又能减少处理过程中排放对周围环境的污染，已成为我们的首要任务。化学镀的出现和发展，为金属电镀提供了很好的思路；无溶剂涂料（包括环氧树脂、聚氨酯、水性漆等）的发展和技术进步，使表面喷涂行业呈现百家争鸣的局面，并有不断扩大的趋势。另外，随着废水、废气处理技术的进步，处理成本也随之降低。总之，设计人员在设计产品时，应充分考虑涂层的外观、质量、性能等诸多因素，还应考虑到处理工艺对环境的影响，选择合适的表面处理方式。

参考：

[1] 李宁等. 化学镀镍基合金理论与工艺. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2000. [2] 曾华良等. 电镀工艺手册. 北京: 机械工业出版社, 1997.

[3]程秀云等.电镀技术.北京:化学工业出版社,2003.

[4]李毅.金属表面艺术装饰.北京:化学工业出版社,2008.

作者简介：柴福君(1958-)，女，副教授，研究方向：机械设计与计算机图形学。

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