金属表面处理

　　金属表面处理是依靠机械表面加工、化学处理，表面热处理，喷涂等方法，在材料表面上形成一层与原有基底材料机械、物理和化学性能不同的表层的工艺方法。之所以要对材料表面进行技术处理，其目的是提高材料表面的力学性能、化学性能或其他特殊功能要求。

金属表面处理现状

　　金属表面处理是一个与各行业的发展密切相关的工艺技术，在过去几十年里，关于金属表面处理的技术发展速度飞快，出现了化学镀、电镀、表面清洗、磷化、喷涂等高科技工艺。

　　目前金属表面技术门类繁多，有表面覆盖技术如电镀、化学镀、热喷涂等，表面改性技术如喷丸强化、激光表面处理等，复合表面技术如热喷涂与喷丸复合等。表面技术在冶金、机械、电子、军事等各行业和人们日常生活中被广泛应用,很多欧美发达国家在表面技术的开发应用上也越来越重视。

　　然而在发展技术的同时，很多的科研机构和厂家都忽略了处理工艺的环境保护，使得在金属表面处理作业中产生的环境污染问题不能得到预防，无法做到事前控制，而是出现对环境、人体的危害之后采取事后的补救措施。一方面容易造成不良的社会影响，另一方面对企业来说也不经济，因此在提倡绿色生产以及循环经济的今天，发展环保型金属表面处理工艺无疑具有重大的现实意义。

金属表面处理技术

　　一、铝及铝合金表面处理技术

　　1、镀层技术

　　铝及铝合金可以采取镀层技术，进行表面处理。镀层技术就是通过电镀(常选用Zn、Cr涂层)、化学镀(Ni、Ni-P合金层)等方法在材料表面获得金属或复合金属镀层。电镀时，一般要先经过预处理，先在铝基底上镀上一层铜，之后再在铜上电镀上所需金属镀层。

　　电镀后，表层细腻光滑度高，但是对环境有一定的污染。化学镀是利用氧化还原的反应机理，镍离子通过还原剂次磷酸盐的作用，被还原为金属镍，沉积在金属表面并直至所需厚度。

　　2、转化膜技术

　　铝及铝合金还可以采用转化膜技术。转化膜处理就是通过铝及铝合金的外层原子与腐蚀液中的介质在特定条件下发生化学或电化学作用，从而在金属表面形成一层比原有氧化膜层附着力更好的膜层。转化膜处理方法常见的有化学氧化法、阳极氧化处理、稀土转化膜等。

　　化学氧化处理后金属新的膜层在耐磨性表现上差强人意，厚度较薄、承载能力不大。采用阳极氧化法在生成新的膜层的过程中耗时较长，但是若采取脉冲电流与直流电流相叠加的方法可使得膜层性能得到一定改观。采用稀土转化膜的方法，无污染性，操作简便，成本低。

　　3、高能束表面强化

　　铝及铝合金也可采用高能束表面强化的方法。主要包括微弧氧化、等离子注入、激光强化三种。微弧氧化法可以在铝合金表面形成一层氧化陶瓷转化膜，此法无污染，膜层致密度高，与基底材料结合力强。

　　等离子注入法是一种新兴的表面改性方法，可用于表面形状不规则的工件，生产效率较高，还可批量生产。激光表面强化法使得金属表面的强化层更加致密，力学性能和化学性能更为优越。

　　二、镁及镁合金表面处理技术

　　镁及镁合金材料目前常用的表面处理方法主要有表面改性和表面涂层技术。

　　1、表面改性技术

　　(1)EB-PVD技术：即为电子束气相沉积技术。针对镁合金表面处理，EB-PVD技术是一种较为成熟的技术,但也存在一些缺陷。一方面,EB-PVD技术对真空设备要求极高;另一方面,针对一些外形较为复杂的工件难以实现理想的处理效果;Z后,此项处理技术不能够大批量应用。

　　(2)化学转化膜技术：镁合金用到的化学转化膜基本上是含铬转化膜。这种转化膜有较强的防腐蚀效果，但是毒性较大。因此,寻找一种无铬化学转化膜处理工艺,是今后表面处理的研究ZD。通过化学转化膜表面处理得到的转化膜厚度相对较薄、韧性不足孔洞较多,因此不能用作长期保护膜。

　　(3)阳极氧化技术：镁合金的阳极氧化膜的外层孔洞较多，内层致密但厚度较差。镁合金阳极氧化膜必须经过封闭,否则耐腐性差。

　　(4)加弧辉光等离子表面处理技术：加弧辉光等离子表面处理技术是在双辉离子处理技术基础上通过引入冷阴极电弧源而研制出的一种新型离子渗金属技术。该方法的优点是处理速度快、渗层均匀、成分可控、成本低等。缺陷是难于大批量生产，设备维护复杂。

　　2、表面涂层处理

　　(1)合金表面喷涂纳米和陶瓷涂层材料：与传统涂层相比,纳米结构涂层在强度、韧性、耐腐蚀性、耐磨、抗热疲劳等方面均有显著提高。在镁合金表面进行等离子弧喷涂,形成的陶瓷涂层可以提高表面的硬度、耐磨性及耐腐蚀性能。

　　(2)激光辅助热喷涂工艺：激光辅助热喷涂工艺即Protal技术。Protal技术应用非常广泛，不管是在机械行业还是航空工业和能源业，都可得到充分的应用。但是该种方法也存在一些缺陷,如Protal工艺是如何让涂层和基体间产生高结合强度，尚未得出一个全面的结论;Protal工艺成本高，设备维护代价大;Protal工艺处理的零部件外形不能过于复杂，否则处理起来有难度。

　　(3)表面电镀：利用电镀进行表面处理是目前是镁合金表面处理的一种较为成熟的方法,操作简便，推广性强。但电镀也有缺陷,例如若镀件的外形不规则，则容易导致镀层厚度不均匀;另外,在浸锌、氰化物镀铜的过程中，会产生毒性。

　　三、钛及钛合金表面处理技术

　　(1)电镀：钛合金基体上有一层致密的氧化物薄膜,电镀不易进行,所以电镀前必须对钛合金表面进行预处理。

　　(2)交流微弧氧化：针对钛合金表面，经过交流微弧氧化技术获得的氧化膜耐磨性较好、结合度良好。

　　(3)表面氧化处理：表面氧化处理后的氧化膜硬度较大。

　　(4)离子注入：离子注入法的优势是：结合度高，强度较大;可以较大程度保证工件的精度;工艺重复性好等。

　　(5)涂层技术：在钛合金基体上加一种均匀的铜合金涂层，可以有效改善钛合金表面的抗氧化性。

金属表面处理工艺

　　1、VC塑化学馕镶铜新工艺

　　近几十年来，国内外先后推出过焦磷酸镀铜、乙二胺镀铜、三乙醇胺镀铜、柠檬酸镀铜、HEEDP镀铜等工艺，但由于各种原因，一直未能在大生产中应用。为了实现无氰化电镀，减少氰化物使用，经过多年研究开发成功了VC型化学预镀铜工艺。其配方及操作条件如下：VC化学镀铜剂200-250ml/L;硫酸30-35ml/L(55-70g/L)纯净水余量;pH值<1;室温1-3min。

　　滚镀工艺流程如下：滚光→清洗→稀硫酸活化→清洗→浸VC铜→清洗→镀亮镍。

　　挂镀工艺流程：化学去油→清洗→强酸洗→清洗→电解去油→清洗→稀硫酸活化→清洗→浸VC铜→酸铜→清洗→镀亮镍。

　　实践证明：该工艺具有镀层细致、结合力好、操作方便快捷、低污染等特点。

　　2、水性防腐涂层

　　在金属表面进行涂刷溶剂型涂料可以获得较为致密的涂层，但由于溶剂挥发会导致VOC超标，不符合环保的要求，因此应当取代。

　　在实际工作中，用粉末涂料涂装的方式可以有效降低有机溶剂的含量，并且成本较低，但是涂层的致密度不够，因此限制了其实际应用效果。近年来，水性涂料用在金属表面防腐涂层成为一种趋势，由于水性涂料不含对人体有害的溶剂，并且成膜性好，施工简单，对设备和工艺条件要求不高，因此可广泛推广。

　　目前较为成功的成膜配方有水性丙烯酸氨基固化体系，固含量为40%的羟基乳液以及全甲醚化水性氨基树脂。对于水性涂层的制备，可以采用手工涂刷的方式，也可采用喷涂工艺，其中手工涂刷的均匀性略差，但能保证不漏涂，因此可用在结构较复杂的金属工件中。喷涂较为均匀，但是对拐角等隐蔽部位的处理效果不好，因此比较适合工件结构简单的场合。

　　3、金属表面硅烷化处理

　　硅烷化处理是一种在传统磷化的基础上改进后形成的一种无污染的表面处理工艺，其主要原料为有机硅烷，可广泛用于各种金属的表面处理，当前关于金属表面硅烷化处理工艺的研究较多，发展速度很快。

　　与磷化工艺相比，硅烷化处理在过程中不需要加热，只需常温即可进行，因此节省了燃料，与此同时也就间接降低了燃料燃烧过程产生的空气污染，并且在整个工艺过程中没有重金属离子的参与，也不产生沉渣，因此对环境和人体无害，工艺成本较低，是普通磷化处理成本的20%以下。因此在世界各国已经普遍认为硅烷化处理是代替传统磷化处理的重要技术之一。

　　在用硅烷化工艺进行金属表面处理时，可以在金属表面形成一层致密的保护膜，并且与金属表面之间的附着力也较强。这主要是因为硅烷含有两种不同的官能团，其中一个官能管可与金属等无机物表面的羟基发生反应形成共价键，因此结合力较大，而另一个官能团能与树脂形成共价键，因此使树脂与金属表面能够紧密结合，再加上合理的涂装工艺(如喷涂、刷涂、滚涂、浸泡等)就使得在金属表面能够形成一层均匀、致密并牢固的保护膜，达到耐腐蚀、氧化的目的。

　　4、无氰化镀铜工艺

　　电镀铜一般用于铸模、镀镍、镀铬、镀银和镀金的打底，在对金属表面镀铜时，一般传统的镀液内都要含有氰化物，而氰化物对人体来说是有剧毒的物质，一旦泄露到环境中也会对环境造成严重的污染，因此，国内外一直在致力于寻求一种无氰化镀铜工艺，使镀铜的过程能够达到无害化、环保的要求。

　　按照CuCl₂与H₂O质量比为28:100配制氯化铜溶液，并经活性炭处理，然后在70℃，600mL水中加入250g的 NCBC990U(粉体)，充分搅拌后加入 100mL NCBC990M(浅黄色液体)，然后用KOH调节pH值至6～8，将两种溶液混合均匀并加入去离子水至溶液总体积达到1000mL后加热到80℃，然后自然降温到50℃，待镀液澄清透明后经过滤，电镀时，将镀液加热至反应温度，电解15～30min后可作为电镀液使用，进行电镀操作。

　　实验证明这种无氰化电镀的镀层较为均匀，并且达到整个工艺过程的无害化。

　　5、铜材无黄烟光亮清洗工艺

　　目前镉材光亮清洗常用配方为：硫酸750g/L，盐酸4g/L且硝酸100-150g/L适用于铜、黄铜。对用于低锡青铜、磷青铜等，硝酸含量还要加大，硫酸700g/L，盐酸3-5g/L，硝酸350g/L。

　　对铜锌镍合金类应用如下：磷酸500ml/L。硝酸130ml/L，HAC360ml/L，配方多且复杂，操作时产生大量氮氧化合物。“浓烟滚滚”毒性大又难处理。

　　杭州吉力达表面处理材料厂的工艺配方如下：硫酸40ml/L，硝酸钠70g/L(或硝酸30ml/L)，D-9105：10g/L，产生的氮氧化合物很少，无需专门处理废气装置，同时不会产生脱锌腐蚀和过腐蚀，铜件油光闪亮，在生产上得到了很广泛的应用。

　　6、铝材无黄烟光亮清洗工艺

　　在铝材的光亮清洗工艺中一般是采用磷酸、硫酸、硝酸的混合酸液中，加热至一定的温度后进行的，因此在清洗的过程中会产生大量的酸雾、黄烟。黄烟的成分为氨氧化物，对环境造成一定的污染，并且对操作人员的身体健康也有害，随着科技的发展。目前人们普遍采用不加硝酸，而添加一种特殊的添加剂的方式。

　　国内目前生产这种添加剂的厂商有黄岩精细化工厂和佛山吉力达表面处理材料厂等，添加剂的成分未知，但已经证实这种工艺在清洗过程中无黄烟产生，更加环保。

　　7、不锈钢表面清洗除锈

　　不锈钢清洗一般使用“硝酸。硫酸，盐酸”体系，但如果对表面质量要求高一些的清洗中，就必定大量使用耶.环保同题十分严重。目前太原钢铁公司从国外引进了使用硫酸钠处理的设备和工艺，使不锈钢表面清洗除锈方式得到一次重大进步。

　　8、除油清洗

　　用表面活性剂去油和无磷洗衣粉去油(分子筛去油)已是尽人皆知的事。但美国的蓝金产品却有独到之处。它已通过美国的劳工部职工安全保健局、环保局、保护臭氧层工业协会、能源部、导dan太空公司、农业部、压缩气体协会等部门鉴定，认为该产品无毒，无污染，且可以循环使用.油水会自动分离。带出液只需pH中和即可排放。

　　产品已在世界各国的一些大公司使用。杭州近江金属材料有限公司目前经销的KL-3系列多功能表面处理剂，是新型的高科技产品，具有不含强酸、强碱.而除油去锈彻底，时间短，有较强的YZ酸雾功能。使工作环境更符合环保要求，并能大大提高处理质量，降低生产成本，是铝、铜、钢铁、锌合金表面处理的环保型绿色产品。

　　9、钢铁件酸洗钝化

　　比较有代表性的是高科技产品KL-3，可与皮肤接触，无害，不产生有毒气体，不需排放，而且酸洗钝化在同一槽液进行，产品可操作性强;价格便宜，操作和管理均简单。