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表面工程学化学转化膜技术ppt课件

表面工程学化学转化膜技术ppt课件

§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
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
2021/3/2
精品课件
13
Ch11 化学转化膜技术
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
2021/3/2
精品课件
14
Ch11 化学转化膜技术
§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：
2021/3/2
2021/3/2
精品课件
8
Ch11 化学转化膜技术
§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）
1) 钢铁常温发黑机理 置换反应：CuSO4+Fe→FeSO4+Cu
3Cu+3H2SeO3 →2CuSeO3+CuSe+3H2O
2021/3/2
精品课件
9
Ch11 化学转化膜技术精品课件15Ch11 化学转化膜技术
§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
2021/3/2
精品课件
16
Ch11 化学转化膜技术
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

化学转化膜

化学转化膜
生成的H3PO4与Fe发生如下反应而形成氢： 2H3PO4 + Fe Fe(H2PO4)2 + H2
(9-5) (9-4)
使反应(9-5)向右移动，并且使Fe的界面处pH值不断上升，溶液中所 生成的不溶性磷酸锌浓度不断增加，最后终于超越了它的溶度积。
由于Fe离子从基体进入溶液中的扩散速率一般比反应的速率低，因 此磷酸锌能够迅速而整齐地沉积在金属表面上，成为致密的膜层。
(3) 钝化的影响：在稀铬酸或铬酸盐溶液(0.01％)里进行后处理，可以 减小磷化膜自由孔隙面积，不仅可提高抗蚀性，还 可改善用漆层的性能。
(4) 温度的影响： 磷酸锌膜晶体结构相当于-磷锌矿[Zn3(PO4)24H2O]， 在105C，140C，163C分别可形成-磷锌矿(斜方晶 系片状体)、-磷锌矿(斜方晶系)以及-磷锌矿(单斜晶 系)结晶。
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。
转化膜的基本用途：
①防锈：转化膜作为底层很薄时即可应用；对部件有较高的 防锈要求时，转化膜需均匀致密，且以厚者为佳。
②耐磨：磷酸盐膜层具有很小的摩擦系数和良好的吸油作用。 在金属接触面间产生了一缓冲层，从而减小磨损。
③涂装底层：作为涂装底层的化学膜要求膜层致密、质地 均匀、薄厚适宜、晶粒细小。
(9-3)
锰盐主要按(9-1)式电离，锌盐几乎全按(9-3)式电离。
锰系磷酸盐膜生成机理
Mn(H2PO4)22H2O 30g
H2O
1L
在97～99C下加热1h，溶液发生如下电离反应: Mn(H2PO4)2 MnHPO4 + H3PO4
(9-1)
反应平衡之后，溶液中存在着一定数量的磷酸分子，未电离的 Mn(H2PO4)2分子以及不溶性的MnHPO4沉淀。 把净化的钢铁件浸入此溶液之中，发生以下反应：

材料表面工程技术之转化膜与着色技术PPT课件( 30页)

材料表面工程技术之转化膜与着色技术PPT课件( 30页)
转化膜与着色技术
§1 转化膜的基本特性及用途
定义：
金属化学处理法（化学转化膜）是通过化学 或电化学手段，使金属表面形成稳定的化合物 膜层的方法。
机理：
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。
•
9、与其埋怨世界，不如改变自己。管好自己的心，做好自己的事，比什么都强。人生无完美，曲折亦风景。别把失去看得过重，放弃是另一种拥有;不要经常艳羡他人，
人做到了，心悟到了，相信属于你的风景就在下一个拐弯处。
•
10、有些事想开了，你就会明白，在世上，你就是你，你痛痛你自己，你累累你自己，就算有人同情你，那又怎样，最后收拾残局的还是要靠你自己。
钠、重铬酸钾，并加有硝酸、硫酸，有的还有少量添 加剂以改善工艺。
老化：钝化膜形成后的烘干称为老化处理。
铝和铝合金的铬酸盐钝化
预处理：预处理是先脱脂再进行碱蚀，以除去制件表面
氧化层，露出新鲜、均匀的基体表面。
成膜处理：铝材铬酸盐膜成膜溶液的特殊之处是含有氟
离子。
§4 化学氧化
化学氧化处理因为成本低，设备简单， 处理方便，使用范围不断扩大。化学氧化 处理可在铝、铜、钢铁、锌、锡、镉等金 属及其合金上进行，获得不同性能、不同 颜色的氧化膜。
加入氧化剂，如NO3-，NO2-，ClO2-等，它们能 除去成膜时产生的[H]和亚铁离子。
加入电位比铁高的金属离子，如Cu2+、Ni2+、 Co2+，它们通过电化学反应沉积在基材表面上， 扩大阴极面积，加速磷化过程。
钢铁磷化工艺
预处理

《化学转化膜》课件

《化学转化膜》课件

利用固体离子交换成膜原理，使溶液
中的离子质量浓度在膜两侧产生质量 传递，形成膜。
5
自组装法
利用分子亲疏性的差异，形成层状自 组装结构，最终形成膜。
化学转化膜的性能及评价
选择性
化学转化膜的选择性可以根据 所需的分离过程进行定制。
通量
化学转化膜的通量是指单位时 间内，在膜的单位面积上通过 的溶液的体积。
未来发展趋势
1 高通量化学转化膜
的开发
2 绿色环保的化学转
化膜
高通量化学转化膜将会 带来更高效的反应过程。
绿色环保的化学转化膜 将会为环保和可持续发 展做出贡献。
3 低成本的化学转化膜
低成本的化学转化膜将 大幅降低分离过程的成 本。
总结
化学转化膜是什么
化学转化膜是一种利用膜 的特殊性质，在化学反应 中起隔离、浓缩、分离、 纯化等作用的膜。
《化学转化膜》PPT课件
本课程将介绍化学转化膜的定义、分类、制备方法、性能及评价、应用以及 未来的发展趋势。了解化学转化膜的基本知识和应用场景，可以为您提供参 考。
什么是化学转化膜
定义
化学转化膜是指利用膜的特殊性质，在化学反应中起隔离、浓缩、分离、纯化等作用的膜。
分类
化学转化膜可分为纳滤膜、超滤膜、反渗透膜、电渗析膜等几类。
化学转化膜的制备方法
化学转化膜的制备方法有 聚合物溶液浆液一体化法、 相转移法、氧化电解法、 离子交换膜法、自组装法。
化学转化膜的性能及 评价
化学转化膜的性能及评价 包括选择性、通量、稳定 性等。
化学转化膜的应用
化学转化膜广泛应用于电渗析、压力萃取、 反渗透、电解质膜燃料电池、水处理等领域。
化学转化膜未来的发展趋势

金属的化学处理(化学转化膜)

金属的化学处理(化学转化膜)
2020/9/14
3.分类
➢按获得方法：化学法 电化学法
➢按膜的主要组成物类型: 氧化物膜 磷酸盐膜 铬酸盐膜 草酸盐膜
2020/9/14
4.基本用途
➢防锈 降低金属本身的化学活性
对环境介质的隔离作用
➢耐磨 提高硬度、减少摩擦阻力、吸油（磷酸盐膜） ➢涂装底层 作为金属镀层的底层 ➢防电偶腐蚀 增大两金属表面间的接触电阻
(2)氧化剂。提高氧化剂的质量浓度，可以加快氧化 速度，膜层致密、牢固。氧化剂的质量浓度低时， 得到的氧化膜厚而疏松。
(3)温度。提高溶液温度，生成的氧化膜层薄，且易 生成红色挂灰，导致氧化膜的质量降低。
钢铁高温氧化工艺
(4)铁离子含量。氧化溶液中必须含有一定的 铁离子才能使膜层致密，结合牢固。铁离子浓 度过高，氧化速度降低，钢铁表面易出现红色 挂灰。
➢高温化学氧化（碱性化学氧化） ➢常温化学氧化（酸性化学氧化）
2020/9/14
（1）高温化学氧化（碱性化学氧化）
化学反应机理 ： ➢ 在强碱（氢氧化钠）溶液里添加氧化剂（亚硝酸纳），
在135～145℃，15～90min → 肥皂液，3～5min → 水洗、干燥及浸油 ➢ 表面生成极薄的Fe3O4为主要成分的氧化膜、0.5~1.5μm ➢ 提高零件的耐蚀性、润滑性、改善外观
➢ 特点： 1. 氧化速度快， 2. 膜层抗蚀性好， 3. 节ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、高效、成本低， 4. 操作简单， 5. 环境污染小。
2020/9/14
2．钢铁磷化
定义：金属在含有锰、铁、锌的磷酸盐溶液中进行化学处 理，使金属表面生成一层难溶于水的磷酸盐保护膜。 性能：5~20μm，暗灰到黑灰色。
微孔结构，结合牢固，良好的吸附、润滑、耐蚀 性，不粘附熔融金属（锡、铝、锌）及绝缘性。

5-化学转化膜

5-化学转化膜

氧化膜吸附性好。浸油后或作其他后处理，其耐蚀 性能可大大提高。由于氧化膜很薄，对零件的尺寸和精 度几乎没有影响，因此在精密仪器、光学仪器、武器及 机器制造业中得到广泛应用。
6．钢铁高温氧化的机理 钢铁在含有氧化剂的碱性溶液中的氧化处理是一种 化学和电化学过程。 (1)化学反应机理: 钢铁浸入溶液后，在氧化剂和碱的作用下，表面生成 Fe3O4 氧化膜，该过程包括以下三个阶段：
(3)氧化膜的成长:
氧化膜生成过程中，开始时金属铁在碱性溶液中溶解，在 界面处形成氧化铁的过饱和溶液，此后氧化铁晶体成核长大， 形成一层连续的氧化膜，将金属表面覆盖。 氧化膜的致密程度取决于晶核形成速度与晶体长大速度之 比。比值越大，膜层越致密，反之，则膜层结晶越粗大、疏松 ，膜层也越厚。
7．钢铁高温氧化工艺 钢铁高温氧化工艺（见下表），有单槽法和双槽法两种工艺。 单槽法操作简单，使用广 泛，其中配方1为通用氧化液，操作方 便，膜层美观光亮，但膜较薄；配方1氧化速度快，膜层致密， 但光亮度稍差。 双槽法是钢铁在两个质量浓度和工艺条件不同的氧化溶液中进行 两次氧化处理，此法得到的氧化膜较厚，耐蚀性较高。由配方3 可获得蓝黑色光亮的氧化膜；由配方4可获得较厚的黑色氧化膜。
5.区别: 化学转化膜与电镀层、化学镀层或有机涂层等其它 表面处理层相比: 化学转化膜： ①基体金属发生溶解、参与反应 ②形成的是“难溶的化合物膜层” ③不改变金属外观（膜厚～μm）。
6．转化膜的性质和用途 (1)用于防护和装饰 (2)提高涂膜与基体的结合力 (3)耐磨减摩 (4)适用于冷成形加工 (5)电绝缘性
5-3 有色金属的化学氧化
1.铝及铝合金的化学氧化 新鲜的铝表面会很快生成一层氧化膜，但这层膜 厚度一般只有4—5 nm，防护性低，选择适当的溶液 可以得到具有一定防护价值的化学氧化膜。

第六节化学转化膜

第六节化学转化膜

硫酸浓度：硫酸的质量浓度高，膜的化学溶解速度加快，所生成的
膜薄且软，空隙多，吸附力强，染色性能好；降低硫酸的质量 浓度，则氧化膜生长速度较快，而空隙率较低．硬度较高，耐 磨性和反光性良好。 温度：当温度在10-20℃之间时，所生成的氧化膜多孔，吸附性能 好，并富有弹性，适宜染色，但膜的硬度较低，耐磨性较差。 如果温度高于26 ℃ ，则氧化膜变疏松且硬度低，温度低于10 ℃ ，氧化膜的厚度增大，硬度高，耐磨性好，但空隙率较低。
第七节 电泳涂漆
定义：电泳涂漆是靠分散在水中的胶体状涂料粒子的电泳作 用，到达被涂工件表面放电而沉积形成漆膜的方法。 特点：与刷涂、喷涂相比，具有涂漆均匀、涂料利用率高、 适宜大规模自动化生产、污染少、几乎无火灾危险性 等优点。电泳涂漆广泛应用在汽车、机电、轻工、国 防等方面。
电泳漆
组成：由水溶性树脂、色料、填料、助溶剂配制而成 电泳漆分为阳极电泳漆和阴极电泳漆两种。 阳极电泳漆用阴离子型树脂，工件为阳极， 阴极电泳漆用阳离子型树脂，工件为阴极。
离子中和电荷，胶粒因中和失
(阳极)
(阴极)
稳析出并附着在电极表面上。
阴极电泳漆的电沉积反应： 2H2O＋2ｅ P －H ＋OH
带电胶粒
P+－H
OH-
+
H+
P －H
+
P
OH-
P P P
-
P
2OH ＋H2 ↑
-
-
+
P↓＋ H2O
树脂沉积
4.电渗：
电渗是分散介质向带电粒子泳动相 反方向运动的现象。刚沉积的漆膜 是含水量高的半渗透膜，在电场力
• ⑤绝缘等功能性膜
• 磷酸盐膜层是电的不良导体，所以很早就用它作 为硅钢板绝缘层。

第八章 化学转化膜技术

第八章 化学转化膜技术

钢铁高温氧化的反应机理
钢铁化学氧化
铁在热碱溶液和氧化剂——亚铁酸钠
3Fe+NaNO2+5NaOH=3Na2FeO2+H2O+NH3↑ 亚铁酸钠——铁酸钠
6Na2FeO2 +NaNO2+5H2O = 3Na2Fe2O4+ 7NaOH +NH3↑ 铁酸钠与亚铁酸钠相互作用生成四氧化三铁 Na2Fe2O4+Na2FeO2+2H2O=Fe3O4+ 4NaOH
质量浓度 /g•L-1 50~100 10~50 10~50 10~100 50~100
100~200 50~100 12~25
温度 /℃ 室温
室温
室温
室温
时间 /min 5~10
生成的 有色盐 铁氰化钾
5~10 普鲁士蓝
5~10 铬酸铅
5~10 氧化钴
有机颜料着色
铝合金着色
物理吸附和化学反应共同作用 ➢ 氧化铝与染料分子上的磺基形成共介键。 ➢ 氧化铝与染料分子上的酚基形成氢键。 ➢ 氧化铝与染料分子形成络合物。
铝合金着色
物理吸附作用：无机颜料分子吸附于膜微孔。
无机颜料着色用颜料有两种：经过阳极氧化 的金属在两种颜料中交替浸渍，直至两种颜 料反应生成需要的颜色为止。
色调不鲜艳，与基体结合力差，但耐晒性好。
铝合金着色
无机颜料着色工艺
颜色 红色 蓝色 黄色 黑色
溶液 组成 醋酸钴 铁氰化钾 亚铁氰化钾 氯化铁 铬酸钾 醋酸铅 醋酸钴 高锰酸钾
金属Cu与H2SeO3发生氧化还原反应,生成黑色 的硒化铜膜,同时伴随副反应,生成CuSeO3及 FeSeO3: 3Cu + 3H2SeO3 →CuSe ↓+2CuSeO3 + 3H2O
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化学氧化机理
氧 化 膜
通过电化学反应和化学反应在钢铁表面附近生成Fe3O4。 由于Fe3O4在浓碱溶液中的溶解度极小，很快就从 溶液中结
的 晶析出，在钢铁表面形成晶核，
形 晶核逐渐长大，形成一层连续致密的黑色氧化膜。
成
在形成Fe3O4的同时，部分铁酸钠发生水解变为氢氧化铁(含
挂 水氧化铁)
1.0 0.5
130C
150C
0 15 30 45 60 75 90 时间(min)
表面技术概论
——化学转化膜
山东科技大学材料学院 2015
主要内容
1 概述 2 钢铁的化学氧化和磷化处理 3 铝及其合金的氧化处理 4 微弧氧化 5 转化膜技术的发展动向
1.概述
1.1 什么是化学转化膜 1.2 化学转化膜的用途
1.概述
化学转 化膜：
将金属部件置于选定的介质条件下，使表 层金属和介质中的阴离子发生反应，生成 附着牢固的稳定化合物。
金属接触部件之间的电偶腐蚀可以大大减小。
对钛、铝及其合金，因表面易钝化而导致电镀层结
涂镀底层 合不良。采用具有适当膜孔结构的化学转化膜作底层，
可以使镀层与基体金属牢固结合。
2 钢铁的化学氧化和磷化处理
2.1钢铁的氧化处理
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。
1.2 化学转化膜的用途
锌镀层铬酸盐处理可以得到彩虹色、军绿色、亮 白色、黑色等不同外观。
装饰作用 铝及其合金制品经过阳极化处理后获得多孔膜，
可以染上各种色彩。
润滑和减磨
如磷酸盐膜和草酸盐膜可以同时起到润滑和减摩 的作用，从而允许工件在较高的负荷下进行加工。
防止电偶腐蚀 化学转化膜电阻大，使较活泼的金属电位正移，异
✓ 由于钢铁表面是不均匀的，当将其浸入电解质溶液中时，表面上
将形成无数微电池。
电 ✓ 在微阳极区发生铁的溶解：Fe = Fe2+ + 2e
化 ✓ 在有氧化剂的强碱性介质中，溶解的铁发生转化，生成偏铁酸：
学 过
6Fe2+ + NO2- + 11OH- = 6HFeO2 + H2O + NH3
✓ 在微阴极区偏铁酸被还原:
程
HFeO2 + e = HFeO2-
✓ 随之，HFeO2与HFeO2- 相互作用，并脱水生成磁性氧化铁
2HFeO2 + HFeO2- = Fe3O4 + OH- + H2O
化学氧化机理
钢铁表面在热碱溶液和氧化剂作用下生成亚铁酸钠
4Fe + NaNO3 + 7NaOH = 4Na2FeO2 + 2H2O + NH3
钢铁化学氧化双槽工艺
溶液组成及工艺条件
配方1
配方2Biblioteka 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。
化学氧化机理
钢铁表面化学氧化生成的氧化膜是由Fe3O4组成 转化膜的形成：电化学和化学过程。
min 10～20 45～60 15～20 30～60
双槽法:将钢铁部件在两个浓度和工艺条件不同的氧化溶液中进行两 次氧化处理，氧化膜较厚，耐蚀性高，能消除零件表面的红色挂灰。
配方1：可以获得保护性能好的蓝黑色光亮氧化膜， 配方2：可以获得较厚的黑色氧化膜。
化学氧化双槽工艺
1.5
膜厚(m)
双槽法氧 化中钢上 氧化膜的 成长
g/L
550～650
g/L
150～200
g/L
温度 氧化时间
℃ 135～145
min
15～60
单槽法操作简单，使用比较广泛，
2 600～700 200～250 25～32 130～135
15
配方1：通用氧化液，操作方便，膜层美观光亮，但膜较薄； 配方2：氧化速度快，膜层致密，但光亮度稍差。
缺点：由于在较高温度下才能获得较厚的膜，容易产生红色挂灰。
其反应一般式可以写成
mM + nAz- = MmAn + nze
化学转化膜的组成 并不总是象这样简 单的典型化合物
化学转化膜的形成有基体金属的参与，故可以看做金属 的受控腐蚀过程。
受转化金属
钛合金
◆
◆
镁合金
◆◆
◆
铝和铝合金 ◆ ◆ ◆ ◆
铜和铜合金 ◆ ◆ ◆ ◆
钢
◆ ◆◆◆◆
锌和锌合金 ◆ ◆
处理方法
化
学 亚铁酸钠进一步与溶液中的氧化剂反应生成铁酸钠
过
程
2Na2FeO2 + NaNO3 + H2O = Na2Fe2O4 + NaNO2 + 2NaOH
铁酸钠(Na2Fe2O4)与亚铁酸钠(Na2FeO2)相互作用生成磁性 氧化铁
Na2Fe2O4 + Na2FeO2 +2H2O = Fe3O4 + 4NaOH
后 90℃，浸泡1～2分钟。
处 理
(2) 钝化处理：50～80g/L的重铬酸钾(K2Cr2O7)
溶液，70～80℃，浸泡5～10分钟。
浸油：在105～110℃的机油、锭子油或变压器油中 浸5～10分钟。
（1）高温化学氧化（碱性化学氧化）
钢铁化学氧化单槽法工艺
溶液组成及工艺条件
1
氢氧化钠 亚硝酸钠 重铬酸钾
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。
化学氧化机理
为了提高化学氧化膜的抗蚀能力，氧化后应进行填
充处理。 氧
化 方法是：
膜 的
(1) 皂化处理：30～50g/L的肥皂水溶液，80～
A.电化学法 ( 阳极极化 )
B. 化学法 1.化学氧化
转化膜类型
氧化物膜
2.草酸盐处理
草酸盐膜
3.磷酸盐处理
磷酸盐膜
4.铬酸盐处理
各种金属上的化学转化膜及其分类
铬酸盐膜
1.2 化学转化膜的用途
➢防锈 降低金属本身的化学活性
对环境介质的隔离作用
如：铝合金制品阳极化处理、钢铁制品化学氧化处理 化学转化膜一般是与其它防护层联合组成多元的防护层 系统，化学转化膜常作为这个多元系统的底层。 如化学转化膜+油漆涂层的多元防护系统。