一文读懂常见表面处理技术知识

     在表面技术中主要有三大类，每一类又可分为多种技术，下面仅就几种常见的利用化学或物理化学原理的表面技术及应用作简单介绍。

      涂料(coating)是一种用于涂装物体表面形成涂膜，从而起到保护、装饰标志和其他特殊功能(如绝缘、防污、减阻、隔热、耐辐射、导电、电磁等)的材料。

     很久以前，兴翻盖都是用植物油和天然树脂加工而成，所以通称油漆，1790年英国建立了第一个油漆厂。随着工业的发展，合成树脂逐步取代了植物油，所以现在把涂装物面的各种材料统称为涂料。涂料作为一个工业部门，仅有百年的历史，但其应用却非常广泛。在我们的周围，可以说涂料无处不在，从室内的墙壁、冰箱、橱柜和家具，甚至录音录像带和光盘上，到户外的房屋、汽车、船舶、桥梁、饮料罐以及口香糖包装等地方随处可见。目前涂料市场为600亿美元左右。我国自改革开放20多年来，涂料产量的年增长率约为10%，目前生产能力已超过250万吨，产量跻身于世界第三位。下面就涂料的组成、分类和成膜的基本原理作简单介绍。

     涂料的组成按功能包括4部分：成膜物质、颜料、溶剂和助剂。

     成膜物质：是在涂料中能形成涂膜的主要物质，是决定涂料性能的主要因素，有时也叫基料或漆料。主要有油酯、天然树脂、天然高分子及合成树脂等。

     颜料：颜料通常是固体粉末，虽然本身不能成膜，但它始终留在涂膜中，能使涂膜呈现色彩和具有遮盖力，还能增强涂膜的耐老性和耐磨性及增强膜的防蚀、防污等能力。颜料的种类很多，如白色颜料有钛白粉(TiO₂)、锌白(氧化锌)等，黑色颜料有炭黑、氧化铁黑(Fe₃O₄)、彩色颜料有铬黄(PbCrO₄)、铁红(Fe₂O₃)、铁蓝(普鲁土蓝FeK[Fe(CN)₆]•H₂O)等，还有金属颜料如铝粉(俗称银粉)、防锈颜料，如磷酸锌等等。除此之外，还有大量的有机物颜料。

     溶剂：涂料中加入溶剂，为的是溶解或分散成膜物质，降低成膜物质的粘稠度，以便得到均匀物质，包括有机溶剂和水。

     助剂：涂料应用于助剂越来越多，其用量往往很小，占总配方的百分之几，甚至千分之几，但它们在改善性能，延长贮存期限，扩大应用范围和便于施工等方面常常起很大的作用。包括催干剂、增稠剂、触变剂、消光剂、抗静电剂、紫外线吸收剂、消泡剂、流平剂等等。

     经过长期的发展，涂料的品种特别繁杂，用途也各异，有许多分类方法，主要介绍下面3种：

     根据主要成膜物质可分为有机涂料和无机涂料，有机涂料中根据成膜树脂类型又可分为醇酸、环氧、丙烯酸涂料等。

     按照溶剂类型又可分为溶剂型(以有机溶剂为分散剂，又分为低固化份和高固化份两种)涂料、水性(以水为溶剂)涂料、涂末涂料、辐射固化涂料等。未来涂料发展的方向将体现在以下两个方面：一是向更加环保、绿色方向发展，将不断开发出高固体份、水性、粉末和辐射固化的涂料；二是向更加功能化的方向发展，各种功能化特种涂料产品将不断问世。

     按照用途涂料可分为3大类：建筑涂料、产品涂料和特种涂料。建筑涂料主要包括用于装饰和保护建筑物外壁和内壁和涂料，占涂料总量的50%左右，其中乳胶漆占70%以上。产品涂料通常也叫工业漆，在工厂里用于汽车、家电、电磁线、飞机、家具、金属罐等的涂料，占涂料总产量的30%左右。其余20%左右的是特种涂料，它是指在工厂外施工的工业涂料和一些其他涂料，如防火涂料、防水涂料、耐高温腐蚀的陶瓷涂料，示温涂料、导电涂料、磁性涂料、路面标线涂料、防霉灭虫涂料、耐磨涂料、海洋重防腐涂料等等。特种涂料不仅要满足国防尖端产品和高科技发展的特殊需要，而且还要满足国民经济各部门新发展的特种要求。

     生产和使用涂料的目的是为了得到满足需要的涂膜，涂料形成涂膜的过程直接影响兴翻盖能否充分发挥预定的效果以及所得涂层的各种性能是否能充分表面出来。涂膜的固化机理一般有3种类型。

     物理机理干燥，只靠涂料中涂体(溶剂或分散相)蒸发的干燥过程即为物理机理干燥。在干燥过程中，高聚物不发生化学反应。

    涂料与空气发生反应的交联固化，所以在贮存期间，涂料罐必须密封良好，与空气隔绝。

     涂料组分之间发生反应的交联固化，涂料在贮存期间必须保持稳定，可以用双组分包装涂料法或是选用在常温下互不发生反应，只是在高温下或受到辐射时才发生反应的组分，比如，紫外光固化兴翻盖是一种单组分、无溶剂的涂料，涂覆时接受紫外光的照射，液体兴翻盖将会在零点几秒到几十秒的时间内固化成膜。

     近年来，研究人员正在开发一种联合固化技术，即将几种兴翻盖固化技术结合起来，以克服单一固化技术的缺点。

     电化学及化学沉积表面技术中，常见的有电镀、刷镀和化学镀技术。

     电镀是应用电解的方法将一种金属覆盖到另一种金属表面的过程，需要在电解槽中进行。其过程是将经过除油、除锈前处理的金属镀件作为阴极，镀层金属作为阳极、以镀层金属的盐溶液作为电解液，通电后进行电解，如电镀锌、电镀铜等。为了使镀层结晶细致，厚薄均匀，与基体结合牢固，电镀液通常不能用简单的金属盐溶液，而是用形成配合物的溶液，如镀锌时通常采用碱性锌酸盐或锌的氰化物作为电解液。

     近年来流行的合金镀，如镀黄铜(铜梓合金)、可焊性合金(锡铅合金)、耐蚀合金(锌镍合金)、仿金电镀(铜锌合金或铜锌锡合金)等，其基本原理都是通过用加入配位剂以生成不同的配合物的方法，来控制溶液中不同金属离子的浓度，使电极电势代数值较大的金属离子浓度稍低，而电极电势代数值较小的离子浓度较高，从而使不同的金属离子以相等或相近的电势，使多种金属离子同时在阴极上区得电子并同时沉积在作为阴极的工件表面，形成合金镀层。

     电刷镀是近年来发展起来的一种修复机械零部件的新技术。它的基本原理与电镀相同，只是不用镀槽，而是将电解液浸在包着阳极(称为镀笔)的棉花包套中，刷镀时，接通电源后，用浸满镀液(即电解液)的镀笔与工件(阴极)直接接触，在阳极与阴极的相对运动中，即可获得镀层，且镀层随刷镀时间的延长而增厚，只不过是用镀笔浸取除油或除锈液进行处理。刷镀主要用于修复被磨损或加工超差的零件，也可用于印制板和电器接点的维修与防护。由于电刷镀技术能以很小的代价，修复价值较高的机械的局部损坏部位，被誉为“机械的起死回生术”而得到广泛应用。

     化学镀是一个不外加电源，在金属表面的催化作用下经控制化学还原法进行了的金属沉积过程。因不用外电源，故又称为无电镀(Electroless plating、Non electrolytic)。由于反应必须在具有自催化性的材料表面进行，美国材料试验协会推荐用自催化镀一词(Autocatalytic plating)。由于金属的沉积过程是钝化学反应，所以将这种金属沉积工艺称为“化学镀”最为恰当，这样它才能充分反映工艺过程的本质。所以Chemical、Non electrolytic、Electroless3个词就是一个意义了。目前“化学镀”这个词在国内外已被大家认同采用。

     化学镀的历史较短，最早是美国标准局的Brenner和Riddell于1946年发明的化学镀镍。化学镀镍一问世，立即就受到人们的关注，但化学镀镍真正被工业界广泛重视是近20年的事。20世纪80年代以来，随着电子、计算机、石油化工、汽车工业等迅速发展，化学镀镍以每年高于15%的增长速度在发展，目前，化学镀镍在几乎所有的工业部门都获得广泛应用，成为近年来表面技术领域中发展速度最快的工艺之一。

     化学镀不是通过界面上固液两相间金属原子和离子的交换，而是液相离子Mn⁺，通过液相中的还原剂R，在金属表面或其它材料表面上的还原沉积：

Mⁿ⁺+R→（表面催化 ) M+Rⁿ⁺

     化学镀过程必须要有催化剂。基体往往可以作为催化剂，但当基体被完全覆盖后，要想使沉积过程继续进行下去，其催化剂只能是沉积金属本身。所以化学镀可以说是一种沉积金属的、可控制的、自催化的化学反应过程。化学镀镀层厚度与时间成正比，理论上认为可以产生很厚的沉积层。

     一个能够进行化学镀的溶液，必须包含以下的物质：

     欲镀覆单质的来源——通常是金属的盐类；

     把欲镀金属的离子还原成单质的还原剂；

      为了维持稳定性而加入的一种或多种配位剂，它们与欲镀覆金属的离子形成配合物，同时还可防止生成氢氧化物及亚磷酸盐沉淀；

     包含有维持镀液pH值恒定的缓冲剂和提高镀液稳定性、增加镀液寿命的稳定剂。

     以目前应用最为广泛的化学镀镍-磷合金为例，金属盐一般用硫酸镍，常用的还原剂是次亚酸钠(NaH₂PO₂)。用次亚磷酸钠作还原剂的化学镀镍层除含镍外，还含有一部分磷，形成Ni-P合金，故称其为化学镀Ni-P合金，通常所称的化学镀镍实际上即是化学镀Ni-P合金。

     化学镀的前处理与电镀相同，也需要除油、除锈。其一般工艺流程如下：

清洗→除油→水洗→酸蚀→水洗→化学镀→水洗→镀后处理

      除油的目的是除去工件表面的机械加工或存储过程中残留的润滑油、防锈油、抛光膏等油脂或污物以免镀层不均匀或漏镀。主要的除油方式有有机溶剂除油、碱液除油、电化学除油，乳化剂除油、超声波除油等。

     酸蚀也叫酸洗，是将金属工件浸入酸或酸性溶液中，除去金属表面的氧化膜、氧化皮及锈蚀过程。经过前处理后的镀件即可放入化学镀液中进行施镀。

      与电镀相比，化学镀镍-磷层有以下优点：

     1.均镀能力和深镀能力好，可以在开关复杂的表面上产生均匀厚度的镀层。包括盲孔、深孔零件和长径比很大的管件，有“无孔不入”的特点。

     2.镀层致密，孔隙少。

     3.不需要电源，设备简单，操作容易。

     4.除金属之外还可在其它非金属表面上镀覆。

     5.非晶态合金，镀镍层具有特殊的机械、物理和化学性能，其硬度指标远远超出电镀镍，且具有高的耐磨性、耐蚀性。

      6.镀层与基体有良好的结合力。

     我国化学镀技术应用的步伐虽也很快，但由于起步较晚，目前我国化学镀镍的最大用户还是采油业和石油化工业，离国际水平尚有较大的差距，巨大的市场等待我们去开发。

     除了化学镀镍-磷合金以外，还有其他一些镀种，如化学镀铜、化学镀钴、化学镀贵金属、化学镀多无合金，化学复合镀等，在此不再详述。

     表面改性的技术有很多种，在此只介绍阳极氧化和化学热处理的原理及应用。

     有些金属在空气中能生成氧化物保护膜，而使内部金属在一般情况下免遭腐蚀。如铝及其合金表面很容易生成一层极薄的氧化膜(0.01～1μm)在大气中有一定的抗腐蚀能力，但由于这层氧化膜是非晶体，它使铝件表面失去原有的光泽。此外，氧化膜疏松多孔，不均匀，抗蚀能力不强，且容易沾染污迹，因此铝及其合金制品通常需进行氧化处理。

     阳极氧化即是一种电化学的氧化处理方法。它是将金属置于电解液中作为阳极，使金属表面形成几十至几百微米的氧化膜的过程，这层氧化膜的形成比金属在空气中自然氧化形成的氧化膜具有更好的防腐、耐磨性能。

      如铝及其合金的阳极氧化，是用工件作为阳极，别的铝板作为阴极，用稀硫酸(或铬酸)溶液作电解液。通电后，发生下列电解反应：

阳极(工件)：

2Al+6OH^-(aq) = Al₂O₃+3H₂O+6e^-

(主要反应)

4OH^-(aq) = 2H₂O + 2O₂(g) + 4e^-

(次要反应)

阴极：

2H⁺ + 2e^- = H₂

     从而在铝及其合金工件表面生成了与铝基体结合牢固的Al₂O₃氧化膜。

   化学热处理是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的工艺。化学热处理的种类很多，包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼及渗不同金属。这种工艺不仅可用于材料的防护与强化，提高耐腐蚀、耐磨损、抗氧化与抗疲劳性能，而且可根据需要赋予材料及其制品具有光学、磁学、隔热、装饰等多种功能，也可为高新技术及产品的发展提供一系列新型材料与复合金属板材。

     下面以渗碳为例简单介绍化学热处理的基本原理。

      渗碳是使碳原子渗入金属表面使其形成金属碳化物的过程。作为渗碳的工作介质繁多，但渗碳过程都包括三个基本步骤：

     ①工作介质(渗碳剂)在高温下分解生成活性碳原子，如渗碳剂CH₄在高温1173～1200K下的渗碳炉内经过一系列反应生成活性碳原子；

     ②活性碳化合物原子被金属表面吸收；

     ③碳原子向金属内层扩散而形成渗碳层。

     化学气相沉积工艺是将金属的碳化物、氮化物、硼化物或氧化物直接沉积在金属材料的表面的过程。例如，在钢铁工件上沉积TiC的化学气相沉积工艺中，可以将TiC₄蒸气在氢气载带下通入装有工件的高温(一般为900℃～1200℃)反应炉内，并与烃类进行一系列反应最终生成TiC沉积在工件表面。

     化学气相沉积工艺所达到的目的与化学热处理相似，但经化学气相沉积产生的沉积层具有与基体金属结合牢固、沉积层厚度均匀、结构致密、质量稳定等优点。此外，这类沉积层还具有类似于润滑油墨的作用。因此可作为无油润滑减摩层，使工件的磨损大大降低。

     化学气相沉积，激光辅助化学气相沉积的出现，能够达到的沉积工作温度在逐渐升高，可沉积的物质种类在不断扩大，沉积层性能的范围也在逐渐扩大。可以说，表面技术已达到不仅可以改变物体表面的化学组成、组织结构，还可以赋予物体一个全新的表面，更可观的是还可以根据性能需要任意选择沉积层