化学转化膜的防护性能及用途优化方案

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：化学转化膜的防护性能及功效主要取决于以下因素：1）受转化处理的金属性质及其表面组织结构。4）化学转化膜所要接触的环境介质及条件。由于化学转化膜的致密性和韧性相对较差，所以其防护性能不及金属镀层等其他防护层。化学转化膜已广泛应用于机械制造、仪器仪表、家用电器、国防兵器及航空航天等领域，作为防腐蚀和其他功能的覆盖层。此类耐磨型的化学转化膜被广泛应用于金属与金属面互相摩擦的部位。

化学转化膜作为金属制品的防护层，其防护功能主要是依靠将化学性质活泼的金属单质转化为化学性质不活泼的金属化合物，降低金属本身的表面化学活性，并提高它在介质中的热力学稳定性，如氧化物、铬酸盐、磷酸盐等，提高金属在环境中的热力学稳定性。对于质地较软的金属，如铝合金、镁合金等，化学转化膜还为金属提供一层较硬的外壳，以提高基体金属的耐磨性。除此之外，也依靠表面上的转化产物对环境介质的隔离作用。转化膜在金属表面的形成和存在，可以使金属本体和腐蚀介质隔离开来，免遭腐蚀介质的直接接触而腐蚀。

铬酸盐膜是各种金属上最常见、在多数金属上可生成的化学转化膜。这种转化膜即使在厚度很薄的情况下，也能极大地提高基体金属的耐蚀性。例如，在金属锌的表面上，如果存在仅仅为0.5mg/dm²的无色铬酸盐转化膜，其在盐雾试验箱中，每小时喷雾一次质量分数为3%的氯化钠溶液时，首次出现腐蚀的时间为200h，而未经处理的锌，则仅10h就会发生腐蚀。由于试验所涉及的膜是很薄的，耐蚀性的提高是属于金属表面化学活泼性降低（钝化）所产生的效果，铬酸盐转化膜优异的防护性能还在于，当膜层受到机械损伤时，它能使裸露的基体金属再次钝化而重新得到保护，即具有所谓的自愈能力。

对于其他类型的化学转化膜，也或多或少地像上述铬酸盐转化膜那样，依靠表面的钝化使金属得到保护。例如，钢铁的磷酸盐转化膜，无论所得的膜是属于厚度低于1μm的转化型的，还是属于厚达15～20μm的假转化型的，它们对钢铁的防护都同样地以形成由γ⁃Fe₂O₃和磷酸铁组成的钝化膜为特征。较厚的磷酸盐结晶膜层的防护作用，则是钝化和物理覆盖所起的联合效果。

化学转化膜的防护性能及功效主要取决于以下因素：

1）受转化处理的金属性质及其表面组织结构。

2）化学转化膜的种类、膜的成分和组织结构。

3）化学转化膜本身的性能，如与基体金属的结合力、在介质中的热稳定性等。

4）化学转化膜所要接触的环境介质及条件。

由于化学转化膜的致密性和韧性相对较差，所以其防护性能不及金属镀层等其他防护层。因此，金属在进行化学转化处理之后，如果防护功能要求高的，则还需要做其他的防护处理。最普通的就是在转化膜上再喷涂各种有机涂料，和其他的防护措施联合使用，提高防护效果。

化学转化膜已广泛应用于机械制造、仪器仪表、家用电器、国防兵器及航空航天等领域，作为防腐蚀和其他功能的覆盖层。转化膜还具有良好的涂漆性，可用于有机涂层的底层。其次是用于冷加工，在冷加工时，转化膜层可以起润滑作用并减少磨损，使工件能够承受较高的负荷；多孔的转化膜可以吸附有机染料或无机染料，染成各种颜色。而且有许多化学转化膜本身就显示不同的颜色，因此，转化膜不但可以防护、耐磨、润滑，还可以着色装饰。转化膜的用途主要体现在以下几个方面：

（1）防腐蚀防腐蚀型的化学转化膜主要用于以下两种情况：一是对工件有一般的防锈要求，如涂防锈油等，转化膜作为底层，很薄时即可应用；二是对工件有较高的耐蚀性要求，工件又不受挠曲、冲击等外力作用，转化膜要求均匀致密，且以厚者为佳。

大部分的机器设备都是在大气环境中工作的。因此受大气的侵蚀很严重，特别是在南方，许多金属工件，特别是钢铁材料及其工件，锌、镁、铝等有色金属制品都很快腐蚀生锈，表面变质变色而破坏。有许多金属表面经化学转化后，提高了抗大气腐蚀的性能，起到良好的保护作用。例如钢铁工件经氧化处理（发黑或发蓝）后，表面变得又黑又亮，不但可以耐一般的大气腐蚀，还可以对抗手汗、暂时性的雨淋等环境作用，如枪炮身、许多紧固性的工件、机器外壳都是通过化学氧化处理进行防护的。又例如铝合金建筑型材经过阳极氧化处理后，可大大提高其耐蚀性，表面不易因受腐蚀而变色，能长期保持其表面的光亮度及所具有的色泽。锌合金制成的工件或各种工件的锌镀层，经过铬酸盐转化生成钝化膜后，其表面的抗大气腐蚀性能得以增强，同样能较长时间保持其表面色泽及完整。

如果金属制品只要求进行一般的防锈处理，则化学转化膜可以薄些并涂些防锈油，即可解决问题。而对于有较高的防腐蚀要求，又不能受挠曲、冲击等外力作用的工件，化学转化膜的厚度应适当增加，并且要求膜层均匀致密。

（2）耐磨减摩某些化学转化膜除了能耐大气等环境介质的侵蚀，也具有一定的耐磨性，而且有些化学转化膜特别耐磨。此类耐磨型的化学转化膜被广泛应用于金属与金属面互相摩擦的部位。例如铝合金的硬质阳极氧化膜，其硬度与耐磨性与镀硬铬接近。另外金属上的磷酸盐膜有很小的摩擦因数，可以减少金属之间的摩擦力。同时这类磷酸盐膜还有良好的吸油性能，吸油后可以在金属的接触面上产生一层缓冲层，也阻隔了腐蚀介质的侵蚀，从化学和机械等方面保护了工件的金属基体，从而减少了工件的磨蚀。

（3）绝缘功能具有绝缘功能的化学转化膜大多是电的不良导体，很早以前就已经有利用磷酸盐膜作为硅钢片绝缘层的例子，这种绝缘功能膜的特点就是占空系数小，而且耐热性好，在冲裁加工时可以减少模具的磨损，阳极氧化膜可以作为铝导线的耐高温绝缘层。铝制成的电线经阳极氧化后，既可以提高它的耐大气及湿气的性能，又可以提高它的外表绝缘性，具有防护绝缘的双重功能。用溶胶⁃凝胶法制得的膜层，目前多数是功能性的。在工程或机械的结构设计中，必须考虑到两种不同金属的工件接触时，产生电偶腐蚀的可能性，化学转化膜的应用可避免电偶腐蚀的发生，可以将两种金属绝缘。

（4）塑性加工中的作用先将金属材料表面进行磷酸盐处理成膜，然后再进行塑性加工。在金属的冷加工中，化学转化膜有十分广泛的用途。采用这种方法对钢材进行拉拔加工时，可以减少拉拔力，延长拉拔模具的寿命，减少拉拔的次数。因为它可以同时起到润滑和减摩的作用，从而允许工件在较高负荷的情况下工作。

（5）防护底层的应用化学转化膜用在金属制品的防护上时，大多数情况是同其他防护层联合组成多元的防护层系统，也有人称之为综合防护或联合防护。在这种多元防护系统中主要是作为防护底层。其作用一方面是使表面的防护层与金属基体结合良好；另一方面又可以在表面防护层局部损坏或被腐蚀介质蚀穿时，保护着金属的基体，免遭介质对金属基体的直接腐蚀，防止发生于表面防护层底下的金属腐蚀扩展。例如，以前的铝合金建筑型材主要是通过阳极氧化处理，使其表面产生阳极膜，达到既耐蚀又美观的目的。近年来，随着生活水平的提高，人们已不满足于这样的简单处理，在阳极氧化处理后，在阳极膜的表面上喷涂固体粉末涂料，使铝合金型材组成了多元的防护装饰系统，进一步提高了铝型材的性能与质量，深受广大用户的欢迎。

化学转化膜作为多元防护系统的底层时，主要是作为涂装的底层，如家用电器的铁壳，都是先进行磷化，使其生成一层耐蚀性良好，又对涂料有高附着力的磷化膜底层。然后再喷涂有色的固体粉末涂料或喷漆涂装。作为涂装底层的化学转化膜，要求膜层致密，质地均匀，晶粒细小，膜层的厚度适中。化学转化膜在涂装工业上已广泛应用。

化学转化膜在某些特定的情况下，也可用作金属镀层的底层。例如钛和铝及铝合金在电镀上的难题是表面极易钝化，因而导致镀层同基材的结合力差，容易脱层或者镀不上。采用有适当膜孔结构的化学转化膜作为底层，可使镀层同基材牢固地结合，是电镀易钝化金属时采用的有效方法之一。

（6）装饰用途化学转化膜随着膜的组成成分不同，将显现出不同的颜色，有些构成转化膜的化合物是有颜色的，因此是有色转化膜。有些膜层是无色透明的。但在光的干涉下，不同厚度的膜也可显示不同的颜色，因此化学转化膜依靠它自身的装饰外观，用在各种金属制品的外观装饰上，特别是在日用工业制品上得到了广泛的应用。此外，有些化学转化膜虽然不能自身显色，但膜上有多孔性、能够吸附不同颜色的无机或有机染料，也可以使产品通过转化膜的染色而达到装饰的目的。

（7）其他作用如化学转化膜的吸光性或反光性、染色性等。

综合上述，目前几乎所有工业上使用的金属及镀层金属，如铁、铜、铝、锌、镉、锡、铅、镁、钛及其合金，均有可能生成转化膜。目前，铬酸盐处理和磷酸盐处理已经成为钢铁材料及制品、镀锌钢板、镀锌工件及锌合金制品等生产中的重要工序。阳极氧化处理也已成为铝及铝合金，镁、钛及其合金，以及不锈钢材产品的重要生产过程及工序。通过各种转化膜处理，使各类金属产品提高了耐蚀性、耐磨性、表面硬度或润滑性能及绝缘性等各种物理力学性能，在着色装饰方面也显示了它的重要作用。

化学转化膜的防护性能及用途优化方案

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