金屬鍍層的特點及應用

2023-01-02 10:18:06 字數 5291 閱讀 8067

鍍鋅1.名稱: 鍍鋅.

2.特點:

鋅在乾燥空氣中,比較穩定,不易變色,在水中及潮濕大氣中則與氧或二氧化碳作用生成氧化物或鹼性碳酸鋅薄膜, 可以防止鋅繼續氧化.起保護作用.

鋅在酸及鹼、硫化物中極易遭受腐蝕.

鍍鋅層一般都要經鈍化處理, 在鉻酸或在鉻酸鹽液中鈍化後, 由於形成的鈍化膜不易與潮濕空氣作用, 防腐能力大大加強.

對彈簧零件,薄壁零件(壁厚<0.5mm)和要求機械強度較高的鋼鐵零件,必須進行除氫,銅及銅合金零件可不除氫.

鍍鋅成本低、加工方便、效果良好.

鋅的標準電位較負, 所以鋅鍍層對很多金屬均為陽極性鍍層.

3.應用:在大氣條件和其他良好環境中使用的鋼鐵零件普遍使用鍍鋅.但不宜作摩擦零件的鍍層.

鍍鎘1.名稱: 鍍鎘.

2.特點:在海洋性的大氣或海水接觸的零件及在70℃以上的熱水中,鎘鍍層比較穩定,耐蝕性強,潤滑性好,在稀鹽酸中溶解很慢,但在硝酸裡卻極易溶解, 不溶於鹼,它的氧化物也不溶於水.

鎘鍍層比鋅鍍層質軟, 鍍層的氫脆性小, 附著力強,而且在一定電解條件下,所得到的鎘鍍層比鋅鍍層美觀.

但鎘在熔化時所產生的氣體有毒, 可溶性鎘鹽也有毒.

在一般條件下,鎘為鋼鐵為陰性鍍層,在海洋性和高溫大氣中為陽極鍍層.

3.應用:它主要用來保護零件免受海水或與海水相類似的鹽溶液以及飽和海水蒸汽的大氣腐蝕作用.

航空、航海及電子工業零件、彈簧、螺紋零件,很多都用鍍鎘.

可以拋光、磷化和作油漆底層,但不能作食具.

鍍鉻1.名稱: 鍍鉻.

2.特點:鉻在潮濕的大氣中、鹼、硝酸、硫化物、碳酸鹽的溶液中以及有機酸中非常穩定,易溶於鹽酸及熱濃的硫酸.

在直流電的作用下, 如鉻層作為陽極則容易溶於苛性鈉溶液.

鉻層附著力強 ,硬度高 ,hv800-1000,耐磨性好,光反射性強,同時還有較高的耐熱性,在480℃以下不變色,500℃以上開始氧化,700℃則硬度顯著下降.

其缺點是硬、脆,容易脫落,當受交變的衝擊負荷時更為明顯.並具有多孔性.

金屬鉻在空氣中容易鈍化生成鈍化膜,因而改變了鉻的電位. 因此鉻對鐵就成了陰極鍍層.

3.應用:在鋼鐵零件表面直接鍍鉻作防腐層是不理想的, 一般是經多層電鍍(鍍銅→鎳→鉻)才能達到防鏽、裝飾的目的.

目前廣泛應用在為提高零件的耐磨性、修復尺寸、光反射以及裝飾等方面.

松孔鍍鉻

1.名稱: 松孔鍍鉻.

2.特點:松孔鍍鉻是耐磨鍍鉻的一種特殊形式,它與一般鍍鉻的明顯區別, 即在鍍鉻層的表面上產生網狀溝紋或點狀孔隙.

目的是為了儲存足夠的潤滑油, 以改善摩擦條件,減少兩摩擦面的金屬接觸,提高耐磨性.

3.應用:廣泛應用於內燃機的氣缸、氣缸套、活塞環、活塞銷以及上述零件磨損後的修復等方面.

鍍銅1.名稱: 鍍銅.

2.特點:銅在空氣中不太穩定,易於氧化,在加熱過程中尤甚.

同時具有較高的正電位, 不能很好地防護其他金屬不受腐蝕, 但銅具有較高的導電性,銅鍍層緊密細緻,與基體金屬結合牢固,有良好的拋光效能等.

銅比鐵的電位較高. 對鐵來說是陰極性鍍層.

3.應用:銅鍍層很少用作防護性鍍層.

一般是用來提高其他材料的導電性,作其他電鍍的底層,防止滲碳的保護層,在軸瓦上用來減少摩擦或作裝飾等.

鍍鎳1.名稱: 鍍鎳.

2.特點:鎳在大氣和鹼液中化學穩定性好,不易變色,在溫度600℃以上時,才被氧化.

在硫酸和鹽酸溶液中溶解很慢,但易溶於稀硝酸.

在濃硝酸中易鈍化,因而具有好的耐腐蝕性能.

鎳鍍層硬度高、易於拋光、有較高的光的反射性並可增加美觀.

其缺點是具有多孔性, 為克服這一缺點,可採用多層金屬鍍層,而鎳為中間層.

鎳對鐵為陰性鍍層,對銅為陽極性鍍層.

3.應用:通常為了防止腐蝕和增加美觀用,所以一般用於保護一裝飾性鍍層上,銅製品上鍍鎳防腐較為理想.但由於鎳比較貴重,多用銅錫合金代替鍍鎳.

鍍錫1.名稱: 鍍錫.

2.特點:錫具有較高的化學穩定性,在硫酸、硝酸、鹽酸的稀溶液中幾乎不溶解,在加熱的條件下,錫緩慢地溶於濃酸中.

在濃、熱的溶液中溶解並生成錫酸鹽.

硫化物對錫不起作用.錫在有機酸中也很穩定,其化合物無毒.錫的焊接性很好.

在一般條件下,錫鍍層對鐵屬於陰極性鍍層,對銅則屬於陽極性鍍層.

3.應用:廣泛用於食品工業的容器上和航空、航海及無線電器材的零件上. 還可以用來防止銅導線不受橡膠中硫的作用, 及作為非滲氮表面的保護層.

鍍鉛1.名稱: 鍍鉛.

2.特點:鉛在硫酸、二氧化硫及其它硫化物和硫酸鹽中不受腐蝕,但在高溫(>200℃)的濃硫酸中及濃鹽酸中則發生強烈的腐蝕,在稀鹽酸中反應緩慢,在有機酸—醋酸、乳酸、草酸中比較穩定.

3.應用:在化學工業中應用較多, 如加熱器、結晶器、真空蒸發器等內壁鍍鉛.

鍍銅錫合金

1.名稱: 鍍銅錫合金.

2.特點:電鍍銅錫合金是在零件上鍍銅錫合金後,不必鍍錫,而直接鍍鉻.

對於鋼製零件用低錫青銅(含錫5-15%),對於銅及銅合金零件用高錫青銅 (含錫約38%以上).

低錫青銅鍍層防腐能力良好,其物理、力學效能和工藝效能比中錫(含錫15-25%)及高錫青銅鍍層好.

3.應用:鎳是一種比較稀少而貴重的金屬, 目前在電鍍工業上廣泛採用電鍍銅錫合金來代替鍍鎳.

真空鍍膜:

一種產生薄膜材料的技術。在真空室內材料的原子從加熱源離析出來打到被鍍物體的表面上。此項技術用於生產雷射唱片(光碟)上的鋁鍍膜和由掩膜在印刷電路板上鍍金屬膜。

在真空中製備膜層,包括鍍製晶態的金屬、半導體、絕緣體等單質或化合物膜。雖然化學汽相沉積也採用減壓、低壓或等離子體等真空手段,但一般真空鍍膜是指用物理的方法沉積薄膜。真空鍍膜有三種形式,即蒸發鍍膜、濺射鍍膜和離子鍍。

蒸發鍍膜通過加熱蒸發某種物質使其沉積在固體表面,稱為蒸發鍍膜。這種方法最早由m.法拉第於2023年提出,現代已成為常用鍍膜技術之一。蒸發鍍膜裝置結構如圖1。

蒸發物質如金屬、化合物等置於坩堝內或掛在熱絲上作為蒸發源,待鍍工件,如金屬、陶瓷、塑料等基片置於坩堝前方。待系統抽至高真空後,加熱坩堝使其中的物質蒸發。蒸發物質的原子或分子以冷凝方式沉積在基片表面。

薄膜厚度可由數百埃至數微公尺。膜厚決定於蒸發源的蒸發速率和時間(或決定於裝料量),並與源和基片的距離有關。對於大面積鍍膜,常採用旋轉基片或多蒸發源的方式以保證膜層厚度的均勻性。

從蒸發源到基片的距離應小於蒸氣分子在殘餘氣體中的平均自由程,以免蒸氣分子與殘氣分子碰撞引起化學作用。蒸氣分子平均動能約為0.1~0.

2電子伏。

蒸發源有三種型別。①電阻加熱源:用難熔金屬如鎢、鉭製成舟箔或絲狀,通以電流,加熱在它上方的或置於坩堝中的蒸發物質(圖1[蒸發鍍膜裝置示意圖]

)電阻加熱源主要用於蒸發cd、pb、ag、al、cu、cr、au、ni等材料。②高頻感應加熱源:用高頻感應電流加熱坩堝和蒸發物質。

③電子束加熱源:適用於蒸發溫度較高(不低於2000[618-1])的材料,即用電子束轟擊材料使其蒸發。

蒸發鍍膜與其他真空鍍膜方法相比,具有較高的沉積速率,可鍍製單質和不易熱分解的化合物膜。

為沉積高純單晶膜層,可採用分子束外延方法。生長摻雜的gaalas單晶層的分子束外延裝置如圖2[ 分子束外延裝置示意圖

]。噴射爐中裝有分子束源,在超高真空下當它被加熱到一定溫度時,爐中元素以束狀分子流射向基片。基片被加熱到一定溫度,沉積在基片上的分子可以徙動,按基片晶格次序生長結晶用分子束外延法可獲得所需化學計量比的高純化合物單晶膜,薄膜最慢生長速度可控制在1單層/秒。

通過控制擋板,可精確地做出所需成分和結構的單晶薄膜。分子束外延法廣泛用於製造各種光整合器件和各種超晶格結構薄膜。

濺射鍍膜用高能粒子轟擊固體表面時能使固體表面的粒子獲得能量並逸出表面,沉積在基片上。濺射現象於2023年開始用於鍍膜技術,2023年以後由於提高了沉積速率而逐漸用於工業生產。常用的二極濺射裝置如圖3[ 二

極濺射示意圖]。通常將欲沉積的材料製成板材──靶,固定在陰極上。基片置於正對靶面的陽極上,距靶幾厘公尺。

系統抽至高真空後充入 10~1帕的氣體(通常為氬氣),在陰極和陽極間加幾千伏電壓,兩極間即產生輝光放電。放電產生的正離子在電場作用下飛向陰極,與靶表面原子碰撞,受碰撞從靶面逸出的靶原子稱為濺射原子,其能量在1至幾十電子伏範圍。濺射原子在基片表面沉積成膜。

與蒸發鍍膜不同,濺射鍍膜不受膜材熔點的限制,可濺射w、ta、c、mo、wc、tic等難熔物質。濺射化合物膜可用反應濺射法,即將反應氣體 (o、n、hs、ch等)加入ar氣中,反應氣體及其離子與靶原子或濺射原子發生反應生成化合物(如氧化物、氮化物等)而沉積在基片上。沉積絕緣膜可採用高頻濺射法。

基片裝在接地的電極上,絕緣靶裝在對面的電極上。高頻電源一端接地,一端通過匹配網路和隔直流電容接到裝有絕緣靶的電極上。接通高頻電源後,高頻電壓不斷改變極性。

等離子體中的電子和正離子在電壓的正半周和負半周分別打到絕緣靶上。由於電子遷移率高於正離子,絕緣靶表面帶負電,在達到動態平衡時,靶處於負的偏置電位,從而使正離子對靶的濺射持續進行。採用磁控濺射可使沉積速率比非磁控濺射提高近乙個數量級。

離子鍍蒸發物質的分子被電子碰撞電離後以離子沉積在固體表面,稱為離子鍍。這種技術是d.麥托克斯於2023年提出的。

離子鍍是真空蒸發與陰極濺射技術的結合。一種離子鍍系統如圖4[離子鍍系統示意圖],將基片臺作為陰極,外殼作陽極,充入惰性氣體(如氬)以產生輝光放電。從蒸發源蒸發的分子通過等離子區時發生電離。

正離子被基片台負電壓加速打到基片表面。未電離的中性原子(約佔蒸發料的95%)也沉積在基片或真空室壁表面。電場對離化的蒸氣分子的加速作用(離子能量約幾百~幾千電子伏)和氬離子對基片的濺射清洗作用,使膜層附著強度大大提高。

離子鍍工藝綜合了蒸發(高沉積速率)與濺射(良好的膜層附著力)工藝的特點,並有很好的繞射性,可為形狀複雜的工件鍍膜。

濺射(sputtering)是pvd薄膜製備技術的一種,主要分為四大類:直流濺射、交流濺射、反應濺射和磁控濺射。

原理:用帶電粒子轟擊靶材,加速的離子轟擊固體表面時,發生表面原子碰撞並發生能量和動量的轉移,使靶材原子從表面逸出並澱積在襯底材料上的過程。以荷能粒子(常用氣體正離子)轟擊某種材料的靶面,而使靶材表面的原子或分子從中逸出的現象。

磁控濺射原理:電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發生碰撞,電離出大量的氬離子和電子,電子飛向基片。氬離子在電場的作用下加速轟擊靶材,濺射出大量的靶材原子,呈中性的靶原子(或分子)沉積在基片上成膜。

二次電子在加速飛向基片的過程中受到磁場洛侖磁力的影響,被束縛在靠近靶面的等離子體區域內,該區域內等離子體密度很高,二次電子在磁場的作用下圍繞靶面作圓周運動,該電子的運動路徑很長,在運動過程中不斷的與氬原子發生碰撞電離出大量的氬離子轟擊靶材,經過多次碰撞後電子的能量逐漸降低,擺脫磁力線的束縛,遠離靶材,最終沉積在基片上。

化學氣相沉積(cvd)是半導體工業中應用最為廣泛的用來沉積多種材料的技術,包括大範圍的絕緣材料,大多數金屬材料和金屬合金材料。從理論上來說,它是很簡單的:兩種或兩種以上的氣態原材料匯入到乙個反應室內,然後他們相互之間發生化學反應,形成一種新的材料,沉積到晶元表面上。

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