常见表面处理技术知识
表面技术主要有三大类，每类又可分为多种技术。下面就几种常见的利用化学或物理化学原理的表面技术及其应用作简单介绍。
1.油漆
油漆（）是用来在物体表面形成涂覆膜，从而起保护、装饰标记和其他特殊功能（如绝缘、防污、减阻、隔热、抗辐射、导电、电磁等）的材料。
很早以前，油漆就是用植物油和天然树脂制成的，所以一般称为涂料。1790年，英国建立了第一家油漆厂。随着工业的发展，合成树脂逐渐取代了植物油，所以现在涂装表面的各种材料统称为涂料。涂料作为一个工业部门，只有百年的历史，但应用却十分广泛。在我们身边，可以说涂料无处不在，从室内的墙面、冰箱、橱柜、家具，甚至录音录像带、光盘上，到室外的房屋、汽车、船舶、桥梁、饮料罐、口香糖包装上，无不可见。目前，涂料市场规模约600亿美元。改革开放20多年来，我国涂料产量年增长率约10%，目前产能已超过250万吨，产量居世界第三位。下面就涂料的组成、分类、成膜基本原理等作一简单介绍。
涂料成分
涂料的组成按其作用包括四部分：成膜物质、颜料、溶剂和添加剂。
成膜物质：是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，有时也称基料或涂料，主要包括油脂酯类、天然树脂、天然聚合物和合成树脂等。
颜料：颜料通常是固体粉末，虽然它本身不能形成薄膜，但始终存留在涂膜中，可使涂膜呈现色彩，具有遮盖力，还可增强涂膜的耐老化、耐磨性能，增强涂膜的防腐防污能力。颜料的种类很多，有钛白粉（TiO2）、锌白（氧化锌）等白色颜料，炭黑、黑色氧化铁（Fe3O4）等黑色颜料，铬黄（）、铁红（Fe2O3）、铁蓝（普鲁特蓝FeK[Fe(CN)6]•H2O）等彩色颜料，还有铝粉（俗称银粉）等金属颜料，磷酸锌等防锈颜料等。除这些外，还有大量的有机颜料。
溶剂：溶剂加入涂料中是为了溶解或分散成膜物质，降低成膜物质的粘度，使得涂装均匀，且不含有有机溶剂和水。
助剂：涂料中助剂的使用越来越多，它们的用量往往很小，占总配方的百分之几甚至千分之几，但往往对改善性能、延长贮存期、扩大应用范围、方便施工等起着很大的作用，包括干燥剂、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。
涂层的分类
涂料经过长期的发展，种类十分复杂，用途也各有不同，分类方法也很多，下面主要介绍三种：
按主要成膜物质可分为有机涂料和无机涂料，有机涂料按成膜树脂种类可分为醇酸涂料、环氧涂料、丙烯酸涂料等。
按溶剂种类可分为溶剂型涂料(以有机溶剂为分散剂，又分低固含量和高固含量)、水性涂料(以水为溶剂)、粉末涂料、辐射固化涂料等。涂料未来的发展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，将继续向高固含量、水性、粉末和辐射固化涂料方向发展；二是向更加功能化方向发展，各种功能性特种涂料产品将不断问世。表1是世界主要工业化地区涂料产品结构。
涂料按用途可分为建筑涂料、产品涂料和专用涂料三类。建筑涂料主要包括用于装饰和保护建筑物内外墙的涂料，约占涂料总量的50%，其中乳胶漆占70%以上。产品涂料通常也称工业漆，是在汽车、家电、电磁线、飞机、家具、金属罐等工厂内涂装的涂料，约占涂料总产量的30%。 剩下的20%左右是特种涂料，指的是工业涂料和一些其他在工厂外部应用的涂料，例如防火涂料、防水涂料、耐高温腐蚀陶瓷涂料、示温涂料、导电涂料、磁性涂料、道路标线涂料、防霉杀虫涂料、耐磨涂料、海洋重防腐涂料等。特种涂料既要满足国防尖端产品和高新技术发展的特殊需要，又要满足国民经济各个部门新发展的特殊要求。
涂膜形成的基本原理
生产和使用涂料的目的是为了得到符合要求的涂层。涂膜成膜过程的好坏直接影响到兴翻盖能否充分发挥预期的效果和所得到的涂层的各种性能能否充分显示出来。涂料固化机理一般有三种。
物理机理干燥是通过涂料中的涂膜本体（溶剂或分散相）的蒸发，使涂料干燥成硬干星岛草地的过程，干燥过程中聚合物不发生化学反应。
油漆与空气会发生反应，交联固化，因此在储存过程中，油漆罐必须密封良好，与空气隔绝。
涂料组分间发生反应的交联固化涂料在储存过程中必须保持稳定。可以采用双组分包装涂装方式，也可以选用常温下不发生反应，只在高温或受辐射时发生反应的组分。例如紫外光固化涂料是一种单组分、无溶剂的涂料。涂装时，液态涂料在紫外光照射下，在零点几秒到几十秒内就会固化成膜。
近年来，研究人员正在开发联合固化技术，该技术将几种固化技术结合起来，以克服单一固化技术的不足。
2. 电化学和化学沉积
在电化学和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
电镀是应用电解作用将一种金属覆盖在另一种金属表面的工艺过程，需要在电解槽中进行。其工艺过程是将已除油除锈的金属镀件作为阴极，被镀金属作为阳极，以被镀金属的盐溶液作为电解液，接通电源后进行电解。如电镀锌、电镀铜等。为使镀层结晶细密、厚度均匀、与基体结合牢固，电镀液通常不能采用单纯的金属盐溶液，而要采用形成络合物的溶液。如镀锌时通常采用碱性锌酸盐或氰化锌作为电解液。
近年来逐渐流行的合金电镀，如黄铜电镀（铜锌合金）、可焊合金（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，其基本原理是通过加入配体生成不同的配合物来控制溶液中不同金属离子的浓度，使电极电位代数值较大的金属离子浓度稍低，而电极电位代数值较小的离子浓度较高，使不同金属离子具有相等或相近的电位，这样多种金属离子在阴极区同时获得电子，同时沉积在以阴极为工件表面，形成合金镀层。
刷镀
刷镀是近年来发展起来的修复机械零件的新技术。它的基本原理与电镀相同，但不采用镀槽，而是用棉套裹住阳极（称为镀笔），浸入电解液。刷镀时，接通电源后，浸在镀液（即电解液）中的镀笔直接与工件（阴极）接触。在阳极与阴极的相对运动中，便可获得镀层，而且随着刷镀时间的增加，镀层变厚。只不过是用镀笔浸泡脱脂或除锈液进行处理。刷镀主要用于磨损或加工后的零件的修复，也可用于印刷电路板、电接点的维修与保护。由于刷镀技术能以极低的成本修复高价值机械的局部破损零件，因此被誉为“机械复活技术”而得到广泛应用。
化学镀
化学镀是在不借助外加电源的情况下，通过受控的化学还原作用，在金属表面进行金属沉积的过程。由于不借助外加电源，所以又称为无电解镀（ ，Non）。由于该反应必须在自催化材料表面进行，美国材料与试验协会建议使用自催化镀（ ，简称“自催化镀”）这一术语。由于金属沉积过程是一种被动的化学反应，所以把这种金属沉积过程称为“化学镀”最为合适，这样才能够充分体现出该工艺的本质。因此，“无电解镀”和“ ”这两个词含义相同。目前，“化学镀”这一术语已被国内外大家所认可和采用。
化学镀的历史比较短，最早的化学镀镍是1946年美国标准局发明的。化学镀镍一问世，立刻引起了人们的关注，但直到近20年，化学镀镍才真正受到工业界的广泛重视。自20世纪80年代以来，随着电子、计算机、石油化工、汽车等工业的飞速发展，化学镀镍一直以每年15%以上的增长率发展。目前，化学镀镍已广泛应用于几乎所有的工业部门，成为近年来表面技术领域发展最快的工艺之一。
化学镀不是固、液两相界面处金属原子、离子的交换，而是通过液相中的还原剂R，将液体离子Mn+还原沉积在金属表面或其他材料表面：
M^(n+)+R(→┴表面催化) M+R^(n+)
化学镀过程必须有催化剂。基材往往能起到催化剂的作用，但当基材被完全覆盖时，催化剂就只能是沉积金属本身，才能继续进行沉积过程。因此，化学镀可以说是一种可控的、自催化的沉积金属的化学反应过程。化学镀层的厚度与时间成正比，理论上认为可以产生很厚的沉积层。
能够进行化学镀的溶液必须含有以下物质：
需要镀层的元素来源——通常是金属盐；
把待镀金属离子还原为单一物质的还原剂；
为了保持化学溶液的稳定性，需要添加一种或多种络合剂。它们与要镀的金属离子形成络合物，并防止形成氢氧化物和亚磷酸盐沉淀。
它含有维持电镀液pH值恒定的缓冲剂和提高电镀液稳定性、增加电镀液寿命的稳定剂。
以目前应用最为广泛的化学镀镍磷合金为例，其金属盐一般为硫酸镍，常用的还原剂为次磷酸钠（）。用次磷酸钠作还原剂的化学镀镍层不仅含有镍，还含有一部分磷，形成Ni-P合金，所以称为化学镀Ni-P合金。所谓化学镀镍，其实就是化学镀Ni-P合金。
化学镀前处理与电镀相同，也需进行除油、除锈等处理，一般工艺流程如下：
清洗→脱脂→水洗→酸蚀→水洗→化学镀→水洗→镀后处理
脱脂的目的是除去机械加工或贮存过程中残留在工件表面的润滑油、防锈油、抛光膏等油脂或污物，避免造成镀层不均或漏镀。脱脂方法主要有有机溶剂脱脂、碱性脱脂、电化学脱脂、乳化剂脱脂、超声波脱脂等。
酸蚀又称酸洗，是将金属工件浸入酸或酸性溶液中，以除去金属表面的氧化膜、氧化皮和铁锈等工艺过程。镀件经前处理后，即可放入化学镀液中进行电镀。
化学镍磷层与电镀相比有以下优点：
A、具有良好的全镀能力及深镀能力，能在开关的复杂表面镀出均匀厚度的镀层；包括盲孔、深孔部位及深宽比很大的管材，具有“通孔透底”的特点。
B：镀层致密，孔隙少；
C 无需电源，设备简单，操作方便；
D 除金属外，还可镀在其他非金属表面；
E非晶态合金，镀镍层具有特殊的机械、物理和化学性能，其硬度指标远远超过电镀镍，并具有很高的耐磨性和耐腐蚀性。
F 涂层与基材具有良好的附着力。
虽然我国化学镀技术的应用步伐也很快，但由于起步较晚，我国化学镀镍的最大用户仍然是采油工业和石油化工工业，与国际水平还有很大差距，一个巨大的市场等待我们去开发。
除化学镀镍磷合金外，还有其他镀层类型，例如化学镀铜、化学镀钴、化学镀贵金属、化学镀多金属、化学复合镀等，这里就不详细介绍了。
3. 表面改性
表面改性技术有很多种，这里仅介绍阳极氧化和化学热处理的原理及应用。
阳极氧化
有些金属在空气中能形成一层氧化保护膜，使内部的金属在正常情况下发生腐蚀。例如铝及其合金表面容易形成一层很薄的氧化膜（0.01-1μm），在大气中有一定的耐蚀性，但由于这层氧化膜是非晶态的，使铝件表面失去原有的光泽。加之氧化膜疏松多孔，凹凸不平，耐蚀性弱，易沾污，所以铝及其合金制品通常需进行氧化处理。
阳极氧化是一种电化学氧化处理方法，是将金属放在电解液中作为阳极，使金属表面生成一层几十到几百微米的氧化膜的过程，这种氧化膜比金属在空气中自然氧化所形成的氧化膜具有更好的耐腐蚀性和耐磨性。
例如，在铝及其合金的阳极氧化处理中，以工件作为阳极，另一块铝板作为阴极，以稀硫酸（或铬酸）溶液作为电解液。通电后，发生下列电解反应：
阳极（工件）：
2Al+6OH-(aq) = Al2O3+3H2O+6e （主反应）
4OH-(aq) = 2H2O + 2O2(g) + 4e（二次反应）
阴极：2H+ + 2e = H2
从而在铝及其合金工件表面生成一层Al2O3氧化膜，该氧化膜与铝基体牢固地结合。
化学热处理
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，使一种或多种元素渗入其表层，改变其化学成分、组织和性能的工艺过程。化学热处理种类繁多，包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼及不同金属的渗入等。这种工艺不仅可对材料进行保护和强化，提高耐腐蚀、耐磨、抗氧化和抗疲劳性能，还可以根据需要赋予材料及其制品光学、磁性、隔热、装饰等多种功能，还可以为高新技术和新产品的开发提供一系列新材料和复合金属板材。
下面以渗碳为例简单介绍一下化学热处理的基本原理。
渗碳是碳原子渗入金属表面形成金属碳化物的过程。渗碳的工作介质很多，但渗碳过程包括三个基本步骤：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在渗碳炉中在高温1173～120K下经过一系列反应生成活性碳原子；②活性碳原子被金属表面吸附；③碳原子扩散到金属内层形成渗碳层。
4.化学气相沉积
化学气相沉积是将金属碳化物、氮化物、硼化物或氧化物直接沉积在金属材料表面的工艺方法。例如在钢制工件上沉积TiC的化学气相沉积工艺中，可在氢气载体下将TiC4蒸气通入装有工件的高温（一般为900-1200℃）反应器中，与碳氢化合物发生一系列反应，最终生成TiC沉积在工件表面。
化学气相沉积的目的与化学热处理类似，但化学气相沉积产生的沉积层具有与基体金属结合力强、沉积层厚度均匀、组织致密、质量稳定等优点。此外，该类沉积层还具有类似润滑油墨的功能。因此，可作为无油润滑减摩层，大大减少工件的磨损。
随着化学气相沉积和激光辅助化学气相沉积的出现，沉积工作温度逐渐升高，可沉积材料的种类不断扩大，沉积层性能范围也逐渐扩大。可以说表面技术已经发展到了不仅可以改变物体表面的化学成分和组织结构，而且可以赋予物体一个全新的表面的地步。更令人印象深刻的是，可以根据性能要求任意选择沉积层。