八種常見金屬材料及表面處理工藝
八種常見金屬材料及表面處理工藝
1鑄鐵——流動性
下水道蓋子作為我們日常生活環境中不起眼的一部分，很少會有人留意它們。鑄鐵之所以會有如此大量而廣泛的用途，主要是因為其出色的流動性，以及它易于澆注成各種復雜形態的特點。鑄鐵實際上是由多種元素組合的混合物的名稱，它們包括碳、硅和鐵。其中碳的含量越高，在澆注過程中其流動特性就越好。碳在這里以石墨和碳化鐵兩種形式出現。
鑄鐵中石墨的存在使得下水道蓋子具有了優良的耐磨性能。鐵銹一般只出現在最表層，所以通常都會被磨光。雖然如此，在澆注過程中也還是有專門防止生銹的措施，即在鑄件表面加覆一層瀝青涂層，瀝青滲入鑄鐵表面的細孔中，從而起到防銹作用。生產砂模澆注材料的傳統工藝如今被很多設計師運用到了其他更新更有趣的領域。
材料特性：優秀的流動性、低成本、良好的耐磨性、低凝固收縮率、很脆、高壓縮強度、良好的機械加工性。
典型用途：鑄鐵已經具有幾百年的應用歷史，涉及建筑、橋梁、工程部件、家居、以及廚房用具等領域。
2不銹鋼——不銹的愛
不銹鋼是在鋼里融入鉻、鎳以及其他一些金屬元素而制成的合金。其不生銹的特性就是來源于合金中鉻的成分，鉻在合金的表面形成了一層堅牢的、具有自我修復能力的氧化鉻薄膜，這層薄膜是我們肉眼所看不見的。我們通常所提及的不銹鋼和鎳的比例一般是18：10?！安讳P鋼”一詞不僅僅是單純指一種不銹鋼，而是表示一百多種工業不銹鋼，所開發的每種不銹鋼都在其特定的應用領域具有良好的性能。
20世紀初，不銹鋼被引入到產品設計領域中，設計師們圍繞著它的堅韌和抗腐蝕特性開發出許多新產品，涉及到了很多以前從未涉足過的領域。這一系列設計嘗試都是非常具有革命性的：比如，消毒后可再次使用的設備首次出現在醫學產業中。
不銹鋼分為四大主要類型：奧氏體、鐵素體、鐵素體-奧氏體(復合式)、馬氏體。家居用品中使用的不銹鋼基本上都是奧氏體。
材料特性：衛生保健、防腐蝕、可進行精細表面處理、剛性高、可通過各種加工工藝成型、較難進行冷加工。
典型用途：在常用的原色不銹鋼中，奧氏體不銹鋼是最合適的著色材料，可以得到令人滿意的彩色外觀及造型。奧氏體不銹鋼主要應用于裝飾建材、家居用品、工業管道以及建筑結構中;馬氏體不銹鋼主要用于制作刀具和渦輪刀片;鐵素體不銹鋼具有防腐蝕性，主要應用在耐久使用的洗衣機以及鍋爐零部件中;復合式不銹鋼具有更強的防腐蝕性能，所以經常應用于侵蝕性環境。
3鋅——一生中的730磅
鋅，閃著銀光又略帶藍灰色，它是繼鋁和銅之后第三種應用最廣泛的有色金屬。美國礦產局的一項統計顯示——一個普通人在其一生要消耗總共要消耗掉331千克的鋅。鋅的熔點很低，所以它也是一種非常理想的澆注材料。
鋅質鑄件在我們日常生活中十分常見：門把手表層表層下面的材料、水龍頭、電子元件等，鋅具有極高的防腐蝕性，這一特性使它具備了另外最基本的一項功能，即作為鋼的表面鍍層材料。除去以上這些功能之外，鋅還是與銅一起合成黃銅的合金材料。其抗腐蝕性并不僅僅應用于鋼表面鍍層——它也有助于增強我們人類的免疫系統。
材料特性：衛生保健、防腐蝕、優良的可鑄性、出色的防腐蝕性、高強度、高硬度、原材料廉價、低熔點、抗蠕變、易與其他金屬形成合金、具有保健性、常溫下易碎、100攝氏度左右具有延展性。
典型用途：電子產品元件。鋅是形成青銅的合金材料之一。鋅也有著清潔衛生以及抗腐蝕的特性。另外，鋅也被應用在屋頂材料，照片雕刻盤、移動電話天線以及照相機中的快門裝置。
4鋁(AL)——現代材料
相對于已經有9000年使用歷史的黃金而言，鋁，這種略帶藍光的白色金屬，實在只能算是金屬材料中的嬰兒。鋁于18世紀初問世并被命名。與其他金屬元素不同，鋁并不是以直接的金屬元素的形式存在于自然界中，而是從含50%氧化鋁(亦稱礬土)的鋁土礦中提煉出來的。以這種形態存在于礦物中的鋁也是我們地球上出量最豐富的金屬元素之一。
當鋁這種金屬最早出現的時候，它并沒有被立刻應用到人們的生活當中。后來，針對其獨特功能和特性的一批新產品逐漸問世，這種高科技材料也逐漸擁有越來越寬闊的市場。雖然鋁的應用歷史相對較短，但現在市面上鋁產品的產量已經遠遠超過了其他有色金屬產品的總和。
材料特性：柔韌可塑、易于制成合金、高強度-重量比、出色的防腐蝕性、易導電導熱、可回收。
典型用途：交通工具骨架、飛行器零部件、廚房用具、包裝以及家具。鋁也經常被用以加固一些大型建筑結構，比如倫敦皮卡迪利廣場上的愛神雕像，以及紐約克萊斯勒汽車大廈的頂部等，都曾用鋁質加固材料。
5鎂合金——超薄美學設計
鎂是極重要的有色金屬，它比鋁輕，能夠很好地與其他金屬構成高強度的合金，鎂合金具有比重輕、比強度和比剛度高、導熱導電性好、兼有良好的阻尼減震和電磁屏蔽性能、易于加工成型、容易回收等優點。但長期以來，由于受價格昂貴和技術方面的限制，鎂及鎂合金只少量應用于航空、航天及軍事工業，因而被稱為“貴族金屬”?，F今鎂是繼鋼鐵、鋁之后的第三大金屬工程材料，被廣泛地應用于航空航天、汽車、電子、移動通訊、冶金等領域?？梢灶A計，由于其它結構金屬生產成本的增加，金屬鎂在未來的重要性變得更大。
鎂合金比重為鋁合金的68%，鋅合金的27%，鋼鐵的23%，常用于汽車零件、3C產品外殼、建筑材料等。大多數超薄筆記本電腦和手機外殼采用鎂合金做外殼。自上世紀起，人類對金屬質感、光澤仍有不可抹減的愛戀，塑料產品雖然可以形成類金屬的外觀，但其光澤感、硬度、溫度、質感仍與金屬有差距。鎂合金作為一種新型的金屬原料，給人一種高科技品的感受。
鎂合金的耐腐蝕性是碳鋼的8倍，鋁合金的4倍，更是塑料的10倍以上，防腐能力是合金中最佳者。常用的鎂合金具有不可燃性，尤其是使用在汽機車零部件以及建筑材料上，可以避免瞬間的燃燒。鎂在地殼中的儲量居第8位，大部分的鎂原料自海水中提煉，所以它的資源是穩定充分的。
材料特性：輕量化的結構、剛性高且耐沖擊、優良的耐腐蝕性、良好的熱傳導性和電磁遮蔽、良好的不可燃性、耐熱性較差、易回收。
典型用途：廣泛應用于航空航天、汽車、電子、移動通訊、冶金等領域。
6銅——人類的伙伴
銅簡直就是一種讓人難以置信的萬用金屬，它與我們的生活如此密切相關。人類的許多早期工具和武器都是用銅制成的。它的拉丁名字“cuprum”起源于一個叫做Cyprus的地方，這是一個銅資源非常豐富的島嶼，人們用島的名字的縮寫Cu來給這種金屬材料命名，于是銅便有了現在的代號。
銅在現代社會中扮演著十分重要的角色：它被大量應用于建筑結構當中，作為傳輸電力的載體，另外，幾千年來它還一直被許多不同文化背景的人們作為制作身體裝飾品的原材料。從最初簡單的譯碼傳輸，到后來在復雜的現代通訊應用中扮演的關鍵角色，這種具有延展性、橘紅色的金屬一路伴隨著我們發展進步。銅是一種優良的導電體，其導電性能僅次于銀。從人們利用金屬材料的時間歷史這一點來說，銅則是僅次于金的為人類利用最悠久的金屬。這一點在很大程度上是因為銅礦很容易開采，而且銅業比較容易從銅礦中分離出來。
材料特性：很好的防腐蝕性、極好的導熱、導電性能、堅硬、柔韌、具延展性、拋光后、效果獨特。
典型用途：電線、發動機線圈、印刷電路、屋面材料、管道材料、加熱材料、首飾、炊具。它也是制作青銅的主要合金成分之一。
7鉻——高光潔度的后處理
鉻最為常見的存在形式是作為合金元素用于不銹鋼中，來增強不銹鋼的硬度。鍍鉻工藝通常分為三種類型：裝飾性鍍層、硬質鉻鍍層以及黑色鉻鍍層。鉻鍍層在工程領域中應用相當廣泛，裝飾性鉻鍍層通常作為最表層鍍于鎳層外面，鍍層具有精致細膩如鏡面一般的拋光效果。作為一道裝飾性后處理工序，鉻鍍層厚度僅為0.006毫米。在打算采用鉻鍍層工藝的時候，一定要充分考慮到這一工藝的危險性。近十年來，六價裝飾性鉻水被三價鉻水所取代的趨勢越來越明顯，因為前者具有非常強的致癌性，而后者則被認為毒性相對小一些。
材料特性：光潔度非常高、優良的防腐蝕性能、堅硬耐用、易于清洗、摩擦系數低。
典型用途：裝飾性鍍鉻是許多汽車元件的鍍層材料，包括車門把手以及緩沖器等，除此之外，鉻還應用于自行車零部件、浴室水龍頭以及家具、廚房用具、餐具等。硬質鍍鉻更多的用于工業領域，包括作業控制塊中的隨機存儲器、噴氣機發動機元件、塑料模具以及減震器等。黑色鍍鉻主要用于樂器裝飾以及太陽能利用方面。
8鈦——輕巧而結實
鈦是一種很特別的金屬，質地非常輕盈，卻又十分堅韌和耐腐蝕，在常溫下終身保持本身的色調。鈦的熔點與鉑金相差不多，因此常用于航天.軍工精密部件。加上電流和化學處理后，會產生不同的顏色。鈦有優異的抗酸堿腐蝕性在“王水”中浸泡了幾年的鈦，依舊锃亮，光彩照人。若把鈦加到不銹鋼中，只加百分之一左右，就大大提高抗銹本領。
鈦具有密度小、耐高溫、耐腐蝕等優良的特性，鈦合金密度是鋼鐵的一半而強度和鋼鐵差不多;鈦既耐高溫，又耐低溫。在-253℃~500℃這樣寬的溫度范圍內都能保持高強度。這些優點正是太空金屬所必備的。鈦的合金是制做火箭發動機的殼體及人造衛星、宇宙飛船的好材料，有“太空金屬”之稱。由于鈦有這些優點，所以50年代以來，一躍成為突出的稀有金屬。
鈦是一種純性金屬，正因為鈦金屬的“純”，故物質和它接觸的時候，不會產生化學反應。也就是說，因為鈦的耐腐蝕性、穩定性高，使它在和人長期接觸以后也不影響其本質，所以不會造成人的過敏，它是唯一對人類植物神經和味覺沒有任何影響的金屬，被人們稱為“親生物金屬”。
鈦最大的缺點，是提煉比較困難。這主要是因為鈦在高溫下可以與氧、碳、氮以及其他許多元素化合。所以人們曾把鈦當作“稀有金屬”,其實，鈦的含量約占地殼重量的6‰，比銅、錫、錳、鋅的總和還要多10多倍。
材料特性：非常高的強度、重量比優良的抗腐蝕性、難以進行冷加工、良好的可焊接性、大約比鋼輕40%，比鋁重60%、低導電性、低熱脹率、高熔點。
典型用途： 高爾夫球桿、網球拍、便攜式電腦、照相機、行李箱、外科手術植入物、飛行器骨架、化學用具以及海事裝備等。另外，鈦也被用作紙張、繪畫以及塑料等所需的白色顏料。
1、表面處理工藝簡介
利用現代物理、化學、金屬學和熱處理等學科的技術來改變零件表面的狀況和性質，使之與心部材料作優化組合，以達到預定性能要求的工藝方法，稱為表面處理工藝。
表面處理的作用：
提高表面耐蝕性和耐磨性，減緩、消除和修復材料表面的變化及損傷；
使普通材料獲得具有特殊功能的表面；
節約能源、降低成本、改善環境。
2、金屬表面處理工藝分類
總共可以分為4大類：表面改性技術、表面合金化技術、表面轉化膜技術和表面覆膜技術。
一、表面改性技術
表面淬火是指在不改變鋼的化學成分及心部組織情況下，利用快速加熱將表層奧氏體化后進行淬火以強化零件表面的熱處理方法。
表面淬火的主要方法有火焰淬火和感應加熱，常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰等。
激光表面強化是用聚焦的激光束射向工件表面，在極短時間內將工件表層極薄的材料加熱到相變溫度或熔點以上的溫度，又在極短時間內冷卻，使工件表面淬硬強化。
激光表面強化可以分為激光相變強化處理、激光表面合金化處理和激光熔覆處理等。
激光表面強化的熱影響區小，變形小，操作方便，主要用于局部強化的零件，如沖裁模、曲軸、凸輪、凸輪軸、花鍵軸、精密儀器導軌、高速鋼刀具、齒輪及內燃機缸套等。
噴丸強化是將大量高速運動的彈丸噴射到零件表面上，猶如無數個小錘錘擊金屬表面，使零件表層和次表層發生一定的塑性變形而實現強化的一種技術。
作用：
提高零件機械強度以及耐磨性、抗疲勞和耐蝕性等；
用于表面消光、去氧化皮；
消除鑄、鍛、焊件的殘余應力等。
滾壓是在常溫下用硬質滾柱或滾輪施壓于旋轉的工件表面，并沿母線方向移動，使工件表面塑性變形、硬化，以獲得準確、光潔和強化的表面或者特定花紋的表面處理工藝。
應用：圓柱面、錐面、平面等形狀比較簡單的零件。
拉絲是指在外力作用下使金屬強行通過模具，金屬橫截面積被壓縮，并獲得所要求的橫截面積形狀和尺寸的表面處理方法稱為金屬拉絲工藝。
拉絲可以根據裝飾需要，制成直紋、亂紋、波紋和旋紋等幾種。
拋光是對零件表面進行修飾的一種光整加工方法，一般只能得到光滑表面，不能提高甚至不能保持原有的加工精度，隨預加工狀況不同，拋光后的Ra值可達1.6~0.008μm。
一般分為機械拋光和化學拋光。
二、表面合金化技術
表面合金化技術的典型工藝就是化學表面熱處理。是將工件置于特定介質中加熱保溫，使介質中活性原子滲入工件表層從而改變工件表層化學成分和組織，進而改變其性能的熱處理工藝。
與表面淬火相比，化學表面熱處理不僅改變鋼的表層組織，還改變其化學成分。根據滲入的元素不同，化學熱處理可分為滲碳、氮化、多元共滲、滲其他元素等。 化學熱處理過程包括分解、吸收、擴散三個基本過程。
化學表面熱處理最主要的兩種方式就是滲碳和滲氮。
對比 | 滲碳 | 氮化 |
目的 | 提高工件表面硬度、耐磨性及疲勞強度， 同時保持心部良好的韌性。 | 提高工件表面硬度、耐磨性及疲勞強度， 提高耐蝕性。 |
用材 | 含0.1～0.25%C的低碳鋼。 碳高則心部韌性降低。 | 為含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳鋼。 |
常用方法 | 氣體滲碳法、固體滲碳法、真空滲碳法 | 氣體氮化法、離子氮化法 |
溫度 | 900～950℃ | 500～570℃ |
表面厚度 | 一般為0.5～2mm | 不超過0.6～0.7mm |
用途 | 廣泛用于飛機﹑汽車和拖拉機等的機械零件﹐ 如齒輪﹑軸﹑凸輪軸等。 | 用于耐磨性、精度要求高的零件及耐熱、耐磨及耐蝕件。 如儀表的小軸、輕載齒輪及重要的曲軸等。 |
三、表面轉化膜技術
發黑：
鋼材或鋼件在空氣-水蒸氣或化學藥物中加熱到適當溫度使其表面形成一層藍色或黑色氧化膜的工藝。也成為發藍。
磷化：
工件（鋼鐵或鋁、鋅件）浸入磷化液（某些酸式磷酸鹽為主的溶液），在表面沉積形成一層不溶于水的結晶型磷酸鹽轉換膜的過程，稱之為磷化。
主要是指鋁及鋁合金的陽極氧化。陽極氧化是將鋁或鋁合金制件浸沉于酸性電解液中，在外電流作用下作為陽極，在制件表面上形成與基體牢固結合的防蝕氧化膜層。這層氧化膜具有防護性、裝飾性、絕緣性、耐磨性等特殊特性。
陽極氧化前要經過拋光、除油、清洗等預處理，其后要進行沖洗、著色和封閉等處理。
應用：常用于汽車、飛機的某些特殊部件的防護處理以及工藝品和日用五金制品的裝飾性處理。
四、表面覆膜技術
熱噴涂是將金屬或非金屬材料加熱熔化，靠壓縮氣體連續吹噴到制件表面上，形成與基體牢固結合的涂層，從制件表層獲得所需要的物理化學性能。
利用熱噴涂技術可改善材料的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及絕緣性等。
應用：航空航天、原子能、電子等尖端技術在內的幾乎所有領域。
真空鍍，就是在真空條件下，通過蒸餾或濺射等方式在金屬表面沉積各種金屬和非金屬薄膜的表面處理工藝。
通過真空鍍的方式可以得到非常薄的表面鍍層，同時具有速度快、附著力好、污染物少等優點。
真空濺射鍍原理
按照工藝不同，真空鍍可以分為真空蒸鍍、真空濺射鍍、真空離子鍍。
電鍍是一種電化學和氧化還原的過程。以鍍鎳為例：將金屬制件浸在金屬鹽（NiSO4）的溶液中作為陰極，金屬鎳板作為陽極，接通直流電源后再制件上就會沉積出金屬鍍鎳層。
電鍍方法分為普通電鍍和特種電鍍。
氣相沉積技術是指將含有沉積元素的氣相物質，通過物理或化學的方法沉積在材料表面形成薄膜的一種新型鍍膜技術。
根據沉積過程的原理不同，氣相沉積技術可分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)兩大類。
物理氣相沉積（PVD）
物理氣相沉積是指在真空條件下，用物理的方法，使材料汽化成原子、分子或電離成離子，并通過氣相過程，在材料表面沉積一層薄膜的技術。
物理沉積技術主要包括真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍三種基本方法。
物理氣相沉積具有適用的基體材料和膜層材料廣泛；工藝簡單、省材料、無污染；獲得的膜層膜基附著力強、膜層厚度均勻、致密、針孔少等優點。
廣泛用于機械、航空航天、電子、光學和輕工業等領域制備耐磨、耐蝕、耐熱、導電、絕緣、光學、磁性、壓電、滑潤、超導等薄膜。
化學氣相沉積（CVD）
化學氣相沉積是指在一定溫度下，混合氣體與基體表面相互作用而在基體表面形成金屬或化合物薄膜的方法。
由于化學氣相沉積膜層具有良好的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及電學、光學等特殊性能，已被廣泛用于機械制造、航空航天、交通運輸、煤化工等工業領域。
文章來源：材料基微信公眾號
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