各类表面处理测定简述.docx

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各类表面处理测定简述

各類表面處理簡述

第一章表面處理概論

1.1表面處理（SurfaceTreatment） 

1.2表面處理的目的 

1.3表面處理之重要性 

1.4表面處理技術之種類 

1.5國內表面處理工業之狀況及問題 

1.6國內表面處理工業發展之方向 

1.7學會,雜誌及參考書籍 

1.8我國表面處理電鍍技術士檢定規範

1.1表面處理（SurfaceTreatment） 

  表面處理的物件非常廣泛,從傳統工業到現在的高科技工業,從以前的金屬表面到現在的塑膠,非金屬的表面.它使材料更耐腐蝕,更耐磨耗,更耐熱,它使材料之壽延長,此外改善材料表面之特性,光澤美觀等提高産品之附加價值,所有這些改變材料表面之物理,機械及化學性質之加工技術統稱爲表面處理（surfacetreatment）或稱爲表面加工（surfacefinishing）.

1.1.1金屬表面處理（metalsurfacetreatment）

  金屬經初步加工成型後需修飾金屬表面,美化金屬表面,更進一步改變金屬表面的機械性質及物理化學性質等之各種操作過程,稱之爲金屬表面處理.或稱之金屬表面加工（metalsurfacefinishing）.

1.2表面處理的目的

表面處理的目的可以分四大類:

（1）美觀（appearance）爲了提高製品之附加價值,賦予製品表面美觀,例如裝飾性電鍍（decorativeplating）Au,Ag,Rh,Ni,Cr,黃銅等電鍍（electroplating）.

（2）防護（protection）爲了延長製品的壽命,再製品表面披覆（coating）耐腐蝕之材料,例如保護性電鍍（protective plating）Zn,Cd,Ni,Cr,Sn等電鍍.

（3）特殊表面性質（specialsurfaceproperties）

1.提高製品之導電性（electricalconductiuity）,例如電鍍Ag,Cu.

2.提高焊接性（soderability）在通訊急電子工業應用,例如Sn-Pb合金電鍍.

3.提高光線之反射性（lightreflectivity）例如太空船,人造衛星的外殼需反射光線,Ag及Rh的鍍層被應用上.

4.減小接觸阻抗（contactresistance）例如在電子元件之Au及Pd電鍍.

（4）機械或工程性質（mechanicalorengineeringproperties）

1.提高製品之強度（strenth）,例如塑膠電鍍.

2.提高製品之潤滑性（bearingpropertries）例如多孔洛電鍍（porouschromiumplating）,內燃機之鋁合金活塞（piston）,鍍錫Sn以防止汽缸（cylinder）壁刮傷.

3.增加硬度（hardness）及耐磨性（wearresistance）,例如硬洛電鍍（hardchromiumplating）.

4.提高製品之耐熱性,耐候性,抗幅射線,例如塑膠,非金屬之電鍍.

5.滲碳（carburizing）,氮化（nitriding）之防止,例如鋼鐵表面硬化（casehardening）時在不要硬化部份鍍Cu.

1.3表面處理之重要性

表面處理工業雖然不是工業之主流,但只有透過表面處理,製品的特性及價值才能充份發揮出來.應用電鍍（plating）,陽極處理（anodizing）,化成處理（convesioncoating）,塗裝（coating）等工業技術,達到防蝕,增進可焊性,潤滑性,耐磨性,附著性及鋼材防止滲碳等的多專案的.

  所以表面處理爲各種加工製造工業不可或缺的過從傳統工業到近代高科技,表面處理技術一直扮演非常重要性之角色.例如太空船,人造衛星,積體電路等之發展表面處理技術都有決定性之影響.由於表面處理對材料月異,帶動相關科技工程之進步.

1.4表面處理技術之種類從表面處理之特性可分類:

機械法__珠擊法,切削,搪磨,撒砂,精磨,研磨,超加工.

冶金法__表面硬化,（淬火,滲碳,氮化）,擴散皮膜法.

化學法__電解研磨,酸洗,化學研磨,酸蝕雕刻.

表面披覆__電鍍,無電鍍,熱浸鍍,熔射鍍,真空蒸著,陰極噴濺,

無機披覆__陽極處理,化成處理,著色,琺瑯處理.

有機披覆__塗裝,橡膠加襯,塑膠加襯.

1.5國內表面處理工業之狀況及問題

    依據民國70年行政院科技顧問組調查報告,有關表面處理工業,國內有約4000家,其中電鍍工業約占1200家,分散全省各地,主要的生産專案有,工業電鍍,裝飾電鍍,熱浸電鍍,陽極電鍍,化成電鍍,發色,塗裝,從事表面處理的工作人員有15000至20000人,具有專業知識程度者約1000人至1500人.

1.5.1原料及設備之供應

  大部分昂貴之原料依靠國外進口,生産設備多爲國產,較貴重之檢驗儀器設備75%是進口貨.國內原料成本極高,業著負擔沈重,應設法改善,防止貿易商操縱市場,更要鼓勵研究開發及生産重要之原料.

1.5.2從業人員知識水準

  一般從業人員的程度較低,科技短識及品管觀念缺乏,難有研究開發新産品,唯賴低廉勞力,以求生存.政府有關單位應定期舉辦研習會,使業者獲得新知蔚爲研究風氣,提高技術水準,對在職工程人員,鼓勵利用建教合作方式,進修或在職訓練,亦應舉辦各類技術鑒定考試,並規定業者之工廠作業需由技術士擔任.

  表面處理對材料之附加價值甚高,先進國家不惜投入龐大人力物力從事研究發展,使得表面處理技術日新月異,我國要並駕齊驅,迎頭趕上,勢必從教育做起,在大專院校設立正規教育之表面處理人才,才能有雄厚發展實力.鼓勵學校與工業界間之建教合作,技術性問題需要由學校帶動,學校要增添新設備,充實師資,積極培育專業人才,企業界要僅量聘用教育較高科技人員,以增加研究發展之潛力.

1.5.3生産及經營方式

  一般專業廠商規模不大,主要爲訂貨生産,小規模工廠沒有管理制度,教育程度低,對人力,原料及能源造成無所謂的浪費.大廠則受到地下工廠惡性削價之競爭,影響小廠應集中投資,合併經營,始合乎經濟原則.就有生産設備應適時予以淘汰,換置自動化處理設備,能以簡化經營管理,提高生産效率,穩定品質,節省人工,提高産品之國際聲譽,促進工業升級.

1.5.4廢物處理及公害

由於地下工廠甚多,使廢物形成嚴重之公害問題,廢物處理系統投資費用極高,非一般中小型表面處理工廠所能負擔維持得起,根據經驗及需要,認爲設立表面處理專業區,集中處理廢物,廢水,不但能減少公害,而且能管制地下工廠.

1.5.6表面處理技術資料

  根據業者的反映,國內技術資料的獲得不亦且缺乏,技術難以突破,應設置有健全的表面技術資料處理中心,對研究開發者適時提供新穎充份之資訊,對引進國外技術者提供可參考資料.

1.6國內表面處理工業發展之方向

 國內表面處理工業之技術自行開者很少,大多仰賴國外廠商之業務代表或代理商.往往引進之技術並非最前進者或只是局部的,因此使本國産品品質遜於外貨乃爲不可避免,産品之信譽及附加價值難以提升.國內學術機構也甚少做獨立性長期性之研究,國內欲求工業之升級,商品附加價值提高,必須大力提高表面處理技術,以達成支援各項金屬製造業,機器工業,電子工業之任務.

1.6.1裝飾電鍍（decorativeplating）

 裝飾電鍍之主要目的改進産品之外觀,提高産品附加價值,其主要産品如項鏈,胸針,耳環等飾物,合法登記之裝飾電鍍廠不足十分之一,地下小廠不需付稅捐,廢水處裏費用等,導致小廠吃大廠,劣幣逐良幣之反淘汰之惡性循環.所以發展之方向應爲大廠增添新設備,提高技術水準,提高産品品質,加強取締公害,自然促使非法及小廠淘或合併經營才能進一步發展.

1.6.2工程電鍍（engineeringplating）

 工程電鍍之目的是增加産品之耐蝕力,延長使用壽命,改進機械性質等.現在許多精密模具無法使用機械加工,也使用電鍍法,稱之爲電鑄（electroforming）.工之規模較大,許多操作採用自動化,多附屬於大規模較大機器製造廠.

 獨立之工程電鍍廠也大都與大型機器金屬製造廠訂有長期加工契約,其惡性競爭較裝飾性電鍍小,筍嵹禤a經濟發展,工程電鍍技術水準必須精益求精,力爭上游,其發展是大有可爲的工程電鍍使用支援料數量鉅大,因此廢物處理之公害問題需特別重視,稍一不慎將造成不可收拾的公害.

 一般中小廠爲節省開支沒有廢物處理設備,或有也只供參觀檢查時之用,浪費投資,罔顧員工及環境之安全與衛生.故今後發展方向爲如何協助,促使這些小廠家合併始引進或研究開發更經濟更有效新技術.工程電鍍用之化學品如進鍍成性質之添加劑,多爲國外原料供應商之機密,利潤甚高,若能長期研究必能研就發展成功替代品,以減低本國電鍍工業之成本.

1.6.3鍍錫（tinplating）

  鍍錫生産應往高速率之連續生産方向發展,唯有使用高度自動化設備才能節省日益高漲之連續工資及能源.此種設備國內無法設計製造,需向國外引進技術,近年來使用鋁罐,鋁箔,塑膠瓶罐,臘紙盒,玻璃瓶等材料越來越普遍,占去馬口鐵很大的市場尤其一些錫生産的開發國家如印尼,菲律賓,泰國,馬來西亞等也開始生産馬口鐵,另外有逐漸改無錫鐵皮（tinfreesteel）之趨勢.

1.6.4熱漫鍍鋅（zinchotdipcoating）

  鍍鋅鋼片主要有電鍍式鍍鋅鋼片及熱浸式鋼片,其中以熱浸式占大多數,鍍鋅鋼片具有優良耐蝕性與低廉價格.主要用途爲建築如用在頂板（roofing）,側板（siding）,廣告牌,風管等,其次爲電器及機械業.國內鍍鋅鋼片業者需淘汰更新陳舊設備,採用新式連續式熱浸鍍鋅方式生産,産量大,品質佳,産品適用性廣,成本低並加以配合耐高腐蝕力,鍍層延性,抗熱性,焊接性及美麗彩色塗裝之需求提高製品之品質.如發展出來的鐵鋅合金鍍面,差別鍍鋅,單面鍍鋅及鋁鋅合金鍍面等.

1.6.5陽極處理（anodizing）

 鋁的陽極處理是鋁金屬表面藉由電流的作用形成一層氧化物膜,堅硬耐磨,抗蝕性極高,色澤優美.鋁合金本身易於加工,強度高,用途很廣,磥瑣T陽處理産品爲鋁門窗,家俱,照相機及儀錶外殼另件.鋁材製造極其加工業也日益擴展,鋁陽處理有相當市場潛力.

 陽極處理之發展例如硬質陽極處理（hardanodizing）,在低溫電流亦有用交直流並用之陽極處理.這種硬化之陽極處理的鋁材可用於活塞,汽缸,汽缸內襯,油壓機及渦輪之另件,汽閥,齒輪,'槍械另件,離合器,煞車圓片,（brakedisk）,機器另見及工具等.浴溫,電流密度,溶液成份需自動控制才能嚴格管製成品之品質以達客戶要求.自動化需引進國外技術及大量之資金,所以同時要深入瞭解國外市場之潛力循序達成自動化.

1.6.6塗裝（coating）

  塗裝工業之成長仍應會繼續擴大,應設法取締地下工廠以減少公害保障合法廠商,避免惡性競爭.教育用戶重視表面處理技術之價值,提高塗裝品質之要求.大廠商應力爭上游,自行發展高級産品而不能只埋怨小廠之低廉競銷.發展之趨勢大多採用粉體塗裝,以節省能源和溶劑並可減少公害.非溶劑之塗裝和省能源型（紫外線硬化,低溫硬化）之新産品我國塗裝工業當然應該迎頭趕上.

1.7學會,雜誌及參考書籍

 促進表面處理工業界之聯繫,技術交流,標準規範之定訂,防止惡性競爭,市場之操縱等應設有功能的公會,協會以解決同業之困難.例如電鍍公會,陽極處理公會,塗裝公會等.學會及雜誌社提供新知識,新科技之資訊.在做研究開發工作,資料之取得是非常重要的,尤其是有關專利資料更具有價值.

1.8我國表面處理電鍍技術士檢定規範

 金屬表面處理是一門專門的技術與學問,爲提高我國表面處理工業之水準及發展潛力,宜規定工廠必須擁有表面處理技術士如電鍍技術士,陽極處理技術士,塗裝技術士等.讓這些專門技術士從事工廠作業,才能有優良的産品.

 我國技術技能士檢定旨在配合經濟發展,改變職業觀念,建立技能共信標準,提高技術人士之地位適應國家建設之需要.凡測驗合格者,由內政部頒發[中華民國技術士證].

 技術士技能檢定分爲學科與術科測驗兩階段完成.學科測驗就檢定規範中[相關知識]範圍內命題,采是非選擇方式.術科測驗需學科測驗合格始能參加,采現場操作考驗方式.技術士分爲三等級,甲級,乙級,丙級.

第二章電鍍基本原理與概念 

2.1電鍍之定義 

  電鍍（electroplating）被定義爲一種電沉積過程（electrodepos-itionprocess），是利用電極（electrode）通過電流，使金屬附著於物體表面上，其目的是在改變物體表面之特性或尺寸。

2.2電鍍之目的

  電鍍的目的是在基材上鍍上金屬鍍層（deposit），改變基材表面性質或尺寸。

例如賦予金屬光澤美觀、物品的防銹、防止磨耗、提高導電度、潤滑性、強度、耐熱性、耐候性、熱處理之防止滲碳、氮化、尺寸錯誤或磨耗之另件之修補。

2.3各種鍍金的方法

電鍍法（electroplating）

無電鍍法（electrolessplating）

熱浸法（hotdipplating）

熔射噴鍍法（sprayplating）

塑膠電鍍（plasticplating）

浸漬電鍍（immersionplating）

滲透鍍金（diffusionplating）

陰極濺鍍（cathodesupptering）

真空蒸著鍍金（vacuumplating）

合金電鍍（alloyplating）

複合電鍍（compositeplating

局部電鍍（selectiveplating）

穿孔電鍍（through-holeplating）

筆電鍍（penplating）

電鑄（electroforming）

2.4電鍍的基本知識

  電鍍大部份在液體（solution）下進行，又絕大部份是由水溶液（aqueoussolution）

中電鍍，約有30種的金屬可由水溶液進行電鍍,由水溶液電鍍的金屬有：

銅Cu、鎳Ni、鉻Cr、鋅Zn、鎘Cd"、鉛Pb、金Au、銀Ag、鉑Pt、鈷Co、錳Mn、銻Sb、鉍Bi、汞Hg、鎵Ga、銦In、鉈、As、Se、Te、Pd、Mn、Re、Rh、Os、Ir、Nb、W等。

有些必須由非水溶液電鍍如鋰、鈉、鉀、鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鋁、La、Ti、Zr、Ge、Mo等。

可油水溶液及非水溶液電鍍者有銅、銀、鋅、鎘、銻、鉍、錳、鈷、鎳等金屬。

電鍍的基本知識包括下列幾項：

溶液性質

物質反應

電化學

化學式

介面物理化學

材料性質

2.4.1溶液（solution）

  被溶解之物質稱之爲溶質（solute），使溶質溶解之液體稱之溶劑（solute）。

溶劑爲水之溶液稱之水溶液（aqueoussolution）。

  表示溶質溶解於溶液中之量爲濃度（concentration）。

在一定量溶劑中，溶質能溶解之最大量值稱之溶解度（solubility）。

達到溶解度值之溶液稱之爲飽和溶液（saturatedsolution），反之爲非飽和溶液（unsaturatedsolution）。

溶液之濃度，在工廠及作業現場，使用易瞭解及便利的重量百分率濃度（weightpercentage）。

另外常用的莫耳濃度（molalconcentration）。

2.4.2物質反應（reactionofmatter） 

  在電鍍處理過程中，有物理變化及化學變化，例如研磨、乾燥等爲物理反應，電解過程有化學反應，我們必須充份瞭解在處裏過程中各種物理及化學反應及其相互間關係與影響。

2.4.3電鍍常用之化（chemicalformular）

2.4.4電化學（electrochemistry） 

  電鍍是一種電沉積（electrodeposition）過程,利用電解體electrolysis）在電極（electrode）沈積金屬,它是屬於電化學之應用的一支。

電化學是研究有關電能與化學能交互變化作用及轉換過程。

  電解質（electrolyte）例子NaCl,也就是其溶液具有電解性質之溶液（electrolyticsolution）它含有部份之離子（ions）,經由此等離子之移動（movement）而能導電。

帶陰電荷朝向陽極（anode）移動稱之爲陰離子（anion）,帶正電荷朝向陰極（cathode）移動（migrate）者稱之爲陰離子cations）。

這些帶電荷之粒子（particles）稱之爲離（ions）。

放出電子産生氧化反應之電極稱之爲陽極（anode）,得到電子産生還元化應之電極稱之爲陰極（cathode）。

整個反應過程稱之爲電解（electrolysis）。

2.4.4.1電極電位（electrodepotentials）

  電位（electrodepotential）爲在電解池（electrolytic）中之導電體,電流經由它流入或流出。

電極電位（electrodepotential）是電極與電解液之間的電動勢差,單獨電極電位不能測定需參考一些標準電極（standardelectrode）。

例如氫標準電極（hydrogenstandardelectrode）以其爲基準電位爲0電極電位之大小可由Nernstequation表示之:

E=E0+RT/nFlnaMn+/aME=電極電位 E0=電極標準狀態電位（volt）R=氣體常數（8.3143J.K-1MOL-1） 

T=絕對零度（K）  n=原子價之改變數（電子移轉之數）  

aMn+=金屬離子之活度（activity）,若極稀薄之溶液,其活度就等於金屬離子之濃度（concentration）C。

一般則活度爲濃度乘上活度係數,即a=r*c。

  金屬電極之活度,若爲純金屬即爲1。

法拉第常數   2.4.4.2標準電極電位（standardelectrodepotential） 

標準電極電位（standardelectrodepotential）是指金屬電極之活度爲1（純金屬）及在金屬離子活度爲1時之電極電位。

即E=E0 E=E0+RT/nFln1/1 =E0+0=E0  

 氫之標準電位在任何溫度下都定爲0,做爲其他電極之參考電極（REFERENCEELECTRODE）,以氫標準電極爲基準0,各種金屬之標准電位見表排列在前頭之金屬如Li較易失去電子,易被氧化,易溶解,易腐蝕,稱之爲濺金屬或金屬（basicmetal）。

相反如Au金屬不易失去電子.不易氧化.不易溶解.容易被還元稱之爲貴金屬（noblemetal）。

電極

電位

電極

電位

Li+-3.045

Co?

Co+2-0.277

Rb?

Rb+-2.93

Ni?

Ni+2-0.250

K?

K+-2.924

Sn?

Sn+2-0.136

Ba?

Ba+2-2.90

Pb?

Pb+2-0.126

Sr?

Sr+2-2.90

Fe?

Fe+3-0.04

Ca?

Ca+2-2.87

Pt/H2?

H+0.000

Na?

Na+-2.715

Sb?

Sb+3+0.15

Mg?

Mg+2-2.37

Bi?

Bi+3+0.20

Al?

Al+3-1.67

As?

As+3+3

Mn?

Mn+2-1.18

Cu?

Cu+2+0.34

Zn?

Zn+2-0.762

Pt/OH-?

O2+0.40

Cr?

Cr+3-0.74

Cu?

Cu++0.52

Cr?

Cr+2-0.56

Hg?

Hg2+2+0.789

Fe?

Fe+2-0.441

Ag?

Ag++0.799

Cd?

Cd+3-0.402

Pd?

Pd+2+0.987

In?

In+3-0.34

Au?

Au+3+0.150

Tl?

Tl+-0.336

Au?

Au++1.68

2.4.4.3Nernst電位學說

 金屬含有該金屬離子之溶液相接觸,則在金屬與溶液介面,會産生電荷移動現象,此等電荷之移動,仍是由於金屬與溶液的介面有電位勢之差別稱之爲電位差所引起,此現象Nernst解說如下:

 設驅使金屬失去電子變爲陽離子溶入溶液中之電離溶解液解壓（electrolaticsolutionpressure）爲p而使溶液中的陽離子得到電子還元成金屬滲透壓（osmoticpressure）爲p,則有三種情況發生:

（1）P>P時,金屬被氧化,失去電子,溶解成金屬離子於溶液中,因此金屬電極本體接收電子而帶負電。

（2）P

（3）P=P時,沒有産生任何變化設金屬與溶液的介面所形成的電極電位爲E,當1mole金屬溶入於溶液中,則介面所通過的電量爲nF,n爲金屬陽離子之價數,即電子之轉移數,F爲法拉第常數,此時所作功等於nFE,也等於下式:

 nFE=　　　ppVdp=　　　RT　　　ppdp/p=-RTlnP/PE=RT/nFlnP/P

即金屬陽離子之活度（activity）爲aMn+活度係數爲K,則P=KaMn+於是E=-RT/nFlnp/KaMn+ =-RT/nFlnP/K+RT/nFlnaMn+

E在標準狀態時,即aMn+=1,稱爲標準電極電位E,即E0=-RT/nFlnP/K+RT/nFln1 =-RT/nFlnP/R 

所以純金屬的電極電位用上列式子表示:

非純金屬電位則爲:

E=E0+RT/NflnaMn+/aM式中爲aM爲不純金屬之活度

2.4.4.4電極電位在熱力學的表示法

 電極反應是由氧化反應及還原反應所組成.

例如Cu?

Cu+++2e-還原狀態氧化狀態可用下列二式表示之:

CuCu+++2e-  氧化反應  CuCu+++2e-  還原反應 

2.4.4.5電極電位之意義

（1）電解電位分類爲三種:

M/M+n即金屬含有該金屬離子的相接觸有二種形式:

?

金屬與溶液間之水大於金屬陽離子M+n與電子的結合力,則金屬會溶解失去電子形式金屬陽離子與水結合成爲M+nxH2O,此時金屬電極獲得額外電子,故帶負電這類金屬電極稱之陰電性,如Mg.Zn.及Fe等浸入酸..鹽類水溶液時産生此種電極電位MtM（aq）+n+ne-金屬與溶液的水親合力小於金屬離子M+n與電子結合力時,金屬離子會遊向金屬電極得到電子而沈積在金屬電極上,於是金屬電極帶正電,溶液帶負電o 

（2）金屬M與難溶性的鹽MX相接觸,同時MX又與陰離子之KX相接觸