表面工程綜合實驗預(yù)實驗報告材料

1、標(biāo)準(zhǔn)文案目錄碳鋼的化學(xué)鍍 NI-P 3第一章 實驗機(jī)理 3第二章 工藝流程 4第三章 關(guān)鍵工藝目的及溶液參數(shù) 43.1 準(zhǔn)備試樣 43.2 堿性除油 53.2.1 除油目的： 53.2.2 除油溶液參數(shù)： 53.3 酸洗（除銹 +活化） 53.4 化學(xué)鍍 53.4.1 化學(xué)鍍成分及作用 53.4.2 化學(xué)鍍?nèi)芤簠?shù) 63.5 鍍后熱處理 6第四章 檢測與分析 74.1 表面形貌分析 74.2 鍍層厚度測定 74.3 鍍層及鍍后熱處理硬度測定 74.4 鍍后耐蝕性檢測 8參考文獻(xiàn)： 8鋼的磷化 10第一章 實驗機(jī)理 101.1 磷化膜的形成機(jī)理 101.2 磷化膜的組成和結(jié)構(gòu) 11第二章 工藝流

2、程 12大全表面工程綜合實驗第三章 關(guān)鍵工藝目的及溶液參數(shù) 123.1 準(zhǔn)備試樣 123.2 堿性除油 123.2.1 除油目的 123.2.2 除油溶液參數(shù) 123.3 酸洗（除銹 +活化） 133.4 磷化 133.4.1 高溫磷化的磷酸鹽溶液參數(shù) 133.5 磷化膜的后處理 13第四章 檢測與分析 144.1 表面形貌分析 144.2 磷化膜厚度測定 144.3 磷化后硬度測定 144.4 磷化后耐蝕性檢測 14參考文獻(xiàn)： 152表面工程綜合實驗碳鋼的化學(xué)鍍 Ni-P學(xué)院名稱：材料科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級：金屬 1501學(xué)生姓名：高奇 指導(dǎo)教師：王云龍 王蘭摘要： 本文簡要介紹了碳鋼化學(xué)

3、鍍鎳磷的原理與工藝流程，根據(jù)實驗結(jié)果和 實驗過程中出現(xiàn)的一些問題， 闡述了化學(xué)鍍鎳磷的基本知識， 論證了化學(xué)鍍鎳磷 的重要作用，得出了這一工藝對碳鋼性能改進(jìn)的重要影響。關(guān)鍵詞： 原子氫態(tài)理論 配方 溶液參數(shù) 檢測 分析第一章 實驗機(jī)理化學(xué)鍍鎳磷合金是一種在不加電流的情況下， 利用還原劑在活化零件表面上 自催化還原沉積得到鎳磷鍍層的方法。 其主要反應(yīng)為應(yīng)用次亞磷酸鈉還原鎳離子 為金屬鎳， 即在水溶液中鎳離子和次亞磷酸根離子碰撞時， 由于鎳觸媒作用析出 原子態(tài)氫， 而原子態(tài)氫又被催化金屬吸附并使之活化， 把水溶液中的鎳離子還原 為金屬鎳形成鍍層，另外次亞磷酸根離子由于在催化表面析出原子態(tài)氫的作用，

4、 被還原成活性磷，與鎳結(jié)合形成 Ni-P 合金鍍層。以次磷酸鈉為還原劑的化學(xué)鍍鎳磷工藝，其反應(yīng)機(jī)理，現(xiàn)普遍被接受 的是“原子氫態(tài)理論”和“氫化物理論”。下面介紹其中一種“原子氫態(tài) 理論”，其過程可分為以下四步：（1）化學(xué)沉積鎳磷合金鍍液加熱時不起反應(yīng)，而是通過金屬的催化作用， 次亞磷酸根在水溶液中脫氫而形成亞磷酸根，同時放出初生態(tài)原子氫。HPO+HO HPO+2H+H（2）初生態(tài)原子氫被吸附在催化金屬表面上而使其活化，使鍍液中的鎳陽 離子還原，在催化金屬表面上沉積金屬鎳。+Ni2+2FR Ni+2H3表面工程綜合實驗（3）在催化金屬表面上的初生態(tài)原子氫使次亞磷酸根還原成磷。同時，由 于催化作用

5、使次亞磷酸根分解，形成亞磷酸根和分子態(tài)氫。HPQ+HRI40+0HP2FR H4（4）鎳原子和磷原子共沉積，并形成鎳磷合金層。3P+Ni NiPa第二章 工藝流程化學(xué)鍍鎳磷主要分為鍍前處理、 化學(xué)鍍、 鍍后處理三部分。 鍍前處理對鍍層 質(zhì)量至關(guān)重要 , 要使鍍前的工件表面無污染，并且處于活化狀態(tài)，此過程主要包 括有：制備試樣、拋光、除油、水洗、除銹、活化?；瘜W(xué)鍍過程是把試樣放入配 置好的鍍液中，進(jìn)行金屬沉積。 鍍后處理是把已經(jīng)施鍍完成的工件進(jìn)行清洗、 干燥等處理。化學(xué)鍍鎳磷的具體工藝流程：制備試樣一堿性除油（化學(xué)脫脂）一熱水洗一 冷水洗一酸洗（除銹+活化）-冷水洗一化學(xué)鍍一冷水洗一滴上酒精溶液

6、一干燥 f檢測。第三章 關(guān)鍵工藝目的及溶液參數(shù)3.1 準(zhǔn)備試樣試驗前準(zhǔn)備好試樣， 機(jī)械打磨試樣， 初步除去表面氧化物； 并給試樣系上一 根細(xì)線，為了在整個磷化處理過程中便于拿取放置。153.2堿性除油3.2.1除油目的：將試樣浸入堿性化學(xué)除油溶液中，對試樣除油，目的是去除試樣表面的油污, 清潔試樣表面，以增加化學(xué)鍍鍍層的結(jié)合強(qiáng)度。3.2.2除油溶液參數(shù)：表1堿性化學(xué)除油溶液配方及參數(shù)組成及工藝NaOHNqCQNaPQ? 12H2QNaSiQs溫度C）配方（g/L ）60-8020-6015-305-1080-903.3酸洗（除銹+活化）將試樣浸入稀鹽酸（10%或 5mol/L以下）容易中約10

7、s，對試樣進(jìn)行酸洗處 理。酸洗的目的主要是除銹和活化。其中酸洗除銹的目的是為了去除試樣表面的 氧化物，使試樣表面更加清潔。而酸洗活化的目的是為了讓化學(xué)鍍基材試樣表面 的金屬原子活化，便于鎳原子和磷原子的沉積，以及增加鎳磷合金鍍層的結(jié)合強(qiáng) 度。3.4化學(xué)鍍3.4.1化學(xué)鍍成分及作用（1）鎳鹽鎳鹽是鍍液主鹽，一般使用硫酸鎳。鎳鹽濃度高，鎳液沉積速度快，但穩(wěn)定 性下降。另外，鍍液中鎳鹽含量決定了所需還原劑和絡(luò)合劑的量。（2）還原劑化學(xué)鍍鎳的反應(yīng)過程是一個自催化的氧化-還原過程，因為次磷酸鈉價格較 低，控制容易，鍍層抗蝕性能好，故采用其作為還原劑。鎳與次磷酸鈉的物質(zhì)的量 之比為0.30.45。（3）絡(luò)

8、合劑為防止化學(xué)鍍進(jìn)行時溶液中亞磷酸離子與游離鎳離子結(jié)合生成亞磷酸鎳沉 淀,需要加入適當(dāng)?shù)慕j(luò)合劑生成鎳的絡(luò)離子來降低游離鎳離子濃度?；瘜W(xué)鍍鎳液 中的絡(luò)合劑均為有機(jī)酸和它們的鹽類，常用的絡(luò)合劑有：乙醇酸、蘋果酸、檸檬 酸、琥珀酸、乳酸、丙酸、羥基乙酸及它們的鹽類。本實驗采用乳酸作為絡(luò)合劑。（4）緩沖劑為了保證鍍液的PH值維持在一定的范圍內(nèi)，本實驗采用硼酸作為緩沖劑。 將試樣浸入化學(xué)鍍鎳磷溶液中，使試樣表面鍍上一層鎳磷合金層，從而改善試樣 的表面性能。3.4.2化學(xué)鍍?nèi)芤簠?shù)表2化學(xué)鍍鎳磷溶液的配方及參數(shù)成分及工藝條件硫酸鎳次磷酸鈉乳酸硼酸pH值溫度（C）配方（g/L）252025104.4-5.8

9、90-92鍍液的配置過程如下：（1） 用分析天平稱取12.623g硫酸鎳，9.986g次磷酸鈉，12.548g乳酸，5.125g硼酸，分別用少量的蒸餾水溶解；（2）待硫酸鎳溶液完全溶解后，不斷攪拌下倒入有硼酸與乳酸組成的溶液中；（3）將完全溶解的次磷酸鈉溶液，在強(qiáng)烈攪拌下倒入前面已配好的溶液中；（4）用稀硫酸或氫氧化鈉稀液調(diào)整 pH值至4.8 ；（5）用蒸餾水稀釋至略低于500mL（6） 將配好的溶液放入水浴爐中加熱至實驗要求溫度90C。（注：即將達(dá)到溫度時前處理完成）當(dāng)化學(xué)鍍液到預(yù)定溫度后，將試樣放入鍍液中1小時左右，使工件表面獲得 理想的鍍層。3.5鍍后熱處理可對已鍍試樣進(jìn)行熱處理，然后分

10、別取兩個已鍍工件及分別放入 400 C箱式 電阻爐保溫2小時進(jìn)行檢測，進(jìn)一步提升試樣鍍層的性能指標(biāo)。最后，將已鍍試樣經(jīng)冷水洗后，用酒精溶液擦洗，然后吹干，并對已鍍試樣 進(jìn)行性能檢測。第四章 檢測與分析4.1 表面形貌分析利用金相顯微鏡對有無鍍后處理的試樣進(jìn)行表面形貌觀察，拍攝顯微照片。 并分析本次化學(xué)鍍鎳磷是否成功， 如果失敗，找出失敗的原因以及提出解決方案。4.2 鍍層厚度測定利用金相顯微鏡對已鍍試樣的鍍層厚度進(jìn)行測定， 具體工藝：鋸開一鑲嵌一 砂輪磨-砂紙磨一拋光一腐蝕（3%硝酸酒精溶液）-酒精洗一烘干一金相顯微鏡 觀察一測鍍層厚度一拍照片。并對鍍層厚度進(jìn)行分析，鍍層厚度是否合理，如果 不

11、合理，是薄了還是厚了，并分析原因以及提出相應(yīng)的解決方案。4.3 鍍層及鍍后熱處理硬度測定利用顯微硬度儀在 0.98N 的壓力下測量已鍍試樣硬度。其過程為： 將樣品放入顯微硬度儀的樣品臺上，選擇合適的載荷，打開電源；在 400 倍的顯微鏡下調(diào)整焦距至能看清樣品表面形貌為止，轉(zhuǎn)動壓頭之樣品上，按 Start 開始打壓痕，結(jié)束后再將 400 倍顯微鏡轉(zhuǎn)至樣品上方；尋找壓痕，轉(zhuǎn)動右 轉(zhuǎn)輪，使左測量線對準(zhǔn)壓痕左端點， 轉(zhuǎn)動鼓輪使右測量線靠近左測量線 （二線之 間留有空隙），記下刻度；在轉(zhuǎn)動鼓輪使右測量線與右端點相切，讀取刻度；兩 數(shù)值相減的記錄值，按記錄值查表得硬度。測出各試樣的鍍層硬度值后， 對鍍層硬

12、度進(jìn)行分析， 鍍層硬度是否合理， 如 果不合理，并分析原因以及提出相應(yīng)的解決方案。4.4鍍后耐蝕性檢測按照金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法國標(biāo)JB/T 7901-1995測試腐蝕介質(zhì)中（3.5%氯化鈉溶液）試樣的腐蝕速率。腐蝕速率用公式R二8.36 “10 （M -M i） STD計算（式中M為腐蝕前試樣的重量，M1為腐蝕后試樣的重量，S為腐蝕前后的平均表面積單位“ cm2 ”，T為時間單位“ h ”。） 腐蝕實驗在靜態(tài)流體中進(jìn)行。利用浸泡法檢測化學(xué)鍍試樣的耐腐蝕性，將試樣 （已降至室溫）浸入5%10% 的氯化鈉（NaCI）的水溶液中，在室溫下，保持24h小時后取出，洗凈吹干，用電子 天平稱

13、量前后的重量差，以此檢測化學(xué)鍍后碳鋼的耐腐蝕性。 并簡要分析該化學(xué) 鍍的效果以及其原因。圖1腐蝕標(biāo)準(zhǔn)參考表* 曾ill祥宣料It性訝従1 . -1b K251O.Gfr-CVI年謝址10-0參考文獻(xiàn):1 錢苗根.現(xiàn)代表面技術(shù)M.機(jī)械工業(yè)出版社,20162 顧迅.現(xiàn)代表面技術(shù)的應(yīng)用J.金屬熱處理，1999:1-6.3 戴達(dá)煌.薄膜與涂層現(xiàn)代表面技術(shù)M.中南大學(xué)出版社,2008.4 華中一,羅維昂.表面分析M.復(fù)旦大學(xué)出版社,1989. 錢苗根.材料表面技術(shù)及其應(yīng)用手冊M.機(jī)械工業(yè)出版社，1998. 薛增泉.薄膜物理M.電子工業(yè)出版社，1991.7 楊威生，蓋峰.掃描隧道顯微鏡對表面科學(xué)的巨大推動

14、J.物理，1996,25（9）:0-0.8 白春禮，田芳.掃描力顯微鏡研究進(jìn)展J.物理,1997（7）:402-407.9 錢苗根.材料科學(xué)及其新技術(shù)M.機(jī)械工業(yè)出版社，1986.10 A.W.贊德納，強(qiáng)俊,胡興中.表面分析方法M.國防工業(yè)出版社,1984.11 周玉.材料分析方法M.機(jī)械工業(yè)出版社，2011.12 佚名.化學(xué)鍍鎳-磷合金J.新技術(shù)新工藝，2009(10):127-127.13 莊瑞舫.化學(xué)鍍鎳磷合金技術(shù)探討(I )J.材料保護(hù)，1997(11):41-43.14 張小華，周海暉，陳范才.化學(xué)鍍鎳磷合金工藝中問題與探討J.表面技 術(shù),2002, 31(3):44-46.15 王

15、孝镕，顧慰中.化學(xué)鍍鎳磷合金工藝研究J.電鍍與涂飾，1999,18(2) :43-46.鋼的磷化學(xué)院名稱：材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)班級：金屬1501學(xué)生姓名：高奇指導(dǎo)教師：王云龍王蘭摘要：本文簡要介紹鋼的磷化處理工藝可以改變鋼表面原有的性質(zhì)，從而提供新的物理特性或物理化學(xué)特性，因而廣泛應(yīng)用于鋼的表面處理領(lǐng)域中。 本文主要 介紹鋼的中溫與高溫磷化，通過實驗來研究兩種磷化膜的性質(zhì)，對它們的原理、 配方和生產(chǎn)工藝進(jìn)行了簡要的介紹。關(guān)鍵詞：磷化處理原理溶液參數(shù)高溫磷化檢測分析第一章實驗機(jī)理1.1磷化膜的形成機(jī)理磷化處理是在含有錳、鐵、鋅的磷酸二氫鹽與磷酸組成的溶液中進(jìn)行的。金屬的磷酸二氫鹽可用通式M(H

16、2PO4)2表示。在磷化過程中發(fā)生如下反應(yīng)：M （H2PO4）2 MHPO4 J+ H3PO43MHPO4 M3（PO4）2 J+ H3PO4或者以離子反應(yīng)方程式表示：4M 2 + 3H 2 PO/ MHPO4 J+ M3（PO4）2 J + 5H當(dāng)金屬與溶液接觸時，在金屬/溶液界面液層中Me2離子濃度的增高或H， 離子濃度降低，都將促使以上反應(yīng)在一定溫度下向生成難溶磷酸鹽的方向移動。 由于鐵在磷酸里溶解，氫離子被中和同時放出氫氣：亠 2亠Fe + 2H Fe + H2 T反應(yīng)生成的不溶于水的磷酸鹽在金屬表面沉積稱為磷酸鹽保護(hù)膜，因為它們 就是在反應(yīng)處生成的，所以與基體表面結(jié)合得很牢固。從電化

17、學(xué)的觀點來看，磷化膜的形成可認(rèn)為是微電池作用的結(jié)果。 在微電池 的陰極上，發(fā)生氫離子的還原反應(yīng)，有氫氣析出：2H2e、H2在微電池的陽極上，鐵被氧化為離子進(jìn)入溶液，并與H2PO4 一發(fā)生反應(yīng)。由于Fe2 的數(shù)量不斷增加，pH值逐漸升高，促使反應(yīng)向右進(jìn)行，最終生成不溶性 的正磷酸鹽晶核，并逐漸長大。下面是陽極反應(yīng)：Fe -2e-= Fe2Fe2 2H2PO4=Fe(H2PO4)2Fe(H2PO4)2 =FeHPO4 H3PO43FeHPO4 =Fe3(PO4)2 H3PO4與此同時，陽極區(qū)溶液中的 Mn(H2PO4)2、Zn(H2PO4)2也發(fā)生如下反應(yīng)：M( H2PO4)二 MHPO4 H3P

18、O43mhpo4 二m3(po4)2:;h3po4式中的M為Mn和Zn。陽極區(qū)的反應(yīng)產(chǎn)物Fe3(PO4)2、Mn3( PO4)2、Zn3(PO4)2 一起結(jié)晶，形成磷化膜。1.2磷化膜的組成和結(jié)構(gòu)磷化膜主要由重金屬的二代和三代磷酸鹽的晶體組成， 不同的處理溶液得到 的膜層的組成和結(jié)構(gòu)不同。晶粒愈大，膜層愈厚。在磷化膜中應(yīng)用最廣的有磷酸 鐵膜、磷酸鋅膜和磷酸錳膜。此次試驗中做的是鋅系磷化，故主要介紹磷酸鋅膜。磷酸鋅膜：采用以磷酸和磷酸二氫鋅為主要成分， 并含有重金屬以及氧化劑 的磷化液處理鋼材時，形成的膜由兩種物相組成：磷酸鋅和磷酸鋅鐵。當(dāng)溶液中 含有較高的Fe2+時，就形成一種新相Fe5H(P

19、Q)4.H2Q磷酸鋅ZnPQ/MO是白 色不透明的晶體，屬斜方晶系；磷酸鋅鐵是無色或淺藍(lán)色的晶體，屬單斜晶系。 鋅系磷化膜呈淺灰色至深灰結(jié)晶狀。第二章工藝流程鋼的磷化主要分為前處理、磷化、后處理三部分。前處理對磷化膜層質(zhì)量至 關(guān)重要，目的是使磷化前的工件表面無污染， 并且處于活化狀態(tài)，此過程主要包 括有：制備試樣、拋光、除油、水洗、除銹、活化。磷化過程是把試樣放入配置 好的磷酸鹽溶液中，生成一層難溶于水的磷酸鹽保護(hù)膜。后處理是把已經(jīng)磷化完成的工件進(jìn)行填充、封閉、清洗、干燥等處理。工藝流程：堿性除油f熱水洗f冷水洗f除銹f冷水洗f活化f冷水洗f磷 化處理T冷水洗T磷化后處理T冷水洗T干燥。第三章

20、 關(guān)鍵工藝目的及溶液參數(shù)3.1準(zhǔn)備試樣試驗前準(zhǔn)備好試樣，機(jī)械打磨試樣，初步除去表面氧化物；并給試樣系上一 根細(xì)線，為了在整個磷化處理過程中便于拿取放置。3.2堿性除油3.2.1除油目的將試樣浸入堿性化學(xué)除油溶液中，對試樣除油，目的是去除試樣表面的油污， 清潔試樣表面，以增加磷化的保護(hù)膜層的結(jié)合強(qiáng)度。3.2.2除油溶液參數(shù)表1堿性化學(xué)除油溶液配方及參數(shù)組成及工藝NaOHNaCONaPO? 12HbONaSiOs溫度C）配方（g/L）2020-6015-305-10253.3酸洗(除銹+活化)將試樣浸入稀鹽酸容易中約30s，對試樣進(jìn)行酸洗處理。酸洗的目的主要是 除銹和活化。其中酸洗除銹的目的是為了

21、去除試樣表面的氧化物，使試樣表面更加清潔。而酸洗活化的目的是為了讓磷化基材試樣表面的金屬原子活化，便于磷酸鹽保護(hù)膜的形成，以及增加磷酸鹽保護(hù)膜的結(jié)合強(qiáng)度。3.4磷化磷化按照溫度不同可分為三種高溫磷化，中溫磷化，低溫磷化。本次試驗采用高溫磷化這兩種方法。3.4.1高溫磷化的磷酸鹽溶液參數(shù)表2高溫磷化溶液的配方及參數(shù)組分與工藝磷酸mL/L氧化鋅g/L溫度廠c時間/min配方參數(shù)g/L23985952530實驗時，具體配制步驟如下：(1) 先稱取氧化鋅，重量分別為4.5g ；(2) 接著將它們分別用少量水調(diào)和，將調(diào)成糊狀的氧化鋅在不斷攪拌下融入11.5mL磷酸中，最后加水至500mL;(3) 將配好

22、的溶液加熱至90C, 25min后取出即可。3.5磷化膜的后處理一般磷化后應(yīng)對磷化膜進(jìn)行填充和封閉處理。實驗時，填充處理的步驟為：(1) 先稱取重鉻酸鉀和碳酸鈉分別是20g和 1.5g;(2) 將其混合，加水至500mL加熱至溫度為90E后，15min后取出即可。 此外，填充后，可以根據(jù)需要在錠子油、防銹油或潤滑油中進(jìn)行封閉。如需涂漆, 應(yīng)在鈍化處理干燥后進(jìn)行，工序間隔不超過 24h。最后，將試樣經(jīng)冷水洗后，滴 上酒精溶液，然后吹干，并對已鍍試樣進(jìn)行性能檢測。第四章 檢測與分析4.1 表面形貌分析利用金相顯微鏡對有無磷化處理的試樣進(jìn)行表面形貌觀察，拍攝顯微照片。 并分析本次磷化是否成功，如果失

23、敗，找出失敗的原因以及提出解決方案。4.2 磷化膜厚度測定利用金相顯微鏡分別對高溫磷化、 中溫磷化試樣的磷化膜厚度進(jìn)行測定， 具 體工藝：鋸開一鑲嵌一砂輪磨-砂紙磨一拋光一腐蝕 （3%硝酸酒精溶液）一酒精 洗一烘干一金相顯微鏡觀察一測磷化膜厚度一拍照片。并對磷化膜厚度進(jìn)行分 析，磷化膜厚度是否合理，如果不合理，是薄了還是厚了，并分析原因以及提出 相應(yīng)的解決方案。4.3 磷化后硬度測定利用顯微硬度儀在 0.98N 的壓力下測量已鍍試樣硬度。其過程為： 將樣品放入顯微硬度儀的樣品臺上，選擇合適的載荷，打開電源；在 400 倍的顯微鏡下調(diào)整焦距至能看清樣品表面形貌為止，轉(zhuǎn)動壓頭之樣品上，按 Start 開始打壓痕，結(jié)束后再將 400 倍顯微鏡轉(zhuǎn)至樣品上方；尋找壓痕，轉(zhuǎn)動右 轉(zhuǎn)輪，使左測量線對準(zhǔn)壓痕左端點， 轉(zhuǎn)動鼓輪使右測量線靠近左測量線 （二線之 間留有空隙），記下刻度；在轉(zhuǎn)動鼓輪使右測量線與右端點相切，讀取刻度；兩 數(shù)值相減的記錄值，按記