【材料課件】表面技術

1、現(xiàn)代表面技術第一章 表面技術概論第一節(jié) 表面技術的涵義 19世紀工業(yè)革命以來，材料品種日益繁多，為了適應高強度、高硬度和耐磨、耐高溫、耐酸堿腐蝕等不同特殊要求，人們需要不斷開發(fā)各種特殊的合金材料，但這些合金材料往往價格昂貴。因此，人們試圖采用各種表面技術對普通鋼材表面進行加工，以改變其表面性能，使其適應復雜的工作環(huán)境。另外，磨損、腐蝕等失效都是首先發(fā)生在材料表面，通過對材料表面進行有效處理，可以極大地提高材料壽命。因此，迫切需要開發(fā)出各種行之有效的表面技術，正是基于這樣的背景，逐步形成了一門新興學科表面工程學。 表面工程技術的發(fā)展始于20世紀60年代末，近30年來發(fā)展尤為迅速。在傳統(tǒng)的表面處理

2、技術不斷改進、不斷完善的同時，又有科學技術逐漸滲透到該領域，各種表面技術相互融合，從而使現(xiàn)代表面技術進入了一個新的發(fā)展時期。 表面技術是一門博大精深、實用價值極高的技術。材料科學所面臨的若干艱巨任務，如要求材料硬而不脆、耐磨而易車削、質(zhì)高而價廉等間題，通過表面技術在相當程度上都可迎刃而解。除本文所提及的巨大作用外，用表面技術合成人工結(jié)構(gòu)材料、復合材料及沉積非晶態(tài)涂層及制取復合涂層方面都顯示了巨大的應用潛力。表面技術是一項能使產(chǎn)品獲得高附加值的技術。英國產(chǎn)品每年靠表面技術估計增值100億英鎊，如果對表面技術進行全開發(fā)，有可能節(jié)省200。萬到400億埃居(約200億英鎊)，可見表面技術對國民經(jīng)濟的

3、巨大作用。我國在濕法鍍覆等方面取得了令人矚目的成就，但在PVD和表面改性方面還有許多工作要做。這一方面要靠廣大科技人員的才智與努力，同時有關領導部門在設備資金投入上給予有力的支持也至關重要。只有這樣，我國的表面技術才能以新的面貌進入21世紀，全方位趕上和領先世界水平。一、什么是表面技術從廣義上講，表面技術是直接與各種表面現(xiàn)象或過程有關的，能為人類造福或被人們利用的技術。任何表面在通常情況下實際上都是界面。兩種不同相之間的交界，稱為界面，在任何兩相界面上都可以發(fā)生復雜的物理或化學現(xiàn)象，總稱為表面現(xiàn)象。固體材料的界面有三種：表面 固體材料與氣體或液體的分解面。晶界（或亞晶界） 多晶體內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)

4、相同而取向不同晶粒（或亞晶）之間的界面。相界 固體材料中成分、結(jié)構(gòu)不同的兩相之間的界面。它主要包括：表面覆蓋（在材料的表面施加各種覆蓋成）、表面改性、表面加工以及表面濕潤、表面催化、膜技術等。二、使用表面技術的目的1、 提高材料抵御環(huán)境的能力，同時具有裝飾的效果。通過使用表面技術，可以提高材料在各種介質(zhì)（如空氣、淡水、海水、土壤、酸、堿、鹽等）中的耐蝕性，還可以提高材料表面的硬度，從而提高材料的耐磨性以及耐疲勞性。有不銹鋼鏡面板;不銹鋼絲紋板;不銹鋼刻花板;不銹鋼彩色板;著色鋁合金制品;彩色(有機涂層)鋼板;金屬表面的仿金電鍍層;鐘、表殼表面的離子鍍金色氮化欽層，鋼鐵零、部件上的電鍍黑鎳層、黑

5、鉻層，電鍍鋅制品表面的彩色鈍化膜等。2、 賦予材料表面某種功能特性。包括光、熱、電、磁、聲、吸附、分離等各種物理和化學特性。3、 實施特定的表面加工來制造構(gòu)件、零部件和元器件等。4、 修補金屬表面的缺陷和磨損普遍采用熱噴涂技術修復磨損件。刷鍍是修補金屬表面磨損比較廉價的手段。特點是設備簡單，操作靈活，適于野外和現(xiàn)場修復，特別是對于大型、精密設備的現(xiàn)場不解體修復，更具有獨特的優(yōu)點。目前刷鍍技術已廣泛用于修復加工超差件，以及工件表面磨損、凹坑和斑蝕等缺陷部位。三、表面技術實施的途徑1、 表面涂覆（表面覆蓋）金屬覆蓋層：電鍍化學鍍熱浸鍍噴鍍（噴涂）真空濺射離子鍍化學氣相沉積非金屬覆蓋層：化學氧化陽極

6、氧化磷酸鹽處理鉻酸鹽處理涂料覆蓋玻璃鋼襯里橡膠襯里搪瓷襯里防銹油脂陶瓷襯里2、 表面改性用機械、物理和化學的方法，改變材料表面的形貌、化學成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應力狀態(tài)。表面改性技術基本上有兩大類型，即表面合金化過程與表面涂層過程。前者采用合金化元素改善合金原來的表面，如把碳或氮通過不同方法處理鋼的表面;后者則是將新材料沉積在表面為之提供保護涂層。表面改性技術主要有：噴丸強化表面熱處理化學熱處理等離子擴滲處理激光表面處理電子束表面處理高密度太陽能表面處理離子注入表面改性3、 表面加工：通過物理化學方法使金屬表面的形貌發(fā)生改變，但不改變金屬表面的金相組織和化學成分。表面微細加工、拋光

7、、蝕刻、整體包覆第二節(jié) 表面技術的應用一、 表面技術應用的廣泛性和重要性1、廣泛性 目前，表面技術的應用遍及各行各業(yè)，包含的內(nèi)容也十分廣泛 工業(yè)領域：可用于耐蝕、耐磨、修復、強化、裝飾等方面。 學科領域：涉及光、電、磁、聲、熱、化學、生物等方面的應用。材料領域：表面技術涉及的基體材料不僅有金屬材料，也包括無機非金屬材料、有機高分子材料及復合材料。2、重要性 保護材料的表面，延長其使用壽命，從中獲得經(jīng)濟效益和社會效益材料的疲勞斷裂、磨損、腐蝕、氧化等一般都是從材料的表面開始的，他們所帶來的損失和破壞是十分驚人的，僅從腐蝕這個方面來看，據(jù)統(tǒng)計，全世界每年損耗金屬達一億噸以上，工業(yè)發(fā)達國家因腐蝕破壞

8、造成的經(jīng)濟損失占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的24。美國75年腐蝕的損失約700億美元，占國民生產(chǎn)總值的4。2，大大超過了當年所有自然災害的總和（125億美元，5。6倍），2000年美國腐蝕損失達3000億美元，相當于美國當年的軍費開支。日本1。8，英國3。5，意大利6。6，波蘭610。我國按4計算，每年損失達1000億元，所損失的鋼材約800萬噸，相當于首鋼一年的產(chǎn)量，可鋪13條雙軌京廣鐵道線。由此可見，采用各種表面技術，加強材料的表面的保護具有十分重要的意義。 從材料的表面作用來看，許多產(chǎn)品的性能，主要取決于表面的性質(zhì)和狀態(tài) 材料科學所面臨的若干艱巨任務，如要求材料硬而不脆、耐磨而易車削、質(zhì)高而價廉等間

9、題，通過表面技術在相當程度上都可迎刃而解。 應用表面技術可以生產(chǎn)出各種新材料、新器件二、 表面技術在結(jié)構(gòu)材料以及工程構(gòu)件和機械零部件上的應用三、 表面技術在功能材料和元器上的應用四、 表面技術在其它方面的應用1、凈化空氣用觸媒載體（吸附的方法）凈化汽車尾氣2、凈化水質(zhì)3、生物醫(yī)學4、 綠色能源第三節(jié) 表面技術的發(fā)展一、表面涂覆技術的發(fā)展在表面涂敷技術中，涂料和土裝飾一個重要的組成部分。早在公元前2000年，我們的祖先從野生的漆樹收集天然漆，用來裝飾器皿。直到本世紀20年代，由于化學工業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了酚醛樹脂，才給變了涂料完全依賴天然材料的局面。30年代出現(xiàn)了醇酸樹脂，使涂料擺脫了油樹脂型的格局

10、，從而進入了合成樹脂涂料時期，發(fā)展成為現(xiàn)在的18大涂料類。他們的適用范圍遠遠超出了裝飾目的，已涉及到材料保護和具有各種功能的領域。由于涂料制造和涂裝行業(yè)是資源耗量很大的工業(yè)領域，又是大氣和水質(zhì)的污染源之一，因而開發(fā)和采用資源利用率高的，低污染或無污染型涂料和涂裝技術已成為重要的研究方向。熱噴涂因基材可以不經(jīng)高溫，可用作涂層的材料類型廣泛，土層性能優(yōu)良，共建的外形尺寸上沒有限制，成本低，從而成為廣泛使用的表面技術。這類技術的開發(fā)和使用是從本世紀初開始的。七十年代，熱噴涂技術向著高能高速高效發(fā)展。八十年代以來，熱噴涂技術向著涂層質(zhì)量進一步提高以及精密智能化方向發(fā)展。二、金屬表面強化技術的發(fā)展 金屬

11、材料一般適宜合金的形式進行使用，具有良好的強度和塑性配合，優(yōu)良的加工性，許多金屬還具有優(yōu)異的物理特性，因而應用非常廣泛。金屬材料的表面在外環(huán)境下容易發(fā)生各類的磨損腐蝕氧化和疲勞等破壞。因此，金屬的表面強化技術受到人們的重視。20年代，噴丸強化技術應用于汽車領域；60年代以后用在航空中得到應用。使得經(jīng)噴丸后，零部件的抗疲勞性和抗力學腐蝕性有了明顯提高，而生產(chǎn)成本低廉，因此成為一種重點采用的表面技術。 表面熱處理和化學熱處理也是人們早就使用的表面技術。這些技術早在戰(zhàn)國時就開始應用。到了19世紀和20世紀初人們對電進行了廣泛的研究之后，一系列以電為基礎的表面處理新技術不斷涌現(xiàn)出來。如等離子熱化學技術

12、和等離子鍍膜技術。同時，激光和電子束也在該領域得到應用。三、表面加工技術的發(fā)展表面加工技術包含的內(nèi)容十分的廣泛，尤其是表面微細加工技術已成為大規(guī)模集成電路和微細圖案成型必不可少的加工手段，在電子工業(yè)尤其是微電子技術中占有特殊地位。雖然人們在19世紀發(fā)現(xiàn)了硅半導體以及他的一些特殊性能，但20世紀初由于發(fā)明了真空二極管和真空三極管，半導體的應用受到限制。進入2030年代后無線電通訊對高頻和超高頻的利用以及二戰(zhàn)中微波技術的進步，都要求采用半導體器件。與此同時，人們對半導體的認識加深，直到1948年終于制成了結(jié)型晶體管，引起了電子學的革新。到1958年平面集成電路得到應用。現(xiàn)在，已從特大集成電路向吉規(guī)

13、模集成電路進軍。到今天，微細加工技術在微電子技術成就的基礎上正在向為機械技術和納米級制造技術推進。第二章 金屬表面的預處理金屬表面預處理：是指用物理或化學的方法除掉金屬表面的油污、氧化皮、銹蝕產(chǎn)物和其它污物，而呈現(xiàn)出具有一定粗糙度或光潔度的清潔的金屬的表面。金屬及其制品在使用和加工以及存儲過程中，表面會有各種臟物（油污、潤滑劑、氧化皮、腐蝕產(chǎn)物、沙塵、油漆等），或者存在改變了金屬表面的形狀及表面層的組織、結(jié)構(gòu)。當我們對金屬進行表面加工（比如在金屬表面施加涂鍍層的時候），這些表面缺陷會嚴重影響涂鍍層的致密性以及與基體的結(jié)合強度，甚至造成表面處理的失敗。因此，進行表面處理之前，首先必須把金屬的表面

14、處理成干凈的表面。表面處理有時候要求基體的表面具有一定的光潔度，有的時候還要求基體的表面有一定的粗糙度。 第一節(jié) 除油從金屬表面除掉油脂的過程，習慣上叫做除油，也叫脫脂。除油的主要方法有：溶劑除油、堿液除油、電解除油、燒灼（加熱）除油、蒸汽熱洗。一、油污的種類油污按化學性質(zhì)可分兩類：1、皂化類：所有的植物和動物油脂都屬于皂化類，他它們甘油和高分子有機酸的酯類。它們在堿液的作用下能分解生成溶于水的脂肪酸鹽肥皂和甘油。化學反應如下：（RCOO）3C3H5+NaOHRCOONa+ C3H5 (OH) (肥皂) (甘油)2、非皂化類：指的是礦物油，如汽油、潤滑油、柴油、原油等，它們在堿的作用下不起化學

15、分解反應（也就是皂化反應），因此稱為非皂化類油脂，能溶于某些溶劑，在一定條件下，與堿形成乳濁液，也可以從基體表面除去。二、除油劑的除油機理除油時我們使用各種除油劑，它們的作用機理時不相同的。歸納起來，有以下幾種1、皂化作用： 氫氧化鈉和堿性強的鹽類與油脂反應生成肥皂和甘油，肥皂和甘油溶于水，而除去油脂。利用皂化作用只能除去動物和植物油脂。常用的皂化劑有：NaOH、Na2CO3、Na3PO4、Na2SiO3、NaNo2等。2、乳化作用： 使用表面活性劑除油，表面活性劑能顯著降低水的表面張力或水與油之間界面張力，它的分子中既有親水基團，又有親油基團，親油基團與油污分子結(jié)合，而親水基又包圍在外面，形

16、成O/W液滴，分散到液體中，形成乳濁液而除去油污。礦物油等非皂化類油脂只有通過乳化作用才能除去。常用的乳化劑有：3、潤濕作用：表面活性劑溶液滲入油脂中，并在基體表面分散，減少油脂對基體表面的附著力，使之脫落。常用的潤濕劑有：4、分散作用：利用分散劑把從基體表面脫落的油脂分散到溶液中，而除去油脂。常用的分散劑除表面活性劑外，還有硅酸鈉、磷酸鈉。5、溶解作用：利用有機溶劑對油脂的溶解作用，把油污除去。很多有機化合物是非極性的或弱極性的，而水是一種強極性的液體，所以多數(shù)有機物不容于水，而易溶于極性弱的有機溶劑中，當然極性大的有機物，如乙醇、乙酸等則易溶于水，甚至可以以任何比例于水互溶。三、對除油劑的

17、要求1、除油效果好，成本低。2、對基體物腐蝕、安全、無毒。3、操作方便，容易被水清洗。4、對后續(xù)工序無不良影響。5、便于廢水處理，不致引起公害。五、 物理因素在除油過程中的作用1、攪拌：可以處使油污從工件表面脫落下來，也可以使除油劑于表面充分接觸，并加速油污在溶液中的分散過程，所有這些都可以使除油速度加快。 機械攪拌、空氣攪拌、超聲波清洗2、溫度：溫度升高對除油過程有促進作用，溫度升高時，油脂變軟，有利于除油劑的滲透和潤濕作用，促進油脂脫落合分散，溫度升高還會使酯的水解速度加快，溶液的對流作用增強，這些都有利于除油過程。因此傳統(tǒng)的除油都是在接近沸點的溫度下進行的。但是高溫除油耗能較高，近年來，

18、低溫除油越來越受到人們的重視。低溫除油對表面活性劑依賴程度很大，要求表面活性劑的濃度高達13。通常是非離子表面活性劑與陰離子表面活性劑配合使用，為了促進表面活性劑的溶解，往往還需要加入分散劑（親水基團較多的表面活性劑）。用這樣的除油液在40左右的室溫下就可以有效地除油。3、電流： 六、 除油方法1、 溶劑除油 溶劑除油是，借油脂溶于有機溶劑中以后隨溶劑起揮發(fā)而去掉油脂。它可以溶解皂化和非皂化油脂。由于有機溶劑只能溶解油脂，而不能溶解油污中的非有機物，因此，溶劑中的臟物在溶劑揮發(fā)后仍會殘留在工件表面上， 對溶劑的要求：(1) 無易燃性；（2）無毒、無刺激性氣味；（3）無腐蝕性；（4）溶劑不分解、

19、不變質(zhì)；（5）溶解油脂能力強、粘度低、比熱小。常用溶劑：（1）汽油、煤油，價格便宜，溶解弱極性或非極性油脂，溶解油污能力較強，毒性小，是一種用量大、應用普遍的有機溶劑。 （2）三氯乙烯，不易燃燒，穩(wěn)定，溶解弱極性或非極性油脂，它對大多數(shù)金屬物腐蝕作用，但有一定的毒性，使用時要按一定的操作規(guī)程，在專門的除油設備中使用。（3）丙酮、酒精，溶解強極性油脂， (4) 四氯化碳，、苯，非極性有機溶劑除油的方法與設備：用布蘸有機溶劑擦金屬表面，或者使用“除油機”進行。2、堿液除油用含有堿性化學試劑的溶液除去材料表面油污的方法。利用堿和表面活性劑對油脂的皂化作用和乳化作用進行的。除油劑的組分和作用：NaOH

20、：堿性最強的除油劑，與動植物類油脂發(fā)生皂化反應，使酯類水解為可溶與水的肥皂和甘油。NaCO3：皂化作用較NaOH弱，但對溶液的PH值優(yōu)良好緩沖作用，對油脂層有緩慢的潤濕和分散作用，對材料腐蝕作用小，比較適合清洗有色金屬。Na3PO4：常用的是十二水磷酸納(Na3PO4·12H2O)，偏磷酸納(NaPO3)、三聚磷酸納（Na5P3O10）,它們除具有碳酸鈉優(yōu)點外，還具有乳化能力，很容易用水清洗，對硬水有軟化作用，對鋁、鋅等金屬沒有顯著的腐蝕作用。Na2SiO3：俗稱水玻璃或泡花堿，潤濕、乳化和分散作用，對強堿液有緩沖作用，也可用作表面活性劑：表面活性劑 它可促進乳化、分散作用，加快除油

21、過程。這種物質(zhì)分子中的親油端(疏水端)被金屬表面油污所吸附，同時分子中的親水端與堿液中的水分子結(jié)合，從而提高金屬表面在溶液中的潤濕性，使之充分地與堿液接觸。另外，表面活性還可以降低油水界面張力和油滴對金屬表面的親合力，從而促使油滴進入溶液。同時表面活性劑又被吸附在油滴表面形成乳膠體，使溶液中的油滴不會重新聚集，起到對油脂乳化、分散作用。除油劑中常用的表面活性劑有水玻璃、肥皂和烷基芳基聚乙二醇(oP乳化劑)，6501(十二烷基二乙醇酰胺)、6503(十二烷基二乙醇酰胺磷酸脂)及TXl0 (聚氧乙烯辛烷基酚醚)。堿液除油工藝條件：（1） 根據(jù)油污狀態(tài)和材料的性質(zhì)選擇適當?shù)某蛣┙M成和使用條件?；蚺c

22、其它的除油方法配合使用。（2） 有色金屬盡量不使用NaOH。（3） 為節(jié)約能源，盡量在低溫條件使用（4） 從成本考慮，除油劑濃度盡量低。堿液除油的優(yōu)點是：成本低、無毒、不會燃燒。缺點：生產(chǎn)效率低（除油時間長）。3、電解除油：在堿性除油液中通直流電，把工件作為陰極或陽極，進行短時間電解，而除油的方法。除油原理a、皂化作用及乳化作用b、電極表面的極化作用，降低金屬表面與溶液界面張力c、電極上產(chǎn)生的大量氣泡的迅速撕裂，使油污轉(zhuǎn)變成細小的油珠而被除掉d、氣泡對溶液還會起到機械攪拌作用，加速除油過程除油方法a、陰極除油：將工件作為陰極陽由不溶性電極材料制成。反應式：2H2O + 2e H2 +2OH-

23、特點：析出氣體為H2，氣泡小，數(shù)量多，面積大，除油效率高，不腐蝕工件。但容易產(chǎn)生氫脆，零件表面上有黑色掛灰。b、 陽極除油：將工件作為陽極，陰極可以使用鋼板。反應式： 4OH- - 4e O2 + H20特點：析出氣體為氧氣，氣泡大，數(shù)量少，氧氣的析出使陽極附近PH值下降，降低油脂的皂化反應速度，除油效率低，陽極具有溶解性，對金屬有腐蝕性。鋅、錫、銅及其合金不宜用陽極除油。c、 陰陽極交替除油為解決陰極除油產(chǎn)生氫脆，陽極除油零件被溶解的問題，在實際應用當中，經(jīng)常采用陰、陽極交替除油的方法，即先用陰極除油，再轉(zhuǎn)為短時間的陽極除油，或是先用陽極除油，再轉(zhuǎn)為陰極除油。4、燒灼除油和蒸氣熱洗第二節(jié) 酸

24、洗除銹一、 酸洗的目的和作用為了除掉金屬表面的腐蝕產(chǎn)物或氧化皮。除銹多用酸，稱之為酸洗。二、 金屬表面的氧化產(chǎn)物銹是指金屬在水和氧等的作用下，在其表面生成的固體腐蝕產(chǎn)物。通常我們說的鐵銹，就是指由于高溫氧化在鋼鐵表面形成的氧化皮。一般的金屬在使用環(huán)境下，都會受到腐蝕而生銹。例如：對碳素結(jié)構(gòu)鋼，表面氧化物主要由FeO、Fe2O3、Fe3O4組成。三、 酸洗液的組分和作用1、酸洗用酸：硫酸：對金屬氧化物的溶解能力較弱，熱硫酸對鋼鐵材料酸洗能力較強，但溫度過高容易造成腐蝕，并使鋼鐵基體產(chǎn)生氫脆。經(jīng)常與其它的酸配合使用。硫酸+鉻酸或重鉻酸鹽用于鋁的活化劑硫酸硝酸用于不銹鋼和銅、銅合金的酸洗硫酸氫氟酸用

25、于不銹鋼的酸洗鹽酸：對金屬氧化物的清洗作用較好，可以對多種金屬進行清洗。硝酸：不能單獨用于酸洗，與氫氟酸配合用來除去鉛、不銹鋼、鎳基、鐵基合金上的氧化物。2、酸洗緩蝕劑目的：防止金屬過腐蝕和氫脆。主要有：若?。ǘ徏谆搅螂澹?、硫脲、硫脲與烏洛托品等。3、酸洗用促進劑目的：加入酸液中能夠加快酸洗速度。主要有無機鹽和表面活性劑。四、 化學酸洗酸洗根據(jù)反應原理可分為化學酸洗和電化學酸洗?；瘜W酸洗是金屬表面浸入適當濃度和一定溫度的酸液中，通過化學反應而除去金屬氧化物的方法。1、 反應原理以鋼鐵的化學酸洗為例，F(xiàn)eO + 2HCI FeCI2 + H2OFeO3 + 6HCI FeCI3 + H2OF

26、e3O4 + 8HCI 2FeCI3 +FeCI2 +4H2O通過這些反應，鐵的氧化物溶解而進入溶液，同時夾雜在鐵的氧化物孔隙中的大量的散碎的鐵還會與鹽酸發(fā)生反應而放出氫氣Fe + 2HCI FeCI2 + H2 產(chǎn)生的氫氣能把疏松的氧化層從鋼鐵表面剝離下來。2、 影響因素酸洗溶液濃度和溫度的影響鹽酸酸洗時,鹽酸溶液的濃度和溫度直接影響著溶液的活性,酸洗速度隨鹽酸的濃度的增加而增加,雖溫度的升高而增快,如圖21所示。雖然提高鹽酸濃度可以增加酸洗速度，但由于鹽酸濃度超過18%時，基體的溶解速度將明顯增加。因此，實際生產(chǎn)中一般采用10%左右的鹽酸進行酸洗。升高鹽酸溶液的溫度同樣可以提高鹽酸溶液的活

27、性，但因溫度高時，鹽酸揮發(fā)性大，污染環(huán)境。所以通常采用增加鹽酸濃度而不過分升高溫度的辦法來提高酸洗速度，多采用在室溫下進行酸洗。 硫酸酸洗時，在一定的酸濃度范圍內(nèi)，酸溶液的活性隨濃度的增加而提高。當硫酸濃度為25%30%時，活性最大，酸洗速度最快，即酸洗時間最短。酸濃度超過30%時，酸洗速度隨濃度的增加而降低，當濃度達到60%時，是鋼鐵發(fā)生鈍化現(xiàn)象，酸洗根本不能進行。所以生產(chǎn)中一般采用20%左右的硫酸濃度進行酸洗。酸洗溶液濃度對酸洗時間的影響如圖22所示。（1 14頁上） 提高硫酸溶液的溫度同樣可以提高硫酸溶液的活性，增加酸洗速度。但溫度超過70時，硫酸溶液對于鋼鐵基體的腐蝕速度增加很快，同時

28、氫脆傾向增大，所以生產(chǎn)中硫酸酸洗時的溫度采用5060。 另外，從表21列出的鹽酸和硫酸溶液濃度與溫度對酸洗時間的影響結(jié)果還可以看出，鐵在鹽酸溶液中其酸洗速度隨溫度的升高而加快的程度，比在硫酸溶液中小。在鹽酸溶液中酸洗時，酸的濃度對酸洗速度有很大的影響，而在硫酸中溫度對酸洗速度影響很大。 表21鹽酸和硫酸的濃度與溫度對酸洗時間的影響酸洗濃度%酸洗時間（min）硫酸濃度%酸洗時間（min）184060184060510551815652 5101351204532138 酸溶液中Fe的影響 無論是用鹽酸酸洗還是用硫酸酸洗，總的趨勢是溶液中的Fe離子含量逐漸增加，并對酸洗速度有較大影響。 鹽酸酸洗時

29、，溶液中FeCl2濃度的增大，并不一定降低酸洗速度，相反，由于酸洗時生成了極易溶于水的FeCl2，所以在一定的含鐵量范圍內(nèi)，隨Fe2+離子濃度的增加，酸洗速度加快，直到Fe2+離子濃度達到該溶液中的飽和度為止。由此可見，酸洗速度不是簡單的依賴于Fe離子的絕對含量，而更重要的是決定于FeCl2再該鹽酸下的飽和度。因為有時酸溶液中FeCl2含量已經(jīng)很高，但若再該鹽酸濃度下，F(xiàn)eCl2并不飽和的話，則溶液仍具有很強的酸洗能力：相反，F(xiàn)eCl2含量并不太高，如果已經(jīng)達到該濃度下的飽和狀態(tài)，其酸洗能力就會顯著下降，此時即使延長酸洗時間已無濟于事。如下表，列出了不同鹽酸濃度下FeCl2飽和度。鹽酸濃度%溶

30、劑鹽酸含量（g）FeCl2最大溶解量（g）FeCl2飽和度（%）810141621283110010010010010010010053484340.316.77.45.553484340.316.77.45.5 從表中數(shù)據(jù)可以看出，當鹽酸濃度達到10%時，F(xiàn)eCl2飽和度為48%，而鹽酸濃度為31%時其飽和度只有5.5%。因此鹽酸酸洗時采用低濃度的鹽酸酸洗較為合適。試驗表明，在2%15%鹽酸中酸洗，F(xiàn)e離子含量小于16%時，酸洗效果最好。在硫酸酸洗中，硫酸亞鐵含量對酸洗時間的影響如圖2-3所示。從圖中可以看到，酸洗時間隨硫酸亞鐵的含量的增加而延長，但硫酸濃度為20%左右時，不管硫酸亞鐵含量是

31、多少，酸洗時間都有一個最小植。當硫酸亞鐵濃度增大到接近或達到在溶液中的飽和度時，不僅酸洗速度最慢，由于鐵鹽殘留在工件表面上，使表面變黑變臟：過度的硫酸鹽結(jié)晶也容易引起工件表面過酸洗缺陷。因此，酸洗溶液中硫酸亞鐵濃度不應超過其在當時條件下的飽和度。（1.15）3 酸洗工藝條件a 鋼鐵化學酸洗配方及操作條件見表22。 表22 鋼鐵化學酸洗配方及操作條件溶液成分（gl） 1 2 3 4 5硫酸鹽酸氫氟酸硫脲烏落托品2002502380150 13150200 13100150131001020溫度（）時間（min）3050152060701015305015203040202530502025在鋼材

32、生產(chǎn)中，帶鋼鋼板鋼絲的酸洗多數(shù)是在連續(xù)密閉的酸槽中進行的。鹽酸濃度為5%20%，酸洗溫度為7085，溶液中氯化亞鐵的含量控制在1015%；或者是使用溫度小于85的1525%硫酸溶液，其硫酸亞鐵含量應控制在200250gl。如果是非連續(xù)酸洗，鹽酸濃度為5%20%，酸洗溫度為4050；或者是硫酸濃度為2025%，酸洗溫度為5060。考慮到硫酸和鹽酸對鐵的氧化物作用不同，國內(nèi)也有使用硫酸與鹽酸的混合夜進行酸洗的?；旌纤嵯慈芤撼煞质牵篐2SO4 50100g/l和HCL150100g/l,或者是H2SO4 150200g/lHCI 250400g/lFeCL3·6H2O 35g/l 和若丁2

33、3g/l。酸洗后往往在鋼件表面殘留酸和鐵鹽，因此，對酸洗過的工件還要再熱的及冷的流動水中進行清洗，以保證表面清潔度，用熱的流動水清洗時，溫度為7080，清洗時間為59 min；用冷的流動水清洗時，清洗時間也為59min。b 銅和銅合金銅和銅合金的酸洗，通常是在硫酸硝酸和加有少量鹽酸的混合酸夜中進行的。當工件表面氧化膜很薄時，可省去預酸洗而直接進行光亮酸洗處理。 銅和銅合金化學酸洗溶液配方及操作條件見表23 表23銅和黃酸洗配方及操作條件溶液成分（ml/l）預酸洗光亮酸洗1212硫酸硝酸鹽酸氯化鈉，g/l水1601802102204（或36）余量500200250微量余量 50025030035

34、余量18026034038012余量溫度（）時間（min）<3024203035<3013<3035酸洗時，銅的氧化物分別與硫酸、硝酸和鹽酸發(fā)生下述反應：CuO+H2SO4CuSO4+H2O CuO+2HNO3Cu（NO3）2+H2O CuO+2HCLCuCL2+H2O但是，由于銅的活潑性較差，因而不能與稀硫酸和稀鹽酸反應而放出氫氣，他只能和具有氧化性的酸進行反應。銅和濃硫酸進行下列反應：Cu+2H2SO4CuSO4+SO2+2H2O銅和濃硝酸反應放出NO2：Cu+4HNO3Cu(NO3)2+2NO2+2H2O銅和稀硝酸反應放出NO：3Cu+8HNO33Cu(NO3)2+2N

35、O+4H2O在用硫酸硝酸鹽酸混合溶液酸洗時，與銅發(fā)生反應的主要是硝酸，因而反應時會放出大量棕紅色刺鼻的氣體即氮氧化物的混合物（NOx），污染環(huán)境。對此，可以通過加入抑制劑如尿素明膠聚已二醇和表面活性劑等，以減少氮化物的危害。用上述混合酸溶液對黃銅進行酸洗時，要特別注意防止過腐蝕現(xiàn)象。因為混合酸中當硫酸和鹽酸含量不變時，硝酸含量增加，銅的溶解速度就迅速上升，而鋅的溶解速度變化很小。當硫酸和硝酸含量一定時，鹽酸的含量增加，則鋅的溶解速度上升，而銅的溶解速度稍有降低。在酸洗時，正確的酸比應使銅和鋅的溶解速度等于他們在黃銅中的含量比。若鹽酸含量不足，黃銅表面殘留過多的鋅，則呈暗淡黃色；若鹽酸含量不多或

36、硝酸含量不足，則黃銅表面會出現(xiàn)棕褐色的斑點。這是由于鋅的過腐蝕而銅溶解不足所造成的黃銅脫鋅。酸洗速度還取決于溫度。當酸洗溶液溫度達到50時，銅的溶解速度起初增大，而后迅速降低，鋅的溶解速度變化不大，因而酸洗效果不好。當溫度超過50時，混合酸開始分解。實踐表明，銅和銅合金酸洗溫度應控制在30以下。用氯化鈉代替鹽酸的目的，是既可以保持氯離子的活化作用，又可以減少溶鋅時所析出的氧，使腐蝕作用減緩。C 鋁和鋁合金鋁是兩性金屬，他的氧化物即溶于堿，也溶于酸，所以鋁和鋁合金即可以用堿洗，也可以用酸洗。例如，在含65g鉻酐360g硫酸和100ml水的溶液中，于6070溫度下進行除銹。溶液中的鉻酐也可以用硝酸

37、代替，還可以加入適量氫氟酸。表24列出不同鋁合金酸洗配方及操作條件。 表24 不同鋁合金酸洗配方及操作條件。材料溶液成分溫度（）時間（s）純鋁，AlMnALCu(低)50%HNO3室溫530AL Cu(高)ALCuMgALSiALMnSi3050%HNO3+35%HF室溫530ALMg(高)1520%H2SO46080510酸洗液中，硫酸的主要作用是有選擇的溶解上述鋁合金表面的金屬鋁和氧化鋁，能夠提高合金表面和酸液的活性，同時提高酸液的整平作用。硫酸的濃度一般在825%較為適宜。如果他的濃度低于8%，其酸洗速度就慢，易使合金受到點腐蝕。如果濃度高于25%，就會降低酸洗質(zhì)量，使合金表面出現(xiàn)半透明

38、物膜。硫酸在酸洗的化學反應如下： 2AL+3H2SO4=AL2(SO4)3+3H2 AL2O3+3H2SO4=AL2(SO4)3+3H2O硝酸的作用是，一方面與合金表面的金屬鋁起化學反應生成氧化鋁，另一方面又及時溶解氧化鋁膜而生成硝酸鋁。這對提高酸洗的表面質(zhì)量起到重要作用。在酸洗液中，硝酸的濃度在2550%較為適宜。硝酸在酸洗中的化學反應如下： 2AL+6HNO3=AL2O3+6NO2+3H2O 4AL+4HNO3=2AL2O3+4NO+2H2O AL2O3+6HNO3+2AL(NO3)3+3H2O氫氟酸對除去含硅的鋁合金表面的暗灰色硅浮灰，以提高酸洗表面質(zhì)量，起到一定作用，其化學反應如下：

39、Si+4HF+4HNO3=SiF4+4NO2+4H2O為了獲得比較光亮的鋁和鋁合金表面，則可采用含表面活性劑的磷酸溶液進行酸洗。酸洗溶液成分如下： 磷酸（85%） 100ml/l 丁醇 400ml/l 異丙醇 300ml/l 水 200ml/l鋁和鋁合金經(jīng)過酸洗后，必須立即用流動溫水和冷水清洗，以徹底除去表面殘留的酸液，從而防止鋁和鋁合金表面受到腐蝕。D 其他有色金屬除常見的銅和銅合金及鋁和鋁合金外，有色金屬中的鋅鎂錫和鉛等酸洗用配方及操作條件見表25 表25有色金屬的酸洗配方及操作條件溶液成分（g/l）鋅和鋅合金 鎂和鎂合金錫鉛硫酸鹽酸硝酸鉻酐氫氟酸501001020150250801201

40、0030050100溫度（）時間（min）室溫<1室溫<1室溫812室溫<1室溫13室溫<14 酸洗除油一步法及除油除銹磷化鈍化“四合一法”把酸洗和除油兩道工序和為一步稱為酸洗除油一步法。他是在酸乳化劑和少量緩蝕劑配成的水溶液中進行的。這種工藝只適用于鋼鐵材料及其制品表面銹蝕和油污不太嚴重的情況，見表26列出鋼鐵材料酸洗除油一步法用配方及操作條件。由于一步法溶液酸性強，又要加熱，因此要求容器和加熱器能耐酸耐熱，同時必須設置良好的塑料或玻璃鋼抽風機，以保證操作安全和人身健康。 表26 鋼鐵材料酸洗除油一步法用配方及操作條件溶液成分（g/l） 1 2硫酸硫脲op乳化劑若丁氯

41、化鈉2002503568320350 510 35 1520溫度（）時間（min）6065409050551050“二合一法”配方成分1（%）2（g/l）作用工業(yè)硫酸（相對酸度1.84）工業(yè)鹽酸（含量30%）十二烷基磺酸鈉若丁六次甲基四胺三乙醇胺氯化鈉（工業(yè)鹽）平評加水15250 60.060.10. 6 余量1502002003001032200300余量酸洗除銹除銹潤濕，分散，除油緩蝕緩蝕緩蝕，分散促進劑潤濕，分散，除油“四合一法”配方磷酸二氫錳 700g 磷化劑硝酸鋅 200g 磷化劑氟化鈉 200g 磷化劑氧化鋅 70g 磷化劑磷酸 200ml 磷化劑 除銹酒石酸 50g 除銹硝酸鈉

42、50g 鈍化劑亞硝酸鈉 20g 鈍化劑OP10 40ml 除油絡合劑（檸檬酸鈉） 20g 除油或銹水 10L 第三節(jié) 涂層與鋼材表面的粘附理論 1 物理作用a范德華力：色散力，誘導力，取向力范德華力：金屬對表面涂層有一種物理吸附作用，稱為范德華力。色散力 非極性分子互相靠近時，由于電子的高速轉(zhuǎn)動和原子核的不斷震動，正負電荷的中心不可能每一時刻都重合，必然產(chǎn)生瞬間偶極，而瞬間偶極總是處于異極相鄰的狀態(tài)。這種非極性分子瞬間偶極之間所產(chǎn)生的分子力稱為色散力誘導力 當極性分子與非極性分子靠近時，非極性分子受極性分子的影響，產(chǎn)生誘導偶極，由此而形成的吸引力稱為誘導力。取向力 極性分子之間，由于固有偶極之

43、間的取向所引起的分子間力，稱為取向力，他使極性分子更加靠近。 B 表面張力金屬表面分子與內(nèi)部分子所處的狀態(tài)是不同的。內(nèi)部分子所受的分子間的作用力合力為零，而表面分子所受的合力不為零，有一個向內(nèi)的拉力，使進入該力勢內(nèi)的涂料分子被吸附。C 機械作用金屬表面的粗糙度給涂料分子與金屬表面分子的吸附作用提供了更多的附著點，從而增大了他們之間的摩擦力，稱為機械作用。因此為了提高涂料與金屬之間的吸附作用，金屬表面應該有一定的粗糙度。當工件噴丸后，在工件表面形成齒形錨紋，他可使金屬表面積增大20倍，錨太淺或太深都不合適，適中的錨紋才有利于涂料與金屬之間的吸附。 第四節(jié) 金屬表面的機械處理一 刷光磨光與拋光1

44、刷光刷光是使用金屬絲動物毛天然或人造纖維制成的刷光輪對工件表面進行加工的方法。他主要用于除去工件表面的氧化皮銹蝕焊渣舊油漆及其他污物；也用于除去零件機加工后留在表面棱邊的毛刺。常用刷光輪一般由鋼絲和黃銅絲等材料制成。零件材質(zhì)較硬者，應采用鋼性大的鋼絲刷輪，同時采用較大的轉(zhuǎn)速；反之，采用黃銅絲的刷輪。刷光可分為機械刷光和手工刷光。兩者多采用濕法，即用水或溶液保證刷光進行，一般都采用水做刷光液，對鋼鐵材料的刷光也有采用35%磷酸鈉溶液的。2 磨光和拋光 A 磨光 磨光是用磨光輪對零件表面進行加工的方法。他可以去掉零件表面的銹蝕 砂眼焊渣劃傷等缺陷提高零件的平整度。磨光一般都是在裝有旋轉(zhuǎn)的磨輪或圓盤

45、的機床上進行，目前用帶式磨光機的日益增多，也可以在一些專用的旋轉(zhuǎn)滾筒震動磨光機等設備中進行，后者常用于批量生產(chǎn)。 B 拋光 拋光是用拋光輪對零件表面進行加工的方法。拋光可進一步降低零件表面的粗糙度，獲得光亮的外觀。 拋光時，首先把拋光輪的圓周線速度調(diào)節(jié)到2035m/s（零件形狀簡單表面較硬的，轉(zhuǎn)速可大些，反之，則小些），然后根據(jù)零件選用拋光劑。常用的拋光輪有三種，即非縫合式縫合式和風冷布輪。拋光劑有拋光膏和拋光液兩種。二 噴砂和噴丸1 噴砂和噴丸的目的： a 除銹及污物 b在金屬表面形成錨紋，增加與錨紋之間的吸附力 c 表面強化，硬度提高，疲勞強度提高d 形成殘于壓應力，減小scc的敏感性2

46、噴沙種類干噴沙 干噴砂的磨料可以是鋼砂、氧化鋁、石英砂、碳化硅等。目前應用最多的是石英砂。管道噴砂所用砂粒的尺寸一般選用2.53.5mm的石英砂。 干噴砂設備有吸入式、壓力式、自流式、離心式等空氣壓力噴砂機，生產(chǎn)上常用的是吸入式和壓力式兩種。吸入式噴砂機結(jié)構(gòu)簡單，但生產(chǎn)效率低，適用于小工件。壓力式噴砂機主要由貯砂箱、噴砂室及工作臺等組成。壓縮空氣通過混合室與砂料混合，然后一起沿軟管輸送到噴槍，從噴嘴高速射出撞擊工件表面，從而達到加工的目的。這種噴砂機適用于大、中型工件，生產(chǎn)效率高，多用于大批量生產(chǎn)。目前國內(nèi)管道除銹大多數(shù)采用這種方式（見圖211）。濕噴砂 濕噴砂是將水與磨料混合成砂漿（磨料體積

47、一般占2030），并不斷攪拌以防沉淀，用壓縮空氣壓力噴槍，噴向工件；也可將砂和水分別置于罐中，在流入噴槍前混合，然后噴向工件。為防止鋼鐵件銹蝕，水中可加入亞硝酸鈉、碳酸鈉、重鉻酸鈉等作緩蝕劑。濕噴砂所用的磨料與干噴砂相同，與干噴砂相比，濕噴砂的優(yōu)點是可以避免產(chǎn)生大量粉塵，對操作人員健康危害不大，不污染環(huán)境。 濕噴砂通常有霧化噴砂、水氣噴砂和水噴砂3種，噴砂方式和噴砂機的結(jié)構(gòu)各不相同，其工作原理和特點見表27。 表27各種濕噴砂工作原理和特點方法工作原理特點水氣噴砂由泥沙泵以高壓將水砂料經(jīng)軟管輸送到噴槍，并在噴槍通人壓縮空氣，以噴出的高速水砂流沖擊工件表面改變壓縮空氣壓力，就能改變噴砂表面粗糙度

48、水噴砂不使用壓縮空氣的水砂流噴砂只能通過改變水壓、才能改變噴砂表面粗糙度霧化噴砂即低壓噴砂。磨料從裝有文氏管的壓縮空氣系統(tǒng)送至噴槍，以霧化水砂流沖擊工件表面只有通過改變磨料粒度才能改變被噴砂工件表面的粗糙度3 噴丸 噴丸與噴沙相似，只是用鋼鐵丸或玻璃丸代替噴沙用磨料。常見噴丸主要有以下幾種： 鑄鋼丸 硬度一般為HRC 4050，韌性較好，使用廣泛，其使用壽命是鑄鐵丸的幾倍。 鑄鐵丸 硬度為HRC 5865，質(zhì)脆而易于破碎，壽命短，使用不廣。主要用于噴丸強度高的場合。 玻璃丸 硬度較前兩者低，主要用于不銹鋼鈦鋁鎂及其他不允許鐵質(zhì)污染的材料。也可在鋼鐵丸噴丸之后作第二次加工之用，以除去鐵質(zhì)污染和降

49、低零件的表面粗糙度。 噴丸粒度一般選在650目之間。噴丸加工的設備與噴沙設備基本相同，只是需要某些輔助裝置來更嚴格的控制噴丸加工過程。噴丸與噴沙相比有許多優(yōu)點，設備的生產(chǎn)率高，處理的表面質(zhì)量好，磨料損失少。第三章 電鍍電鍍：在含有欲鍍金屬離子的溶液中，以被鍍材料或制品為陰極，通過電解作用，在基體表面上獲得鍍層的方法。電鍍技術的應用已經(jīng)有很長的歷史，最初的開發(fā)是為滿足人們防腐和裝飾的需要，隨著科學技術的不斷進步，電鍍技術還可以用來制取特定成分和功能的金屬覆蓋層，提供電、磁、光、熱等方面的特性。根據(jù)鍍層的功能可分為防護性鍍層、裝飾性鍍層、功能性鍍層。被鍍材料可以是金屬也可以是非金屬， 電鍍是以電化

50、學過程為依據(jù)，所以電鍍要有三個必要條件：電源、鍍槽（鍍液）、電極。第一節(jié) 電鍍的基本原理一、 電化學反應陰極：Mn+ + ne M陽極：M - ne Mn+ 二、 法拉第電解定律1、法拉第第一定律電流通過鍍液時，電解質(zhì)溶液發(fā)生電解反應，陽極發(fā)生氧化反應，陽極金屬不斷溶解，陰極發(fā)生還原反應，不斷有金屬析出，金屬溶解或析出的量與通過的電荷量有關。內(nèi)容：電解時，電極上析出或溶解的物質(zhì)的量與通過的電量成正比。 M=kQ式中 M電極上析出或溶解的物質(zhì)的量 k比例常數(shù) Q通過的電量Q=ItM=KIt只要知道K，就可以根據(jù)測得的電流強度I和時間t，計算電極上析出或溶解的物質(zhì)的量。2、法拉第第二定律內(nèi)容：在不同的電解液中，通過相同的電荷量時，在電極上析出或溶解的物的物質(zhì)的量相等，并且析出或溶解1mol的任何物質(zhì)所需的電荷量都是9.65×104C。把這一常數(shù)稱為法拉第常數(shù)。即