【材料课件】表面技术.doc

现代表面技术第一章 表面技术概论第一节 表面技术的涵义 19世纪工业革命以来，材料品种日益繁多，为了适应高强度、高硬度和耐磨、耐高温、耐酸碱腐蚀等不同特殊要求，人们需要不断开发各种特殊的合金材料，但这些合金材料往往价格昂贵。因此，人们试图采用各种表面技术对普通钢材表面进行加工，以改变其表面性能，使其适应复杂的工作环境。另外，磨损、腐蚀等失效都是首先发生在材料表面，通过对材料表面进行有效处理，可以极大地提高材料寿命。因此，迫切需要开发出各种行之有效的表面技术，正是基于这样的背景，逐步形成了一门新兴学科表面工程学。 表面工程技术的发展始于20世纪60年代末，近30年来发展尤为迅速。在传统的表面处理技术不断改进、不断完善的同时，又有科学技术逐渐渗透到该领域，各种表面技术相互融合，从而使现代表面技术进入了一个新的发展时期。 表面技术是一门博大精深、实用价值极高的技术。材料科学所面临的若干艰巨任务，如要求材料硬而不脆、耐磨而易车削、质高而价廉等间题，通过表面技术在相当程度上都可迎刃而解。除本文所提及的巨大作用外，用表面技术合成人工结构材料、复合材料及沉积非晶态涂层及制取复合涂层方面都显示了巨大的应用潜力。表面技术是一项能使产品获得高附加值的技术。英国产品每年靠表面技术估计增值100亿英镑，如果对表面技术进行全开发，有可能节省200。万到400亿埃居(约200亿英镑)，可见表面技术对国民经济的巨大作用。我国在湿法镀覆等方面取得了令人瞩目的成就，但在PVD和表面改性方面还有许多工作要做。这一方面要靠广大科技人员的才智与努力，同时有关领导部门在设备资金投入上给予有力的支持也至关重要。只有这样，我国的表面技术才能以新的面貌进入21世纪，全方位赶上和领先世界水平。一、什么是表面技术从广义上讲，表面技术是直接与各种表面现象或过程有关的，能为人类造福或被人们利用的技术。任何表面在通常情况下实际上都是界面。两种不同相之间的交界，称为界面，在任何两相界面上都可以发生复杂的物理或化学现象，总称为表面现象。固体材料的界面有三种：表面 固体材料与气体或液体的分解面。晶界（或亚晶界） 多晶体内部成分、结构相同而取向不同晶粒（或亚晶）之间的界面。相界 固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。它主要包括：表面覆盖（在材料的表面施加各种覆盖成）、表面改性、表面加工以及表面湿润、表面催化、膜技术等。二、使用表面技术的目的1、 提高材料抵御环境的能力，同时具有装饰的效果。通过使用表面技术，可以提高材料在各种介质（如空气、淡水、海水、土壤、酸、碱、盐等）中的耐蚀性，还可以提高材料表面的硬度，从而提高材料的耐磨性以及耐疲劳性。有不锈钢镜面板;不锈钢丝纹板;不锈钢刻花板;不锈钢彩色板;着色铝合金制品;彩色(有机涂层)钢板;金属表面的仿金电镀层;钟、表壳表面的离子镀金色氮化钦层，钢铁零、部件上的电镀黑镍层、黑铬层，电镀锌制品表面的彩色钝化膜等。2、 赋予材料表面某种功能特性。包括光、热、电、磁、声、吸附、分离等各种物理和化学特性。3、 实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。4、 修补金属表面的缺陷和磨损普遍采用热喷涂技术修复磨损件。刷镀是修补金属表面磨损比较廉价的手段。特点是设备简单，操作灵活，适于野外和现场修复，特别是对于大型、精密设备的现场不解体修复，更具有独特的优点。目前刷镀技术已广泛用于修复加工超差件，以及工件表面磨损、凹坑和斑蚀等缺陷部位。三、表面技术实施的途径1、 表面涂覆（表面覆盖）金属覆盖层：电镀化学镀热浸镀喷镀（喷涂）真空溅射离子镀化学气相沉积非金属覆盖层：化学氧化阳极氧化磷酸盐处理铬酸盐处理涂料覆盖玻璃钢衬里橡胶衬里搪瓷衬里防锈油脂陶瓷衬里2、 表面改性用机械、物理和化学的方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。表面改性技术基本上有两大类型，即表面合金化过程与表面涂层过程。前者采用合金化元素改善合金原来的表面，如把碳或氮通过不同方法处理钢的表面;后者则是将新材料沉积在表面为之提供保护涂层。表面改性技术主要有：喷丸强化表面热处理化学热处理等离子扩渗处理激光表面处理电子束表面处理高密度太阳能表面处理离子注入表面改性3、 表面加工：通过物理化学方法使金属表面的形貌发生改变，但不改变金属表面的金相组织和化学成分。表面微细加工、抛光、蚀刻、整体包覆第二节 表面技术的应用一、 表面技术应用的广泛性和重要性1、广泛性 目前，表面技术的应用遍及各行各业，包含的内容也十分广泛 工业领域：可用于耐蚀、耐磨、修复、强化、装饰等方面。 学科领域：涉及光、电、磁、声、热、化学、生物等方面的应用。材料领域：表面技术涉及的基体材料不仅有金属材料，也包括无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料。2、重要性 保护材料的表面，延长其使用寿命，从中获得经济效益和社会效益材料的疲劳断裂、磨损、腐蚀、氧化等一般都是从材料的表面开始的，他们所带来的损失和破坏是十分惊人的，仅从腐蚀这个方面来看，据统计，全世界每年损耗金属达一亿吨以上，工业发达国家因腐蚀破坏造成的经济损失占国民经济总产值的24。美国75年腐蚀的损失约700亿美元，占国民生产总值的4。2，大大超过了当年所有自然灾害的总和（125亿美元，5。6倍），2000年美国腐蚀损失达3000亿美元，相当于美国当年的军费开支。日本1。8，英国3。5，意大利6。6，波兰610。我国按4计算，每年损失达1000亿元，所损失的钢材约800万吨，相当于首钢一年的产量，可铺13条双轨京广铁道线。由此可见，采用各种表面技术，加强材料的表面的保护具有十分重要的意义。 从材料的表面作用来看，许多产品的性能，主要取决于表面的性质和状态 材料科学所面临的若干艰巨任务，如要求材料硬而不脆、耐磨而易车削、质高而价廉等间题，通过表面技术在相当程度上都可迎刃而解。 应用表面技术可以生产出各种新材料、新器件二、 表面技术在结构材料以及工程构件和机械零部件上的应用三、 表面技术在功能材料和元器上的应用四、 表面技术在其它方面的应用1、净化空气用触媒载体（吸附的方法）净化汽车尾气2、净化水质3、生物医学4、 绿色能源第三节 表面技术的发展一、表面涂覆技术的发展在表面涂敷技术中，涂料和土装饰一个重要的组成部分。早在公元前2000年，我们的祖先从野生的漆树收集天然漆，用来装饰器皿。直到本世纪20年代，由于化学工业的发展，出现了酚醛树脂，才给变了涂料完全依赖天然材料的局面。30年代出现了醇酸树脂，使涂料摆脱了油树脂型的格局，从而进入了合成树脂涂料时期，发展成为现在的18大涂料类。他们的适用范围远远超出了装饰目的，已涉及到材料保护和具有各种功能的领域。由于涂料制造和涂装行业是资源耗量很大的工业领域，又是大气和水质的污染源之一，因而开发和采用资源利用率高的，低污染或无污染型涂料和涂装技术已成为重要的研究方向。热喷涂因基材可以不经高温，可用作涂层的材料类型广泛，土层性能优良，共建的外形尺寸上没有限制，成本低，从而成为广泛使用的表面技术。这类技术的开发和使用是从本世纪初开始的。七十年代，热喷涂技术向着高能高速高效发展。八十年代以来，热喷涂技术向着涂层质量进一步提高以及精密智能化方向发展。二、金属表面强化技术的发展 金属材料一般适宜合金的形式进行使用，具有良好的强度和塑性配合，优良的加工性，许多金属还具有优异的物理特性，因而应用非常广泛。金属材料的表面在外环境下容易发生各类的磨损腐蚀氧化和疲劳等破坏。因此，金属的表面强化技术受到人们的重视。20年代，喷丸强化技术应用于汽车领域；60年代以后用在航空中得到应用。使得经喷丸后，零部件的抗疲劳性和抗力学腐蚀性有了明显提高，而生产成本低廉，因此成为一种重点采用的表面技术。 表面热处理和化学热处理也是人们早就使用的表面技术。这些技术早在战国时就开始应用。到了19世纪和20世纪初人们对电进行了广泛的研究之后，一系列以电为基础的表面处理新技术不断涌现出来。如等离子热化学技术和等离子镀膜技术。同时，激光和电子束也在该领域得到应用。三、表面加工技术的发展表面加工技术包含的内容十分的广泛，尤其是表面微细加工技术已成为大规模集成电路和微细图案成型必不可少的加工手段，在电子工业尤其是微电子技术中占有特殊地位。虽然人们在19世纪发现了硅半导体以及他的一些特殊性能，但20世纪初由于发明了真空二极管和真空三极管，半导体的应用受到限制。进入2030年代后无线电通讯对高频和超高频的利用以及二战中微波技术的进步，都要求采用半导体器件。与此同时，人们对半导体的认识加深，直到1948年终于制成了结型晶体管，引起了电子学的革新。到1958年平面集成电路得到应用。现在，已从特大集成电路向吉规模集成电路进军。到今天，微细加工技术在微电子技术成就的基础上正在向为机械技术和纳米级制造技术推进。第二章 金属表面的预处理金属表面预处理：是指用物理或化学的方法除掉金属表面的油污、氧化皮、锈蚀产物和其它污物，而呈现出具有一定粗糙度或光洁度的清洁的金属的表面。金属及其制品在使用和加工以及存储过程中，表面会有各种脏物（油污、润滑剂、氧化皮、腐蚀产物、沙尘、油漆等），或者存在改变了金属表面的形状及表面层的组织、结构。当我们对金属进行表面加工（比如在金属表面施加涂镀层的时候），这些表面缺陷会严重影响涂镀层的致密性以及与基体的结合强度，甚至造成表面处理的失败。因此，进行表面处理之前，首先必须把金属的表面处理成干净的表面。表面处理有时候要求基体的表面具有一定的光洁度，有的时候还要求基体的表面有一定的粗糙度。 第一节 除油从金属表面除掉油脂的过程，习惯上叫做除油，也叫脱脂。除油的主要方法有：溶剂除油、碱液除油、电解除油、烧灼（加热）除油、蒸汽热洗。一、油污的种类油污按化学性质可分两类：1、皂化类：所有的植物和动物油脂都属于皂化类，他它们甘油和高分子有机酸的酯类。它们在碱液的作用下能分解生成溶于水的脂肪酸盐肥皂和甘油。化学反应如下：（RCOO）3C3H5+NaOHRCOONa+ C3H5 (OH) (肥皂) (甘油)2、非皂化类：指的是矿物油，如汽油、润滑油、柴油、原油等，它们在碱的作用下不起化学分解反应（也就是皂化反应），因此称为非皂化类油脂，能溶于某些溶剂，在一定条件下，与碱形成乳浊液，也可以从基体表面除去。二、除油剂的除油机理除油时我们使用各种除油剂，它们的作用机理时不相同的。归纳起来，有以下几种1、皂化作用： 氢氧化钠和碱性强的盐类与油脂反应生成肥皂和甘油，肥皂和甘油溶于水，而除去油脂。利用皂化作用只能除去动物和植物油脂。常用的皂化剂有：NaOH、Na2CO3、Na3PO4、Na2SiO3、NaNo2等。2、乳化作用： 使用表面活性剂除油，表面活性剂能显著降低水的表面张力或水与油之间界面张力，它的分子中既有亲水基团，又有亲油基团，亲油基团与油污分子结合，而亲水基又包围在外面，形成O/W液滴，分散到液体中，形成乳浊液而除去油污。矿物油等非皂化类油脂只有通过乳化作用才能除去。常用的乳化剂有：3、润湿作用：表面活性剂溶液渗入油脂中，并在基体表面分散，减少油脂对基体表面的附着力，使之脱落。常用的润湿剂有：4、分散作用：利用分散剂把从基体表面脱落的油脂分散到溶液中，而除去油脂。常用的分散剂除表面活性剂外，还有硅酸钠、磷酸钠。5、溶解作用：利用有机溶剂对油脂的溶解作用，把油污除去。很多有机化合物是非极性的或弱极性的，而水是一种强极性的液体，所以多数有机物不容于水，而易溶于极性弱的有机溶剂中，当然极性大的有机物，如乙醇、乙酸等则易溶于水，甚至可以以任何比例于水互溶。三、对除油剂的要求1、除油效果好，成本低。2、对基体物腐蚀、安全、无毒。3、操作方便，容易被水清洗。4、对后续工序无不良影响。5、便于废水处理，不致引起公害。五、 物理因素在除油过程中的作用1、搅拌：可以处使油污从工件表面脱落下来，也可以使除油剂于表面充分接触，并加速油污在溶液中的分散过程，所有这些都可以使除油速度加快。 机械搅拌、空气搅拌、超声波清洗2、温度：温度升高对除油过程有促进作用，温度升高时，油脂变软，有利于除油剂的渗透和润湿作用，促进油脂脱落合分散，温度升高还会使酯的水解速度加快，溶液的对流作用增强，这些都有利于除油过程。因此传统的除油都是在接近沸点的温度下进行的。但是高温除油耗能较高，近年来，低温除油越来越受到人们的重视。低温除油对表面活性剂依赖程度很大，要求表面活性剂的浓度高达13。通常是非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂配合使用，为了促进表面活性剂的溶解，往往还需要加入分散剂（亲水基团较多的表面活性剂）。用这样的除油液在40左右的室温下就可以有效地除油。3、电流： 六、 除油方法1、 溶剂除油 溶剂除油是，借油脂溶于有机溶剂中以后随溶剂起挥发而去掉油脂。它可以溶解皂化和非皂化油脂。由于有机溶剂只能溶解油脂，而不能溶解油污中的非有机物，因此，溶剂中的脏物在溶剂挥发后仍会残留在工件表面上， 对溶剂的要求：(1) 无易燃性；（2）无毒、无刺激性气味；（3）无腐蚀性；（4）溶剂不分解、不变质；（5）溶解油脂能力强、粘度低、比热小。常用溶剂：（1）汽油、煤油，价格便宜，溶解弱极性或非极性油脂，溶解油污能力较强，毒性小，是一种用量大、应用普遍的有机溶剂。 （2）三氯乙烯，不易燃烧，稳定，溶解弱极性或非极性油脂，它对大多数金属物腐蚀作用，但有一定的毒性，使用时要按一定的操作规程，在专门的除油设备中使用。（3）丙酮、酒精，溶解强极性油脂， (4) 四氯化碳，、苯，非极性有机溶剂除油的方法与设备：用布蘸有机溶剂擦金属表面，或者使用“除油机”进行。2、碱液除油用含有碱性化学试剂的溶液除去材料表面油污的方法。利用碱和表面活性剂对油脂的皂化作用和乳化作用进行的。除油剂的组分和作用：NaOH：碱性最强的除油剂，与动植物类油脂发生皂化反应，使酯类水解为可溶与水的肥皂和甘油。NaCO3：皂化作用较NaOH弱，但对溶液的PH值优良好缓冲作用，对油脂层有缓慢的润湿和分散作用，对材料腐蚀作用小，比较适合清洗有色金属。Na3PO4：常用的是十二水磷酸纳(Na3PO412H2O)，偏磷酸纳(NaPO3)、三聚磷酸纳（Na5P3O10）,它们除具有碳酸钠优点外，还具有乳化能力，很容易用水清洗，对硬水有软化作用，对铝、锌等金属没有显著的腐蚀作用。Na2SiO3：俗称水玻璃或泡花碱，润湿、乳化和分散作用，对强碱液有缓冲作用，也可用作表面活性剂：表面活性剂 它可促进乳化、分散作用，加快除油过程。这种物质分子中的亲油端(疏水端)被金属表面油污所吸附，同时分子中的亲水端与碱液中的水分子结合，从而提高金属表面在溶液中的润湿性，使之充分地与碱液接触。另外，表面活性还可以降低油水界面张力和油滴对金属表面的亲合力，从而促使油滴进入溶液。同时表面活性剂又被吸附在油滴表面形成乳胶体，使溶液中的油滴不会重新聚集，起到对油脂乳化、分散作用。除油剂中常用的表面活性剂有水玻璃、肥皂和烷基芳基聚乙二醇(oP乳化剂)，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)。碱液除油工艺条件：（1） 根据油污状态和材料的性质选择适当的除油剂组成和使用条件。或与其它的除油方法配合使用。（2） 有色金属尽量不使用NaOH。（3） 为节约能源，尽量在低温条件使用（4） 从成本考虑，除油剂浓度尽量低。碱液除油的优点是：成本低、无毒、不会燃烧。缺点：生产效率低（除油时间长）。3、电解除油：在碱性除油液中通直流电，把工件作为阴极或阳极，进行短时间电解，而除油的方法。除油原理a、皂化作用及乳化作用b、电极表面的极化作用，降低金属表面与溶液界面张力c、电极上产生的大量气泡的迅速撕裂，使油污转变成细小的油珠而被除掉d、气泡对溶液还会起到机械搅拌作用，加速除油过程除油方法a、阴极除油：将工件作为阴极阳由不溶性电极材料制成。反应式：2H2O + 2e H2 +2OH- 特点：析出气体为H2，气泡小，数量多，面积大，除油效率高，不腐蚀工件。但容易产生氢脆，零件表面上有黑色挂灰。b、 阳极除油：将工件作为阳极，阴极可以使用钢板。反应式： 4OH- - 4e O2 + H20特点：析出气体为氧气，气泡大，数量少，氧气的析出使阳极附近PH值下降，降低油脂的皂化反应速度，除油效率低，阳极具有溶解性，对金属有腐蚀性。锌、锡、铜及其合金不宜用阳极除油。c、 阴阳极交替除油为解决阴极除油产生氢脆，阳极除油零件被溶解的问题，在实际应用当中，经常采用阴、阳极交替除油的方法，即先用阴极除油，再转为短时间的阳极除油，或是先用阳极除油，再转为阴极除油。4、烧灼除油和蒸气热洗第二节 酸洗除锈一、 酸洗的目的和作用为了除掉金属表面的腐蚀产物或氧化皮。除锈多用酸，称之为酸洗。二、 金属表面的氧化产物锈是指金属在水和氧等的作用下，在其表面生成的固体腐蚀产物。通常我们说的铁锈，就是指由于高温氧化在钢铁表面形成的氧化皮。一般的金属在使用环境下，都会受到腐蚀而生锈。例如：对碳素结构钢，表面氧化物主要由FeO、Fe2O3、Fe3O4组成。三、 酸洗液的组分和作用1、酸洗用酸：硫酸：对金属氧化物的溶解能力较弱，热硫酸对钢铁材料酸洗能力较强，但温度过高容易造成腐蚀，并使钢铁基体产生氢脆。经常与其它的酸配合使用。硫酸+铬酸或重铬酸盐用于铝的活化剂硫酸硝酸用于不锈钢和铜、铜合金的酸洗硫酸氢氟酸用于不锈钢的酸洗盐酸：对金属氧化物的清洗作用较好，可以对多种金属进行清洗。硝酸：不能单独用于酸洗，与氢氟酸配合用来除去铅、不锈钢、镍基、铁基合金上的氧化物。2、酸洗缓蚀剂目的：防止金属过腐蚀和氢脆。主要有：若丁（二邻甲基苯硫脲）、硫脲、硫脲与乌洛托品等。3、酸洗用促进剂目的：加入酸液中能够加快酸洗速度。主要有无机盐和表面活性剂。四、 化学酸洗酸洗根据反应原理可分为化学酸洗和电化学酸洗。化学酸洗是金属表面浸入适当浓度和一定温度的酸液中，通过化学反应而除去金属氧化物的方法。1、 反应原理以钢铁的化学酸洗为例，FeO + 2HCI FeCI2 + H2OFeO3 + 6HCI FeCI3 + H2OFe3O4 + 8HCI 2FeCI3 +FeCI2 +4H2O通过这些反应，铁的氧化物溶解而进入溶液，同时夹杂在铁的氧化物孔隙中的大量的散碎的铁还会与盐酸发生反应而放出氢气Fe + 2HCI FeCI2 + H2 产生的氢气能把疏松的氧化层从钢铁表面剥离下来。2、 影响因素酸洗溶液浓度和温度的影响盐酸酸洗时,盐酸溶液的浓度和温度直接影响着溶液的活性,酸洗速度随盐酸的浓度的增加而增加,虽温度的升高而增快,如图21所示。虽然提高盐酸浓度可以增加酸洗速度，但由于盐酸浓度超过18%时，基体的溶解速度将明显增加。因此，实际生产中一般采用10%左右的盐酸进行酸洗。升高盐酸溶液的温度同样可以提高盐酸溶液的活性，但因温度高时，盐酸挥发性大，污染环境。所以通常采用增加盐酸浓度而不过分升高温度的办法来提高酸洗速度，多采用在室温下进行酸洗。 硫酸酸洗时，在一定的酸浓度范围内，酸溶液的活性随浓度的增加而提高。当硫酸浓度为25%30%时，活性最大，酸洗速度最快，即酸洗时间最短。酸浓度超过30%时，酸洗速度随浓度的增加而降低，当浓度达到60%时，是钢铁发生钝化现象，酸洗根本不能进行。所以生产中一般采用20%左右的硫酸浓度进行酸洗。酸洗溶液浓度对酸洗时间的影响如图22所示。（1 14页上） 提高硫酸溶液的温度同样可以提高硫酸溶液的活性，增加酸洗速度。但温度超过70时，硫酸溶液对于钢铁基体的腐蚀速度增加很快，同时氢脆倾向增大，所以生产中硫酸酸洗时的温度采用5060。 另外，从表21列出的盐酸和硫酸溶液浓度与温度对酸洗时间的影响结果还可以看出，铁在盐酸溶液中其酸洗速度随温度的升高而加快的程度，比在硫酸溶液中小。在盐酸溶液中酸洗时，酸的浓度对酸洗速度有很大的影响，而在硫酸中温度对酸洗速度影响很大。 表21盐酸和硫酸的浓度与温度对酸洗时间的影响酸洗浓度%酸洗时间（min）硫酸浓度%酸洗时间（min）184060184060510551815652 5101351204532138 酸溶液中Fe的影响 无论是用盐酸酸洗还是用硫酸酸洗，总的趋势是溶液中的Fe离子含量逐渐增加，并对酸洗速度有较大影响。 盐酸酸洗时，溶液中FeCl2浓度的增大，并不一定降低酸洗速度，相反，由于酸洗时生成了极易溶于水的FeCl2，所以在一定的含铁量范围内，随Fe2+离子浓度的增加，酸洗速度加快，直到Fe2+离子浓度达到该溶液中的饱和度为止。由此可见，酸洗速度不是简单的依赖于Fe离子的绝对含量，而更重要的是决定于FeCl2再该盐酸下的饱和度。因为有时酸溶液中FeCl2含量已经很高，但若再该盐酸浓度下，FeCl2并不饱和的话，则溶液仍具有很强的酸洗能力：相反，FeCl2含量并不太高，如果已经达到该浓度下的饱和状态，其酸洗能力就会显著下降，此时即使延长酸洗时间已无济于事。如下表，列出了不同盐酸浓度下FeCl2饱和度。盐酸浓度%溶剂盐酸含量（g）FeCl2最大溶解量（g）FeCl2饱和度（%）810141621283110010010010010010010053484340.316.77.45.553484340.316.77.45.5 从表中数据可以看出，当盐酸浓度达到10%时，FeCl2饱和度为48%，而盐酸浓度为31%时其饱和度只有5.5%。因此盐酸酸洗时采用低浓度的盐酸酸洗较为合适。试验表明，在2%15%盐酸中酸洗，Fe离子含量小于16%时，酸洗效果最好。在硫酸酸洗中，硫酸亚铁含量对酸洗时间的影响如图2-3所示。从图中可以看到，酸洗时间随硫酸亚铁的含量的增加而延长，但硫酸浓度为20%左右时，不管硫酸亚铁含量是多少，酸洗时间都有一个最小植。当硫酸亚铁浓度增大到接近或达到在溶液中的饱和度时，不仅酸洗速度最慢，由于铁盐残留在工件表面上，使表面变黑变脏：过度的硫酸盐结晶也容易引起工件表面过酸洗缺陷。因此，酸洗溶液中硫酸亚铁浓度不应超过其在当时条件下的饱和度。（1.15）3 酸洗工艺条件a 钢铁化学酸洗配方及操作条件见表22。 表22 钢铁化学酸洗配方及操作条件溶液成分（gl） 1 2 3 4 5硫酸盐酸氢氟酸硫脲乌落托品2002502380150 13150200 13100150131001020温度（）时间（min）3050152060701015305015203040202530502025在钢材生产中，带钢钢板钢丝的酸洗多数是在连续密闭的酸槽中进行的。盐酸浓度为5%20%，酸洗温度为7085，溶液中氯化亚铁的含量控制在1015%；或者是使用温度小于85的1525%硫酸溶液，其硫酸亚铁含量应控制在200250gl。如果是非连续酸洗，盐酸浓度为5%20%，酸洗温度为4050；或者是硫酸浓度为2025%，酸洗温度为5060。考虑到硫酸和盐酸对铁的氧化物作用不同，国内也有使用硫酸与盐酸的混合夜进行酸洗的。混合酸洗溶液成分是：H2SO4 50100g/l和HCL150100g/l,或者是H2SO4 150200g/lHCI 250400g/lFeCL36H2O 35g/l 和若丁23g/l。酸洗后往往在钢件表面残留酸和铁盐，因此，对酸洗过的工件还要再热的及冷的流动水中进行清洗，以保证表面清洁度，用热的流动水清洗时，温度为7080，清洗时间为59 min；用冷的流动水清洗时，清洗时间也为59min。b 铜和铜合金铜和铜合金的酸洗，通常是在硫酸硝酸和加有少量盐酸的混合酸夜中进行的。当工件表面氧化膜很薄时，可省去预酸洗而直接进行光亮酸洗处理。 铜和铜合金化学酸洗溶液配方及操作条件见表23 表23铜和黄酸洗配方及操作条件溶液成分（ml/l）预酸洗光亮酸洗1212硫酸硝酸盐酸氯化钠，g/l水1601802102204（或36）余量500200250微量余量 50025030035余量18026034038012余量温度（）时间（min）302420303530133035酸洗时，铜的氧化物分别与硫酸、硝酸和盐酸发生下述反应：CuO+H2SO4CuSO4+H2O CuO+2HNO3Cu（NO3）2+H2O CuO+2HCLCuCL2+H2O但是，由于铜的活泼性较差，因而不能与稀硫酸和稀盐酸反应而放出氢气，他只能和具有氧化性的酸进行反应。铜和浓硫酸进行下列反应：Cu+2H2SO4CuSO4+SO2+2H2O铜和浓硝酸反应放出NO2：Cu+4HNO3Cu(NO3)2+2NO2+2H2O铜和稀硝酸反应放出NO：3Cu+8HNO33Cu(NO3)2+2NO+4H2O在用硫酸硝酸盐酸混合溶液酸洗时，与铜发生反应的主要是硝酸，因而反应时会放出大量棕红色刺鼻的气体即氮氧化物的混合物（NOx），污染环境。对此，可以通过加入抑制剂如尿素明胶聚已二醇和表面活性剂等，以减少氮化物的危害。用上述混合酸溶液对黄铜进行酸洗时，要特别注意防止过腐蚀现象。因为混合酸中当硫酸和盐酸含量不变时，硝酸含量增加，铜的溶解速度就迅速上升，而锌的溶解速度变化很小。当硫酸和硝酸含量一定时，盐酸的含量增加，则锌的溶解速度上升，而铜的溶解速度稍有降低。在酸洗时，正确的酸比应使铜和锌的溶解速度等于他们在黄铜中的含量比。若盐酸含量不足，黄铜表面残留过多的锌，则呈暗淡黄色；若盐酸含量不多或硝酸含量不足，则黄铜表面会出现棕褐色的斑点。这是由于锌的过腐蚀而铜溶解不足所造成的黄铜脱锌。酸洗速度还取决于温度。当酸洗溶液温度达到50时，铜的溶解速度起初增大，而后迅速降低，锌的溶解速度变化不大，因而酸洗效果不好。当温度超过50时，混合酸开始分解。实践表明，铜和铜合金酸洗温度应控制在30以下。用氯化钠代替盐酸的目的，是既可以保持氯离子的活化作用，又可以减少溶锌时所析出的氧，使腐蚀作用减缓。C 铝和铝合金铝是两性金属，他的氧化物即溶于碱，也溶于酸，所以铝和铝合金即可以用碱洗，也可以用酸洗。例如，在含65g铬酐360g硫酸和100ml水的溶液中，于6070温度下进行除锈。溶液中的铬酐也可以用硝酸代替，还可以加入适量氢氟酸。表24列出不同铝合金酸洗配方及操作条件。 表24 不同铝合金酸洗配方及操作条件。材料溶液成分温度（）时间（s）纯铝，AlMnALCu(低)50%HNO3室温530AL Cu(高)ALCuMgALSiALMnSi3050%HNO3+35%HF室温530ALMg(高)1520%H2SO46080510酸洗液中，硫酸的主要作用是有选择的溶解上述铝合金表面的金属铝和氧化铝，能够提高合金表面和酸液的活性，同时提高酸液的整平作用。硫酸的浓度一般在825%较为适宜。如果他的浓度低于8%，其酸洗速度就慢，易使合金受到点腐蚀。如果浓度高于25%，就会降低酸洗质量，使合金表面出现半透明物膜。硫酸在酸洗的化学反应如下： 2AL+3H2SO4=AL2(SO4)3+3H2 AL2O3+3H2SO4=AL2(SO4)3+3H2O硝酸的作用是，一方面与合金表面的金属铝起化学反应生成氧化铝，另一方面又及时溶解氧化铝膜而生成硝酸铝。这对提高酸洗的表面质量起到重要作用。在酸洗液中，硝酸的浓度在2550%较为适宜。硝酸在酸洗中的化学反应如下： 2AL+6HNO3=AL2O3+6NO2+3H2O 4AL+4HNO3=2AL2O3+4NO+2H2O AL2O3+6HNO3+2AL(NO3)3+3H2O氢氟酸对除去含硅的铝合金表面的暗灰色硅浮灰，以提高酸洗表面质量，起到一定作用，其化学反应如下： Si+4HF+4HNO3=SiF4+4NO2+4H2O为了获得比较光亮的铝和铝合金表面，则可采用含表面活性剂的磷酸溶液进行酸洗。酸洗溶液成分如下： 磷酸（85%） 100ml/l 丁醇 400ml/l 异丙醇 300ml/l 水 200ml/l铝和铝合金经过酸洗后，必须立即用流动温水和冷水清洗，以彻底除去表面残留的酸液，从而防止铝和铝合金表面受到腐蚀。D 其他有色金属除常见的铜和铜合金及铝和铝合金外，有色金属中的锌镁锡和铅等酸洗用配方及操作条件见表25 表25有色金属的酸洗配方及操作条件溶液成分（g/l）锌和锌合金 镁和镁合金锡铅硫酸盐酸硝酸铬酐氢氟酸5010010201502508012010030050100温度（）时间（min）室温1室温1室温812室温1室温13室温14 酸洗除油一步法及除油除锈磷化钝化“四合一法”把酸洗和除油两道工序和为一步称为酸洗除油一步法。他是在酸乳化剂和少量缓蚀剂配成的水溶液中进行的。这种工艺只适用于钢铁材料及其制品表面锈蚀和油污不太严重的情况，见表26列出钢铁材料酸洗除油一步法用配方及操作条件。由于一步法溶液酸性强，又要加热，因此要求容器和加热器能耐酸耐热，同时必须设置良好的塑料或玻璃钢抽风机，以保证操作安全和人身健康。 表26 钢铁材料酸洗除油一步法用配方及操作条件溶液成分（g/l） 1 2硫酸硫脲op乳化剂若丁氯化钠2002503568320350 510 35 1520温度（）时间（min）6065409050551050“二合一法”配方成分1（%）2（g/l）作用工业硫酸（相对酸度1.84）工业盐酸（含量30%）十二烷基磺酸钠若丁六次甲基四胺三乙醇胺氯化钠（工业盐）平评加水15250 60.060.10. 6 余量1502002003001032200300余量酸洗除锈除锈润湿，分散，除油缓蚀缓蚀缓蚀，分散促进剂润湿，分散，除油“四合一法”配方磷酸二氢锰 700g 磷化剂硝酸锌 200g 磷化剂氟化钠 200g 磷化剂氧化锌 70g 磷化剂磷酸 200ml 磷化剂 除锈酒石酸 50g 除锈硝酸钠 50g 钝化剂亚硝酸钠 20g 钝化剂OP10 40ml 除油络合剂（柠檬酸钠） 20g 除油或锈水 10L 第三节 涂层与钢材表面的粘附理论 1 物理作用a范德华力：色散力，诱导力，取向力范德华力：金属对表面涂层有一种物理吸附作用，称为范德华力。色散力 非极性分子互相靠近时，由于电子的高速转动和原子核的不断震动，正负电荷的中心不可能每一时刻都重合，必然产生瞬间偶极，而瞬间偶极总是处于异极相邻的状态。这种非极性分子瞬间偶极之间所产生的分子力称为色散力诱导力 当极性分子与非极性分子靠近时，非极性分子受极性分子的影响，产生诱导偶极，由此而形成的吸引力称为诱导力。取向力 极性分子之间，由于固有偶极之间的取向所引起的分子间力，称为取向力，他使极性分子更加靠近。 B 表面张力金属表面分子与内部分子所处的状态是不同的。内部分子所受的分子间的作用力合力为零，而表面分子所受的合力不为零，有一个向内的拉力，使进入该力势内的涂料分子被吸附。C 机械作用金属表面的粗糙度给涂料分子与金属表面分子的吸附作用提供了更多的附着点，从而增大了他们之间的摩擦力，称为机械作用。因此为了提高涂料与金属之间的吸附作用，金属表面应该有一定的粗糙度。当工件喷丸后，在工件表面形成齿形锚纹，他可使金属表面积增大20倍，锚太浅或太深都不合适，适中的锚纹才有利于涂料与金属之间的吸附。 第四节 金属表面的机械处理一 刷光磨光与抛光1 刷光刷光是使用金属丝动物毛天然或人造纤维制成的刷光轮对工件表面进行加工的方法。他主要用于除去工件表面的氧化皮锈蚀焊渣旧油漆及其他污物；也用于除去零件机加工后留在表面棱边的毛刺。常用刷光轮一般由钢丝和黄铜丝等材料制成。零件材质较硬者，应采用钢性大的钢丝刷轮，同时采用较大的转速；反之，采用黄铜丝的刷轮。刷光可分为机械刷光和手工刷光。两者多采用湿法，即用水或溶液保证刷光进行，一般都采用水做刷光液，对钢铁材料的刷光也有采用35%磷酸钠溶液的。2 磨光和抛光 A 磨光 磨光是用磨光轮对零件表面进行加工的方法。他可以去掉零件表面的锈蚀 砂眼焊渣划伤等缺陷提高零件的平整度。磨光一般都是在装有旋转的磨轮或圆盘的机床上进行，目前用带式磨光机的日益增多，也可以在一些专用的旋转滚筒震动磨光机等设备中进行，后者常用于批量生产。 B 抛光 抛光是用抛光轮对零件表面进行加工的方法。抛光可进一步降低零件表面的粗糙度，获得光亮的外观。 抛光时，首先把抛光轮的圆周线速度调节到2035m/s（零件形状简单表面较硬的，转速可大些，反之，则小些），然后根据零件选用抛光剂。常用的抛光轮有三种，即非缝合式缝合式和风冷布轮。抛光剂有抛光膏和抛光液两种。二 喷砂和喷丸1 喷砂和喷丸的目的： a 除锈及污物 b在金属表面形成锚纹，增加与锚纹之间的吸附力 c 表面强化，硬度提高，疲劳强度提高d 形成残于压应力，减小scc的敏感性2 喷沙种类干喷沙 干喷砂的磨料可以是钢砂、氧化铝、石英砂、碳化硅等。目前应用最多的是石英砂。管道喷砂所用砂粒的尺寸一般选用2.53.5mm的石英砂。 干喷砂设备有吸入式、压力式、自流式、离心式等空气压力喷砂机，生产上常用的是吸入式和压力式两种。吸入式喷砂机结构简单，但生产效率低，适用于小工件。压力式喷砂机主要由贮砂箱、喷砂室及工作台等组成。压缩空气通过混合室与砂料混合，然后一起沿软管输送到喷枪，从喷嘴高速射出撞击工件表面，从而达到加工的目的。这种喷砂机适用于大、中型工件，生产效率高，多用于大批量生产。目前国内管道除锈大多数采用这种方式（见图211）。湿喷砂 湿喷砂是将水与磨料混合成砂浆（磨料体积一般占2030），并不断搅拌以防沉淀，用压缩空气压力喷枪，喷向工件；也可将砂和水分别置于罐中，在流入喷枪前混合，然后喷向工件。为防止钢铁件锈蚀，水中可加入亚硝酸钠、碳酸钠、重铬酸钠等作缓蚀剂。湿喷砂所用的磨料与干喷砂相同，与干喷砂相比，湿喷砂的优点是可以避免产生大量粉尘，对操作人员健康危害不大，不污染环境。 湿喷砂通常有雾化喷砂、水气喷砂和水喷砂3种，喷砂方式和喷砂机的结构各不相同，其工作原理和特点见表27。 表27各种湿喷砂工作原理和特点方法工作原理特点水气喷砂由泥沙泵以高压将水砂料经软管输送到喷枪，并在喷枪通人压缩空气，以喷出的高速水砂流冲击工件表面改变压缩空气压力，就能改变喷砂表面粗糙度水喷砂不使用压缩空气的水砂流喷砂只能通过改变水压、才能改变喷砂表面粗糙度雾化喷砂即低压喷砂。磨料从装有文氏管的压缩空气系统送至喷枪，以雾化水砂流冲击工件表面只有通过改变磨料粒度才能改变被喷砂工件表面的粗糙度3 喷丸 喷丸与喷沙相似，只是用钢铁丸或玻璃丸代替喷沙用磨料。常见喷丸主要有以下几种： 铸钢丸 硬度一般为HRC 4050，韧性较好，使用广泛，其使用寿命是铸铁丸的几倍。 铸铁丸 硬度为HRC 5865，质脆而易于破碎，寿命短，使用不广。主要用于喷丸强度高的场合。 玻璃丸 硬度较前两者低，主要用于不锈钢钛铝镁及其他不允许铁质污染的材料。也可在钢铁丸喷丸之后作第二次加工之用，以除去铁质污染和降低零件的表面粗糙度。 喷丸粒度一般选在650目之间。喷丸加工的设备与喷沙设备基本相同，只是需要某些辅助装置来更严格的控制喷丸加工过程。喷丸与喷沙相比有许多优点，设备的生产率高，处理的表面质量好，磨料损失少。第三章 电镀电镀：在含有欲镀金属离子的溶液中，以被镀材料或制品为阴极，通过电解作用，在基体表面上获得镀层的方法。电镀技术的应用已经有很长的历史，最初的开发是为满足人们防腐和装饰的需要，随着科学技术的不断进步，电镀技术还可以用来制取特定成分和功能的金属覆盖层，提供电、磁、光、热等方面的特性。根据镀层的功能可分为防护性镀层、装饰性镀层、功能性镀层。被镀材料可以是金属也可以是非金属， 电镀是以电化学过程为依据，所以电镀要有三个必要条件：电源、镀槽（镀液）、电极。第一节 电镀的基本原理一、 电化学反应阴极：Mn+ + ne M阳极：M - ne Mn+ 二、 法拉第电解定律1、法拉第第一定律电流通过镀液时，电解质溶液发生电解反应，阳极发生氧化反应，阳极金属不断溶解，阴极发生还原反应，不断有金属析出，金属溶解或析出的量与通过的电荷量有关。内容：电解时，电极上析出或溶解的物质的量与通过的电量成正比。 M=kQ式中 M电极上析出或溶解的物质的量 k比例常数 Q通过的电量Q=ItM=KIt只要知道K，就可以根据测得的电流强度I和时间t，计算电极