表面工程实验

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y表面工程综合实验论文学院名称：材料科学与工程学院专业班级：金属1402学生姓名：徐畅学 号：3140702048指导教师姓名：王兰、纪嘉明2016年12月目录碳钢的化学镀Ni-P摘要 11、 实验机理 12、 工艺流程 23、 关键工艺目的及溶液参数 23.1 准备试样 23.2 碱性除油 23.3 酸洗（除锈+活化）33.4 化学镀 33.5 镀后热处理 3四、检测与分析 44.1 表面形貌分析 44.2 镀层厚度测定 44.3 镀层及镀后热处理硬度测定 54.4 镀后耐蚀性检测 5钢的磷化摘要 71、 实验机理 71.1 磷

2、化膜的形成机理 71.2 磷化膜的组成和结构 8二、工艺流程 8三、关键工艺目的及溶液参数 93.1 准备试样 93.2 碱性除油 93.3 酸洗（除锈+活化）93.4 磷化 103.5 磷化膜的后处理 10四、检测与分析 114.1 表面形貌分析 114.2 磷化膜厚度测定 124.3 磷化后硬度测定 124.4 磷化后耐蚀性检测 13碳钢的化学镀Ni-P摘 要本文简要介绍了碳钢化学镀镍磷的原理与工艺流程，根据实验结果和实验过程中出现的一些问题，阐述了化学镀镍磷的基本知识，论证了化学镀镍磷的重要作用，得出了这一工艺对碳钢性能改进的重要影响。关键词：原子氢态理论；配方；溶液参数；检测与分析一、

3、实验机理化学镀镍磷合金是一种在不加电流的情况下，利用还原剂在活化零件表面上自催化还原沉积得到镍磷镀层的方法。其主要反应为应用次亚磷酸钠还原镍离子为金属镍，即在水溶液中镍离子和次亚磷酸根离子碰撞时，由于镍触媒作用析出原子态氢，而原子态氢又被催化金属吸附并使之活化，把水溶液中的镍离子还原为金属镍形成镀层，另外次亚磷酸根离子由于在催化表面析出原子态氢的作用，被还原成活性磷，与镍结合形成Ni-P合金镀层。以次磷酸钠为还原剂的化学镀镍磷工艺，其反应机理，现普遍被接受的是“原子氢态理论”和“氢化物理论”。下面介绍“原子氢态理论”，其过程可分为以下四步：1）化学沉积镍磷合金镀液加热时不起反应，而是通过金属的

4、催化作用，次亚磷酸根在水溶液中脱氢而形成亚磷酸根，同时放出初生态原子氢。H2PO2-+H2OHPO3-+2H+H-2）初生态原子氢被吸附在催化金属表面上而使其活化，使镀液中的镍阳离子还原，在催化金属表面上沉积金属镍。Ni2+2HNi+2H+3）在催化金属表面上的初生态原子氢使次亚磷酸根还原成磷。同时，由于催化作用使次亚磷酸根分解，形成亚磷酸根和分子态氢。H2PO2-+HH2O+OH-+P2HH24）镍原子和磷原子共沉积，并形成镍磷合金层。3P+NiNiP3二、工艺流程化学镀镍磷主要分为镀前处理、化学镀、镀后处理三部分。镀前处理对镀层质量至关重要,要使镀前的工件表面无污染，并且处于活化状态，此过

5、程主要包括有：制备试样、抛光、除油、水洗、除锈、活化。化学镀过程是把试样放入配置好的镀液中，进行金属沉积。 镀后处理是把已经施镀完成的工件进行清洗、干燥等处理。化学镀镍磷的具体工艺流程：制备试样（钻孔）碱性除油（化学脱脂）热水洗冷水洗酸洗（除锈+活化）冷水洗化学镀冷水洗滴上酒精溶液干燥检测。三、关键工艺目的及溶液参数3.1 准备试样试验前准备好试样，机械打磨试样，初步除去表面氧化物；并给试样系上一根细线，为了在整个磷化处理过程中便于拿取放置。 3.2 碱性除油 1.除油目的：将试样浸入碱性化学除油溶液中，对试样除油，目的是去除试样表面的油污，清洁试样表面，以增加化学镀镀层的结合强度。2.除油溶

6、液参数：碱性化学除油溶液配方及参数组成及工艺NaOHNa2CO3Na3PO4·12H2ONa2SiO3温度（）时间（min）配方（g/L）60-8020-6015-305-1080-9063.3 酸洗（除锈+活化）将试样浸入稀盐酸（10%或5mol/L以下)容易中约10s，对试样进行酸洗处理。酸洗的目的主要是除锈和活化。其中酸洗除锈的目的是为了去除试样表面的氧化物，使试样表面更加清洁。而酸洗活化的目的是为了让化学镀基材试样表面的金属原子活化，便于镍原子和磷原子的沉积，以及增加镍磷合金镀层的结合强度。3.4 化学镀1.化学镀目的:将试样浸入化学镀镍磷溶液中，使试样表面镀上一层镍磷合金层

7、，从而改善试样的表面性能。2.化学镀溶液参数：化学镀镍磷溶液的配方及参数成分及工艺条件硫酸 镍次磷 酸钠乳酸硼酸pH值温度（）沉积速率（m·h-1）配方（g/L）252025104.4-5.890-10015-22 镀液的配置过程如下：1）用分析天平称取12.5g硫酸镍，10g次磷酸钠，12.5g乳酸，5g硼酸，分别用少量的蒸馏水溶解；2）待硫酸镍溶液完全溶解后，不断搅拌下倒入有硼酸与乳酸组成的溶液中；3）将完全溶解的次磷酸钠溶液，在强烈搅拌下倒入前面已配好的溶液中；4）用稀硫酸或氢氧化钠稀液调整pH值至5.0；5）用蒸馏水稀释至略低于500mL；6）将配好的溶液放入水浴炉中加热至实

8、验要求温度95。(注：即将达到温度时前处理完成)当化学镀液到预定温度后，将试样放入镀液中1小时左右，使工件表面获得理想的镀层。3.5 镀后热处理可对已镀试样进行热处理，取三个已镀工件分别放入200、300箱式电阻炉保温1小时进行镀后处理，进一步提升试样镀层的性能指标。最后，将已镀试样经冷水洗后，滴上酒精溶液，然后吹干，并对已镀试样进行性能检测。四、检测与分析4.1表面形貌分析利用金相显微镜对有无镀后处理的试样进行表面形貌观察，拍摄显微照片。并分析本次化学镀镍磷是否成功，如果失败，找出失败的原因以及提出解决方案。图1化学镀镍磷层微观图像（400×） 图2化学镀镍磷层宏观图像 分析：本次

9、化学镀镍磷是成功的，化学镀镍磷层微观上是由胞状组织构成的,图中的白点状颗粒就是化学镀镍磷层。理论上来说，这种胞状组织应该成片状密集分布，在视场范围内都应该是这种胞状物且中间无太大空隙。所以由图1可知本次化学镀镍磷与理论相比是比较合理的。4.2 镀层厚度测定利用金相显微镜对已镀试样的镀层厚度进行测定，具体工艺：锯开镶嵌砂轮磨砂纸磨抛光腐蚀（3%硝酸酒精溶液）酒精洗烘干金相显微镜观察测镀层厚度拍照片。并对镀层厚度进行分析，镀层厚度是否合理，如果不合理，是薄了还是厚了，并分析原因以及提出相应的解决方案。图3化学镀镍磷层厚度显微图像（400×）镀层厚度：0.020mm分析：镀层厚度是偏厚的，

10、原因可能是镀前预处理做的比较好，次磷酸钠含量及镀液pH值较为合理。因而镀层厚度较好。4.3镀层及镀后热处理硬度测定利用显微硬度仪在0.98N的压力下测量已镀试样硬度。其过程为：将样品放入显微硬度仪的样品台上，选择合适的载荷，打开电源；在400倍的显微镜下调整焦距至能看清样品表面形貌为止，转动压头之样品上，按Start开始打压痕，结束后再将400倍显微镜转至样品上方；寻找压痕，转动右转轮，使左测量线对准压痕左端点，转动鼓轮使右测量线靠近左测量线（二线之间留有空隙），记下刻度；在转动鼓轮使右测量线与右端点相切，读取刻度；两数值相减的记录值，按记录值查表得硬度。测出各试样的镀层硬度值后，对镀层硬度进

11、行分析，镀层硬度是否合理，如果不合理，并分析原因以及提出相应的解决方案。条件化学镀镍磷无热处理化学镀镍磷200回火化学镀镍磷300回火硬度值/HV570.365654.756745.802分析：经热处理后，硬度有明显提高。这是因为经高温热处理后，镀层表面发生晶化，形成了硬度较高的镍磷合金，从而提高了镀层的硬度。4.4镀后耐蚀性检测利用浸泡法检测化学镀试样的耐腐蚀性，将试样(已降至室温)浸入5%10%的氯化钠 (NaCl)的水溶液中,在1525下,保持1小时后取出,洗净吹干,用电子天平称量前后的重量差，以此检测化学镀后碳钢的耐腐蚀性。并简要分析该化学镀的效果以及其原因。试样经10%Nacl腐蚀后

12、所测重量试样重量/g腐蚀前室温腐蚀1h加热至25室温腐蚀24h加热至25，室温（棉布包裹）腐蚀72h重量差化学镀镍磷3.203.213.193.18-0.02原始样3.083.063.042.92-0.16分析：由以上图表中可知用10%Nacl腐蚀原始样及化学镀镍磷样品1h后时，腐蚀效果不明显，这是因为当时正值冬天，天气比较冷导致温度偏低，以及电子天平秤量时数字小数点后两位不太准确，所以最后导致腐蚀效果不明显。因而又进行了更长时间的24h腐蚀并且加热到25时，可以发现较为明显的重量变化，而最后又进行了72h的腐蚀并且加热到25而且用棉布包裹时，腐蚀效果最明显。钢的磷化摘 要本文简要介绍钢的磷化

13、处理工艺可以改变钢表面原有的性质，从而提供新的物理特性或物理化学特性，因而广泛应用于钢的表面处理领域中。本文主要介绍钢的中温与高温磷化，通过实验来研究两种磷化膜的性质，对它们的原理、配方和生产工艺进行了简要的介绍。关键词：磷化处理；溶液参数；中温磷化；高温磷化；检测与分析一、实验机理1.1 磷化膜的形成机理磷化处理是在含有锰、铁、锌的磷酸二氢盐与磷酸组成的溶液中进行的。金属的磷酸二氢盐可用通式表示。在磷化过程中发生如下反应：或者以离子反应方程式表示：当金属与溶液接触时，在金属/溶液界面液层中离子浓度的增高或离子浓度降低，都将促使以上反应在一定温度下向生成难溶磷酸盐的方向移动。由于铁在磷酸里溶解

14、，氢离子被中和同时放出氢气：反应生成的不溶于水的磷酸盐在金属表面沉积称为磷酸盐保护膜，因为它们就是在反应处生成的，所以与基体表面结合得很牢固。从电化学的观点来看，磷化膜的形成可认为是微电池作用的结果。在微电池的阴极上，发生氢离子的还原反应，有氢气析出： 在微电池的阳极上，铁被氧化为离子进入溶液，并与发生反应。由于的数量不断增加，值逐渐升高，促使反应向右进行，最终生成不溶性的正磷酸盐晶核，并逐渐长大。下面是阳极反应： 与此同时，阳极区溶液中的也发生如下反应： 式中的为和。阳极区的反应产物一起结晶，形成磷化膜。1.2 磷化膜的组成和结构磷化膜主要由重金属的二代和三代磷酸盐的晶体组成，不同的处理溶液

15、得到的膜层的组成和结构不同。晶粒愈大，膜层愈厚。在磷化膜中应用最广的有磷酸铁膜、磷酸锌膜和磷酸锰膜。此次试验中做的是锌系磷化，故主要介绍磷酸锌膜。磷酸锌膜：采用以磷酸和磷酸二氢锌为主要成分，并含有重金属以及氧化剂的磷化液处理钢材时，形成的膜由两种物相组成：磷酸锌和磷酸锌铁。当溶液中含有较高的Fe2+时，就形成一种新相Fe5H2(PO4)4.H2O。磷酸锌Zn3(PO4)2.4H2O是白色不透明的晶体，属斜方晶系；磷酸锌铁是无色或浅蓝色的晶体，属单斜晶系。锌系磷化膜呈浅灰色至深灰结晶状。二、工艺流程钢的磷化主要分为前处理、磷化、后处理三部分。前处理对磷化膜层质量至关重要，目的是使磷化前的工件表面

16、无污染，并且处于活化状态，此过程主要包括有：制备试样、抛光、除油、水洗、除锈、活化。磷化过程是把试样放入配置好的磷酸盐溶液中，生成一层难溶于水的磷酸盐保护膜。 后处理是把已经磷化完成的工件进行填充、封闭、清洗、干燥等处理。工艺流程：化学脱脂（碱性除油）热水洗冷水洗除锈冷水洗活化冷水洗磷化处理冷水洗磷化后处理冷水洗干燥。三、关键工艺目的及溶液参数3.1 准备试样试验前准备好试样，机械打磨试样，初步除去表面氧化物；并给试样系上一根细线，为了在整个磷化处理过程中便于拿取放置。 3.2 碱性除油 1.除油目的：将试样浸入碱性化学除油溶液中，对试样除油，目的是去除试样表面的油污，清洁试样表面，以增加磷化

17、的保护膜层的结合强度。2.除油溶液参数：碱性化学除油溶液配方及参数组成及工艺NaOHNa2CO3Na3PO4·12H2ONa2SiO3温度（）时间（min）配方（g/L）60-8020-6015-305-1080-9063.3 酸洗（除锈+活化）将试样浸入稀盐酸容易中约30s，对试样进行酸洗处理。酸洗的目的主要是除锈和活化。其中酸洗除锈的目的是为了去除试样表面的氧化物，使试样表面更加清洁。而酸洗活化的目的是为了让磷化基材试样表面的金属原子活化，便于磷酸盐保护膜的形成，以及增加磷酸盐保护膜的结合强度。3.4 磷化磷化按照温度不同可分为三种高温磷化，中温磷化，低温磷化。本次试验采用高温磷

18、化和中温磷化这两种方法。1.高温磷化的磷酸盐溶液参数：高温磷化溶液的配方及参数组分与工艺磷酸/氧化锌/温度/时间/min配方参数23985952530 实验注意事项：1）配制时，高温磷化溶液应为黑色，不能有闪亮的点；2）配制时，用少量自来水把氧化锌调成浓浆糊状，然后加入磷酸，边加边搅拌，使之溶解，然后加水到需要的刻度(500ml）。2.中温磷化的磷酸盐溶液参数：中温磷化溶液的配方及参数组成与工艺硝酸锌/磷酸二氢锌/磷酸/时间/min温度/配方g/L80-10030-404010-1560-70实验时，具体配制步骤如下：1）先称取硝酸锌和磷酸二氢锌，重量分别为45g和18g；2）接着将它们分别用

19、少量水调和，将调成糊状的磷酸二氢锌在不断搅拌下融入20mL磷酸中，然后将硝酸锌加入，最后加水至500mL；3）将配好的溶液加热至65，15min后取出即可。3.5 磷化膜的后处理一般磷化后应对磷化膜进行填充和封闭处理。实验时，填充处理的步骤为： 1）先称取重铬酸钾和碳酸钠分别是20和1.5； 2）将其混合，加水至500,加热至温度为90后，15后取出即可。此外，填充后，可以根据需要在锭子油、防锈油或润滑油中进行封闭。如需涂漆，应在钝化处理干燥后进行，工序间隔不超过24h。最后，将试样经冷水洗后，滴上酒精溶液，然后吹干，并对已镀试样进行性能检测。四、检测与分析4.1表面形貌分析利用金相显微镜对有

20、无磷化处理的试样进行表面形貌观察，拍摄显微照片。并分析本次磷化是否成功，如果失败，找出失败的原因以及提出解决方案。1.磷化处理后样品宏观照片 图1中温磷化宏观表面 图2高温磷化宏观表面2.金相显微镜下样品表面显微图像图3中温磷化微观表面（400×） 图4高温磷化微观表面（400×）分析：经过以上图像分析可知此次磷化比较成功，磷化膜由于基体材料及磷化工艺的不同可由深灰到黑灰色，特殊工艺可实现纯黑色、红色及彩色。磷酸盐转化膜外观呈灰色或黑色，是有一系列大小不同的晶体所组成，在晶体的联结点上形成细小裂缝的多孔结构。经过填充、浸油或涂漆处理后，在大气条件下具有较好的抗蚀性。图3和图

21、4分别为中温磷化和高温磷化工件的表面磷化膜形貌。由图可以看出磷化膜镀层比较均匀。这是因为工件的预处理好，酸洗时间合理。所以这次磷化还是比较成功的。4.2 磷化膜厚度测定利用金相显微镜分别对高温磷化、中温磷化试样的磷化膜厚度进行测定，具体工艺：锯开镶嵌砂轮磨砂纸磨抛光腐蚀（3%硝酸酒精溶液）酒精洗烘干金相显微镜观察测磷化膜厚度拍照片。并对磷化膜厚度进行分析，磷化膜厚度是否合理，如果不合理，是薄了还是厚了，并分析原因以及提出相应的解决方案。图5中温磷化膜层厚度（400×） 图6高温磷化膜层厚度（400×） 中温磷化厚度：0.012mm  高温磷化厚度：0.015mm分析：本次测定的磷化膜厚度比较合理，零件的材料和表面状态、温度等都对磷化膜的厚度有影响。高、中碳钢和低合金钢容易磷化，磷化膜黑而厚实。温度高能加快磷化速度，提高附着力，硬度、耐蚀性。而此次磷化温度合理准确，因而最后得到的磷化膜厚度比较合理。4.3磷化后硬度测定利用显微硬度仪在0.98N的压力下