材料表面技术样本

当代表面技术

第一章表面技术概论

第一节表面技术涵义

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规定，人们需要不断开发各种特殊合金材料，但这些合金材料往往价

格昂贵。因而，人们试图采用各种表面技术对普通钢材表面进行加工，以变化其表面性能,

使其适应复杂工作环境。此外，磨损、腐蚀等失效都是一方面发生在材料表面，通过对材料

表面进行有效解决，可以极大地提高材料寿命。因而，迫切需要开发出各种行之有效表面技

术，正是基于这样背景，逐渐形成了一门新兴学科一一表面工程学。

表面工程技术发展始于20世纪60年代末，近30年来发展尤为迅速。在老式表面解决技

术不断改进、不断完善同步，又有科学技术逐渐渗入到该领域，各种表面技术互相融合，从

而使当代表面技术进入了一种新发展时期。

表面技术是一门博大精深、实用价值极高技术。材料科学所面临若干艰巨任务，如规定

材料硬而不脆、耐磨而易车削、质高而价廉等间题，通过表面技术在相称限度上都可迎刃而

解。除本文所提及巨大作用外，用表面技术合成人工构造材料、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应用潜力。表面技术是一项能使产品获得高附加值技术。

英国产品每年靠表面技术预计增值100亿英镑，如果对表面技术进行全开发，有也许节约

200o万到400亿埃居（约200亿英镑），可见表面技术对国民经济巨大作用。国内在湿法镀覆

等方面获得了令人瞩目成就，但在PVD和表面改性方面尚有许多工作要做。这一方面要靠

广大科技人员才智与努力.同步关于领导部门在设备资金投入上予以有力支持也至关重要。

只有这样，国内表面技术才干以新面貌进入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关于，能为人类造福或被人们运

用技术。

任何表面在普通状况下事实上都是界面.两种不同相之间交界，称为界面，在任何两相

界面上都可以发生复杂物理或化学现象，总称为表面现象。

固体材料界面有三种：

表面一一固体材料与气体或液体分解面。

晶界（或亚晶界）多晶体内部成分、构造相似而取向不同晶粒（或亚晶）之间界

面。

相界一一固体材料中成分、构造不同两相之间界面。

它重要涉及：表面覆盖（在材料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、使用表面技术目

I、提高材料抵抗环境能力，同步具备装饰效果。

2、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）中耐蚀性，还可以提高材料表面硬度，从而提高材料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;金属表面仿金电波层;钟、表壳表面离子镀金色氮化钦层，钢铁零、部件上电镀黑银

层、黑铝层，电镀锌制品表面彩色钝化膜等。

3、赋予材料表面某种功能特性。涉及光、热、电、磁、声、吸附、分离等各种物理和化学

特性。

4、实行特定表面加工来制造构件、零部件和元器件等。

5、修补金属表面缺陷和磨损

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便宜手段。特点是设备简朴，

操作灵活，适于野外和现场修复，特别是对于大型、精密设备现场不解体修复，更具备独特

长处。当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、表面技术实行途径

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

磷酸盐解决

格酸盐解决

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、物理和化学办法，变化材料表面形貌、化学成分、相构成、微观构造、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

采用合金化元素改进合金本来表面，如把碳或氮通过不同办法解决钢表面;后者则是将新材

料沉积在表面为之提供保护涂层.

表面改性技术重要有:

元,5。6倍），美国腐蚀损失达3000亿美元，相称于美国当年军费开支。日本1。8%,英

国3。5%,意大利6。6%,波兰6—10%。国内按4%计算，每年损失达1000亿元，所

损失钢材约800万吨，相称于首钢一年产量，可铺13条双轨京广铁道线。

③由此可见，采用各种表面技术，加强材料表面保护具备十分重要意义。

④从材料表面作用来看，许多产品性能，重要取决于表面性质和状态

⑤材料科学所面临若干艰巨任务，如规定材料硬而不脆、耐磨而易车削、质高而价廉等

问题，通过表面技术在相称限度上都可迎刃而解。

⑥应用表面技术可以生产出各种新材料、新器件

二、表面技术在构造材料以及工程构件和机械零部件上应用

三、表面技术在功能材料和元器上应用

四、表面技术在其他方面应用

I.净化空气用触媒我体（吸附办法）净化汽车尾气

2.净化水质

3、3.生物医学

4、绿色能源

第三节表面技术发展

一、表面涂覆技术发展

在表面涂敷技术中，涂料和土装饰一种重要构成某些。旦在公元前，咱们祖先从野生漆树收

集天然漆，用来装饰器皿。直到本世纪代，由于化学工业发展，浮现了酚醛树脂，才给变了涂

料完全依赖天然材料局面，30年代浮现了醇酸树脂，使涂料挣脱了油树脂型格局，从而进入

了合成树脂涂料时期，发展成为当前18大涂料类。她们合用范畴远远超过了装饰目，已涉及

到材料保护和具备各种功能领域.由于涂料制造和涂装行业是资源耗量很大工业领域，乂是

大气和水质污染源之一，因而开发和采用资源运用率高，低污染或无污染型涂料和涂装技术

已成为重要研究方向。

热喷涂因基材可以不经高温，可用作涂层材料类型广泛，土层性能优良，共建外形尺寸上没

有限制，成本低，从而成为广泛使用表面技术。此类技术开发和使用是从本世纪初开始。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审:

进一步提高以及精密、智能化方向发展。

二、金属表面强化技术发展

金属材料普通适当合金形式进行使用，具备良好强度和塑性配合，优良加工性，许多金

属还具备优秀物理特性，因而应用非常广泛。金属材料表面在外环境下容易发生各类磨损、

腐蚀、氧化和疲劳等破坏。因而，金属表面强化技术受到人们注重。代，喷丸强化技术应用

于汽车领域；60年代后来用在航空中得到应用。使得经喷丸后，零部件抗疲劳性和抗力学腐

蚀性有了明显提高，而生产成本低廉，因而成为一种重点采用表面技术。

表面热解决和化学热解决也是人们早就使用表面技术。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研究之后，一系列以电为基本表面解决新

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。同步，激光和电子束也在该领

域得到应用。

三、表面加工技术发展

表面加工技术包括内容十分广泛，特别是表面微细加工技术已成为大规模集成电路和微细

图案成型必不可少加工手段，在电子工业特别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她某些特殊性能，但20世纪初由于创造了真空二极

管和真空三极管，半导体应用受到限制。进入20——30年代后无线电通讯对高频和超高频

运用以及二战中微波技术进步，都规定采用半导体器件。与此同步，人们对半导体结识加深,

直到1948年终于制成了结型晶体管，引起了电子学革新，到1958年平面集成电路得到应用。

当前，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

基本上正在向为机械技术和纳米级制造技术推动。

第二章金属表面预解决

金属表面预解决：是指用物埋或化学办法除掉金属表面油污、氧化皮、锈蚀产物和其他

污物，而呈现出具备•定粗糙度或光洁度清洁金属表面。

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），或者存在变化了金属表面形状及表面层组织、构造。当咱

们对金属进行表面加工（例如在金属表面施加涂镀层时候），这些表面缺陷会严重影响涂镀

层致密性以及与基体结合强度，甚至导致表面解决失败。因而，进行表面解决之前，一方面

必要把金属表面解决成干净表面。

表面解决有时候规定基体表面具备一定光洁度，有时候还规定基体表面有一定粗糙度。

第一节除油

从金属表面除掉油脂过程，习惯上叫做除油，也叫脱脂。除油重要办法有：溶剂除油、碱液

除油、电解除油、烧灼（加热）除油、蒸汽热洗。

一、油污种类

油污按化学性质可分两类：

1、皂化类：所有植物和动物油脂都属于皂化类，她它们甘油和高分子有机酸酯类。它

们在碱液作用下能分解生成溶于水脂肪酸盐一肥皂和甘油。化学反映如下：

（RCOO）3GH5+NaOH-*RCOONa+C3Hs（OH）

（肥皂）（甘油）

2.非皂化类：指是矿物油，如汽油、润滑油、柴油、原油等，它们在碱作用下不起化学分解反

映（也就是皂化反映），因而称为非皂化类油脂，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、除油剂除油机理

除油时咱们使用各种除油剂，它们作用机理时不相似。归纳起来，有如下儿种》

1.皂化作用：氢氧化钠和碱性强盐类与油脂反映生成肥皂和甘油，肥皂和甘油溶于水，而除

去油脂。运用皂化作用只能除去动物和植物油脂。惯用皂化剂有：NaOH、

Na2cO3.Na3Po4、Na2SiO3.NaNo2等。

2.乳化作用：使用表面活性剂除油，表面活性剂能明显减少水表面张力或水与油之间界面

张力，它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0/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干除去。惯用乳化剂有：

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附着力,

使之脱落。惯用润湿剂有：

4、分散作用：运用分散剂把从基体表面脱落油脂分散到溶液中，而除去油脂。惯用分散剂

除表面活性剂外，尚有硅酸钠、磷酸钠。

5、溶解作用：运用有机溶剂对油脂溶解作用，把油污除去。诸多有机化合物是非极性或弱

极性，而水是一种强极性液体，因此多数有机物不容于水，而易溶于极性弱有机溶剂中，固

然极性大有机物，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、对除油剂规定

1.除油效果好，成本低。

2.对基体物腐蚀、安全、无毒。

五、3.操作以便，容易被水清洗。

六、4.对后续工序无不良影响。

七、5、便于废水解决，不致引起公害。

八、物理因素在除油过程中作用

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增进作用，温度升高时，油脂变软，有助于除油剂渗入和润

湿作用，增进油脂脱落合分散，温度升高还会使酷水解速度加快，溶液对流作用增强，这些

均有助于除油过程。因而老式除油都是在接近沸点温度下进行。

但是高温除油耗能较高，近年来，低温除油越来越受到人们注重。低温除油对表面活性剂依

赖限度很大，规定表面活性剂浓度高达1%—3%。普通是非离子表面活性剂与阴离子表面活

性剂配合使用，为了增进表面活性剂溶解、往往还需要加入分散剂（亲水基团较多表面活性

剂）。用这样除油液在40Z左右室温下就可以有效地除油。

九、3、电流：

十、除油办法

1、溶剂除油

溶剂除油是，借油脂溶于有机溶剂中后来随溶剂一起挥发而去掉油脂。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，而不能溶解油污中非有机物，因而，溶剂中脏

物在溶剂挥发后仍会残留在工件表面.匕对溶剂规定：（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。

惯用溶剂：（1）汽油、煤油，价格便宜，溶解弱极性或非吸性油脂，溶解油污能力较强，毒性

小，是一种用量大、应用普遍有机溶剂。

（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，但有一定毒性，便用时要按一定操作规程，在专门除油设备中使用。

（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

除油办法与设备：用布蘸有机溶剂擦金属表面，或者使用“除油机”进行。

分

离

水

排

遣

青

2.碱液除油

用具有碱性化学试剂溶液除去材料表面油污办法。

运用碱和表面活性剂对油脂皂化作用和乳化作用进行。

除油剂组分和作用：

NaOH:碱性最强除油剂，与动植物类油脂发生皂化反映，使酯类水解为可溶与水肥皂和甘

油。

NaCO3:皂化作用较NaOH弱，但对溶液PH值优良好缓冲作用，对油脂层有缓慢涧湿和分

散作用，对材料腐蚀作用小，比较适合清洗有色金属。

Na3PO4:惯用是十二水磷酸纳（Na3PO4-12H2O）,偏磷酸纳（NaPO3）、三聚磷酸纳

（Na5P3010）,它们除具缶碳酸钠长处外，还具备乳化能力，很容易用水清洗，，对硬水有软

化作用，对铝、锌等金属没有明品腐蚀作用。

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：表面活性剂它可增进乳化、分散作用，加快除油过程。这种物质分子中亲油端

（疏水端）被金属表面油污所吸附，同步分子中亲水端与碱液中水分子结合，从而提高金属表

面在溶液中润湿性，使之充分地与碱液接触。此外，表面活性还可以减少油水界面张力和油

滴对金属表面亲合力，从而促使油滴进入溶液。同步表面活性剂又被吸附在油滴表面形成乳

胶体，使溶液中油滴不会重新汇集，起到对油脂乳化、分散作用。

除油剂中惯用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TX10（聚氧乙烯辛烷基酚醛）。

（1）碱液除油工艺条件：

（2）依照油污状态和材料性质选取恰当除油剂构成和使用条件。或与其他除油办法

配合使用。

（3）有色金属尽量不使用NaOHo

为节约能源，尽量在低温条件使用

从成本考虑，除油剂浓度尽显低。

*2-1件

金■■•

**成分

钢铁**合金铝和铝合金梓和锌

(gJL)

1231!3>；2合金

1

“氧化铁50~80।3010~305~10

I

硅酸的15-20\5035~4010—2010~20

・酸钠11-207010—20

40〜6010~2040•110—30

硅・纳5.30~505~1010-15:A510-20

OF化州13~52~327—；2~32〜3

蕊度(eC>初)〜10010~10070—10070〜807065~»5.50—6050~60

碱液除油长处是：成木低、无毒、不会燃烧。缺陷：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，把工件作为阴吸或阳极，进行短时间电解，而除油

办法。

①除油原理

a、皂化作用及乳化作用

b、电极表面极化作用，减少金属表面与溶液界面张力

c、电极上产生大量气泡迅速扯破，使油污转变成细小油珠而被除掉

d、气泡对溶液还会起到机械搅拌作用，加速除油过程

②除油办法

a、阴极除油：将工件作为阴极阳由不溶性电极材料制成。

b、反映式:2H2O+2eH2+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。

阳极除油：将工件作为阳极，阴极可以使用钢板。

c、反映式：40H--4e02+H20

d、特点：析出气体为氧气，气泡大，数量少，氧气析出使阳极附近PH值卜.降，减少油脂皂

化反映速度，除油效率低，阳极具备溶解性，对金属有腐蚀性。锌、锡、铜及其合金不适

当用阳极除油。

e、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问题，在实际应用当中，经常采用阴、阳极

交替除油办法，即先用阴吸除油，再转为短时间阳极除油，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、酸洗目和作用

二、为了除押金属表面腐迎产物或氧化皮。除锈多用酸，称之为酸洗。

三、金属表面氧化产物

四、锈是指金属在水和氧等作用下，在其表面生成固体腐蚀产物。普通咱们说铁锈，就是指

由于高温氧化在钢铁表面形成氧化皮。普通金属在使用环境下，都会受到腐蚀而生锈。

五、例如：对碳素构造钢、表面氧化物重要由FeO、Fe2O3、Fe3O4构成。

六、酸洗液组分和作用

I.酸洗用酸：

硫酸：对金属氧化物溶解能力较弱，热硫酸对钢铁材料酸洗能力较强，但温度过高容易导致

腐蚀，并使钢铁基体产生氢脆。经常与其他酸配合使用。

硫酸+倍酸或重铝酸盐用于铝活化剂

硫酸+硝酸用于不锈钢和铜、铜合金酸洗

硫酸+氢氟酸用于不锈钢酸洗

盐酸：对金属氧化物清洗作用较好，可以对各种金属进行清洗。

硝酸：不能单独用于酸洗、与氢氟酸配合用来除去铅、不锈钢、银基、铁基合金上氧化物。

2.酸洗缓蚀剂

FI：防止金属过腐蚀和氢脆。

重要有：若丁（二邻甲基苯硫服）、硫腺、硫服与乌洛托品等。

3.酸洗用增进剂

目：加入酸液中可以加快酸洗速度。

重要有无机盐和表面活性剂。

七、化学酸洗

酸洗依照反映原理可分为化学酸洗和电化学酸洗。

I、化学酸洗是金属表面浸入恰当浓度和一定温度酸液中，通过化学反映而除去金属氧化物

办法。

2、反映原理

以钢铁化学酸洗为例，

FeO+2HCI►FeCI2+H20

FeO3+6HCI-FeCI3+H20

Fe3O4+8HCI2FeCI3+FeCI2+4H2O

通过这些反映，铁氧化物溶解而进入溶液，同步夹杂在铁氧化物孔隙中大量散碎铁还会与盐

酸发生反映而放出氢气

Fe+2HCI-FeCI2+H2f

产生氢气能把疏松氧化层从钢铁表面剥离下来。

3、影响因素

酸洗溶液浓度和温度影响

盐酸酸洗时，盐酸溶液浓度和温度直接影响着溶液活性,酸洗速度随盐酸浓度

增长而增长，虽温度升高而增快，如图2—1所示。虽然提高盐酸浓度可以增长酸洗速度，但由

于盐酸浓度超过18%时，基体溶解速度将明显增长。因不，实际生产中普通采用10%左右盐

酸进行酸洗。升高盐酸溶液温度同样可以提高盐酸溶液活性，但因温度高时，盐酸挥发性大,

污染环境。因此普通采用增长盐酸浓度而但是分升高温度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，在一定酸浓度范畴内，酸溶液活性随浓度增长而提高。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

洗速度随浓度增长而减少.当浓度达到60%时，是钢铁发生钝化现象，酸洗主线不能进行。

因此生产中普通采用20%左右硫酸浓度进行酸洗。酸洗溶液浓度对酸洗时间影响如图2-2

所示。

（114页上）

提高硫酸溶液温度同样可以提高硫酸溶液活性，增长酸洗速度。但温度超过70C时，硫

酸溶液对于钢铁基体腐蚀速度增长不久，同步氢脆倾向增大，因此生产中硫酸酸洗时温度采

用50—60℃o

此外，从表2—1列出盐酸和硫酸溶液浓度与温度对酸洗时间影响成果还可以看出，铁在

盐酸溶液中其酸洗速度随温度升高而加快限度，比在硫酸溶液中小。在盐酸溶液中酸洗时,

酸浓度对酸洗速度有很大影响，而在硫酸中温度对酸洗速度影响很大。

表2—1盐酸和硫酸浓度与温度对酸洗时间影响

酸洗浓度％酸洗时间（min）硫酸浓度％酸洗时间（min）

18℃40℃60'C18℃40℃60℃

55515551354513

10186210120328

酸溶液中Fe?+影响

无论是用盐酸酸洗还是用硫酸酸洗，总趋势是溶液中Fe2+离子含量逐渐增长，并对

酸洗速度有较大影响。

盐酸溶剂盐酸FeCI2最大FeCh饱和

酸洗时，溶含量（g）溶解量（g）度（％）

液中FeC12

浓度增大，

并不一定减

少酸洗速

度，相反，

由于酸洗时

生成了极易

溶于水

FeC12,因

此在一定含

铁量范畴

内，随Fe2+

离子浓度增

长，酸洗速

度加快，直

至IJFe2+离

子浓度达到

该溶液中饱

和度为止。

由此可

见，酸洗速

度不是简朴

依赖于

Fe2+离子

绝对含量，

而更重要是

决定于

FeC12再该

盐酸下饱和

度。由于有

时酸溶液中

FeC12含量

已经很高，

但若再该盐

酸浓度下，

FeCI2并不

饱和话，则

溶液仍具备

很强酸洗能

力：相反，

FeCI2含量

并不太高，

如果已经达

到该浓度下

饱和状态，

其酸洗能力

就会明显下

降，此时虽

然延长酸洗

时间已无济

于事。如下

表，列出了

不同盐酸浓

度下FeC12

饱和度。

盐酸浓

度％

81005353

101004848

141004343

1610040340.3

2110016.716.7

281007.47.4

311005.55.5

从表中数据可以看出，当盐酸浓度达到10%时，FeCI2饱和度为48%,而盐酸浓度

为31%时其饱和度只有5.5%。因而盐酸酸洗时采用低浓度盐酸酸洗较为适当。实验表白，在

2%一15%盐酸中酸洗,Fe2+离子含量不大于16%时，酸洗效果最佳。

在硫酸酸洗中，硫酸亚铁含量对酸洗时间影响如图2--3所示。从图中可以看到，酸洗

时间随硫酸亚铁含量增长而延长，但硫酸浓度为20%左右时，不论硫酸亚铁含量是多少，酸

洗时间均有一种最小植。

当硫酸亚铁浓度增大到接近或达到在溶液中饱和度时，不但酸洗速度最慢，由于铁盐

残留在工件表面上，使表面变黑变脏：过度硫酸盐结晶也容易引起工件表面过酸洗缺陷。因

而，酸洗溶液中硫酸亚铁浓度不应超过其在当时条件下饱和度。

(1.15)

3酸洗工艺条件

a钢铁化学酸洗配方及噪作条件见表2—2。

表2—2钢铁化学酸洗配方及操作条件

溶液成分12345

(g\D

硫酸200—25080—150150—200100—150

盐酸

氯氟酸100

硫服2—31—310—20

乌落托品1—31—3

温度(C)30—5060—7030—5030—4030—50

时间(min)15—2010—1515—2020—2520—25

在钢材生产中，带钢、钢板、钢丝酸洗多数是在持续密闭酸槽中进行。盐酸浓度为5%

-20%,酸洗温度为70——85c溶液中氯化亚铁含量控制在10——15%；或者是使用温

度不大于85℃15——25%硫酸溶液，其硫酸亚铁含量应控制在200——250g\lo如果是非持

续酸洗，盐酸浓度为5%—20%,酸洗温度为40——50℃；或者是硫酸浓度为20——25%,

酸洗温度为50——60℃o

考虑到硫酸和盐酸对铁氧化物作用不同，国内也有使用硫酸与盐酸混合夜进行酸洗。混合酸

洗溶液成分是：H2SO450—lOOg/lHCL150—100g/l,g£«-J&H2SO4150—200g/l,HCI250

-4(X)g/LFeCL3・6H2O3—5g/l和若丁2—3g/l0

酸洗后往往在钢件表面残留酸和铁盐，因而，对酸洗过工件还要再热及冷流动水中进行清洗,

以保证表面清洁度，用热流动水清洗时，温度为70—80℃,清洗时间为5-9min；用冷流动

水清洗时，清洗时间也为5—9min。

b铜和铜合金

铜和铜合金酸洗，普通是在硫酸、硝酸和加有少量盐酸混合酸夜中进行。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解决。

铜和铜合金化学酸洗溶液配方及操作条件见表2——3

表2一一3铜和黄酸洗配方及操作条件

溶液成分预酸洗光亮酸洗

(ml/l)1212

硫酸160—180500500180—260

硝酸210—220200—250250—300340—380

盐酸4微量3—512

氯化钠,g/1(或3—6)

水余量余量余量余量

温度(℃)<3020——30<30<30

时间(min)2—43—51—33—5

酸洗时，铜氧化物分别与硫酸、硝酸和盐酸发生下述反映:

CuO+H2SCuSO4+h0

CUO+2HNO3-*CU(NO3)2+H2O

CUO+2HCL-*CUCL2+H2O

但是，由于铜活泼性较差，因而不能与稀硫酸和稀盐酸反映而放出氢气，她只能和具备

氧化性酸进行反映。铜和浓硫酸进行下列反映：

Cu+2H2sCh-CuSCh+SCht+2H2O

铜和浓硝酸反映放出NO2:

CU+4HNO3-CU(NO3)2+2NO2+2H2O

铜和稀硝酸反映放出NO:

3Cu+8HNO3f3CU(NO3)2+2NOt+4H2O

在用硫酸、硝酸、盐酸混合溶液酸洗时，与铜发生反映重要是硝酸，因而反映时会放

出大量棕红色刺鼻气体即氮氧化物混合物(NOx),污染环境。对此，可以通过加入抵制剂

如尿素•、明胶、聚己二醇和表面活性剂等，以减少氮化物危害。

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。由于混合酸中当硫

酸和盐酸含量不变时，硝酸含量增长，铜溶解速度就迅速上升，而锌溶解速度变化很小。当

硫酸和硝酸含量一定期，盐酸含量增长，则锌溶解速度上升，而铜溶解速度稍有减少。在酸

洗时，对的酸比应使铜和锌溶解速度等于她们在黄铜中含量比。若盐酸含量局限性，黄铜表

面残留过多锌，则呈暗淡黄色：若盐酸含量不多或硝酸含量局限性，则黄铜表面会浮现棕褐

色斑点。这是由于锌过腐波而铜溶解局限性所导致黄铜脱锌。

酸洗速度还取决于温度。当酸洗溶液温度达到50℃时，铜溶解速度起初增大，而后迅速减少,

锌溶解速度变化不大，因而酸洗效果不好。当温度超过50℃时，混合酸开始分解。实践表白,

铜和铜合金酸洗温度应控制在30C如下。

用氯化钠代替盐酸目，是既可以保持氯离子活化作用，又可以减少溶锌时所析出氧，使腐蚀

作用减缓。

C铝和铝合金

铝是两性金属，她氧化物即溶于碱，也溶于酸，因此铝和铝合金即可以用碱洗，也可以

用酸洗。例如，在含65g辂舒、360g硫酸和100ml水溶液中，于60—70℃温度下进行除锈。

溶液中铝酎也可以用硝酸代替，还可以加入适量氢氟酸。表2-4列出不同铝合金酸洗配方

及操作条件。

表2—4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,室温

Al—Mn50%HNO35—30

AL—Cu（低）

室温

AL一Cu（高）30—50%HNO?+3—5%HF5—30

AL—Cu—Mg

AL一Si

AL—Mn-Si

（高）

AL-Mg15—20%H2SO460—805—10

酸洗液中，硫酸重要作用是有选取溶解上述铝合金表面金属铝和氧化铝，可以提高合

金表面和酸液活性，同步提高酸液整平作用。硫酸浓度普通在8—25%较为适当。如果她浓

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%,就会减少酸洗质量,

使合金表面浮现半透明物膜。硫酸在酸洗化学反映如下：

2AL+3H2SO4=AL2（SO4）3+3H2t

AL2O3+3H2sO4;AL2（SC）4）3+3H2O

硝酸作用是，一方面与合金表面金属铝起化学反映生成氧化铝，另一方面乂及时溶解

氧化铝膜而生成硝酸铝。这对提高酸洗表面质量起到重要作用。在酸洗液中，硝酸浓度在25

一5。%较为适当。硝酸在酸洗中化学反映如下：

2AL+6HNO5=AL2O3+6NO2t+3H2O

4AL+4HNO3=2AL2O3+4NOt+2H2O

AL2O3+6HNO34-2AL（NO3）3+3H2O

氢氟酸对除去含硅铝合金表面暗灰色硅浮灰，以提高酸洗表面质量，起到一定作用，其

化学反映如下：

Si+4HF+4HNCh=SiF4f+4NO2t+4H2O

为了获得比较光亮铝和铝合金表面，则可采用含表面活性剂磷酸溶液进行酸洗。酸洗溶

液成分如下：

磷酸（85%）IOOml/1

丁醇400ml/l

异丙醇300ml/l

水200ml/l

铝和铝合金通过酸洗后，必要及时用流动温水和冷水清洗，以彻底除去表面残留酸液，从而

防止铝和铝合金表面受到腐蚀。

D其她有色金属

除常用铜和铜合金及铝和铝合金外，有色金属中锌、镁、锡和铅等酸洗用配方及操作

条件见表2—5

表2—5有色金属酸洗配方及操作条件

溶液成分锌和锌合金镁和镁合金锡铅

（g/1）

硫酸50—100

盐酸100—300

硝酸10—2050—100

铭酊150—250

氯氟酸80-120

温度（℃）室温室温室温室温室温室温

时间（min）<1<18—12<11—3<1

4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。她是在酸、乳化剂和少量缓蚀

剂配成水溶液中进行。这种工艺只合用于钢铁材料及其制品表面锈蚀和油污不太严重状况,

见表2-6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，因而规定容器和加热器能耐酸、耐热，同步必要设

立良好塑料或玻璃钢抽风机，以保证操作安全和人身健康。

表2—6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）12

硫酸200—250320—350

硫喔3—5

op乳化剂6—85—10

若丁3—5

氯化钠15—20

温度（℃）60—6550—55

时间(min)40—9010—50

“二合i法”配方

成分1(%)2(g/1)作用

工业硫酸（相对酸度1.84）15——25150——200酸洗除锈

工业盐酸（含量30%）—200——300除锈

十二烷基磺酸钠0.610润湿，分散，除油

若丁0.06------0.1缓蚀

六次甲基四胺—3缓蚀

三乙醇胺—2缓蚀，分散

氯化钠（工业盐）—200——300增进剂

平评加0.6—润湿，分散，除油

水余量余量润湿，分散，除油

“四合一法”配方

磷酸二氢镒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

OP——1040ml除油

络合剂（柠檬酸钠）20g除油或锈

水10L

第三节涂层与纲材表面粘附理论

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接近时，由于电子高速转动和原子核不断震动，正负电荷中心不也

许每一时刻都重叠，必然产生瞬间偶极，而瞬间偶极总是处在异极相邻状态。这种非极性分

于瞬间偶极之间所产生分子力称为色散力

诱导力当极性分子与非极性分子接近时，非极性分子受极性分子影响，产生诱导偶极，由

此而形成吸引力称为诱导力。

取向力极性分子之间，由于固有偶极之间取向所引起分子间力，称为取向力，她使极性分

子更加接近。

B表面张力

金属表面分子与内某些子所处状态是不同。内某些子所受分子间作用力合力为零，而表面分

子所受合力不为零，有一种向内拉力，使进入该力势内涂料分子被吸附。

C机械作用

金属表面粗糙度给涂料分子与金属表面分子吸附作用提供了更多附着点，从而增大了

她们之间摩擦力，称为机械作用。因而为了提高涂料与金属之间吸附作用，金属表面应当有

一定粗糙度。

当工件喷丸后，在工件表面形成齿形锚纹，她可使金属表面积增大20倍，锚太浅或太

深都不适当，适中锚纹才有助于涂料与金属之间吸附。

第四节金属表面机械解决

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刷光轮对工件表面进行加工办法。

她重要用于除去工件表面氧化皮、锈蚀、焊渣、旧油漆及其她污物；也用于除去零件机加工

后留在表面棱边毛刺。

惯用刷光轮普通由钢丝和黄铜丝等材料制成。零件材质坟硬者，应采用钢性大钢丝刷轮，同

步采用较大转速；反之，采用黄铜丝刷轮。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，普通都采用水做刷光液，对钢铁材料刷光也有采用3-5%

磷酸钠溶液。

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办法。她可以去掉零件表面锈蚀、砂眼、焊渣、

划伤等缺陷、提高零件平整度。磨光普通都是在装有旋转磨轮或圆盘机床上进行，当前用带

式磨光机日益增多，也可以在某些专用旋转滚筒、震动磨光机等设备中进行，后者惯用于批

量生产。

B抛光

抛光是用抛光轮对零件表面进行加工办法。抛光可进一步减少零件表面粗糙度，获得光亮

外观。

抛光时，一方面把抛光轮圆周线速度调节到20—35m/s（零件形状简朴、表面较硬，转速可

大些，反之，则小些），然后依照零件选用抛光剂。惯用抛光轮有三种，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喷砂和喷丸目：

a除锈及污物

b在金属表面形成锚纹，增长与锚纹之间吸附力

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敏感性

2喷沙种类

干喷沙干喷砂磨料可以是钢砂、氧化铝、石英砂、碳化硅等。当前应用最多是石英砂。

管道喷砂所用砂粒尺寸普通选用2.5〜3.5mm石英砂。

干喷砂设备有吸入式、压力式、自流式、离心式等竺气压力喷砂机，生产上惯用是吸入

式和压力式两种。吸入式喷砂机构造简朴，但生产效率低，合用于小工件。压力式喷砂机重

要由贮砂箱、喷砂室及工作台等构成。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，从而达到加工目。这种喷砂机合用于大、中型工

件，生产效率高，多用于大批量生产。当前国内管道除锈大多数采用这种方式（见图2—11）。

图2-口压力式咦砂机示意图

湿喷砂

湿喷砂是将水与磨料混合成砂浆（磨料体积普通占20%〜30%）,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。为防止钢铁件锈无，水中可加入亚硝酸钠、碳酸钠、重铝酸钠等作缓蚀剂。湿喷砂

所用磨料与干喷砂相似，与干喷砂相比，湿喷砂长处是可以避免产生大量粉尘，对操作人员

健康危害不人，不污染环境。

湿喷砂普通有雾化喷砂、水一气喷砂和水喷砂3种，喷砂方式和喷砂机构造各不相似,

其工作原理和特点见表2-7o

表2-7各种湿喷砂工作原理和特点

办法工作原理特点

由泥沙泵以高压将水一砂

料经软管输送到喷枪，并在

变化压缩空气压力，就能变

水一气喷栓通人压缩空气，以喷出

化喷砂表面粗糙度

喷砂而速水一砂流冲击工件表

面

不使用压缩空气水一砂流只能通过变化水压、才干变

水喷砂

喷砂化喷砂表面粗糙度

即低压喷砂。磨料从装有文

氏管压缩空气系统送至喷只有通过变化磨料粒度才

雾化喷

枪，以雾化水一砂流冲击工干变化被喷砂工件表面粗

砂

件表面糙度

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。常用喷丸重要有如下几

种:

铸钢丸硬度普通为HRC40—50,韧性较好，使用广泛，其使用寿命是铸铁丸几倍。

铸铁丸硬度为HRC58—65,质脆而易于破碎，寿命短，使用不广。重要用于喷丸强度

iWj场合。

玻璃丸硬度较前两者低，重要用于不锈钢、钛.铝、镁及其她不容许铁质污染材

料。也可在钢铁丸喷丸之后作第二次加工之用，以除去铁质污染和减少零件表面粗糙度。

第三章喷丸粒度普通选在6-50目之间。喷丸加工设备与喷沙设备基本相似，只是

需要某些辅助装置来更严格控制喷丸加工过程。

第四章喷丸与喷沙相比有许多长处，设备生产率高，解决表面质量好，磨料损失少。

第五章电镀

电镀：在具有欲镀金属离子溶液中，以被镀材料或制品为阴极，通过电解作用，在基体表面

上获得镀层办法。电镀技术应用已有很长历史，最初开发是为满足人们防腐和装饰需要，随

着科学技术不断进步，电镀技术还可以用来制取特定成分和功能金属覆盖层，提供电、磁、

光、热等方面特性。依照镀层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根据，因此电镀要有三个必要条件：电源、镀槽（镀液）、电极。

第一节电镀基本原理

一、电化学反映

阴极：Mn++ncM

阳极：M-neMn+

二、法拉第电解定律

1.法拉第第•定律

电流通过镀液时，电解质溶液发生电解反映，阳极发生氧化反映，阳极金属不断溶解,

阴极发生还原反映，不断有金属析出，金属溶解或析出量与通过电荷量关于。

内容：电解时，电极上析出或溶解物质量与通过电晟成正比。

M=kQ

式中M—电极上析出或溶解物质量

k一比例常数

Q-通过电量

Q=It

M=KIt

只要懂得K,就可以依照测得电流强度I和时间t,计算电极上析出或溶解物质量。

2.法拉第第二定律

内容：在不同电解液中，通过相似电荷量时，在电极I：析出或溶解物物质量相等，并且

析出或溶解Imol任何物质所需电荷量都是9.65X104C。把这一常数称为法拉第常数。即F

=9.65X104C=26.8A.h(1C=1A.S)

电化当量：电极上通过单位电量所形成产物重量，称为电化当量。

电极上通过1F电流量，经反映形成各种物质量都是Imol,但重量是不同。

依照M=kQ

当Q=1F时,K=M/F,K称为电化当量,单位是mg/C,如果取lF=26.8A.h,K单位是g/A.h。

惯用元素电化当量数值可以在关于手册中查到。

例如：Au+电化当量2.04mg/C,Zn2+电化当量0.339,Cr3+电化当量0.18mg/C,Cr6+电化当量

0.0898mg/C,Cu+甩化当量0.658mg/C,Cu2+电化当量0.329mg/C。

二元合金电化当量，应依照各成分在合金中所占比例计算

K台佥=1/(x%/k、+y%/ky)

三、K合金为合金电化学当量，x%、y%为x、y在合金中所占质量比例，kx、ky为x、y

物质电化当量

四、电量效率

按照法拉第电流定律电镀时，每通过IF电量，在阴极上应当得到Imol金属镀层，但在事实

上却不到Imol物质，这是由于在电极上处了主反映，还存在副反映缘故。

主反映：Mn++neM

副反映:2H++2eH2

副反映消耗了某些电量，使电量效率减少。

电量效率就是实际析出物质质量与理论计算析出物质质量之比。

q=(M'/M)X100%=M1/KItX100%

五、n为电流效率，w为阴极实际析出物质质量，M为理论上应析出物质质量。阴极电流效

率总是不大于100%。

六、关于电镀计算

1.镀层厚度和电镀时间计算

由q==Mi/KIt,知M1=nKIt

M'=VXy=SX6Xy

V一金属体积(cm')

Y—金属密度(g/cnf)

S—金属镀层面积(cm2)

5—金属镀层厚度(cm)

由以上两式可得，qKIt=SX6XY,在电镀生产中，6习惯上用山n(10-6)作单位，面积

用dm2作单位nKIt=SX6义丫/100,6=KItqX100/(SY)t单位是小时

设D为单位面积流过电流，D=I/S,阴极电流密度用DK表达，电流效率用nK表达，阳极

电流密度用DA表达，电流效率用nA表达，t单位在电镀生产中惯用min表达

8=kDKtnKX100/60y

电镀一定厚度镀层所需时诃t=60y6/kDEKX100

2.沉积速度计算

沉积速度就是单位时间内所镀镀层厚度，用U来表达

U=6/t=KItnKX100/(Sy)/t=KDKnKX100/y，单位是um/h。

第二节电镀液

一、主盐

主盐就是镀液中能在阴极上沉积处所规定镀层金属盐，是用来提供金属离子。

对于拟定被液，主盐浓度要有i种适当范畴，或者与镀液中其他成分维持恰当浓度比值。

主盐浓度升高，沉积速度加快。但是主盐浓度升高，金属容易在阴极析出，极化下降，得到

镀层结晶较粗，咱们但愿得到是细小结晶，因而主盐浓度要维持•种恰当范畴。

二、络合剂

络合剂就是能络合主盐中金属离子物质。

络合反映是金属离子和中性分子或阴离子洛合，形成络合物反映。有些状况下，若镀夜中主

盐金属离子为简朴离子时，则镀层晶粒粗大，因而，要采用络合离子镀液。获得络合离子办

法是加入络合剂，即能络合主盐中金属离子形成络合物物质。络合物是一种由简朴化合物互

相作用而形成分子化合物。络合物在溶液中可分离为简木、离子和复杂络合离子。络合离子中,

中心离子占据中心位置，配位体配位于中心离子周边。臼于配位体与中心离子结合牢固，络

合离子在溶液中溶解限度不大，仅某些溶解、它比简朴盐离子稳定，在电解液中有较大阴极

极化作用。

在含洛合剂镀液中，影响电镀效果重要是主盐和络合剂相对含量，即络合剂游离量，而

不是络合剂绝对含量。络合剂游离量升高，阴极极化作月升高，有助于镀层结晶细化、镀层

分散能力和覆盖能力改进。不力是减少阴极电流效率，从而减少沉积速度。与对阴极过程影

响相反，络合剂游离量升高，使阳极极化减少，从而提高阳极开始钝化电流密度，有助于阳

极正常溶解。此外，络合剂游离量还会影响镀层沉积速度。

三、附加盐（导电盐）

是指能提高溶液导电率，对主盐金属离子不起络合伙用碱金属和碱土金属盐类，或者