金属表面处理技术实验报告书（8个实验）

上海电子信息职业技术学院《金属表面处理技术》实验报告书《金属表面处理技术》实验报告书班级：姓名：学号：实验一钢的渗碳实验一、实验目的1、了解渗碳工艺及渗碳后的热处理工艺。2、了解渗层厚度与渗碳时间的关系3、掌握金相法测定渗层厚度的方法。二、实验原理概述1、渗碳用钢及渗碳件加工工艺路线渗碳钢通常为低碳或低碳合金钢，可分为低、中、高淬透性渗碳钢。常用渗碳钢如下:低淬透性渗碳钢：20、20Cr、20CrV、20MnV、15、15Cr中淬透性渗碳钢：20CrMnTi、20CrMn、20Mn2B、20MnVB高淬透性渗碳钢：12Cr2Ni4A、18CrNi4WA、20Cr2Ni4A渗碳件的加工工艺路线通常为：锻造→正火→机械粗、半精加工→渗碳→淬火、低温回火→精磨→装配。2、气体渗碳工艺参数1）渗碳温度气体渗碳温度通常为900～950℃2）渗碳时间渗层厚度与时间的关系可用下式表示δ＝kt1/2式中δ——渗碳层深度(mm)；t——渗碳时间(h)；k——与温度有关的常由图1-1可见，在同一温度下，渗碳层的增厚总是先快后慢。这提示我们，在渗碳后期，虽通过延长渗碳时间仍可使渗层增厚，但其增速趋缓，渗碳效率明显下降。3）渗剂流量在渗碳不同阶段，所需渗剂流量不同。这主要是由于在渗碳不同阶段，工件对碳原子的吸收能力不同。在渗碳初期，工件对碳原子的吸收能力较大，此后，零件表面对碳的吸收能力下降。如果这时仍采用初期的流量，则会产生大量碳黑而阻碍渗碳的正常进行，同时也造成浪费，故渗碳剂的流量应随时间延长相应减少。渗碳剂的流量，一般需考虑以下几方面：①装炉量大小渗碳面积越大，渗剂的流量越大。②炉气所要达到的碳势要求的碳势越高，渗碳剂的流量应越大。图1-1渗碳温度和时间对渗碳层厚度的影响③渗碳罐及工装的状况初次使用的新炉罐、工装，应进行预渗碳。④炉罐的容积容积增大，渗碳剂的流量要相应增大。⑤渗碳剂的种类产气量大、活性高的渗碳剂，流量较小；反之较大。此外，渗剂的流量还与钢种、渗碳工艺等因素有有关。生产中应根据具体情况灵活掌握。4）炉压通常炉内应维持正压（98～392Pa），以防止空气进入炉内，并有利于炉内废气的排除。炉压大小，也影响有机滴液的分解和吸收，增大炉压，有利于反应向气体分子数减少的方向进行。3、渗碳后的热处理1）直接淬火如渗碳中，奥氏体晶粒未发生明显长大，则可在渗碳后直接淬火。直接淬火时，通常要将工件随炉预冷至一定温度，然后再淬火冷却。预冷确定的温度：①如果零件侧重要求表层硬度和耐磨性，而对心部性能要求不高，则预冷温度应主要考虑满足表层性能要求，即预冷温度略高于Ar1（但不允许析出网状碳化物）；②如果零件对心部性能要求较高，而对表层要求不高，则应主要考虑满足心部性能要求，预冷温度应高于心部的Ar3；③实际中这两种极端情况较少，更多的是表层与心部性能都要给予兼顾。这时要对零件的心、表成分、性能要求、淬透性及淬火方法等综合考虑后酌情而定。对于碳钢，预冷温度应在Ar1～Ar3之间。对于多数合金钢，通常预冷温度在820～850℃之间。直接淬火法的优点是生产效率高、节能，变形小，氧化脱碳程度轻，适于渗碳中晶粒未粗化的本质细晶粒钢。2）一次淬火一次淬火是将工件渗碳后空冷或坑冷至室温，然后重新加热淬火的工艺。淬火温度确定：对侧重要求表层高硬度、高耐磨性的工件，淬火加热温度应略高于表层的Ac1；侧重要求心部强度的工件，则淬火温度略高于心部Ac3；兼顾心部和表层性能工件，对碳钢，淬火温度应在Ac1~Ac3，（具体与成分等有关）。一般合金渗碳钢，常采用稍高于Ac3的温度（820～860℃）加热淬火。一次淬火法主要用于气体渗碳后晶粒发生粗化的钢（如15、20、20Cr等15、20、20Cr等钢如渗碳时晶粒未粗化，也可直接淬火。）、某些不便直接淬火的工件（如固体渗碳件、需用淬火压床淬冷件及渗碳后尚需机加工的工件）。与直接淬火相比，一次淬火工艺较复杂，生产周期较长、费用高，氧化、脱碳及变形倾向较大。15、20、20Cr等钢如渗碳时晶粒未粗化，也可直接淬火。3）两次淬火第一次淬火的加热温度应高于心部的Ac3温度，第二次淬火主要是为细化表层组织，温度选择稍高于表层的Ac1。两次淬火后心、表组织和性能较好，尤其是疲劳强度明显提高。两次淬火法生产周期长、工艺复杂、费用高，变形和氧化、脱碳严重，因此生产上很少使用，只对高温渗碳件及某些性能要求较高的零件（如航空业某些重要件）才使用。如图1-2。图1-2渗碳后的热处理三、实验仪器、设备及材料1、设备：金相显微镜、渗碳炉、硬度计2、样品：20钢渗碳件四、实验步骤及注意事项1、实验前认真阅读实验指导书。2、实验前认真清除试样表面油污。3、空炉应预先升到渗碳温度，即高温入炉，缩短加热时间和减少零件氧化，渗碳6小时（由于时间关系，可做演示）。将试样装入炉内，保温时要注意控温仪表是否正常，发现问题及时向老师报告。4、试样入炉后，按要求充入渗剂并排除空气，并控制炉内的碳势。5、渗碳后的试样，经磨制、抛光、腐蚀后制成金相试样。6、用带有刻度的目镜在金相显微镜下观察渗碳层组织，并测定渗层深度。五、实验原始记录1、渗碳工件的工艺流程2、渗碳的工艺参数六、实验结果分析讨论（图文并用方式解答）1、渗碳后工件的硬度由表及里怎样变化？2、渗碳后工件组织由表及里怎样变化？实验二高频感应加热表面淬火实验一、实验目的1、了解感应加热的原理2、了解电流透入深度与材料电阻率及电流频率的关系3、了解淬硬深度的测定方法4、掌握高频感应加热方法二、实验原理1、电磁感应加热原理基本原理将工件放入感应器(线圈)内，当感应器中通入一定频率的交变电流时,周围即产生交变磁场。交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的感应电流──涡流。感应电流在工件截面上的分布很不均匀，工件表层电流密度很高，向内逐渐减小,这种现象称为集肤效应。工件表层高密度电流的电能转变为热能，使表层的温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表层与内部的电流密度差则越大，加热层越薄。在加热层温度超过钢的临界点温度后迅速冷却，即可实现表面淬火。2、电磁感应加热分类根据交变电流的频率高低，可将感应加热热处理分为超高频、高频、超音频、中频、工频5类。①超高频感应加热热处理所用的电流频率高达27兆赫，加热层极薄，仅约0.15毫米，可用于圆盘锯等形状复杂工件的薄层表面淬火。②高频感应加热热处理所用的电流频率通常为200～300千赫,加热层深度为0.5～2毫米,可用于齿轮、汽缸套、凸轮、轴等零件的表面淬火。③超音频感应加热热处理所用的电流频率一般为20～30千赫，用超音频感应电流对小模数齿轮加热，加热层大致沿齿廓分布，粹火后使用性能较好。④中频感应加热热处理所用的电流频率一般为2.5～10千赫,加热层深度为2～8毫米，多用于大模数齿轮、直径较大的轴类和冷轧辊等工件的表面淬火。⑤工频感应加热热处理所用的电流频率为50～60赫，加热层深度为10～15毫米，可用于大型工件的表面淬火。3、电磁感应加热特点和应用感应加热的主要优点是：①不必整体加热，工件变形小，电能消耗小。②无公害。③加热速度快，工件表面氧化脱碳较轻。④表面淬硬层可根据需要进行调整，易于控制。⑤加热设备可以安装在机械加工生产线上，易于实现机械化和自动化，便于管理，且可减少运输，节约人力，提高生产效率。⑥淬硬层马氏体组织较细，硬度、强度、韧性都较高。⑦表面淬火后工件表层有较大压缩内应力，工件抗疲劳破断能力较高。4、感应加热淬火用钢碳的质量分数在0.4％～0.5％的中碳钢和中碳低合金钢是最适宜于表面淬火的材料，如40、45、40Cr钢等。选择中碳钢和中碳低合金钢经预先热处理(正火或调质)后表面淬火，心部保持较高的综合力学性能，而表面具有较高的硬度和耐磨性。5、感应加热淬火件的技术要求表面硬度、淬硬层深度和淬硬区分布等是感应加热淬火件的主要技术要求。其具体要求取决于工件的成分和性能要求。感应淬火件的硬度范围通常根据零件使用性能而定，一般表面硬度要求在45～58HRC范围内。对于承受摩擦、扭转、弯曲或剪切等的零件，表面硬度和耐磨性要求高，此时硬度要高一些，对于承受冲击载荷的零件，要求有一定韧性，此时硬度要适当降低，淬硬层深度一般根据工件的工作条件和使用中是否修磨而定。对于轴类零件，淬硬层深度一般为直径的10％～20％。以耐磨性为主的零件，视磨削余量大小和使用情况，一般控制在l.5～5mm范围之内。合理分布的淬硬层，对提高零件的力学性能十分重要。对于轴类零件，一般光轴淬硬区应沿截面圆周均匀分布，在轴端应保留2～8mm的不淬硬区，以免淬硬端部时产生尖角裂纹；在同一轴上若有两个淬硬区，应保证足够大的距离，以免形成交接裂纹。花键轴淬火时，淬硬区应超过花键全长10～15mm。为了保证工件淬火后表面获得均匀细小的马氏体并减少淬火变形、改善心部的力学性能，感应加热淬火前工件需进行预备热处理：一般为调质或正火。重要件采用调质，非重要件采用正火。与普通淬火件一样，感应加热淬火件一般也要进行回火。回火温度比普通加热淬火件要低，一般不高于200℃，回火时间为1～2h。6、硬化层深度金相法测定硬化层深度—由工件表面至半马氏体区的距离。硬度法测定硬化层深度—按半马氏体区硬度为准。三、实验仪器、设备及材料1、高频感应加热设备、硬度计、金相显微镜2、45号钢和T12钢四、实验步骤全班分成12组，每组一个试样，通过加时时改变各种参数来改变硬化层深度、淬火后表面硬度并作出硬度分布曲线。1、接通高频感应加热设备，接通冷却水，按规定进行不同的参数选择；2、将工件放入感应器中加热（加热温度由时间控制），加热完毕后喷水冷却。3、将高频感应加热后的工件用砂纸打磨光亮，测定不同参数下的表面硬度值，和测定距离表面不同深度(ΔL)下的硬度值，填入表2-1中。4、用金相显微镜观察不同高频感应淬火条件下的金相组织，并测定不同参数条件下的硬化层深度。5、做出45号钢和T12钢的硬度分布曲线五、实验注意事项1、取放试样时不要碰伤感应器2、控制加热时间不能过长，试件淬火时动作要迅速，以免试件表面过热，影响淬火质量。3、淬火或回火后的试样用砂纸打磨表面，去掉氧化皮后再测硬度值；4、硬度测量一般取3点以上的平均值作为该点硬度值。六、实验数据记录表2-1高频淬火实验记录表钢种冷却方式加热时间（或温度）（秒）（秒）（秒）表面硬度ΔL硬度硬化层深度（mm）表面硬度ΔL硬度硬化层深度（mm）表面硬度ΔL硬度硬化层深度（mm）45钢水冷ΔL1金相法硬度法ΔL1金相法硬度法ΔL1金相法硬度法ΔL2ΔL2ΔL2ΔL3ΔL3ΔL3ΔL4ΔL4ΔL4ΔL5ΔL5ΔL5ΔL6ΔL6ΔL6钢种冷却方式加热时间（或温度）（秒）（秒）（秒）表面硬度ΔL硬度硬化层深度（mm）表面硬度ΔL硬度硬化层深度（mm）表面硬度ΔL硬度硬化层深度（mm）T12钢水冷ΔL1金相法硬度法ΔL1金相法硬度法ΔL1金相法硬度法ΔL2ΔL2ΔL2ΔL3ΔL3ΔL3ΔL4ΔL4ΔL4ΔL5ΔL5ΔL5ΔL6ΔL6ΔL6七、实验结果分析讨论1、分析加热时间（温度）对碳钢硬化层深度影响并加以讨论。2、分别绘出45号钢和T12钢的硬度分布曲线并讨论。3、分析实验中存在的问题实验三铝合金电镀实验一、实验目的1、了解电镀的主要装置；2、了解电镀过程及工艺参数对电镀质量的影响。二、实验原理1、基本原理电镀就是利用电解的方式使金属或合金沉积在工件表面，以形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程。铜镀层呈美丽的玫瑰色，性质柔软．富有延展性，易于抛光，它还具有良好的导热性及导电性。但是它在空气中易于氧化，从而迅速失去光泽。铜的表面受潮湿空气中的二氧化碳或氯化物作用后，将生成一层碱式碳酸铜或氯化铜膜，当受到硫化物作用时，将生成棕色或黑色硫化物薄膜。铜的标准电极电位为-0.34V，比金属铁的电位正，可以在铁零件表面镀铜，镀层对铁来说是阴极镀层。只有当镀层完整无孔时，铜镀层才能使铁零件受到机械保护作用。当铜镀层有孔或损伤时，裸露出来的基体金属将比未镀铜时腐蚀得还要迅速。铜镀层常用于钢铁件多层镀覆时的底层，也常作为镀锡、镀金、镀银对的底层，其目的是为了提高基体金属和表面(或中间)镀层的结合力，同时也往往有利于表面镀层的顺利沉积。当铜镀层无孔时，对提高表面镀层的耐蚀性是有利的，在防护——装饰性多层电镀中采用厚铜薄镍的工艺，其优点就在于此，同时还节省了贵重的金属镍。铜镀层是防止渗碳、渗氮的优良镀层，因为碳和氮在其中的扩骸渗透很因难。铜镀层也常用于增加表面导电性，防止橡胶的枯结，拉拔模具的减磨以及印刷电路及塑料电镀作为防磁镀层也常使用铜镀层。为了便于铝及其合金制品的焊接和螺纹件的联接，也均需铜镀层。进行电镀铜时，将待镀试样、工件作为阴极与直流电源的负极相连，纯铜板作为阳极与直流电源的正极相连，如图3-1。电镀槽中放入含Cu2+的盐溶液。接通电源时，阳极上发生铜溶解的氧化反应Cu→Cu2++2e-阴极上发生铜析出的还原反应Cu2++2e-→Cu也就是铜板不断溶解而减少，阴极上铜不断析出而形成镀层，此时盐溶液的浓度在电镀过程中不变。当镀层达到要求的厚度时，电镀完成。图3-1电镀主要装置示意图2、电镀液的主要组成（1）主盐主盐是指镀液中能在阴极上沉积出所要求镀层金属的盐，用于提供金属离子。主盐浓度越高，金属越容易在阴极析出，但主盐浓度过大会导致镀层组织粗大。（2）附加盐附加盐是电镀中除主要盐外的某些碱金属或碱土金属盐类，主要用于提高电镀液的导电性，对主盐中的金属离子不起络合作用。有些附加盐还能改善镀液的深镀能力，分散能力，产生细致的镀层。（3）缓冲剂缓冲剂是指用来稳定溶液酸碱度的物质。这类物质一般是由弱酸和弱酸盐或弱碱和弱碱盐组成的，能使溶液遇到碱或酸时，溶液的pH值变化幅度缩少。表3-1电镀铜液参考配方镀液组成（g/L）操作条件CuSO4·5H2OH2SO4T（℃）I（A/dm2）150~22040~70室温3~6三、实验仪器、设备及材料1、直流稳压电源，玻璃镀槽，导线，化学试剂2、铜板、预镀试样、金相砂纸（120号~600号）、游标卡尺、电吹风四、实验步骤1、把已加工到一定光洁度的试样用砂纸逐步打磨，测量尺寸，用丙酮脱脂，吹干，除油，蒸馏水冲洗，活化（10%盐酸5~10s）。；2、按图3-1接好测试线路，检查各接头是否正确；3、调节好电镀电流，开始电镀；4、观察铜镀层形成过程，注意电流密度和搅拌对情况对镀层的影响5、取出镀好的试样，蒸馏水冲洗，冷风吹干，测量尺寸。6、检查镀层外观，镀层结合情况。五、实验注意事项1、电解液和化学药品有一定的腐蚀性，实验和观察过程中避免手或皮肤直接接触；2、电镀完成之后电镀液不能随意倒入水池或下水道中，以免污染和腐蚀环境，最好进行专门处理后，倒入指定的位置；3、渡槽及电极零件和挂具要清洗干净；4、注意关闭电源。六、问题讨论1、电镀液的成分？电镀过程中的现象2、影响镀层质量的主要因素？3、想一想怎样处理电镀废液才有利于环保？实验四铝合金化学氧化实验一、实验目的1、了解表面预处理的重要性；2、掌握表面预处理工艺的分类及原理和应用；3、熟练掌握铝合金化学镀的概念、原理及工艺。二、实验原理表面预处理就是利用某种工艺方法和手段，使工件的表面得到清理，或者使表面变得粗糙，以保证表面涂（镀）层与金属基体的有效结合。有时，人们又把表面预处理称为表面调整与净化。而将采取各种加工方式使制品(或基材)表面达到一定粗糙度的过程称为表面精整。所有表面处理技术在工艺实施之前都必须对材料进行预处理，以便提高表面覆层的质量以及覆层与基材的结合强度。大量实践证明，预处理是表面处理工程技术能否成功实施的关键因素之一。活化镀镍是指在传统的除油、碱洗、酸洗后的活化步骤中,用含镍盐溶液处理,从而使基体表面生成一层具有一定活性的镍层。在金属电沉积时，由于大多数金属盐在水中有很高的溶解度还由于这类溶液有良好的电导性，所以几乎总是使用这类金属盐的水溶液。电流的载体是带电荷的粒子叫做离子。所有从金属盐溶中沉积金属的方法都可以归类为化学还原反应。而金属溶解产生离解的盐溶液则是氧化过程。还原可以看作获得电子的电化学过程，而在氧化的情况下，则是交出电子，两类反应互相补充，包含了不带电的金属原子，带正电的金属离子和带负电的电子，即Me'+ze=Mez=原子价化学镀镍就是在不通电的情况下得到的积沉层。由于槽液内含有次亚磷酸钠。化学镀镍槽液由不同的化合物质构成每种组分具有一定的作用，且组分大致有一下几项：镍盐：为槽液提供镍离子，早期使用氯化镍，近年来使用大量使用硫酸镍，镍盐的浓度越高，沉积速率越高，但槽液的稳定性下降。还原剂：提供用于还原所需要的电子，本实验采用次亚磷酸钠与其他还原剂相比其价格较低容易控制得到的镀层抗腐蚀性好。络合剂：控制槽液中用于还原反应的游离镍，络合剂均为有机酸酸及它们的盐类，其含有羟基、羰基化合物和镍离子形成稳定的络合物，控制可供反应的游离镍量，可以起到稳定槽液和抑制亚磷酸镍沉淀。络合剂同时起到缓冲剂的作用。缓冲剂：在沉积过程中，防止由于析氢所引起的槽液ph值急剧变化。促进剂：有助于提高反应速度。稳定剂：防止槽液的自然分解，有助于控制还原，如果槽液中没有稳定剂，那槽液在受到污染或 PH值稍高时，仅能工作几小时或几天。化学镀镍槽液和镀层的特性是由这些组分来决定的。较多研究显示,在活化浸镍处理后,由于置换反应速率过快,生成的镍层较为粗糙且不均匀,用浓硝酸退镍后再碱性预镀镍,可以生成致密且具有催化作用的镍层,从而提高镀层的结合强度及耐蚀性。其原理是,粗糙的活化浸镍层经过浓硝酸退镍后,结合力不好的镍层溶解在浓硝酸中,同时颗粒大的镍粒子变得更小,有利于下一步预镀镍过程中生成更均匀、致密的预镀镍。在最终的镀镍过程中由于镀液的有效成分在镀镍过程中不断消耗、镍盐的沉积速率会变化、镀液和基体中的元素有置换反应改变镀液液组分、中和反应引起镀液ph变化等原因实际上各组分的含量呈动态变化。在不同时间的组分化学镀出来的效果不同，所以镀镍的时间对最终的镀层质量有影响。三、实验仪器、设备及材料本次实验所用到的仪器主要有电子称、烧杯、玻璃槽、量筒、水浴加热锅，温度计、金相砂纸（120号～1200号）、金相镶嵌机、电吹风机等，检测所用到的仪器有膜层测厚仪、盐雾试验箱、显微硬度计、莱卡金相显微镜等。实验预处理试样和化学镀镍所用基体材料为7050铝合金。四、实验步骤4.1试验方法本实验采用水浴加热的方式对溶液进行加热并在镀镍过程中适当搅拌使沉积更加均匀。在镀液组分、处理方式一定的情况下，按镀镍时间进行分组，共分为五组，编号分别为1#、2#、3#、4#、5#，研究其显微组织、膜层厚度、硬度、耐蚀性、耐磨性等性能表征，找出最合理的镀镍时间。编号镀镍时间（h）膜层厚度（ｕｍ）显微硬度（HV0.1）耐蚀性（h）耐磨性（Δm）显微组织1#12#1.53#24#2.55#34.2工艺过程除油→去离子水洗→碱蚀→去离子水洗→酸洗（中和出光）→去离子水洗→活化→去离子水洗→酸洗（退镍）→去离子水洗→碱性预镀镍→去离子水洗→镀镍→冲洗→烘干。4.2.1除油为保证镀层与基体金属牢固结合，必须在加工前除去表面油污。本次试验可用一般钢铁洗涤剂进行除油清洗即可。4.2.2碱蚀第一次碱蚀的游离碱、Al3+浓度和温度偏低其主要作用是对铝合金表面的自然氧化膜进行溶解，铝合金表面的轻微油污进行除油，对铝合金表面的机械纹轻微的整平，第二次碱蚀的游离碱、Al3+浓度和温度偏高其主要作用对铝合金表面的一定程度的机械纹轻微的整平对铝基体进行深度腐蚀，使其产生均匀的砂粒。工艺规范：先浸温度位55℃，浓度为15%NaOH中，然后浸55g/L的NaOH溶液中。温度为60℃，时间为1min。4.2.3酸洗铝合金中的一些金属或非金属杂质不溶于碱，在碱蚀过程中会产生一层灰黑色膜层，酸洗的主要作用是去除碱蚀过程中产生的膜层，提高镀层与基体表面的结合力和表面光泽度。工艺规范：采用体积分数为45%的HNO3溶液。温度为25℃，时间为1min。4.2.4活化浸镍活化浸镍是指在传统的除油、碱洗、酸洗后的活化步骤中,用含镍盐溶液处理,从而使基体表面生成一层具有一定活性的镍层。该法往往不含还原剂,主要成分为镍盐和络合剂,有些还含有H+活性抑制剂和铝缓蚀剂。其原理是,通过含镍的络合物的溶液与铝基发生置换反应,在基体表面形成具有镀层金属生长活性的微薄镍,提高后续镍磷合金沉积的晶体生长活性,进而提高镀层的结合强度、沉积速率等。工艺规范：六水合硫酸镍40g亚磷酸钠15g柠檬酸钠120g氯化铵60g加水至1L。温度为25℃，时间为5min。4.2.5酸洗（退镍）在活化浸镍处理后,由于置换反应速率过快,生成的镍层较为粗糙且不均匀,用浓硝酸退镍后再碱性预镀镍,可以生成致密且具有催化作用的镍层,从而提高镀层的结合强度及耐蚀性。工艺规范：体积分数50％HNO3溶液。温度为25℃，时间为1min。4.2.6碱性预镀镍铝及铝合金镀件经活化处理后，碱性化学预镀镍是必不可少的。因为常规酸性化学镀镍液pH值低(pH4-5),工作温度高(85-95℃)，若铝制件活化后直接在酸性镀液中化学镀镍，活化层将被迅速溶解。所以经活化处理后的铝制件在碱性化学镀镍液中预镀镍，其操作温度低(20-40℃)，镀液pH值9-11.当镀件再进入酸性镀液中时，不会在酸性镀液中溶解，可以迅速引发自催化镀镍既保护了活化层不被过度腐蚀，又保护了去除氧化膜的新鲜的铝表面，从而保证镀层的结合强度，延长镀液的使用寿命。工艺规范：硫酸镍13g+次磷酸钠30g+柠檬酸钠40g+氯化铵30g+加去离子水至1L。温度为40℃，时间为10min。4.2.7化学镀镍最优化学镀镍时间是本次试验探索的主要参数。工艺规范：硫酸镍26g+亚磷酸钠28g+醋酸钠31g+柠檬酸19g+氯化铵35g+加水至1L。温度85℃时间，选取1h、1.5h、2h、2.5h、3h五个时间节点。5.3性能表征5.3.1显微组织观察显微组织能直接观察到膜层表面气孔和杂质，也能观察膜层和基体的微观结合。通过普通金相显微镜100倍下观察图片如3-2-3。编号镀镍时间（h）表面形貌截面形貌1#12#1.53#24#2.55#35.3.2膜层厚度镀层厚度thirkne5sofeleclrcdeposiledatrigs衡量镀层品质的重要指标之一。它直接影响镀件的耐蚀性、装配性、导电性以至产品的可靠性。测定方法分无损法和破坏法。采用德国进口简易型膜层测厚仪进行无损检测，每个试样选取五个点进行测试，实验数据如表3-3-2。编号镀镍时间（h）膜层厚度（ｕｍ）1显微硬度（ｕｍ）2显微硬度（ｕｍ）3显微硬度（ｕｍ）4显微硬度（ｕｍ）5平均值（ｕｍ）1#12#1.53#24#2.55#35.3.3膜层显微硬度硬度是镀层的重要机械性能之一,它关系到镀件在使用过程中的强度以及使用寿命等方面的问题,镀层硬度决定于镀层的结合微粒的大小与结构、气孔的多少与大小、氧化物等化合物的含量等。使用显微维氏硬度计对每个试样随机选取两个点加载0.2kg保压30s进行硬度测试，实验数据如表3-3-1。编号镀镍时间（h）显微硬度（HV0.1）1显微硬度（HV0.1）2显微硬度（HV0.1）3显微硬度（HV0.1）4显微硬度（HV0.1）5平均值（HV0.1）1#12#1.53#24#2.55#35.3.4膜层耐蚀性金属材料抵抗周围介质腐蚀破坏作用的能力称为耐腐蚀性。由材料的成分、化学性能、组织形态等决定，通过3.5g/L盐雾试验八小时。最终腐蚀情况如表3-2-4。编号镀镍时间（h）表面形貌（腐蚀前）表面形貌（腐蚀后）1#12#1.53#24#2.55#35.3.5膜层耐磨性耐磨性abrasionresistance又称耐磨耗性。材料的耐磨损性能，用磨耗量或耐磨指数表示。耐磨性几乎和材料所有性能都有关系。编号镀镍时间（h）转速（r/min）压力（N）耐磨性（Δm）1#12#1.53#24#2.55#35.3.6膜层结合力膜层结合力好与坏直接影响膜层的质量。膜层结合力测试方法采用漆膜划格器，通过对膜层表面进行水平和垂直划格后，得到的四方形小方块，然后用胶带粘接后将胶带用力撕下，通过小方块是否被胶带粘掉来判断膜层的结合力好坏。编号镀镍时间（h）表面形貌（划格前）表面形貌（划格后）1#12#1.53#24#2.55#3六、问题讨论1、化学镀镍的溶液成分配方是什么？描述化学镀过程中的现象2、影响化学镀层质量的主要因素有哪些？实验五铝合金阳极氧化实验一、实验目的1、了解阳极氧化的主要装置，包括实验设备及检测仪器等；2、掌握阳极氧化电解液、电参数等工艺参数对膜层质量的影响。二、实验原理1、基本概念阳极氧化是指在适当的电解液中，以金属作为阳极，在外加电流的作用下，使其表面生成氧化膜的方法。通过选用不同类型、不同浓度的电解液，以及控制氧化时的工艺条件，可以获得具有不同性质、厚度在几十甚至几百微米的阳极氧化膜。铝及铝合金虽然在空气中能自然形成一层厚度约为0.01～0.02μm的氧化膜，这层氧化膜是非晶态的，薄而多孔、不均匀，硬度也不高，虽然在大气中有一定的耐蚀性，但是在碱性和酸性溶液中易被腐蚀，不能作为可靠的防护-装饰性膜层。目前，在工业上广泛地采用阳极氧化或化学氧化的方法，在铝及铝合金制件表面生成一层氧化膜，以达到防护-装饰的目的。铝合金氧化膜的性质和用途如下：（1）氧化膜结构的多孔性；（2）氧化膜的耐磨性；（3）氧化膜的耐蚀性；（4）氧化膜的电绝缘性；（5）氧化膜的绝热性；（6）氧化膜的结合力。2、基本原理图5-1阳极氧化装置原理简图铝及铝合金阳极氧化液一般采用中等溶解能力的酸性溶液，如硫酸、草酸等，将铝及铝合金零件作为阳极，铅板为阴极，通以直流电。阴极上的反应为：2H++2e→H2↑阳极上的反应主要是水的放电：H2O－2e→[O]+2H+2Al+3[O]→A12O3＋1670kJ图5-2阳极氧化装置及生产线简图图5-3阳极氧化膜层结构图铝及铝合金的阳极氧化膜这层氧化膜的表面是多孔蜂窝状的，具有二层结构，靠近基体的是一层厚度为0.01～0.05μm、致密的纯Al2O3膜，硬度高，此层为阻挡层；外层为多孔氧化膜层，由带结晶水的Al2O3组成，硬度较低。三、阳极氧化工艺铝及铝合金阳极氧化的方法很多，具体如下：按电解液的种类可分为硫酸阳极氧化、铬酸阳极氧化和草酸阳极氧化；按氧化膜的性能可分为普通阳极氧化、硬质阳极氧化和瓷质阳极氧化。1、硫酸阳极氧化在稀硫酸电解液中通以直流或交流电对铝及铝合金进行阳极氧化处理，可获得厚度为5～20μm，吸附性较好的无色透明氧化膜；而且氧化膜易染色，硬度高，耐蚀性和耐磨性好。硫酸阳极氧化溶液稳定，允许杂质含量范围较宽；电解电压低，电能消耗少；操作方便，成本低；几乎可以适用于各种铝及铝合金的氧化处理，但不适于铸件、点焊件、铆接件。图5-4硫酸阳极氧化原理图硫酸阳极氧化工艺条件：工业硫酸5％—22％(质量分数)，溶液中含氯化物不超过0．02％(质量分数)，电流密度1—1.5A/dm2，槽液温度(20±2)℃，(13—26℃均可进行装饰性氧化)，处理时间20—40min，电压为10—20V。目前95％以上的阳极氧化是在硫酸中进行的，阳极氧化如果没有特别指明，通常是指硫酸阳极氧化。图5-5硫酸阳极氧化生产线图硫酸阳极氧化的工艺流程如下：图5-6硫酸阳极氧化工艺流程图四、阳极氧化膜的着色手机金属外壳材料一般为铝镁合金，成形加工后经过阳极氧化处理，再经着色处理，即可获得炫丽多彩的防护-装饰效果，使手机不仅满足了通讯等功能要求，而且成为点缀生活的时尚风景。如图5-7所示。图5-7手机外壳阳极氧化着色图铝及铝合金经阳极氧化处理后，在其表面生成了一层多孔的阳极氧化膜，阳极氧化膜是最理想的着色载体，经过着色和封闭后，可以获得各种不同的颜色，并能提高膜层的耐蚀性、耐磨性。阳极氧化膜的着色按着色体处于膜层的部位分为自然着色、吸附着色和电解着色三种方法。如图5-8所示。图5-8阳极氧化着色方法图自然着色法：自然着色又称整体着色，其主要特点是成膜带色，即在一定的电解液和电解条件下，将金属进行阳极氧化处理时，由于电解质溶液、合金材料的成分及合金组织结构状态不同，直接产生有颜色的氧化膜。自然着色是由于光线被膜层选择吸收了某些特定波长，剩余波长部分被反射并产生干涉所引起的。不同合金元素、不同合金组织以及不同的电解质溶液和电解条件都会引起颜色的改变。自然着色工艺需要大约60V的操作电压，它的电解能源消耗和冷冻能源消耗，都远远大于普通的硫酸阳极氧化工艺，槽液中铝盐的不断增加，也容易导致槽液的报废。但自然着色法生成的膜耐蚀性、耐候性、耐磨性都高于电解着色和吸附着色氧化膜。20世纪70年代能源危机后，自然着色工艺逐步被能耗更少的硫酸阳极氧化加电解着色工艺替代。吸附着色法：是将生成了氧化膜层的工件浸入加有无机盐或有机染料的溶液中，无机盐或有机染料首先被多孔膜吸附在表面上，然后向微孔内部扩散、渗透，最后堆积在微孔中，使膜层染上颜色。许多种类的阳极氧化膜，都可以被染料染色，但只有硫酸和草酸阳极氧化膜的染色有工业价值，硫酸阳极氧化膜的染色是其中的绝大部分。吸附着色可以分为无机颜料着色和有机染料着色。电解着色法：电解着色是把经阳极氧化的铝及铝合金放入含金属盐的电解液中进行电解，通过电化学反应，使进入氧化膜微孔中的重金属离子还原为金属原子，沉积于孔底无孔层上而着色。电解着色的一般方法是用直流电在硫酸溶液中生成无色的硫酸氧化膜，然后浸入金属盐的酸性溶液中进行交流电解，使氧化膜着上颜色。表5-1三种氧化膜着色方法比较自然着色吸附着色电解着色氧化膜性能致密，耐磨性、耐光性、耐蚀性好较致密，耐磨性差，耐光性、耐蚀性好较致密，耐磨性、耐光性、耐蚀性好色彩和谐，但色谱范围小鲜艳，色谱范围广鲜艳，色谱范围较广电解液较稳定稳定较稳定合金成分对着色有影响对着色无影响对着色影响不大耗电量大小小成本高低较高应用室外装饰室内装饰室外装饰阳极氧化膜的的封孔有如下方法。如图5-2所示。表5-2氧化膜封孔方法五、实验仪器、设备及材料图5-9阳极氧化装置简图1、阳极氧化电源，电解槽，检测仪器，化学试剂（前处理用的酒精、丙酮，电解液用的主盐、导电物质、络合剂以及抑弧剂等）。2、铜导线、试样、金相砂纸（120号~800号）、游标卡尺、电吹风表5-3实验仪器及装置仪器名称仪器型号应用电子天平BS-300+称量试验用化学药品分析天平AL204称量氧化膜的磨损损重金相试样镶嵌机XQ-1金相试样制备双速金相试样抛光机MP-1金相试样抛光（500/1000r/min）数控超声波清洗器KQ2200DE清洗磨损试样表面残留物涡流测厚仪Oualscope测量陶瓷膜厚度显微硬度计HXS-1000A测量陶瓷层显微硬度盐雾试验箱FQY025测量耐腐蚀性能电化学工作站2006-518测量耐腐蚀性能耐磨试验机BR-TABER测量氧化膜层的耐磨性能拉伸试验机测量微弧氧化拉伸试样力学性能损失扫描电镜S-4700观察陶瓷层表面及截面形貌X射线衍射仪D/max-2200VPC分析陶瓷层相组成六、实验步骤阳极为基体试样，阴极为不锈钢电解槽，借助搅拌器及循环水系统，调整电参数进行试验，每隔5分钟记录一次实验数据，带实验结束时关闭电源，制取的试样用去离子水冲洗，使在微弧氧化过程中残留在试样表面上的电解液清洗干净，用电吹风吹直到吹干为止，装入试样专用密封袋，用标签纸标号，为后续测试检验数据所用。1、加工试样20X20X5mm，此规格便于后续试样镶嵌检测。把已加工到一定光洁度的试样用砂纸逐步打磨，用丙酮脱脂，酒精除油，蒸馏水冲洗，用电吹风吹干；2、按图5-1测试线路，检查线路是否正确；3、配备好溶液，悬挂试样，调节好电参数，开始阳极氧化实验；4、观察陶瓷膜层的形成过程，实验过程中伴随着搅拌，注意电压和搅拌冷却对对膜层质量的影响；5、待初定时间到时,关闭电源停止实验,取出试样，蒸馏水冲洗，电吹风吹干，装密封袋待测；6、检查膜层外观、厚度、硬度、结合力、耐蚀性。七、阳极氧化电源操作规程生产厂家：成都同创材料表面新技术有限公司购置日期：2016年11月7日功能用途：提供阳极氧化进程进行所需的波形及电参数控制,也可作为电镀电源技术指标：电源功率：5Kw空载电压：100V电流参数：0～50A电源频率：0-5Hz溶液温度：常温（普通阳极氧化）；0-5℃（硬质阳极氧化）正负脉冲持续时间最小均2ms操作方法：1.首先检查输出线路是否接入负载完好;2.推启电闸，通入220V及三相380V电压，使电源处于通电状态;3.启动制冷机(绿色按钮)，制冷循环冷却液到规定温度(温度表读数)；4.启动氧化电源(绿色按钮)，绿色按钮显示表示电源处于待机状态;5.启动控制调节板上的启停绿色按钮(黑色板面上)，这时电源向负载输入电压和电流，对工件进行氧化阳极氧化;6.实验结束后，先将负载调零，然后关闭控制调节板上的启停绿色按钮（黑色板面上），再关闭氧化电源（红色按钮）和制冷机（红色按钮），最后关闭总电源。注意事项：1.阴极板为免维护阴极，其表面有明显的污物，使用后应将阴极板卸下，清理表面污物后干燥，待下次实验工作时接装上;2.氧化槽内的冷却管为复合管，外面缠绕或包装绿色绝缘胶带，切忌碰伤或刮伤，随时检查有无碰伤或脱落，发现有碰伤或脱落应及时采取措施修补;3.在正常条件下实验，若膜的质量较差，或电化液发出异味、变色，则应重新配制新溶液。也可用相关酸度仪器测试氧化液是否符合要求，尽量重复使用，以免造成浪费;4.配制新溶液时一定要加入添加剂，否则槽液很快会失效，并且处理的工件可能达不到技术要求。八、问题讨论1、阳极氧化电解液由哪些成分组成的？描述阳极氧化电解过程中的现象？2、影响阳极氧化膜层质量的主要因素有哪些？3、阳极氧化膜层的主要力学性能指标有哪些？用哪种仪器或设备检测？实验六铝合金微弧氧化实验一、实验目的1、了解微弧氧化的主要装置，包括实验设备及检测仪器等；2、掌握微弧氧化电解液、电参数等工艺参数对膜层质量的影响。二、实验原理1、基本概念微弧氧化（Micro-arcOxidation，简称MAO）又称等离子体电解氧化（PlasmaElectrolyticOxidation，简称PEO）是将Al、Mg、Ti等金属及其合金作为阳极浸渍于电解液中，在较高电压及较大电流所形成的强电场中，将工件由普通阳极氧化的法拉第区拉到了高压放电区，使材料表面产生微弧放电，在复杂的反应下，在金属表面直接原位生长出陶瓷质氧化物陶瓷膜的一项新技术。该过程包含放电的火花、热和电化学、等离子体化学反应等。建立在阳极氧化技术基础上的微弧氧化技术是一个多因素控制的过程。由于铝合金微弧氧化膜中含有阳极氧化膜所不具备的晶态的高温相α-Al2O3，因此具有极高的硬度，表现出良好的耐磨性，在军、民用两方面得到应用。2、基本原理微弧氧化机理研究仍在不断探索之中，至今没有一致的理论解释。前苏联专家在早些年就已经发现，继续升高电压可生成了新的氧化膜。这层氧化膜与阳极氧化膜相比有良好的性能。但由于微弧氧化反应复杂，且瞬间完成，给研究带来了极大困难。俄罗斯Yerokhin等认为，在电解液中通过阴阳电极将伴随着大量的电解过程发生(如图4-1所示)，在阳极表面会产生大量的氧气，该过程可以导致阳极表面的金属溶解或者在其表面形成金属氧化物。与此同时，在阴极表面将释放出大量H2，并伴随着阳离子的减少。图4-1电解液中的电解过程Wood和Pearson提出电子雪崩机理。认为电子浸入膜层以后立即被电场加速，并与其它原子发生碰撞，从而电离出电子，这些电子也会促使更多的电子产生，这一过程称之为“电子雪崩”。同样溶液中的阴离子也有可能因为高电场的作用而被吸引进入膜层，也会引起“电子雪崩”。1970年，火花放电由Vijh揭露出来。他认为，氧的析出同时，火花放电也存在，而氧的析出的完成是由“电子雪崩”来实现的，“雪崩”后会产生大量的电子，这些电子被加速到氧化膜与电解液界面而造成膜层击穿，产生微弧放电。TranBaoVan等人紧接着又进一步研究了火花放电全过程，对每次火花放电的持续时间及产生的能量进行了精确的测定，结果认为，放电现象总是出现在氧化膜最薄弱的部位，电子“雪崩”总是在膜薄弱处进行，放电时产生的热应力给“雪崩”提供了动力。如图4-2所示。图4-2电子“雪崩”模型等离子体微弧氧化过程非常复杂，几种氧化过程可能会同时发生。由于放电通道的截面积很小，电流密度又很大，在通道内会形成一个瞬间的高温微区，Van认为瞬间温度高达2000℃，Krysmann计算出温度高达8000K。在放电通道内完成的化学反应和物理反应可以用以下反应方程式来表示：放电通道内的化学反应：（1.1）（1.2）（1.3）（1.4）（1.5）（1.6）放电通道内的物理反应：（1.7）（1.8）（1.9）胶体受热分解，即（1.10）起初形成的Al2O3是非晶态的，但在高温下，可能发生如下相变变化：（1.11）（1.12）（1.13）（1.14）微弧氧化所得膜层均匀，孔隙率较小。微弧氧化过程中，在高电压产生高电场作用下，膜层表面气泡和电解液界面一侧为阳极、而气泡的另一端为阴极，阴阳极间因高电压而导致产生火花放电，同时气液界面的形成使得极化变得均匀。3、阶段过程微弧氧化一般分为四个阶段：有阳极氧化阶段、火花放电阶段、微弧氧化阶段和弧光放电阶段，如图4-3所示。图4-3膜层结构与对应电压区间的关系模型（1）阳极氧化阶段：反应初期阳极表面有大量的小气泡溢出，并迅速上升至液面，表面渐渐失去光泽，随着电压升高，气泡增多且变大、变密，击穿电压产生前，电压上升很快，迅速达到330V左右，形成氧化铝膜层。膜层随着时间的延长而逐渐增厚，促使电压升得越来越高，这为等离子体的形成创造了的条件；（2）火花放电阶段：当施加电压接近击穿电压时，前期形成的氧化膜被击穿，这时试样表面开始出现闪亮的等离子体弧。在高电场的作用下，不断生成新的氧化物，氧化膜的薄弱区域不断出现，弧光点在试样表面高速闪移动。但由于该阶段的电压约400V左右，氧化膜生长缓慢，且厚度很薄，硬度及致密度较低，不能应用；（3）微弧氧化阶段：随着氧化膜的增长，击穿电压不断上升，当击穿电压大大超过400V时，有大量致密的红色弧斑出现，并伴有强烈刺耳的爆鸣声出现，这一阶段属于膜层主要生长阶段，故称为微弧氧化阶段。膜层随着氧化时间的不断延长而生长增厚，这对膜层的再次击穿变得更加困难，红色弧斑逐渐变得硕大而稀疏；（4）弧光放电阶段：该阶段已经到了微弧氧化末期，此阶段的火花将出现两种现象。一种现象是火花斑点变得稀疏，随后将逐渐消失，轰隆隆的爆鸣声停止，该阶段称为熄弧阶段；另一种现象是仍然伴有零星的呈黄褐色的火花斑点，几乎在一处停滞不动的闪烁，对膜产生局部烧蚀、凹坑而构成破坏，实验中应采用适当方法延迟或尽量避免。三、影响因素1、电解液的主要组成微弧氧化电解液各成分主要起导电剂、钝化剂、稳定剂和改良剂的作用。在选择电解液的组成时，主要从三个方面进行考虑：首先，所选择的的电解液要具有良好的导电性；其次，所选择的电解液既要满足使氧化膜发生溶解，又要满足对氧化膜进行钝化，只有这样才能够实现火花放电；再次，要考虑电解液的组成与基体材料的匹配性。只有同时满足上述条件，微弧氧化才能够得以实现。1）主成膜剂的确定首先，电解液作为介质为反应提供能量；其次，含氧盐的电解质为反应提供氧源；再次，电解液组分参与反应，调整和改善膜层性能。因此，电解液对膜层的性能有一定的影响，且影响显著。电解液一般分酸、碱性两种。初期常用酸性电解液，且很少采用。BakovetsVN等采用浓硫酸作为电解液，在较高电压下对铝合金进行微弧氧化，对陶瓷膜进行性能分析。Vladimi等认为，考虑到环保及性能，目前用碱性电解液。常用的有强碱、硅酸盐、磷酸盐、硼酸钠体系，尤其以硅酸盐离子体系最多，而铝酸钠体系很少见。文献研究结果表明，硅酸钠浓度在5~10g/L范围内时，陶瓷膜更容易形成，且膜层质量相对更好。大量试验表明，当硅酸钠浓度大于12g/L时会出现严重的弧光放电现象。采用铝酸钠体系作为本实验的初选电解液，可有助于提高微弧氧化陶瓷膜层的硬度，改善膜层致密性。综合分析，本文选取比较常用易使铝合金起钝化作用的铝酸盐、磷酸盐、硅酸盐体系，再加之很少采用的硼酸盐体系作为实验电解液。2）导电物质的确定单独使用主成膜剂会影响成膜效果，故需添加剂来调节电解液成分。本文选取氢氧化钠作为主要导电物质，并且可以提高电导率，使击穿电压得到有效降低，同时还可以调节溶液的酸碱度并增加电解液稳定性。过高浓度的氢氧化钠会使基体腐蚀，并对形成的膜层溶解；还会使膜层的生长速度过快、导致其致密性降低、发生严重烧蚀现象等，最重要的是还会抑制α-Al2O3的形成。当氢氧化钠浓度大于2g/L时基体会严重失重。3）络合剂的确定高稳定性的电解液可以重复使用，以达到节省资源的目的。在电解液中加入一定量的硼酸和相应的稳定剂，可延缓沉淀物的析出，可提高铝合金等离子电解氧化陶瓷膜的硬度和光滑程度，使稳定性得到提高。硼酸起着提高成膜速度、钝化成膜、参与微弧反应、调节PH值、促进α-Al2O3的形成等作用。有大量文献加入NaF，NH4F等氟化物来改善和提高溶液的稳定性。氟化物污染性强，不能满足环保要求。考虑以上因素本研究未采用氟化物。硼酸浓度范围确定为与氢氧化钠的质量比为3:1，即1.5g/L～4.5g/L。4）抑弧剂的确定微弧氧化后期有弧光放电现象，大电流密度使膜层产生局部烧蚀，使微孔增大，表面粗糙度增加，同时该现象会放热，对降温装置要求更高，增加了成本。本试验选取抑弧剂来抑制弧光放电。大部分有机胺具有毒性、易挥发性，会造成环境污染。三乙醇胺[N(CH2CH2OH)3]因其无毒性、低挥发性、价格低廉等优点，在溶液中覆盖在基体表面，可起到抑弧的作用，推迟因弧光放电产生的大弧点作用在某一处闪烁的时间，抑制大弧点的产生，从而起保护膜层的作用。2、电电参数的主要组成参数影响陶瓷膜层的结构、形貌及性能，参数间也有一定的影响。其中电压、电流密度的影响是首要的。另外频率、占空比及氧化时间也有不同程度的影响。因此，本实验通过优化各种电参数来改善膜层性能。1）电流密度对陶瓷膜层的影响电参数中影响陶瓷膜层性能的关键因素是电流密度。这是因为随着电流密度的增加，有利于γ-Al2O3向α-Al2O3转变，使陶瓷膜层硬度和厚度均有所增加。陶瓷膜的生长速率和膜层致密程度与阳极电流密度也有关，较高的阳极电流密度主要形成α-Al2O3，较低的电流密度主要形成γ-Al2O3，但是电流密度也不能无限制地增加，如果电流密度过高，会带来更高的能耗，还会导致弧光放电产生局部烧蚀，使膜层孔系率变大，致密性下降，因而其耐蚀性和耐磨性也随之下降。文献在硅酸钠和氢氧化钠体系下采取ja在5A/dm2~20A/dm2，jc/ja分别为0.6、0.7、0.8，结果表明：ja为15A/dm2、jc/ja为0.7时硬度最高。2）占空比对陶瓷膜层的影响 占空比Ф就是在一个脉冲周期T内脉冲导通时间Ton与脉冲周期的比值。即Ф=Ton/T，如图4-4所示。对占空比进行适当调节，会相应地改变铝及其合金表面电弧的放电特性，可以获得更高的局部放电密度，并有利于促进一些特殊膜层的生长。因此占空比会改变陶瓷膜层的微观结构和性能。试验研究表明，在其他电参数一定时，存在一个最优的占空比，使膜层性能最佳。因此，本实验确定负占空比的范围为5%~15%，正占空比10%~30%。图4-4占空比示意图3）脉冲频率对陶瓷膜层的影响改变陶瓷层结构与性能的主要因素是脉冲频率，它会影响到微弧火花放电的密度。目前微弧电源采用的基本上都是交流的，频率范围一般在100～1500Hz。李颂等研究了当频率达到500Hz时，陶瓷层厚度取得极大值。3、氧化时间对陶瓷膜层的影响膜层厚度在氧化初期是随着氧化时间的不断延长而呈现快速增长的趋势，随着反应的进行，增加的速度在不断减缓。一般情况下，氧化时间越长，膜层越厚，陶瓷层表面微孔数量越少，而微孔孔径在逐渐增大，且表面粗糙度不断增加。这是因为，反应初期出现分布均匀、密集且快速游动于整个样品表面的微小弧光，随着氧化时间的延长，阳极电压逐渐增大，弧光分布逐渐变得不均匀、稀疏，且固定于样品表面，成为较大的弧光，将产生弧光放电现象，对膜层表面有严重的烧蚀作用，致使膜层表面粗糙度增加。吴振东等做了大量实验，研究陶瓷膜层厚度及微观形貌与氧化时间关系，结果表明，氧化时间与膜层厚度呈近成正比关系。四、实验仪器、设备及材料图4-5微弧氧化装置简图1、微弧氧化电源，电解槽，检测仪器，化学试剂（前处理用的酒精、丙酮，电解液用的主盐、导电物质、络合剂以及抑弧剂等）。2、铜导线、试样、金相砂纸（120号~800号）、游标卡尺、电吹风。表4-1实验仪器及装置仪器名称仪器型号应用电子天平BS-300+称量试验用化学药品分析天平AL204称量氧化膜的磨损损重金相试样镶嵌机XQ-1金相试样制备双速金相试样抛光机MP-1金相试样抛光（500/1000r/min）数控超声波清洗器KQ2200DE清洗磨损试样表面残留物涡流测厚仪Oualscope测量陶瓷膜厚度显微硬度计HXS-1000A测量陶瓷层显微硬度盐雾试验箱FQY025测量耐腐蚀性能电化学工作站2006-518测量耐腐蚀性能耐磨试验机BR-TABER测量氧化膜层的耐磨性能拉伸试验机测量微弧氧化拉伸试样力学性能损失扫描电镜S-4700观察陶瓷层表面及截面形貌X射线衍射仪D/max-2200VPC分析陶瓷层相组成五、实验步骤阳极为基体试样，阴极为不锈钢电解槽，借助搅拌器及循环水系统，调整电参数进行试验，每隔5分钟记录一次实验数据，带实验结束时关闭电源，制取的试样用去离子水冲洗，使在微弧氧化过程中残留在试样表面上的电解液清洗干净，用电吹风吹直到吹干为止，装入试样专用密封袋，用标签纸标号，为后续测试检验数据所用。本实验初始电参数的选取见表4-2所示。表4-2初始工艺参数选取阳极电流密度ja/(A/dm2)正占空比/%频率/Hz阴极电流密度jc/(A/dm2)负占空比/%氧化时间/min101530071045本实验主盐硅酸钠选取10g/L，初始电解液参数的选取见表4-3所示。表4-3初始电解液参数选取氢氧化钠/(g/L)硼酸/(g/L)三乙醇胺/(ml/L)双氧水/(g/L)13621、加工试样20X20X5mm，此规格便于后续试样镶嵌检测。把已加工到一定光洁度的试样用砂纸逐步打磨，用丙酮脱脂，酒精除油，蒸馏水冲洗，用电吹风吹干；2、按图3-1测试线路，检查线路是否正确；3、配备好溶液，悬挂试样，调节好电参数，开始微弧氧化实验；4、观察陶瓷膜层的形成过程，实验过程中伴随着搅拌，注意电压和搅拌冷却对对镀层质量的影响；5、待试样表面弧光减弱并伴随有弧光放电现象时,关闭电源停止实验,取出试样，蒸馏水冲洗，电吹风吹干，装密封袋待测；6、检查膜层外观、厚度、硬度、结合力、耐蚀性。六、微弧氧化电源操作规程生产厂家：成都同创材料表面技术有限公司购置日期：2016年11月7日功能用途：提供微弧氧化进程所需的波形及电参数，在Al、Mg、Ti及其合金等阀金属表面制备陶瓷膜层技术指标：空载电压:700V电源电流:20A电源频率:0～500Hz电源功率：Po＝5KW正负脉冲持续时间最小均:2ms操作方法:1.实验前准备，包括电解液配制、试样准备及挂取等;2.打开总电源开关，为电源控制系统供电;3.启动制冷机绿色按钮和氧化电源绿色按钮，保证控制柜正常运行;4.启动微弧氧化小型装置的供电按钮，启动前应再次检查工件位置;5.调节正、负脉冲电流，保证阴/阳极电流密度比为0.7左右为宜;6.实验结束后，先关闭微弧氧化小型装置的供电按钮，再依次关闭氧化电源的红色按钮和制冷机红色按钮;7.关闭总电源，卸下工件，试验结束。注意事项：1.本设备是为长时间额定容量下工作而设计的，工作中不允许超过额定电流运行，以防过热损坏设备;2.使用手动调节按钮时应缓慢均匀升降，搬运时应避免过大的震动;3.柜体内应保持清洁，视情况按期定时进行除尘处理;4.变压器和操作电源必须可靠接地，以保证操作安全;5.本设备应置于清洁、通风、干燥和室内保存，避免雨淋或溅水;6.本设备由于是高电压和大电流情况下使用，故在安放工件的工作槽周围加透明隔离栏防护措施，远距离观看实验现象，在确保安全后方能开启工作电源。七、问题讨论1、微弧氧化电解液由哪些成分组成的？描述微弧氧化电解过程中的现象？2、影响微弧氧化膜层质量的主要因素有哪些？3、微弧氧化膜层的主要力学性能指标有哪些？用哪种仪器或设备检测？实验七铝合金堆焊实验一、实验目的1、了解堆焊技术的特点、分类和应用；2、熟悉堆焊合金及材料的类型、特点和选用；3、掌握常用堆焊方法的原理、工艺、装置、特点和应用。二、实验原理1、基本概念堆焊是采用焊接方法将具有一定性能的材料熔敷在工件表面的一种工艺过程。堆焊的目的与一般焊接方法不同，不是为了连接工件。而是对工件表面进行改性，以获得所需的耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的熔敷层，或恢复工件因磨损或加工失误造成的尺寸不足，这两方面的应用在表面工程学中称为修复与强化。堆焊方法较其他表面处理方法具有其他优点：（1）堆焊层与基体金属的结合是冶金结合，结合强度高，抗冲击性能好。（2）堆焊层金属的成分和性能调整方便，一般常用的焊条电弧焊堆焊焊条或药芯焊条调节配方很方便，可以设计出各种合金体系，以适应不同的工况要求。（3）堆焊层厚度大，一般堆焊层厚度可在2～30mm内调节，更适合于严重磨损的工况。（4）节省成本，经济性好。当工件的基体采用普通材料制造，表面用高合金堆焊层时，不仅降低了制造成本，而且节约大量贵重金属。在工件维修过程中，合理选用堆焊合金，对受损工件的表面加以堆焊修补，可以大大延长工件寿命，延长维修周期，降低生产成本。（5）由于堆焊技术就是通过焊接的方法增加或恢复零部件尺寸，或使零部件表面获得具有特殊性能的合金层，所以对于能够熟练掌握焊接技术的人员而言，其难度不大，可操作性强。2、基本原理焊条电弧堆焊是将焊条和工件分别接在电源的两极、通过电弧使焊条和工件表面熔化形成熔池，冷却后形成堆焊层的一种堆焊方法，如图6-1所示。图6-1堆焊原理图三、实验仪器、设备及材料焊条电弧堆焊的设备和工具有：弧焊电源、焊钳、面罩、焊条保温筒，此外还有敲渣锤、钢丝刷等焊条及焊缝检验尺等辅助器具。最重要的设备是弧焊电源，即通常所说的电焊机。（1）对弧焊电源的要求。在其它参数不变的情况下，弧焊电源输出电压与之间的关系，称为弧焊电源的外特性。弧焊电源的外特性可用曲线来表示，称为弧焊电源的外特性曲线，如图6-2所示。弧焊电源的外特性基本上有下降外特性、平外特、上升外特性三种类型。由于焊条电弧焊电弧静特性曲线的工作段在平特性区，所以只有下降外特性曲线才与其有交点，如图6-2中的A点。因此，下降外特性曲线电源能满足焊条电弧焊的要求。图6-2弧焊电源的外特性曲线图焊条电弧堆焊的设备和工具有：弧焊电源、焊钳、面罩、焊条保温筒，此外还有敲渣锤、钢丝刷等焊条及焊缝检验尺等辅助器具。最重要的设备是弧焊电源，即通常所说的电焊机。（2）对弧焊电源的要求。在其它参数不变的情况下，弧焊电源输出电压与之间的关系，称为弧焊电源的外特性。弧焊电源的外特性可用曲线来表示，称为弧焊电源的外特性曲线，如图6-2所示。弧焊电源的外特性基本上有下降外特性、平外特、上升外特性三种类型。由于焊条电弧焊电弧静特性曲线的工作段在平特性区，所以只有下降外特性曲线才与其有交点，如图6-2中的A点。因此，下降外特性曲线电源能满足焊条电弧焊的要求。（3）对弧焊电源空载电压的要求。弧焊电源接通电网而焊接回路为开路时，弧焊电源输出端电压称为空载电压。为便于引弧，需要较高的空载电压，但空载电压过高，对焊工人身安全不利，制造成本也较高。一般交流弧焊电源空载电压为55～70V，直流弧焊电源空载电压为45～85V。

（4）对弧焊电源稳态短路电流的要求。弧焊电源稳态短路电流是弧焊电源所能稳定提供的最大电流，即输出端短路时的电流。稳态短路电流太大，焊条过热，易引起药皮脱落，并增加熔滴过渡时的飞溅；稳态短路电流太小，则会使引弧和焊条熔滴过渡困难。因此，对于下降外特性的弧焊电源，一般要求稳态短路电流为焊接电流的1.25～2.0倍。

（5）对弧焊电源调节特性的要求。在焊接中，根据焊接材料的性质、厚度、焊接接头的形式、位置及焊条直径等不同，需要选择不同的焊接电流，这就要求弧焊电源能在一定范围内，对焊接电流作均匀、灵活的调节，以便于保证焊接接头的质量。焊条电弧焊焊接电流的调节，实质上是调节电源外特性。

（6）对弧焊电源动特性的要求。弧焊电源的动特性，是指弧焊电源对焊接电弧的动态负载所输出的电流、电压对时间的关系，它表示弧焊电源对动态负载瞬间变化的反应能力。动特性合适时，引弧容易、电弧稳定、飞溅小，焊缝成形良好。弧焊电源动特性是衡量弧焊电源质量的一个重要指标。四、堆焊的分类表6-1常用堆焊方法的分类及特点堆焊方法稀释率（%）熔敷速度/（㎏/h）最小堆焊厚度/mm熔敷效率（%）氧乙炔火焰堆焊焊条送丝自动送丝粉末堆焊1～101～101～100.5～1.80.5～6.80.5～0.210010085～95焊条电弧堆焊10～200.5～5.43.265钨极氩弧堆焊10～200.5～4.52.498～100熔化极气体保护电弧堆焊其中：自保护电弧堆焊10～4015～400.9～5.42.3～90～9580～85埋弧堆焊单

丝多

丝串联电弧单带极多带极30～6015～2510～2510～208～154.5～11.311.3～27.211.3～15.912～3622～63.04.09595959595等离子弧堆焊自动送粉焊条送粉自动送丝双热丝5～155～155～155～150.5～6.81.5～3.60.5～3.613～22.485～9598～10098～10098～100电渣堆焊10～1415～751595～100五、工艺路线焊条电弧堆焊的堆焊规范对堆焊质量和生产率有重要影响，其中包括堆焊前工件表面是否需要清理及清理程度；焊条的选择及烘干；堆焊工艺参数的选择及必要的预热保温和层间温度的控制等。（1）焊前准备。堆焊前工件表面进行粗车加工，并留出加工余量，以保证堆焊层加工后有3mm以上的高度。工件上待修复部位表面上的铁锈、水分、油污、氧化皮等，堆焊修复时容易引起气孔、夹杂等缺陷，所以在焊接位复前必须清理干净。堆焊工件表面不得有气孔、夹渣、包砂、裂纹等缺陷，如有上述缺陷须经补焊清除、再粗车后方可堆焊。多层焊接修复时，必须使用钢丝刷等工具把每一层修复熔敷金属的焊渣清理干净。如果待修复部位表面有油和水分，可用气焊焊炬进行烘烤，并用钢丝刷清除。（2）焊条选择及烘干。根据对工件的技术要求，如工作温度、压力等级、工件介质以及对堆焊层的使用要求，选择合适的焊条。有些焊条虽不属于堆焊焊条，但有时也可用作堆焊焊条，如碳钢焊条、低合金焊条、不锈钢焊条和铜合金焊条等。为确保焊条电弧堆焊的质量，所用焊条在堆焊前应进行烘干，去除焊条药皮的吸附水分。焊条烘干一般不能超过3次，以免药皮变质或开裂以致影响堆焊质量。滚压工艺的缺点是只能适合一些形状简单的平板类零件、轴类零件和沟槽类零件等，对于形状复杂的零件表面就无法使用。（3）焊条直径和焊接电流。为提高生产效率，总希望采用较大直径的焊条和焊接电流。但是由于堆焊层厚度和堆焊质量的限制，必须把焊条直径和焊接电流控制在一定范围内。堆焊焊条的直径主要取决于工件的尺寸和堆焊层的厚度。增大焊接电流可提高生产率，但电流过大，稀释率增大，易造成堆焊合金成分偏析和堆焊过程中液态金属流失等缺陷。而焊接电流过小，容易产生未焊透、夹渣等缺陷，且电弧的稳定性差、生产率低。一般来说，在保证堆焊合金成分合格的条件下，尽量选用大的焊接电流；但不应在焊接过程中由于电流过大而使焊条发红、药皮开裂、脱落。（4）堆焊层数。堆焊层数是保证堆焊层厚度、买组设计要求为前提。对于较大构件需要堆焊多层。堆焊第一层时，为减小熔深，一般采用小电流；或者堆焊电流不变，提高堆焊速度，同样可以达到减少熔深的目的。（5）堆焊预热和缓冷。堆焊中最常碰到的问题是开裂，为了防止堆焊层和热影响区产生裂纹，减少零件变形，通常要对堆焊区域进行预热和焊后缓冷。

预热是焊接修复开始前对被堆焊部位局部进行适当加热的工艺措施，一般只对刚性大或焊接性差、容易开裂的结构件采用。预热可以减小修复后的冷却速度，避免产生淬硬组织，减小焊接应力及变形，防止产生裂纹。工件堆焊前的预热温度可视工件材料的碳当量而定，如表9.7所示。当某些大型工件不便在设备中预热时，可用氧乙炔火焰在修复部位预热；高锰钢及奥氏体不锈钢，可不预热；高合金钢预热温度大于400℃。六、实验步骤（1）焊前准备。主要作以下方面的准备工作：1）焊前工件表面进行粗车或喷砂清除氧化皮，工件表面不允许有任何缺陷(裂纹、气孔、砂眼、疏松)及油污、铁锈等。2）焊条使用前必须烘干。D502、D512等钛钙型药皮焊条，需经150～200℃预热，保温1h烘焙；D507、D517等低氢型药皮焊条，需经300～350℃预热，保温1h烘焙。3）用D502、D507等1Cr13型焊条，焊前一般不需将工件预热。而用D512、D517等2Crl3型焊条时，堆焊前对工件一般要预热300℃左右。4）采用D507、D517焊条需要采用直流弧焊机或硅整流弧焊机，并采用反接法，使用D502、D512焊条可采用交流或直流弧焊机。（2）操作要点。具体操作过程如下：1）堆焊应尽量采用小电流、短弧焊，以减少熔深和合金元素的烧损。堆焊工件应保持在水平位置，尽量做到堆焊过程不中断，连续堆焊3～5层。2）根据工件的材质、大小和不同的要求尽可采用油冷、空冷或缓冷来获得不同的硬度。（3）焊后处理。焊后要做一下处理：1）焊后一般都需要进行680～750℃高温回火或750～800℃退火处理，以使淬火组织得到改善、降低热影响区硬度2）工件堆焊后如发现焊层有气孔、裂纹等缺陷或堆焊层高度不够加工，而此时工件已冷却到室温，在这种情况下不能进行局部补焊。因为马氏体高铬钢淬透性较高，局部补焊后会发生堆焊层硬度不均匀的现象，不能满足技术条件要求，而应采用重新堆焊的方法进行返修。七、问题讨论1、堆焊的概念及特点是什么？描述焊条电弧堆焊的实验过程？2、堆焊的分类？常用的堆焊材料有哪些？如何选择堆焊材料？实验八实验设备、检验检测仪器操作实验一、实验目的1、了解表面分析技术的概念、类别、特点和功能；2、熟悉常用表面覆盖层分析检测仪器，主要包括：扫面电子显微镜（SEM）、X射线能谱仪（XRD）、电化学工作站等仪器；3、掌握常用表面覆盖层分析检测仪器的操作规程及各种检测数据结果分析。二、表面分析技术1、表面分析技术的内容通常所说的表面分析属于表面物理和表面化学的范畴，是指对材料表面进行原子数量级的信息探测的一种实验技术。无论是哪种表面分析技术，其基本原理都是利用电子束、离子束、光子束或中性离子束作为激发源作用于被分析试样，再以被试样所反射、散射或辐射释放出来的电子、离子、光子作为信号源，然后用各种检测器（探头）并配合一系列精密的电子仪器来收集、处理和分析这些信号源，就可以获得有关试样表面特性的信息。2、表面分析技术的应用根据表面性能的特征和所要获取的表面信息的类别，表面分析可分为：表面形貌分析、表面成分分析、表面结构分析、表面电子态分析和表面原子态分析等几方面，在工程上应用最多的是前三种分析。由于同一分析目的可能采用几种方法，而各种分析方法又具有自己的特点，所以，必须根据被测样品的要求来正确地选择分析方法。（1）表面形貌分析。材料、构件、零部件和元器件在经历各种加工处理后或在外界条件下使用一段时间之后，其表面或表层的几何轮廓及显微组织上会有一定的变化，可以用肉眼、放大镜和显微镜来观察分析加工处理的质量以及失效原因。表面形貌分析包括表面宏观形貌和显微组织形貌分析，主要由各种能将微细物相放大成像的显微镜来完成。各类显微镜具有不同的分辨率，以适应各种不同的使用要求。随着显微技术的发展，目前有些显微镜，如扫描隧道显微镜、原子力显微镜、场离子显微镜和高分辨率电子显微镜等，以达到原子分辨能力，可直接在显微镜下观察到表面原子的排列。这样不但能获得表面形貌的信息，而且可进行真实晶格的分析。以下图8-1为钛合金高精密零件抛光表面,通过扫描电子显微镜就可以观察到零部件表面状况，对分析表面粗糙度大小极为有利。图8-1用SEM对钛合金高精密零件抛光表面进行纹理分析实际上，显微镜的功能不止是显微放大这一种。许多现代显微镜中还附加了一些其他信号的探测和分析装置，这使得显微镜不但能进行高分辨率的形貌观察，还可用作微区成分和结构分析。这样，就可以在一次实验中同时获得同一区域的高分辨率形貌像、化学分析和晶体学参数等数据。各种显微镜的特点及应用见表8-1所示。表8-1各种显微镜的特点及应用名称检测信号分辨率/nm样品基本应用扫描电子显微镜（SEM）二次电子、背散射电子、吸收电子6～10固体形貌分析（显微组织、断口形貌）；结构分析；成分分析；断裂过程动态研究。透射电子显微镜（TEM）透射电子和衍射电子0.2～0.3薄膜和复型膜形貌分析（显微组织、晶体缺陷）；晶体结构分析；成分分析。扫描隧道显微镜（STM）隧道电流原子级垂直0.01，横向0.1固体（具有一定的导电性）表面形貌与结构分析（表面原子三维轮廓）；表面力学行为、表面物理与化学研究。原子力显微镜（AFM）隧道电流原子级固体（导体、半导体、绝缘体）表面形貌与结构分析；表面原子间力与表面力学性质测定。场发射显微镜（FEM）场发射电子2针尖状电极晶面结构分析；晶面吸附、脱附和扩散等分析。场离子显微镜（FIM）正离子0.3针尖状电极形貌分析（直接观察原子组态）；表面重构、扩散等分析。（2）表面成分分析。目前已有许多物理、化学和物理化学分析方法可以测定材料的成分。例如：利用各种物质特征吸收光谱分析，以及利用各种物质特征发射光谱的发射光谱分析，都能正确、快速地分析材料的成分，尤其是微量元素。又如：X射线荧光分析，是利用X射线的能量轰击样品，产生波长大于入射线波长的特征X射线，再经分光作为定量或定性分析的依据。这种方法速度快、准确，对样品没有破坏，适宜于分析含量较高的元素。但是，这些方法一般不能用来分析材料量少、尺寸小而又不宜做破坏性分析的样品，因此通常也难于做表面成分分析。表面成分分析内容包括测定表面的元素组成、表面元素的化学态及元素沿表面横向分布和纵向深度分布等。选择表面成分分析方法时应考虑该方法能测定元素的范围，能否判断元素的化学态，能否进行横向分布与深度剖析，以及检测的灵敏度、谱峰分辨率和对表面有无破坏性等问题。用于表面成分分析的方法主要有：电子探针X射线显微分析、俄歇电子能谱、X射线光电子谱、二次离子质谱等。常用的表面成分分析方法的比较见表8-2所示。表8-2常用的表面成分分析方法名称激发源信号源基本应用电子