表面工程實(shí)驗(yàn)

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y表面工程綜合實(shí)驗(yàn)論文學(xué)院名稱：材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：金屬1402學(xué)生姓名：徐暢學(xué) 號(hào)：3140702048指導(dǎo)教師姓名：王蘭、紀(jì)嘉明2016年12月目錄碳鋼的化學(xué)鍍Ni-P摘要 11、 實(shí)驗(yàn)機(jī)理 12、 工藝流程 23、 關(guān)鍵工藝目的及溶液參數(shù) 23.1 準(zhǔn)備試樣 23.2 堿性除油 23.3 酸洗（除銹+活化）33.4 化學(xué)鍍 33.5 鍍后熱處理 3四、檢測(cè)與分析 44.1 表面形貌分析 44.2 鍍層厚度測(cè)定 44.3 鍍層及鍍后熱處理硬度測(cè)定 54.4 鍍后耐蝕性檢測(cè) 5鋼的磷化摘要 71、 實(shí)驗(yàn)機(jī)理 71.1 磷

2、化膜的形成機(jī)理 71.2 磷化膜的組成和結(jié)構(gòu) 8二、工藝流程 8三、關(guān)鍵工藝目的及溶液參數(shù) 93.1 準(zhǔn)備試樣 93.2 堿性除油 93.3 酸洗（除銹+活化）93.4 磷化 103.5 磷化膜的后處理 10四、檢測(cè)與分析 114.1 表面形貌分析 114.2 磷化膜厚度測(cè)定 124.3 磷化后硬度測(cè)定 124.4 磷化后耐蝕性檢測(cè) 13碳鋼的化學(xué)鍍Ni-P摘 要本文簡(jiǎn)要介紹了碳鋼化學(xué)鍍鎳磷的原理與工藝流程，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，闡述了化學(xué)鍍鎳磷的基本知識(shí)，論證了化學(xué)鍍鎳磷的重要作用，得出了這一工藝對(duì)碳鋼性能改進(jìn)的重要影響。關(guān)鍵詞：原子氫態(tài)理論；配方；溶液參數(shù)；檢測(cè)與分析一、

3、實(shí)驗(yàn)機(jī)理化學(xué)鍍鎳磷合金是一種在不加電流的情況下，利用還原劑在活化零件表面上自催化還原沉積得到鎳磷鍍層的方法。其主要反應(yīng)為應(yīng)用次亞磷酸鈉還原鎳離子為金屬鎳，即在水溶液中鎳離子和次亞磷酸根離子碰撞時(shí)，由于鎳觸媒作用析出原子態(tài)氫，而原子態(tài)氫又被催化金屬吸附并使之活化，把水溶液中的鎳離子還原為金屬鎳形成鍍層，另外次亞磷酸根離子由于在催化表面析出原子態(tài)氫的作用，被還原成活性磷，與鎳結(jié)合形成Ni-P合金鍍層。以次磷酸鈉為還原劑的化學(xué)鍍鎳磷工藝，其反應(yīng)機(jī)理，現(xiàn)普遍被接受的是“原子氫態(tài)理論”和“氫化物理論”。下面介紹“原子氫態(tài)理論”，其過(guò)程可分為以下四步：1）化學(xué)沉積鎳磷合金鍍液加熱時(shí)不起反應(yīng)，而是通過(guò)金屬的

4、催化作用，次亞磷酸根在水溶液中脫氫而形成亞磷酸根，同時(shí)放出初生態(tài)原子氫。H2PO2-+H2OHPO3-+2H+H-2）初生態(tài)原子氫被吸附在催化金屬表面上而使其活化，使鍍液中的鎳陽(yáng)離子還原，在催化金屬表面上沉積金屬鎳。Ni2+2HNi+2H+3）在催化金屬表面上的初生態(tài)原子氫使次亞磷酸根還原成磷。同時(shí)，由于催化作用使次亞磷酸根分解，形成亞磷酸根和分子態(tài)氫。H2PO2-+HH2O+OH-+P2HH24）鎳原子和磷原子共沉積，并形成鎳磷合金層。3P+NiNiP3二、工藝流程化學(xué)鍍鎳磷主要分為鍍前處理、化學(xué)鍍、鍍后處理三部分。鍍前處理對(duì)鍍層質(zhì)量至關(guān)重要,要使鍍前的工件表面無(wú)污染，并且處于活化狀態(tài)，此過(guò)

5、程主要包括有：制備試樣、拋光、除油、水洗、除銹、活化。化學(xué)鍍過(guò)程是把試樣放入配置好的鍍液中，進(jìn)行金屬沉積。 鍍后處理是把已經(jīng)施鍍完成的工件進(jìn)行清洗、干燥等處理?；瘜W(xué)鍍鎳磷的具體工藝流程：制備試樣（鉆孔）堿性除油（化學(xué)脫脂）熱水洗冷水洗酸洗（除銹+活化）冷水洗化學(xué)鍍冷水洗滴上酒精溶液干燥檢測(cè)。三、關(guān)鍵工藝目的及溶液參數(shù)3.1 準(zhǔn)備試樣試驗(yàn)前準(zhǔn)備好試樣，機(jī)械打磨試樣，初步除去表面氧化物；并給試樣系上一根細(xì)線，為了在整個(gè)磷化處理過(guò)程中便于拿取放置。 3.2 堿性除油 1.除油目的：將試樣浸入堿性化學(xué)除油溶液中，對(duì)試樣除油，目的是去除試樣表面的油污，清潔試樣表面，以增加化學(xué)鍍鍍層的結(jié)合強(qiáng)度。2.除油溶

6、液參數(shù)：堿性化學(xué)除油溶液配方及參數(shù)組成及工藝NaOHNa2CO3Na3PO412H2ONa2SiO3溫度（）時(shí)間（min）配方（g/L）60-8020-6015-305-1080-9063.3 酸洗（除銹+活化）將試樣浸入稀鹽酸（10%或5mol/L以下)容易中約10s，對(duì)試樣進(jìn)行酸洗處理。酸洗的目的主要是除銹和活化。其中酸洗除銹的目的是為了去除試樣表面的氧化物，使試樣表面更加清潔。而酸洗活化的目的是為了讓化學(xué)鍍基材試樣表面的金屬原子活化，便于鎳原子和磷原子的沉積，以及增加鎳磷合金鍍層的結(jié)合強(qiáng)度。3.4 化學(xué)鍍1.化學(xué)鍍目的:將試樣浸入化學(xué)鍍鎳磷溶液中，使試樣表面鍍上一層鎳磷合金層，從而改善試

7、樣的表面性能。2.化學(xué)鍍?nèi)芤簠?shù)：化學(xué)鍍鎳磷溶液的配方及參數(shù)成分及工藝條件硫酸 鎳次磷 酸鈉乳酸硼酸pH值溫度（）沉積速率（mh-1）配方（g/L）252025104.4-5.890-10015-22 鍍液的配置過(guò)程如下：1）用分析天平稱取12.5g硫酸鎳，10g次磷酸鈉，12.5g乳酸，5g硼酸，分別用少量的蒸餾水溶解；2）待硫酸鎳溶液完全溶解后，不斷攪拌下倒入有硼酸與乳酸組成的溶液中；3）將完全溶解的次磷酸鈉溶液，在強(qiáng)烈攪拌下倒入前面已配好的溶液中；4）用稀硫酸或氫氧化鈉稀液調(diào)整pH值至5.0；5）用蒸餾水稀釋至略低于500mL；6）將配好的溶液放入水浴爐中加熱至實(shí)驗(yàn)要求溫度95。(注：即

8、將達(dá)到溫度時(shí)前處理完成)當(dāng)化學(xué)鍍液到預(yù)定溫度后，將試樣放入鍍液中1小時(shí)左右，使工件表面獲得理想的鍍層。3.5 鍍后熱處理可對(duì)已鍍?cè)嚇舆M(jìn)行熱處理，取三個(gè)已鍍工件分別放入200、300箱式電阻爐保溫1小時(shí)進(jìn)行鍍后處理，進(jìn)一步提升試樣鍍層的性能指標(biāo)。最后，將已鍍?cè)嚇咏?jīng)冷水洗后，滴上酒精溶液，然后吹干，并對(duì)已鍍?cè)嚇舆M(jìn)行性能檢測(cè)。四、檢測(cè)與分析4.1表面形貌分析利用金相顯微鏡對(duì)有無(wú)鍍后處理的試樣進(jìn)行表面形貌觀察，拍攝顯微照片。并分析本次化學(xué)鍍鎳磷是否成功，如果失敗，找出失敗的原因以及提出解決方案。圖1化學(xué)鍍鎳磷層微觀圖像（400） 圖2化學(xué)鍍鎳磷層宏觀圖像 分析：本次化學(xué)鍍鎳磷是成功的，化學(xué)鍍鎳磷層微觀

9、上是由胞狀組織構(gòu)成的,圖中的白點(diǎn)狀顆粒就是化學(xué)鍍鎳磷層。理論上來(lái)說(shuō)，這種胞狀組織應(yīng)該成片狀密集分布，在視場(chǎng)范圍內(nèi)都應(yīng)該是這種胞狀物且中間無(wú)太大空隙。所以由圖1可知本次化學(xué)鍍鎳磷與理論相比是比較合理的。4.2 鍍層厚度測(cè)定利用金相顯微鏡對(duì)已鍍?cè)嚇拥腻儗雍穸冗M(jìn)行測(cè)定，具體工藝：鋸開(kāi)鑲嵌砂輪磨砂紙磨拋光腐蝕（3%硝酸酒精溶液）酒精洗烘干金相顯微鏡觀察測(cè)鍍層厚度拍照片。并對(duì)鍍層厚度進(jìn)行分析，鍍層厚度是否合理，如果不合理，是薄了還是厚了，并分析原因以及提出相應(yīng)的解決方案。圖3化學(xué)鍍鎳磷層厚度顯微圖像（400）鍍層厚度：0.020mm分析：鍍層厚度是偏厚的，原因可能是鍍前預(yù)處理做的比較好，次磷酸鈉含量及鍍

10、液pH值較為合理。因而鍍層厚度較好。4.3鍍層及鍍后熱處理硬度測(cè)定利用顯微硬度儀在0.98N的壓力下測(cè)量已鍍?cè)嚇佑捕?。其過(guò)程為：將樣品放入顯微硬度儀的樣品臺(tái)上，選擇合適的載荷，打開(kāi)電源；在400倍的顯微鏡下調(diào)整焦距至能看清樣品表面形貌為止，轉(zhuǎn)動(dòng)壓頭之樣品上，按Start開(kāi)始打壓痕，結(jié)束后再將400倍顯微鏡轉(zhuǎn)至樣品上方；尋找壓痕，轉(zhuǎn)動(dòng)右轉(zhuǎn)輪，使左測(cè)量線對(duì)準(zhǔn)壓痕左端點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪使右測(cè)量線靠近左測(cè)量線（二線之間留有空隙），記下刻度；在轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪使右測(cè)量線與右端點(diǎn)相切，讀取刻度；兩數(shù)值相減的記錄值，按記錄值查表得硬度。測(cè)出各試樣的鍍層硬度值后，對(duì)鍍層硬度進(jìn)行分析，鍍層硬度是否合理，如果不合理，并分析原因

11、以及提出相應(yīng)的解決方案。條件化學(xué)鍍鎳磷無(wú)熱處理化學(xué)鍍鎳磷200回火化學(xué)鍍鎳磷300回火硬度值/HV570.365654.756745.802分析：經(jīng)熱處理后，硬度有明顯提高。這是因?yàn)榻?jīng)高溫?zé)崽幚砗?，鍍層表面發(fā)生晶化，形成了硬度較高的鎳磷合金，從而提高了鍍層的硬度。4.4鍍后耐蝕性檢測(cè)利用浸泡法檢測(cè)化學(xué)鍍?cè)嚇拥哪透g性，將試樣(已降至室溫)浸入5%10%的氯化鈉 (NaCl)的水溶液中,在1525下,保持1小時(shí)后取出,洗凈吹干,用電子天平稱量前后的重量差，以此檢測(cè)化學(xué)鍍后碳鋼的耐腐蝕性。并簡(jiǎn)要分析該化學(xué)鍍的效果以及其原因。試樣經(jīng)10%Nacl腐蝕后所測(cè)重量試樣重量/g腐蝕前室溫腐蝕1h加熱至25

12、室溫腐蝕24h加熱至25，室溫（棉布包裹）腐蝕72h重量差化學(xué)鍍鎳磷3.203.213.193.18-0.02原始樣3.083.063.042.92-0.16分析：由以上圖表中可知用10%Nacl腐蝕原始樣及化學(xué)鍍鎳磷樣品1h后時(shí)，腐蝕效果不明顯，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)正值冬天，天氣比較冷導(dǎo)致溫度偏低，以及電子天平秤量時(shí)數(shù)字小數(shù)點(diǎn)后兩位不太準(zhǔn)確，所以最后導(dǎo)致腐蝕效果不明顯。因而又進(jìn)行了更長(zhǎng)時(shí)間的24h腐蝕并且加熱到25時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)較為明顯的重量變化，而最后又進(jìn)行了72h的腐蝕并且加熱到25而且用棉布包裹時(shí)，腐蝕效果最明顯。鋼的磷化摘 要本文簡(jiǎn)要介紹鋼的磷化處理工藝可以改變鋼表面原有的性質(zhì)，從而提供新的物

13、理特性或物理化學(xué)特性，因而廣泛應(yīng)用于鋼的表面處理領(lǐng)域中。本文主要介紹鋼的中溫與高溫磷化，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究?jī)煞N磷化膜的性質(zhì)，對(duì)它們的原理、配方和生產(chǎn)工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。關(guān)鍵詞：磷化處理；溶液參數(shù)；中溫磷化；高溫磷化；檢測(cè)與分析一、實(shí)驗(yàn)機(jī)理1.1 磷化膜的形成機(jī)理磷化處理是在含有錳、鐵、鋅的磷酸二氫鹽與磷酸組成的溶液中進(jìn)行的。金屬的磷酸二氫鹽可用通式表示。在磷化過(guò)程中發(fā)生如下反應(yīng)：或者以離子反應(yīng)方程式表示：當(dāng)金屬與溶液接觸時(shí)，在金屬/溶液界面液層中離子濃度的增高或離子濃度降低，都將促使以上反應(yīng)在一定溫度下向生成難溶磷酸鹽的方向移動(dòng)。由于鐵在磷酸里溶解，氫離子被中和同時(shí)放出氫氣：反應(yīng)生成的不溶于水的

14、磷酸鹽在金屬表面沉積稱為磷酸鹽保護(hù)膜，因?yàn)樗鼈兙褪窃诜磻?yīng)處生成的，所以與基體表面結(jié)合得很牢固。從電化學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，磷化膜的形成可認(rèn)為是微電池作用的結(jié)果。在微電池的陰極上，發(fā)生氫離子的還原反應(yīng)，有氫氣析出： 在微電池的陽(yáng)極上，鐵被氧化為離子進(jìn)入溶液，并與發(fā)生反應(yīng)。由于的數(shù)量不斷增加，值逐漸升高，促使反應(yīng)向右進(jìn)行，最終生成不溶性的正磷酸鹽晶核，并逐漸長(zhǎng)大。下面是陽(yáng)極反應(yīng)： 與此同時(shí)，陽(yáng)極區(qū)溶液中的也發(fā)生如下反應(yīng)： 式中的為和。陽(yáng)極區(qū)的反應(yīng)產(chǎn)物一起結(jié)晶，形成磷化膜。1.2 磷化膜的組成和結(jié)構(gòu)磷化膜主要由重金屬的二代和三代磷酸鹽的晶體組成，不同的處理溶液得到的膜層的組成和結(jié)構(gòu)不同。晶粒愈大，膜層愈厚。

15、在磷化膜中應(yīng)用最廣的有磷酸鐵膜、磷酸鋅膜和磷酸錳膜。此次試驗(yàn)中做的是鋅系磷化，故主要介紹磷酸鋅膜。磷酸鋅膜：采用以磷酸和磷酸二氫鋅為主要成分，并含有重金屬以及氧化劑的磷化液處理鋼材時(shí)，形成的膜由兩種物相組成：磷酸鋅和磷酸鋅鐵。當(dāng)溶液中含有較高的Fe2+時(shí)，就形成一種新相Fe5H2(PO4)4.H2O。磷酸鋅Zn3(PO4)2.4H2O是白色不透明的晶體，屬斜方晶系；磷酸鋅鐵是無(wú)色或淺藍(lán)色的晶體，屬單斜晶系。鋅系磷化膜呈淺灰色至深灰結(jié)晶狀。二、工藝流程鋼的磷化主要分為前處理、磷化、后處理三部分。前處理對(duì)磷化膜層質(zhì)量至關(guān)重要，目的是使磷化前的工件表面無(wú)污染，并且處于活化狀態(tài)，此過(guò)程主要包括有：制備

16、試樣、拋光、除油、水洗、除銹、活化。磷化過(guò)程是把試樣放入配置好的磷酸鹽溶液中，生成一層難溶于水的磷酸鹽保護(hù)膜。 后處理是把已經(jīng)磷化完成的工件進(jìn)行填充、封閉、清洗、干燥等處理。工藝流程：化學(xué)脫脂（堿性除油）熱水洗冷水洗除銹冷水洗活化冷水洗磷化處理冷水洗磷化后處理冷水洗干燥。三、關(guān)鍵工藝目的及溶液參數(shù)3.1 準(zhǔn)備試樣試驗(yàn)前準(zhǔn)備好試樣，機(jī)械打磨試樣，初步除去表面氧化物；并給試樣系上一根細(xì)線，為了在整個(gè)磷化處理過(guò)程中便于拿取放置。 3.2 堿性除油 1.除油目的：將試樣浸入堿性化學(xué)除油溶液中，對(duì)試樣除油，目的是去除試樣表面的油污，清潔試樣表面，以增加磷化的保護(hù)膜層的結(jié)合強(qiáng)度。2.除油溶液參數(shù)：堿性化學(xué)

17、除油溶液配方及參數(shù)組成及工藝NaOHNa2CO3Na3PO412H2ONa2SiO3溫度（）時(shí)間（min）配方（g/L）60-8020-6015-305-1080-9063.3 酸洗（除銹+活化）將試樣浸入稀鹽酸容易中約30s，對(duì)試樣進(jìn)行酸洗處理。酸洗的目的主要是除銹和活化。其中酸洗除銹的目的是為了去除試樣表面的氧化物，使試樣表面更加清潔。而酸洗活化的目的是為了讓磷化基材試樣表面的金屬原子活化，便于磷酸鹽保護(hù)膜的形成，以及增加磷酸鹽保護(hù)膜的結(jié)合強(qiáng)度。3.4 磷化磷化按照溫度不同可分為三種高溫磷化，中溫磷化，低溫磷化。本次試驗(yàn)采用高溫磷化和中溫磷化這兩種方法。1.高溫磷化的磷酸鹽溶液參數(shù)：高溫磷

18、化溶液的配方及參數(shù)組分與工藝磷酸/氧化鋅/溫度/時(shí)間/min配方參數(shù)23985952530 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1）配制時(shí)，高溫磷化溶液應(yīng)為黑色，不能有閃亮的點(diǎn)；2）配制時(shí)，用少量自來(lái)水把氧化鋅調(diào)成濃漿糊狀，然后加入磷酸，邊加邊攪拌，使之溶解，然后加水到需要的刻度(500ml）。2.中溫磷化的磷酸鹽溶液參數(shù)：中溫磷化溶液的配方及參數(shù)組成與工藝硝酸鋅/磷酸二氫鋅/磷酸/時(shí)間/min溫度/配方g/L80-10030-404010-1560-70實(shí)驗(yàn)時(shí)，具體配制步驟如下：1）先稱取硝酸鋅和磷酸二氫鋅，重量分別為45g和18g；2）接著將它們分別用少量水調(diào)和，將調(diào)成糊狀的磷酸二氫鋅在不斷攪拌下融入20mL磷

19、酸中，然后將硝酸鋅加入，最后加水至500mL；3）將配好的溶液加熱至65，15min后取出即可。3.5 磷化膜的后處理一般磷化后應(yīng)對(duì)磷化膜進(jìn)行填充和封閉處理。實(shí)驗(yàn)時(shí)，填充處理的步驟為： 1）先稱取重鉻酸鉀和碳酸鈉分別是20和1.5； 2）將其混合，加水至500,加熱至溫度為90后，15后取出即可。此外，填充后，可以根據(jù)需要在錠子油、防銹油或潤(rùn)滑油中進(jìn)行封閉。如需涂漆，應(yīng)在鈍化處理干燥后進(jìn)行，工序間隔不超過(guò)24h。最后，將試樣經(jīng)冷水洗后，滴上酒精溶液，然后吹干，并對(duì)已鍍?cè)嚇舆M(jìn)行性能檢測(cè)。四、檢測(cè)與分析4.1表面形貌分析利用金相顯微鏡對(duì)有無(wú)磷化處理的試樣進(jìn)行表面形貌觀察，拍攝顯微照片。并分析本次磷

20、化是否成功，如果失敗，找出失敗的原因以及提出解決方案。1.磷化處理后樣品宏觀照片 圖1中溫磷化宏觀表面 圖2高溫磷化宏觀表面2.金相顯微鏡下樣品表面顯微圖像圖3中溫磷化微觀表面（400） 圖4高溫磷化微觀表面（400）分析：經(jīng)過(guò)以上圖像分析可知此次磷化比較成功，磷化膜由于基體材料及磷化工藝的不同可由深灰到黑灰色，特殊工藝可實(shí)現(xiàn)純黑色、紅色及彩色。磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜外觀呈灰色或黑色，是有一系列大小不同的晶體所組成，在晶體的聯(lián)結(jié)點(diǎn)上形成細(xì)小裂縫的多孔結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)填充、浸油或涂漆處理后，在大氣條件下具有較好的抗蝕性。圖3和圖4分別為中溫磷化和高溫磷化工件的表面磷化膜形貌。由圖可以看出磷化膜鍍層比較均勻。這是

21、因?yàn)楣ぜ念A(yù)處理好，酸洗時(shí)間合理。所以這次磷化還是比較成功的。4.2 磷化膜厚度測(cè)定利用金相顯微鏡分別對(duì)高溫磷化、中溫磷化試樣的磷化膜厚度進(jìn)行測(cè)定，具體工藝：鋸開(kāi)鑲嵌砂輪磨砂紙磨拋光腐蝕（3%硝酸酒精溶液）酒精洗烘干金相顯微鏡觀察測(cè)磷化膜厚度拍照片。并對(duì)磷化膜厚度進(jìn)行分析，磷化膜厚度是否合理，如果不合理，是薄了還是厚了，并分析原因以及提出相應(yīng)的解決方案。圖5中溫磷化膜層厚度（400） 圖6高溫磷化膜層厚度（400） 中溫磷化厚度：0.012mm 高溫磷化厚度：0.015mm分析：本次測(cè)定的磷化膜厚度比較合理，零件的材料和表面狀態(tài)、溫度等都對(duì)磷化膜的厚度有影響。高、中碳鋼和低合金鋼容易磷化，磷化膜黑而厚實(shí)。溫度高能加快磷化速度，提高附著力，硬度、耐蝕性。而此次磷化溫度合理準(zhǔn)確，因而最后得到的磷化膜厚度比較合理。4.3磷化后硬度測(cè)定利用顯微硬度儀在0.98N的壓力下測(cè)量已鍍?cè)嚇?/p>