材料表面工程培訓(xùn)教案

精品文檔精心整理精品文檔可編輯的精品文檔材料表面工程培訓(xùn)教案目錄：1、材料表面工程培訓(xùn)教案2、材料表面工程教案材料表面工程教案李遠(yuǎn)睿編寫重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2005年4月前言Foreword金屬材料表面工程學(xué)科是涉及范圍較廣的學(xué)科。總的目的是：在保證材料整體強(qiáng)度水平不降低的基礎(chǔ)上設(shè)法應(yīng)用不同的現(xiàn)代技術(shù)手段賦予材料表面各種所需要的性能。本課程在介紹了金屬表面的有關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)后，結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新的資料和信息及老師的科研實(shí)踐，分別講解：表面準(zhǔn)備、表面冷塑性變性強(qiáng)化、表面覆層強(qiáng)化，高能量密度表面強(qiáng)化與改性、表面淬火強(qiáng)化，化學(xué)熱處理表面強(qiáng)化及表面特殊涂覆處理和表面復(fù)合處理技術(shù)等內(nèi)容。由于在熱處理工藝學(xué)中學(xué)習(xí)了表面淬火強(qiáng)化和化學(xué)熱處理等方面的內(nèi)容，則在本課程中不再詳細(xì)討論了。一綜述：金屬材料表面工程學(xué)的地位。金屬材料，特別是鋼鐵材料，目前仍舊是機(jī)械,設(shè)備和工程構(gòu)件的主要材料。國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)曾對(duì)114個(gè)大型企業(yè)耗用材料的統(tǒng)計(jì)資料表明：鋼鐵材料占93.13%；有色金屬占1.85%；非金屬材料占5.2%。目前存在的主要問(wèn)題是：材料消耗多、利用率低、質(zhì)量欠穩(wěn)定、制成的零部件或工程結(jié)構(gòu)失效較早等。機(jī)械零件失效的主要形式：a塑性變形。原因是材料強(qiáng)度不足或過(guò)載使用；b斷裂。有韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂三種類型；c磨損。按磨損機(jī)理分為磨料磨損、沖蝕磨損、粘著磨損和疲勞磨損四類，各類磨損又可以細(xì)分為更具體的一些形式。d腐蝕。在環(huán)境及周圍介質(zhì)作用下，對(duì)金屬材料及零件的腐蝕。在以上四種失效形式中，磨損、疲勞和腐蝕占80%以上。由現(xiàn)代理化手段分析后證實(shí)：失效通常是從材料的表面開(kāi)始的，而且往往是因其表面性能不高所致。故研究金屬材料的表面及其相應(yīng)的強(qiáng)化方法有十分重要的意義。 二表面強(qiáng)化技術(shù)的分類及概況。1．分類。通常按表面強(qiáng)化技術(shù)的性質(zhì)分類，可以分為：a化學(xué)熱處理表面強(qiáng)化；b表面淬火強(qiáng)化；c表面覆層（化成處理覆層、覆襯、CVP、PVD薄膜和熱浸滲）強(qiáng)化及裝飾；d表面冷塑性變形強(qiáng)化；e表面復(fù)合強(qiáng)化；f表面高能量密度改性與強(qiáng)化。2．各類表面強(qiáng)化的概況。a化學(xué)熱處理表面強(qiáng)化。即用滲入原子在材料表層內(nèi)擴(kuò)散而形成人工內(nèi)污染層，以改變表層的化學(xué)成分為先決條件，再進(jìn)行不同處理后賦與表面和內(nèi)部不同的組織，從而具有不同性能的表面強(qiáng)化方法。例如：鋼的滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、熱浸滲和滲金屬等等。b表面淬火。不改變材料的化學(xué)成分，只是因表層相變而產(chǎn)生的強(qiáng)化方法稱為表面淬火。例如：高頻、中頻和表面感應(yīng)加熱淬火、火焰加熱表面淬火、電子束、激光（Laser）束加熱表面淬火等。c表面冷塑性變形強(qiáng)化。在金屬材料的再結(jié)晶溫度之下，使其表層發(fā)生冷塑性變形后達(dá)到表層加工硬化，彌補(bǔ)其表面輕微脫碳和細(xì)小缺陷并形成表層殘余壓應(yīng)力的強(qiáng)化方法稱為表面冷塑性變形強(qiáng)化。其顯著作用就是提高金屬材料及其制品的高周疲勞壽命，且材料本身強(qiáng)度愈高，其表面強(qiáng)化效果愈顯著。表面冷塑性變形強(qiáng)化的方法有：表面滾壓、內(nèi)孔擠壓和表層噴丸強(qiáng)化。其中，噴丸強(qiáng)化用得最普遍。d表面覆層強(qiáng)化及裝飾。使金屬表面獲得特殊的覆蓋層，以提高其耐磨、耐蝕、抗疲勞及裝飾等目的工藝方法都稱為表面覆層強(qiáng)化及裝飾。它分為：表面鍍膜，化成處理和表面覆襯。表面鍍膜主要有物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）和分子外延技術(shù)等；化成處理主要有：化學(xué)鍍、電鍍、發(fā)藍(lán)、發(fā)黑、磷化和鋁的陽(yáng)極氧化等；表面覆層主要為熱噴涂、熱堆焊覆層（襯）和用玻璃和地瀝清等覆襯于其表面，以達(dá)到耐熱、耐蝕、防滑、修復(fù)尺寸和防腐等目的。e高能量密度表面強(qiáng)化。以極高密度的能量作用于金屬表面使其發(fā)生物理、化學(xué)變化，達(dá)到強(qiáng)化或表面改性的目的稱為高能量密度表面強(qiáng)化。特點(diǎn)是：方法簡(jiǎn)單、時(shí)間短、變形小、高效率等，但設(shè)備復(fù)雜，造價(jià)高。采用：電子束、激光束、太陽(yáng)能和高頻沖擊表面感應(yīng)加熱等。能量密度：以電子束和激光束提供的能量密度最高，可達(dá)到：108~109W/cm2?；鹧婧透哳l加熱的能量密度為102~103W/cm2。Laser被美國(guó)和過(guò)俄羅斯首先用于工業(yè)處理上,我國(guó)上海光機(jī)所于90年代曾用于齒輪的齒面淬火。f表面復(fù)合處理。將兩種或兩種以上的表面處理(或強(qiáng)化)工藝用于同一工件的表面強(qiáng)化的方法稱為表面復(fù)合處理。目的：發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn),更大限度地提高金屬的表面性能。例如：熱浸鍍鋁+熱擴(kuò)散,使鍍層結(jié)合牢固;滲碳熱處理+噴丸;感應(yīng)加熱淬火+噴丸等。三表面工程與技術(shù)的發(fā)展方向1．特點(diǎn)。使金屬材料基體強(qiáng)度不變的前題條件下，設(shè)法使其表面具有各種優(yōu)異的特殊性能。例如：高硬度、高耐磨性、耐蝕、抗疲勞（接觸、高周、腐蝕疲勞等）特殊的物理和化學(xué)性能（反光、吸收電磁波、發(fā)光、電導(dǎo)、電絕緣性能和生物相容性涂層等）。此外，還有裝飾作用。2．發(fā)展。以化學(xué)熱處理為例，采用微機(jī)配以先進(jìn)的傳感元件進(jìn)行碳、氮?jiǎng)菘刂?；運(yùn)用可控氣氛實(shí)現(xiàn)少無(wú)氧化加熱等。以表面許需要的特有性能為例：船甲板的防滑處理等；以特殊的物理性能為例，發(fā)光涂層，吸收電磁波的涂層生物容性涂層等。3．教育部曾以征求意見(jiàn)的形式下達(dá)文件，建議將《表面強(qiáng)化處理和熱處理》作為培養(yǎng)材料學(xué)科的碩士研究生的八大專業(yè)課題之一。自1992年以后，國(guó)際上將材料熱處理大會(huì)改為材料及表面工程大會(huì)。四涉及學(xué)科：在學(xué)完材料科學(xué)基礎(chǔ)、熱處理原理及工藝、工程材料、大學(xué)物理、化學(xué)和物理化學(xué)等課程之后，學(xué)習(xí)表面工程與技術(shù)。思考題11．機(jī)械零件、工模具和工程構(gòu)件失效的主要形式有哪些？研究并開(kāi)發(fā)表面工程與技術(shù)有何意義？有塑性變形，斷裂、磨損和腐蝕四種失效形式。后三種占80%以上，現(xiàn)代理化手段分析表明，后三種失效均是從金屬材料的表面開(kāi)始的。因此，提高其表面質(zhì)量，研究表面處理方法等有重大的意義。2．金屬材料表面處理有哪六類基本的方法？各自的主要特點(diǎn)是什么？有化學(xué)熱處理表面強(qiáng)化，表面冷塑性變形強(qiáng)化，表面覆層，表面淬火強(qiáng)化，高能量密度表面強(qiáng)化與改性和表面復(fù)合強(qiáng)化等6種。各自的特點(diǎn)是：（略）。CHAPTERONE金屬的表面（THESURFACEOFMETALS）金屬的表面直接承受各種負(fù)載，被磨損，并與介質(zhì)作用，往往承受的應(yīng)力最大，且表面原子間受力不是三維對(duì)稱的，故其成分、組織和性能與內(nèi)部迥然不同。因而，認(rèn)識(shí)金屬的表面對(duì)于強(qiáng)化它十分重要?！?—1金屬的界面和表面一界面1．定義。界面是一種二維的結(jié)構(gòu)缺陷。在所論的體系中，結(jié)構(gòu)和成分不同的區(qū)域間，或結(jié)構(gòu)和成分均相同，但取向不同的兩晶粒間的交界面稱為界面。前者稱相界而后者稱為晶界。2．金屬及合金的界面種類。分外表面和內(nèi)外表面兩大類。外表面即金屬與合金和周維環(huán)境間的過(guò)渡區(qū)；內(nèi)表面有：晶界、相界、亞晶界、孿晶界、層錯(cuò)界及胞壁界等。二金屬的表面1．定義。金屬或合金與周維環(huán)境（氣相、液相和真空）間的過(guò)渡區(qū)稱為金屬的表面。因環(huán)境不同，過(guò)渡區(qū)的組成和深度不同。2．三種情況的金屬表面。a純凈表面。大塊晶體的三維周期結(jié)構(gòu)與真空間的過(guò)渡區(qū)域稱為純凈表面。它包括所有不具有體內(nèi)三維周期性的原子層，常為一個(gè)到幾個(gè)原子層厚，約5~10?。b清潔表面。不存在有表面化合物，僅有氣體和洗滌物的殘留吸附層的金屬表面稱為清潔表面，清潔表面又稱為工業(yè)純凈表面。表面處理及強(qiáng)化時(shí)通常均要求金屬表面先成為清潔表面，如：電鍍、發(fā)藍(lán)、磷化、噴涂、熱浸滲和氣相沉積等。c污染表面。表面存在金屬以外的物質(zhì)。由于清潔表面會(huì)與環(huán)境中的空氣、水、油、酸、堿、鹽等作用，會(huì)很快形成如下常見(jiàn)類型的污染表面：(1)氧化物層。即金屬與氧化性氣體間的過(guò)渡區(qū)（層），表示為：—M—M—MxOy-—O2—O—O2—O2。(2)氫氧化物層。即金屬與水之間的過(guò)渡區(qū)（層），表示為—M—M—MX（OH）Y-OH—H2O—H2O。HH(3)水吸附層。即金屬吸附水的過(guò)渡層，表示為：—M—OH…OHH(4)有機(jī)物污染層。高（低）分子有機(jī)物與金屬表面形成強(qiáng)或弱的結(jié)合過(guò)渡層。(5)無(wú)機(jī)物污染層。cl2、S等無(wú)機(jī)物被吸附于金屬表面并生成的腐蝕層。(6)內(nèi)污染層（人工污染層）。C、N、S、B及異類金屬原子等滲入金屬的表層而形成的滲入型污染層稱為內(nèi)污染層，但內(nèi)污染發(fā)生后金屬表面仍具有金屬光澤。表面凈化。a定義。將污染表面制備成純凈表面或清潔表面的過(guò)程稱為表面凈化。b純凈表面的凈化方法。（1）條件：需要去除金屬的表面化合物和表面的吸附層；（2）防止二次污染：這是十分困難的，必須在高真空條件下進(jìn)行。具體做法是：1）離子濺射法。將有清潔表面的金屬置于壓力為133.32X10-9Pa的高真空環(huán)境內(nèi)，用氬離子進(jìn)行轟擊濺射；為防止二次污染，減少因轟擊造成的表面損傷，氬氣的壓力在133.32X10-3Pa以下，離子加速電壓為200~500V；轟擊后在真空退火時(shí)為了避免雜質(zhì)向表面聚集，應(yīng)當(dāng)采取離子濺射與真空退火交替進(jìn)行。離子濺射法還用于對(duì)金屬進(jìn)行逐層剝離，從而可以對(duì)一定深度的表面層進(jìn)行逐層研究。此法還可以直接用于離子鍍滲，離子滲氮及離子注入等表面技術(shù)領(lǐng)域中。2）真空退火法。將金屬表面凈化到清潔表面程度后，再進(jìn)行真空退火，亦可以得到純凈表面。 3）真空臂分法。對(duì)具有容易分開(kāi)的晶面的單晶體物質(zhì)，可以在高真空下用臂分的分法得到純凈的金屬表面，但臂分法不實(shí)用于金屬。這是因?yàn)榻饘冁I結(jié)合牢固，難以用臂分的方法將其打開(kāi)的原故。c清潔表面（工業(yè)純凈表面）的凈化方法。遠(yuǎn)較制備純凈表面容易，可采用磨削、酸洗、噴砂和用氫還原等方法除去金屬表面的氧化物，用脫脂洗滌劑進(jìn)行脫脂清洗等。由于是在空氣中進(jìn)行，往往拌有吸附和二次污染等。有清潔表面的金屬用于電鍍、表面氧化、磷化、上漆等工藝是有良好效果的。d不同表面的區(qū)分。以上所講的三種表面是污染層程度不相同的表面，是相對(duì)的，可采用低能電子衍射法加以區(qū)別，如圖1.1示。純凈表面清潔表面污染表面圖1.1三種表面的低能電子衍射圖e表面凈化的目的。（1）研究金屬表面的結(jié)構(gòu)、成分及性能；（2）強(qiáng)化表面或?qū)Ρ砻孢M(jìn)行其它各種處理時(shí)往往要先進(jìn)行表面凈化。f表面污染技術(shù)。指化學(xué)熱處理的內(nèi)污染技術(shù)和表面層的外污染技術(shù)兩大類。表面及表面層。a極表面。表面的單原子層或單分子層稱為極表面。極表面的成分、組織和能量狀態(tài)均與內(nèi)部有很大的差異；極表面直接與環(huán)境接觸并相互作用，故對(duì)表面強(qiáng)化工藝、物理化學(xué)性能和力學(xué)性能的影響極大。b表面層。表面以下數(shù)毫米或數(shù)微米的區(qū)域?qū)儆诒砻鎸?。此范圍的成分、組織及性能亦不同于內(nèi)部：冷加工后的金屬表面有一層塑變層，存在殘余壓應(yīng)力，會(huì)發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶等；合金表層有成分偏析；表面處理后的金屬有滲層、鍍層、覆層、氧化層及塑變層等。通常，從實(shí)用角度測(cè)定表面層的厚度?！?—2表面自由能與表面張力（SurfaceFreeEnergyandSurfaceTensron）固體和液體的表面均處于空間三向不對(duì)稱狀態(tài)，故存在表面自由能和表面張力。正是如此，對(duì)其表面性能影響極大，應(yīng)予以充分重視。一液體的表面自由能及表面張力。1液體的表面自由能。a產(chǎn)生原因。液體（含液體金屬）的表面原子受到向內(nèi)的力的作用，欲使其內(nèi)部原子轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻嬖?，即增大表面積，就必須做功，從而形成表面能。b定義。增大表面積所需要的能量就是表面自由能。2表面張力。a產(chǎn)生原因。處于表面的原子在向內(nèi)的拉力作用下，有進(jìn)入液體內(nèi)部的趨勢(shì)，即縮小表面積的趨勢(shì)，從而產(chǎn)生表面張力。b定義。液體表面切線方向上存在的使其表面積縮小的力稱為表面張力。表面自由能與表面張力。a實(shí)驗(yàn)。如圖1.2在無(wú)摩擦的活動(dòng)邊AB的鐵絲框上涂滿肥皂沫，為使膜不收縮，應(yīng)在活動(dòng)邊上加外力F。試驗(yàn)證明：施加的外力F與活動(dòng)邊邊長(zhǎng)L成正比，即F=2σL。xLFABσσσ所以：σ=F/xLFABσσσ圖1.2液體的表面張力比例常數(shù)б即為表面張力(或張力系數(shù)),乘以2是因?yàn)橐耗び袃蓚€(gè)表面。表面張力的方向與液面相切，且力圖使表面積縮小，其單位為：N/M；or：MN/M。b.表面自由能。若使圖1.2的活動(dòng)邊ab移動(dòng)dx的距離，距表面自由能的定義，表面自由能與液膜面積的變化關(guān)系為：G=F?dx=2бL?dx（1—2）稱單位面積的表面自由能為比表面自由能，為：FS=G/S=2бL?dx/2L?dx=б（1—3）因此，液體的比表面自由能fS與表面張力б在數(shù)值上是相等的，比表面自由能單位為：J/M2or：MJ/M2。實(shí)際上，1J/M2=1N?M/M2=N/M，故二者是有聯(lián)系的。但一個(gè)是單位面積的能，而另一個(gè)則為單位長(zhǎng)度的力。二金屬表面自由能與表面張力。1．金屬表面的特點(diǎn)（相對(duì)液體表面）。a金屬表面原子移動(dòng)困難。在表面張力的作用下，金屬表面不會(huì)自由收縮。b晶體應(yīng)是各向異性的。處于表面上不同晶面的原子排列不相同。c合金的表面是由不同的原子組成，并會(huì)出現(xiàn)表面偏析現(xiàn)象。2．金屬表面自由能的主要成分。a表面自由能的產(chǎn)生。為將金屬晶體的原子呈現(xiàn)于表面，必須割斷分離面之間的原子結(jié)合鍵，若金屬的配位數(shù)為Z，原子總數(shù)為N0，則原子鍵總數(shù)為：1/2Z?N0，則鍵能ε的計(jì)算公式為：ε=△HS/(0.5?Z?N0)=2?△HS/Z?N0(1-4)△HS：晶體的升華熱。b不同晶面呈現(xiàn)于表面所需要的能量不同。由于各晶面原子排列不相同，因而欲將不同晶面的原子呈現(xiàn)于表面所需要切斷的鍵數(shù)是不一樣的。例如，面心立方晶體的（100）、（110）和（111）晶面相比，（111）晶面原子排列最密，該面上的每個(gè)原子有6個(gè)相鄰原子，且它的上、下兩個(gè)面上還有3個(gè)相鄰原子，故配位數(shù)為12。若將（111）晶面呈于表面，對(duì)分離面上的每個(gè)原子應(yīng)切斷的鍵數(shù)為3，又因切斷后同時(shí)形成了2個(gè)分離面（表面），故對(duì)每一個(gè)表面上的1個(gè)原子來(lái)說(shuō)，應(yīng)切斷的鍵數(shù)為3/2個(gè)。(111)(110)(111)(110)圖1.3面心立方晶格的晶面.圖1.4Wulff圖由圖1.3同理推知，欲使面心立方晶體的（110）晶面和（100）晶面分開(kāi)并呈現(xiàn)于表面應(yīng)切斷的鍵數(shù)對(duì)每個(gè)原子來(lái)說(shuō)均為2個(gè)，較密排面（111）多。故：將最密排面呈現(xiàn)于表面需切斷的原子鍵數(shù)最少，故最密排面呈現(xiàn)于表面后所具有的表面能與最低。c表面自由能的主要部分。被切斷的鍵數(shù)就是具有剩余能量的不飽和鍵數(shù)，它是表面自由能的主要部分（忽略表面熵的影響）。d最密排面易呈現(xiàn)于表面的原因.。據(jù)不飽和鍵數(shù)的多少就可以說(shuō)明表面自由能的大小。顯然,面心晶格的最密排面（111）面的不飽和鍵數(shù)的數(shù)量最少，故切斷并呈現(xiàn)于表面后其表面自由能最低。因此，從熱力學(xué)上看晶體最容易將其表面能最低的密排面呈現(xiàn)于表面。3．晶體的表面張力。a晶體表面的張力具有方向性。晶體的表面張力在不同晶向上可能是不相同的。b低指數(shù)晶面具有最小的表面張力。圖1.4是具有簡(jiǎn)單立方晶體的表面張力分布圖，即Wulff圖。圖中的半徑矢量表示與它垂直的晶面上的表面張力的大小。由該圖看出：低指數(shù)晶面具有最小的表面張力。4.合金的表面能及表面張力。a合金產(chǎn)生表面偏析的原因。當(dāng)合金形成一個(gè)新的表面時(shí)，據(jù)表面自由能最小原理，其表面成分常常會(huì)改變而出現(xiàn)表面偏析現(xiàn)象。那些能降低表面自由能的合金元素容易向表面偏析而富集于表面；而使表面自由能增大的元素，則會(huì)離開(kāi)表面移向內(nèi)部，使表面合金元素貧化。b“表面過(guò)剩”。表面某一組元的數(shù)量出現(xiàn)表面偏析而大于或者小于其體相區(qū)的同一組元的數(shù)量，就出現(xiàn)了表面過(guò)?，F(xiàn)象。這樣，當(dāng)合金形成新的表面時(shí)，不但要切斷結(jié)合鍵而消耗能量，而且還要考慮與表面成分相聯(lián)系的化學(xué)能的改變，因而:fs=б+∑μi.ni/S (1-5)fs=б+∑μi.Γi (1-6) 其中：ni為i組元在表面層中超過(guò)體相區(qū)的摩爾分?jǐn)?shù)；μi為i組元素對(duì)應(yīng)于表面積為S的表面的化學(xué)位；гi為單位表面積的表面過(guò)剩摩爾分?jǐn)?shù)(即當(dāng)體相區(qū)與表面區(qū)的溶劑摩爾分?jǐn)?shù)相同時(shí),單位表面積上(1cm2)的組元i超過(guò)體相區(qū)內(nèi)同一組元的摩爾分?jǐn)?shù))。顯然，對(duì)于合金來(lái)說(shuō)（見(jiàn)1-6式），fs≠б，但fs≈б。因而，在討論時(shí)常常沒(méi)有嚴(yán)格區(qū)別，特別是當(dāng)溶質(zhì)（合金元素）含量很低時(shí)。金屬的力學(xué)性能與表面自由能的關(guān)系。a?；钚越橘|(zhì)與金屬接觸后，使金屬的表面自由能下降，導(dǎo)致金屬材料強(qiáng)度和塑性發(fā)生變化的效應(yīng)稱為萊賓杰爾效應(yīng)。且任何固體表面均存在這種現(xiàn)象。例如：玻璃和石膏吸附水蒸汽后，使其強(qiáng)度顯著下降；Cu表面覆蓋熔融薄膜后，使其高塑性喪失等。b萊賓杰爾效應(yīng)的特點(diǎn)。（1）有明顯的選擇性。只有那些對(duì)金屬表面來(lái)說(shuō)是活性的介質(zhì)才會(huì)產(chǎn)生萊賓杰爾效應(yīng)。例如，只有對(duì)該金屬為表面活性的液體金屬才能改變某一固體金屬的力學(xué)性能，降低其強(qiáng)度及塑性。（2）與溶解和腐蝕不同，只需很少的活性物質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生萊賓杰爾效應(yīng)。（3）萊賓杰爾效應(yīng)產(chǎn)生的速度極快，表面活性介質(zhì)與金屬表面一接觸，立即會(huì)改變材料的力學(xué)性能。通常，金屬表面浸潤(rùn)一定的熔融金屬，或其他表面活性物質(zhì)后，其力學(xué)性能實(shí)際上很快改變。（4）萊賓杰爾效應(yīng)具有可逆性，一旦去除金屬表面的活性介質(zhì)，其力學(xué)性能會(huì)立即恢復(fù)到原狀。（5）萊賓杰爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要拉應(yīng)力和表面活性物質(zhì)同時(shí)起作用。活性介質(zhì)（液體金屬）對(duì)無(wú)應(yīng)力試樣的作用不顯著。c萊賓杰爾效應(yīng)的實(shí)質(zhì)。我們知道材料的力學(xué)性能與其表面力學(xué)性能之間有密切的關(guān)系，而表面強(qiáng)度又與表面能密切相關(guān)，它們均屬原子間結(jié)合力的宏觀特征。當(dāng)金屬表面吸附了活性介質(zhì)之后，使表面原子的不飽和鍵得到了一定程度的補(bǔ)償，從而降低了表面能，改變了表面原子間的相互作用，降低了金屬表面層的強(qiáng)度，從而降低了金屬材料的力學(xué)性能，這就是萊賓杰爾效應(yīng)產(chǎn)生的根本原因。d萊賓杰爾效應(yīng)的作用。生產(chǎn)上利用此效應(yīng)提高金屬加工（壓力加工）、切削、磨制和破碎的效率，大量節(jié)能；另外，應(yīng)當(dāng)注意因萊賓杰爾效應(yīng)而產(chǎn)生的材料的早期破壞。三．金屬表面的結(jié)構(gòu)。1．金屬表面形貌。a基本特征。由表面的粗糙度和波度構(gòu)成了金屬的表面形貌。b粗糙度。加工表面所具有的微小凹凸和微小峰谷所組成的微觀幾何形狀就構(gòu)成了其特征，粗糙度的波距與波深之比常常為150：1~5。c波度。金屬表面呈波浪形的有規(guī)律和無(wú)規(guī)律的表面反復(fù)結(jié)構(gòu)誤差稱為波。波度的濃距與波深的比為：1000：1~100。經(jīng)過(guò)精磨和精研的金屬表面從峰頂?shù)椒骞雀叨燃s為0.05μm；一般研磨加工后為1—10μm；粗加工的表面可達(dá)到50μm以上，而沿表面峰頂間的距離為0.5~10μm，但波度峰間距要大得多。常用觸針計(jì)量法測(cè)得的輪廓線及水平方向縮尺測(cè)的輪廓線來(lái)繪制金屬表面的輪廓圖，見(jiàn)圖1.5示。a.用觸針計(jì)量法得到的表面輪廓線 b.經(jīng)水平方向縮尺的表面輪廓線 圖1.5 觸針計(jì)量法與水平方向縮尺2．金屬的表面形貌對(duì)表面性能的影響。顯然，金屬的表面形貌特征對(duì)金屬的表面性能，對(duì)金屬與金屬之間，金屬與環(huán)境間的接觸面積，對(duì)表面的化學(xué)成分和組織等均會(huì)產(chǎn)生影響。具體為：a位于粗糙表面的原子具有較正常相鄰原子數(shù)目的原子有更高的能量，更高的表面自由能和表面流動(dòng)性。b影響金屬表面間的實(shí)際接觸面積和接觸性質(zhì)。金屬表面間的接觸是微凸體間的接觸，故實(shí)際接觸面積小于表觀幾何面積。而微凸體間的接觸性質(zhì)有彈性接觸和塑性接觸兩種。當(dāng)然，實(shí)際接觸性質(zhì)與實(shí)際接觸面積除與表面形貌有關(guān)外，還和材料的彈性模量，硬度及外加載荷等有關(guān)。c金屬的實(shí)際表面積大于表觀幾何面積（投影面積）。即是經(jīng)過(guò)仔細(xì)磨研的金屬的實(shí)際表面積也較表觀面積大2倍以上。因而增大了與介質(zhì)接觸的實(shí)際面積，降低了抗蝕能力?？膳e一例說(shuō)明：拋光的金屬材料在同一介質(zhì)環(huán)境中較未拋光者更耐腐蝕。d粗糙不同的金屬表面常具有與內(nèi)部不相同的成分和組織。這是由于加工時(shí)的高應(yīng)力和高溫造成的，或者是金屬間的摩擦造成的。金屬的表面形貌對(duì)研究金屬的疲勞強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性和化學(xué)熱處理過(guò)程等均有極為重要的影響。3．加工后的表面層組織。金屬經(jīng)磨削、研磨及拋光后，會(huì)形成如圖1.6那樣的具有特殊結(jié)構(gòu)的表面層。說(shuō)明：圖1.6金屬表層組織結(jié)構(gòu)示意圖a微晶層。Beilby指出：經(jīng)過(guò)磨削和拋光的金屬表面會(huì)形成約1—100nm厚的特殊結(jié)構(gòu)的表面層，即微晶層又稱為Beilby層。該層具有非金屬液膜似的外觀，不僅能將表面覆蓋得很平滑，而且能流入裂紋及劃痕等表面不規(guī)則處。由晶體表面的電子衍射證明：該層是晶粒微小的微晶層。b塑性變形層。在Beilby層的內(nèi)部是塑性變形層。塑變程度和它的深度有關(guān)（見(jiàn)圖0102030(μm)0102030(μm)54321塑變深度ε變形量圖1.7 研磨后的黃銅的塑性變形量和深度有關(guān)c其它變質(zhì)層。由于機(jī)加工的高應(yīng)力和高溫作用,金屬表面還可能產(chǎn)生一些變質(zhì)層:(1)形成孿晶。Zn,Ti等非立方結(jié)構(gòu)的金屬表層會(huì)形成孿晶;(2)發(fā)生相變。18-8型奧代體不銹鋼，β黃銅、鋼中的殘余奧氏體，高錳鋼等會(huì)形成相變質(zhì)；(3)發(fā)生再結(jié)晶。Sn、Pb、Zn等低熔點(diǎn)金屬加工后表層能夠形成再結(jié)晶層。(4)發(fā)生時(shí)效和出現(xiàn)表層裂紋等?！?—3金屬表面的晶體結(jié)構(gòu)TheCrytalStructureofMetalSurface.金屬表面的原子不象體相區(qū)的原子那樣彼此間是處于平衡受力狀態(tài)，故為使其表面原子盡可能地具有最低的表面自由能及表面張力，金屬的表面原子將不再處于象體相區(qū)的原子那樣的平衡位置，因而應(yīng)當(dāng)研究其表面的晶體結(jié)構(gòu)。一理想表面與實(shí)際表面1．理想表面a定義。向無(wú)限晶體內(nèi)插入一個(gè)平面并切斷插入面兩側(cè)的原子結(jié)合鍵能后，將其分為兩部分而形成的兩個(gè)新的表面稱為理想表面（見(jiàn)圖1.8）。圖1.8理想表面形成示意圖b特點(diǎn)。此過(guò)程中除了晶體附加了一組邊界條件外，無(wú)任何其它改變。在半無(wú)限晶體內(nèi)部，原子和電子的狀態(tài)與原來(lái)無(wú)限晶體的情況一樣。然而，這種理想表面實(shí)際不存在。2．實(shí)際表面。a表面相。表面相是與理想表面不相同的實(shí)際表面。此概念由J、W、Gibbs由于1877年首先提出的，他指出：在氣固相界面處存在一種二維凝聚物相。b實(shí)際表面的特點(diǎn)。(1)表面原子會(huì)產(chǎn)生馳豫及重構(gòu)。如圖1-9示，當(dāng)新表面形成時(shí)，因晶體的三維對(duì)稱性和連續(xù)性被破壞，表面產(chǎn)生自由能和表面張力。雖然固體表面的原子不能象液體那樣流動(dòng)而改變表面的形狀，但能產(chǎn)生偏離原三維晶體的平衡位置的移動(dòng)。上、下移動(dòng)而形成“馳豫”；平行表面方向上原子的位移稱為“重構(gòu)”。馳豫重構(gòu)馳豫重構(gòu)圖1.9表面原子的馳豫與重構(gòu)由于垂直方向上的馳豫和水平方向上的重構(gòu)，使金屬表面上原子的排列與內(nèi)部不同，甚至形成另一種結(jié)構(gòu)相。如Au、Pt的純凈表面（001）與體內(nèi)不同，表面原子呈密排六方結(jié)構(gòu)排列，而體內(nèi)依舊為面心立方晶格。(2)合金的表面偏析，合金表面的化學(xué)成分通常不同于體相內(nèi)部，表面上溶質(zhì)原子的增加和減少的現(xiàn)象稱為表面偏析，由于這種偏析是在平衡條件下進(jìn)行的，故稱為平衡表面偏析（見(jiàn)圖1.10。用表面過(guò)剩量Γi表示偏析程度： Γi=ni/S=-1/RT(?σ/?lnni)（1-7）a.表面偏析b.表面吸附圖1.10金屬的表面偏析和表面吸附上式即為Gibbs表面吸附方程，其中：ni為i組元在表面層中超過(guò)體相區(qū)的摩爾分?jǐn)?shù)。用（1.7）式討論合金元素的表面偏析：當(dāng)i組元使表面張力?б↓時(shí)，則：?σ/?lnni<0，而Γi>0，使表面相中相中i組元含量增加；反之，會(huì)使i組元在表面相中貧化。鋼中的C、N、B、P等均會(huì)不同程度地存在表面偏析和界面偏析現(xiàn)象。(3)表面吸附和表面化合物。金屬表面由于與周圍介質(zhì)作用可以產(chǎn)生吸附和化學(xué)反應(yīng)而形成表面吸附層和表面化合物層。另外，還可以形成各種表面結(jié)構(gòu)：形成單層的有序排列原子；向外延伸長(zhǎng)成多層有序結(jié)構(gòu)；吸附原子與金屬表面層原子相結(jié)合；組成固體或表面化合物等。(4)表面缺陷。實(shí)際金屬的表面存在著各種晶體缺陷，例如：位錯(cuò)露頭，臺(tái)階、空位和凹坑等。它們對(duì)金屬表面吸附、表面偏析、表面化學(xué)活性及表面多相催化反應(yīng)等均會(huì)有重要的影響。二二維晶體結(jié)構(gòu)。二維布拉菲晶格。a定義。任何一個(gè)二維周期性的結(jié)構(gòu)均可用一個(gè)二維晶格（點(diǎn)陳）加上結(jié)點(diǎn)（陣點(diǎn)）來(lái)描述，稱為二維晶格。顯然此種晶格是呈二維周期性排列而形成的無(wú)限平面點(diǎn)陣，每個(gè)結(jié)點(diǎn)周圍的情況是相同的。b二維晶格的分析方法。用平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和反應(yīng)它們的復(fù)合操作來(lái)討論二維晶格的組成和特點(diǎn)。在二維晶格中，所有的特點(diǎn)均可由原點(diǎn)通過(guò)下列平移達(dá)到：T=n1a+n2b(1-8) 其中a、b是二維晶格晶胞的基矢量；n1和n2是任意整數(shù)。 c二維晶胞。由基矢量a、b所組成的平行四邊形稱為二維晶胞。顯然，基矢量a、b平移時(shí)，整個(gè)二維周期結(jié)構(gòu)保持不變，所有的平移操作形成了表面結(jié)構(gòu)的平移群，平移群確定了表面結(jié)構(gòu)的二維周期性。d五種二維布拉晶格，有斜方晶格，正方晶格，長(zhǎng)方晶格，六方晶格和中心長(zhǎng)方晶格等五種二維晶格（見(jiàn)圖1.11）。斜方晶格正方晶格 長(zhǎng)方晶格 六方晶格中心長(zhǎng)方晶格 |a|≠|(zhì)b||a|=|b||a|≠|(zhì)b| |a|=|b||a|≠|(zhì)b|γ≠900γ=900γ=900 γ=1200γ=900 圖1.11五種布拉菲二維晶格及晶胞二維晶列指數(shù)。a二維晶列。二維晶格排列在平行直線上的結(jié)點(diǎn)形成二維晶胞中的平行晶列。b二維晶格的表示。在平面上取一坐標(biāo)系，令坐標(biāo)軸與基矢量a和b平行，設(shè)晶列在a、b軸上的交點(diǎn)坐標(biāo)為S1a和S2b，取1/S1:1/S2=h1:h2為一互質(zhì)的整數(shù)，則(h1、h2)§1—4金屬表面現(xiàn)象及表面反應(yīng)Thesurfaceandreaticonofmetals一表面現(xiàn)象。綜述a定義。具有確切表面的液體和固體表面上產(chǎn)生的各種物理及化學(xué)現(xiàn)象稱為表面現(xiàn)象。b種類。金屬表面有表面擴(kuò)散、吸附、潤(rùn)濕、沾著和毛細(xì)現(xiàn)象等表面現(xiàn)象。c意義。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上廣泛利用金屬的各種表面現(xiàn)象，例如：選礦、排渣和多相催化反應(yīng)等。在鑄造、焊接、金屬表面技術(shù)及防護(hù)，表面涂覆等均涉及。d關(guān)系。金屬的各種表面現(xiàn)象與表面自由能密切相關(guān)并普遍存在于多相體系內(nèi)。2．表面擴(kuò)散。物質(zhì)中原子或分子的遷移現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。它們由Fick第Ⅰ和第Ⅱ定律來(lái)描述,擴(kuò)散過(guò)程中原子平均擴(kuò)散距離x為:x=CDt。其中，t為擴(kuò)散時(shí)間;C為受幾何因素影響的常數(shù);D為擴(kuò)散速度,決定擴(kuò)散系數(shù)大與小。D=D0exp(-Q/RT)Q為擴(kuò)散激活能,受材料的晶格結(jié)構(gòu),固溶體的類型,合金元素的濃度及含量和擴(kuò)散路徑等因素的影響。實(shí)際上,原子的擴(kuò)散途徑除了最基本的擴(kuò)散過(guò)程外,還有表面擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散和位錯(cuò)擴(kuò)散。固體中,后三種擴(kuò)散均比體擴(kuò)散快,故又稱為短路擴(kuò)散。另外,在擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程中,固體表面的原子活動(dòng)能力最高,其次為界面原子,再其次為位錯(cuò)原子,而體相區(qū)原子的擴(kuò)散能力最低。所以：Q表<Q界<Q位<Q體。則：D表﹥D屆﹥D位﹥D體。這是因?yàn)楸砻嬖邮艿降氖`較晶界和晶內(nèi)低得多,原子在表面遷移的能量小得多。所以,表面擴(kuò)散在表面工程技術(shù)中的薄膜形核及長(zhǎng)大過(guò)程中起十分重要的作用。3．吸附現(xiàn)象。a現(xiàn)象。當(dāng)氣體和液體與固體表面接觸時(shí)，在固體表面的氣體或液體增加或減少的現(xiàn)象稱為吸附現(xiàn)象b正、負(fù)吸附。若固體表面的液體或氣體比內(nèi)部的濃度升高，稱為正吸附；相反，則稱為負(fù)吸附。c內(nèi)、外吸附。表面吸附外來(lái)物質(zhì)稱為外吸附，表面偏析或界面偏析稱為內(nèi)吸附。d吸附本質(zhì)。表面吸附的熱力學(xué)本質(zhì)是最小自由能原理，于恒溫恒壓下的自由能最低時(shí)，體系才處于穩(wěn)定的狀態(tài)。設(shè)表面積為S的表面張力為б（or:fs），體系的表面自由能為：E=бsor:E+fs?s。所以：dE=б?ds+s?dб(1-9) 若表面積S為常數(shù)，有： dE=б?ds(1-10)用（1—10）式來(lái)討論：欲使體系的表面自由能降低，應(yīng)當(dāng)使dб<0，б減小（dб<0）。因而，表面現(xiàn)象是自然而普遍的現(xiàn)象。故金屬表面吸附現(xiàn)象的熱力學(xué)原因是其需表面張力б下降。當(dāng)金屬表面產(chǎn)生吸附現(xiàn)象時(shí)，其表面原子的不飽和鍵傾向飽和，其熱力學(xué)本質(zhì)是：吸附使其表面自由能下降。e金屬表面對(duì)氣體介質(zhì)的吸附。進(jìn)行氣體化學(xué)熱處理時(shí)，金屬表面對(duì)氣體介質(zhì)的吸附是影響整個(gè)工藝過(guò)程的重要因素，而金屬表面的性質(zhì)（吸附劑）介質(zhì)（吸附質(zhì)），表面形貌，壓力和溫度是影響吸附量的重要因素。為了討論吸附量(Q)、溫度(T)和壓力(P)三者得關(guān)系,可將其中的一個(gè)保持不變,從而得到不同的吸附曲線,見(jiàn)圖示1.12。a吸附等壓示意圖b吸附等量示意圖圖1.12吸附等壓線與吸附等溫線平衡吸附量（平衡吸附量（kg/mol）04812161.20.80.4O2N2×105Pa0306090120030609012010.5O2N2相對(duì)吸附率×100時(shí)間（分） C碳分子篩對(duì)O2和N2的吸附等溫線d碳分子篩對(duì)O2和N2的相對(duì)吸附量圖1.13碳分子篩對(duì)O2和N2的相對(duì)吸附量碳分子篩對(duì)O2和N2的相對(duì)吸附量見(jiàn)圖1.13所示。利用碳分子篩對(duì)O2和N2的相對(duì)吸附量不同,特別是氧的相對(duì)吸附率大于氮的特點(diǎn),采用變壓吸附的方法,可以對(duì)空氣中的氮進(jìn)行濃縮,制備氮基可控氣氛作保護(hù)氣或進(jìn)行各種化學(xué)熱處理。f金屬對(duì)溶液的吸附。液體化學(xué)熱處理過(guò)程中涉及金屬表面對(duì)溶液的吸附現(xiàn)象。它受到金屬表面、溶液和溶質(zhì)三者關(guān)系的影響：⑴使金屬表面自由能下降得愈多得溶質(zhì)，吸附量愈多；⑵極性吸附劑容易吸附極性吸附質(zhì)；⑶溶解度小的溶質(zhì)，吸附量愈多，更容易被吸附；⑷對(duì)溶液的吸附也是放熱過(guò)程，故溫度升高，吸附量下降．３．潤(rùn)濕和粘著。a潤(rùn)濕。(1)現(xiàn)象。潤(rùn)濕是液體對(duì)固體表面接觸時(shí)產(chǎn)生的一種表面現(xiàn)象，其程度用液體在固體表面的展開(kāi)程度來(lái)說(shuō)明。(2)潤(rùn)濕的定性討論。如圖1.14示，潤(rùn)濕角，當(dāng)液體在固體表面時(shí)會(huì)形成三個(gè)界面，故而存在бsg、бsl和бgl三個(gè)表面張力．稱бsg和бgl間的夾角為潤(rùn)濕角。顯然，θ角愈大,潤(rùn)濕程度愈小。稱：θ＞９０度時(shí)為不潤(rùn)濕；θ＜９０度為潤(rùn)濕。由圖1.1４知：бsg＝бsl＋бglcosθ (1-11) 則:cosθ=(бgs-бsl)/бlg(1-12)圖1.14水滴在石蠟及玻璃上的潤(rùn)濕情況∴當(dāng)бsg＞бsl時(shí)，cosθ＞０，則θ＜９０°度,潤(rùn)濕;當(dāng)бsg＜бsl時(shí)，cosθ＜０，則θ＞９０°度，不潤(rùn)濕。(3)潤(rùn)濕的熱力學(xué)本質(zhì)。據(jù)熱力學(xué)最小自由能原理,在dE=Sdб+бds式中,當(dāng)б和S均可變時(shí),為降低體系的界面能,應(yīng)使界面張力大的界面縮小,并擴(kuò)展界面張力小的界面,若бsg>бsl則因擴(kuò)展S-L界面,方可降低體系的界面能。此即為潤(rùn)濕的熱力學(xué)本質(zhì)。(4)潤(rùn)濕的作用。熔鹽對(duì)金屬表面的潤(rùn)濕影響其傳熱與傳質(zhì),覆層表面處理時(shí)潤(rùn)濕程度對(duì)覆層與基體的粘著程度有很大影響。b粘著。(1)現(xiàn)象。固體與固體表面接觸時(shí)將產(chǎn)生粘著,潤(rùn)濕和粘著似乎是兩種完全不相同的表面現(xiàn)象,但從其熱力學(xué)本質(zhì)看,他們是基本相同的。(2)粘著功。若一截面為1cm2的液柱,設(shè)不改變其截面,將其拉斷,這時(shí)所消耗的功為內(nèi)聚功。而此內(nèi)聚功相當(dāng)于形成兩個(gè)新表面所需作的功(見(jiàn)圖1.15)。W=2б(1-13)圖1.15內(nèi)聚功示意圖圖1.16粘著功示意圖若液柱A的下端為固體B時(shí),當(dāng)從AB界面處拉開(kāi)時(shí)所消耗的功為粘著功。它相當(dāng)于在界面處形成了兩個(gè)新表面(見(jiàn)圖1.16)。WAB=бA+бB-бAB(1-14)or：Wsl=бs+бl-бsl(1-15)粘著功的表明了液體和固體間的吸引強(qiáng)度或粘著強(qiáng)度的高低。(3)影響粘著功的因素1)固體表面間的良好接觸是影響粘著功的首要因素。因金屬表面間的接觸是微凸體間的接觸，為使其有良好的接觸應(yīng)采取如下辦法：一是使接觸表面的一相為液相并對(duì)金屬表面有良好的潤(rùn)濕性能，形成完全的接觸,并排除生成物在固相表面的沉淀和接觸面間的氣泡,令液相凝固后被粘結(jié)；二是假設(shè)一方為氣態(tài),是反應(yīng)生成物在固相表面沉積，如：PVD和CVD，此亦為使兩固相表面完全接觸的方法；三在一定的溫度和高壓下使軟材料表面產(chǎn)生流動(dòng)，也可以使兩固相表面間產(chǎn)生良好的接觸，如：爆炸焊接就屬于這種情況。下表是壓力粘著時(shí)一些金屬的開(kāi)始粘著溫度(Ta)，熔點(diǎn)(Tm)及它們的比值。metalTa(K)Tm(K)Ta/TmPt88020460.43Ni78017280.45Au52013150.40Ag48012330.40Pt3006000.50In3004200.70使若將金屬的熔融狀態(tài)視為熱運(yùn)動(dòng)的極大狀態(tài)。顯然,為使金屬的表面原子過(guò)渡到這種狀態(tài)所需要的活化能應(yīng)當(dāng)小于內(nèi)部原子的活化能,并有如下關(guān)系:Eb/Em=Es/Ta。Eb：內(nèi)部原子活化能；Es表面原子活化能。且有：Ta/Tm=Es/Eb=0.4~0.5(1-17)所以，壓力粘著的開(kāi)始溫度與熔點(diǎn)的比值約為：0.4~0.5。2)高的粘著功。表面間的良好接觸是產(chǎn)生粘著的首要條件。另外,還應(yīng)有高的界面接觸強(qiáng)度,即:高的粘著功。把(1-11)σsg=σsl+σlgcosθ式近似改寫為:σs=σsl+σlcosθ,再與(1-15)式相加有:wsl=σl(cosθ+1) (1-18)所以，液體對(duì)固體表面潤(rùn)濕程度愈大(θ愈大)。粘著程度就愈大。例如:當(dāng)采用不同的清洗劑清洗鋼表面后,再用環(huán)氧樹(shù)脂粘鋼表面會(huì)導(dǎo)致接觸角θ不同,使粘著強(qiáng)度發(fā)生了相應(yīng)的變化。下表中列出了這一變化的情況:用三氯甲烷清洗后,環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)鋼表面潤(rùn)濕程度最大而導(dǎo)致潤(rùn)濕角θ最小,使粘著強(qiáng)度得以達(dá)到最高。環(huán)氧樹(shù)脂與鋼的接觸角與剪斷粘著強(qiáng)度的關(guān)系清洗劑接觸角θ剪斷粘著強(qiáng)度（N/mm2）無(wú)77o28甲苯59o93丙酮47o94三氯乙烷42o100（標(biāo)準(zhǔn)）三氯甲烷34o3）金屬的互溶性會(huì)影響粘著強(qiáng)度。如不同金屬間產(chǎn)生粘著時(shí)能發(fā)生互擴(kuò)散,且互擴(kuò)散層是連續(xù)變化的并且無(wú)脆性,則會(huì)使粘著強(qiáng)度明顯提高。4)引入第三種金屬,例如焊錫(Pb-Sn合金),將使兩種不能互相擴(kuò)散的金屬間通過(guò)引入第三種金屬而得到很好的粘著。焊錫通常在兩金屬間形成約1μm的擴(kuò)散層,從而提高金屬間的粘著強(qiáng)度。下表中列出了金屬間的互溶性與粘著性的關(guān)系。金屬間的互溶性與粘著性的關(guān)系可互溶-粘著Fe-AlCu-AgNi-CuNi-Co不互溶-非粘著Cu-AlAg-MoAg-FeAg-Ni5)表面機(jī)械活化提高粘著強(qiáng)度。噴砂,噴丸等將使金屬表面形成大量凸凹,增大了實(shí)際接觸表面,但單純說(shuō)增大了表面的實(shí)際接觸面積其效果并不明顯,而噴砂等活化表面后才能明顯地提高粘著強(qiáng)度。6)Kramer效應(yīng)。機(jī)加工時(shí)在金屬表面上會(huì)形成各種缺陷,即產(chǎn)生大量化學(xué)活動(dòng)點(diǎn),使表面自由能升高,并伴有外層電子發(fā)射現(xiàn)象,稱為Kramer效應(yīng)。該效應(yīng)產(chǎn)生原因尚未完全弄清,但他對(duì)粘著強(qiáng)度有著顯著的影響?？偨Y(jié):影響粘著的因素較多而且復(fù)雜,其中包括金屬的表面狀態(tài),表面接觸情況,粘著物間的潤(rùn)濕性,互溶性,擴(kuò)散層機(jī)械活化及化學(xué)表面活化等。二金屬的表面反應(yīng)1．表面多相反應(yīng)。金屬表面多相反應(yīng)是其表面強(qiáng)化的一個(gè)重要過(guò)程。多項(xiàng)反應(yīng)的特點(diǎn)是在界面上進(jìn)行,與表面狀態(tài)(鈍化和活化),及金屬表面有無(wú)催化作用等密切相關(guān)。2．多相反應(yīng)的過(guò)程。a反應(yīng)分子或原子擴(kuò)散到界面上；b界面上發(fā)生反應(yīng)；c反應(yīng)物離開(kāi)體相表面,從界面脫附；d反應(yīng)物被體相表面吸收并向體相內(nèi)擴(kuò)散；e擴(kuò)散過(guò)程中的反應(yīng)。其中進(jìn)行最慢的一步就是表面多相反應(yīng)的速度控制因素,加速它將促使表面多相反應(yīng)更快地進(jìn)行。3．金屬表面多相反應(yīng)的實(shí)例。鋼的氣體滲碳過(guò)程是：滲劑的分解,產(chǎn)生含有滲入元素的物質(zhì)(CH4，CO)并向鋼表面擴(kuò)散;G-S相界面發(fā)生,吸附與解吸附:2CO=[C]+CO2;Fe·CO(吸附)+CO→Fe[C]吸附+CO2;反應(yīng)生成物離開(kāi)鋼表面;產(chǎn)生的活性碳原子被鋼表面吸收并向內(nèi)擴(kuò)散;擴(kuò)散過(guò)程中的反應(yīng)。金屬表面本身就有催化作用的反應(yīng)叫做金屬多相這自催化反應(yīng)。4．金屬表面的活化與鈍化。a鈍化現(xiàn)象。金屬的表面狀態(tài)變化引起金屬的表面活性突然改變,使表面反應(yīng)(如在酸中的溶解,空氣中的腐蝕)速度顯著降低的現(xiàn)象稱為鈍化現(xiàn)象，鈍化后的狀態(tài)稱為鈍態(tài)。b實(shí)例。工業(yè)純鐵在HNO3水溶液中的溶解速度會(huì)隨HNO3的濃度增大而顯著提高,但當(dāng)HNO3的濃度達(dá)到30-40%時(shí),溶解速度達(dá)到極大值后會(huì)突然陡降。說(shuō)明:金屬表面自己出現(xiàn)了鈍態(tài),再將它置于H2SO4溶液內(nèi)也不會(huì)受到浸蝕了。c鈍化原因。常與金屬表面氧化并形成一層致密的表面氧化物膜有關(guān)。HNO3、AgNO3、、氯酸、KCl、重鉻酸鉀、KMnO4、O2等均會(huì)使金屬表面鈍化,稱它們?yōu)殁g化劑。d化學(xué)鈍化。金屬與鈍化劑的自然作用而產(chǎn)生的鈍化稱為自然鈍化,也叫化學(xué)鈍化。e機(jī)械鈍化。金屬表面沉淀出鹽層,會(huì)對(duì)進(jìn)一步表面反應(yīng)產(chǎn)生機(jī)械阻隔作用而使反應(yīng)速度下降,稱為機(jī)械鈍化。應(yīng)當(dāng)指出:過(guò)分拋光的金屬表面也會(huì)出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象,表面出現(xiàn)良好的抗蝕性能,難以進(jìn)行滲碳等。為什么?（提問(wèn)）。f鈍化理論。(1)成相模理論。金屬與介質(zhì)作用,再其表面上生成了一層致密的、覆蓋良好的保護(hù)膜并作為一個(gè)獨(dú)立的相存在,將金屬與介質(zhì)隔開(kāi),使表面反應(yīng)速度顯著下降,從而使金屬表面成為鈍態(tài)。例如:在濃HNO3水溶液中,工業(yè)純鐵表面會(huì)形成2.5~3.0nm的鈍化膜,碳鋼的鈍化膜可達(dá)9.0~11.0nm,不銹鋼的鈍化膜厚可達(dá)0.9~1.0nm。用電子衍射對(duì)鈍化物膜進(jìn)行相結(jié)構(gòu)分析證明.:金屬表面的鈍化物膜多為其氧化物,純鐵的鈍化物膜為：γ-Fe2O3;鋁的鈍化物膜是：γ-Al2O3,其外層為多孔的β-Al2O3.(2)吸附理論。該理論認(rèn)為引起金屬表面鈍化不一定要形成完整的鈍化膜，只要在金屬表面或部分表面上形成氧或含氧離子的吸附層就會(huì)產(chǎn)生鈍化。吸附后造成鈍化的原因是：氧與金屬表面因化學(xué)吸附而結(jié)合，使金屬表面的自由健趨于飽和，改變了金屬界面的結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)，從而降低了金屬與介質(zhì)間的反應(yīng)速度，即產(chǎn)生了鈍化作用。特點(diǎn)是：吸附層不一定是連續(xù)的、覆蓋整個(gè)表面的，只要在金屬表面的活性區(qū)上形成了吸附層后就會(huì)起到很強(qiáng)的鈍化作用。成相模理論強(qiáng)調(diào)了鈍化層的機(jī)械阻隔作用，吸附理論則認(rèn)為是由于吸附而改變了金屬表面的能量狀態(tài)，使不飽和健趨于飽和，使金屬表面的活性下降而鈍化。g金屬表面的活化。與鈍化相反，凡能消除金屬表面鈍化狀態(tài)的因素均有活化作用，常用的方法是：1)金屬表面凈化。機(jī)械拋光、用氫還原、噴砂處理和酸洗等除去表面的氧化物膜，以清除鈍化態(tài)達(dá)到活化態(tài)，提高表面活性。2)增大金屬表面的化學(xué)活性區(qū)。用噴砂等機(jī)械方法，使金屬表面的各種晶體缺陷增加，化學(xué)活性區(qū)增多，能有效的使金屬表面活化。噴砂后的金屬表面層更容易氮化；離子轟擊也有很好的表面活化效果，并可以提高覆蓋層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度。h鈍化與活化的應(yīng)用。使金屬表面鈍化可以提高抗蝕性能。例如：不銹鋼和鋁的鍍鉻層的自然鈍化就具有優(yōu)良的抗大氣腐蝕性能；化學(xué)熱處理中局部鈍化后可以防滲；需對(duì)金屬表面進(jìn)行強(qiáng)化時(shí)，必須進(jìn)行活化處理，以縮短工藝周期和提高強(qiáng)化效果。思考題21.何謂金屬的表面?金屬材料通常有哪幾種表面?怎樣區(qū)分它們?怎樣制備它們?2.什么是極表面及表面層?它們與金屬內(nèi)部有什么不同?3.和液體相比,金屬表面有何特點(diǎn)?4.金屬為什么容易將最密排面呈現(xiàn)于表面?Wulff圖上的低指數(shù)晶面說(shuō)明了什么?5.何謂萊賓杰爾現(xiàn)象?它有何特點(diǎn)?其本質(zhì)是什么?6.由表面的________和_______構(gòu)成了金屬的表面形貌.常用在水平方向__________的輪廓線繪制金屬的表面輪廓圖，金屬表面間的實(shí)際接觸是_______間的接觸；接觸面積_______表現(xiàn)幾何面積。7.金屬表面形貌對(duì)其能性有何影響？8.機(jī)加工后的金屬表面層從外向內(nèi)依次為_(kāi)______、_______和______;而在______中通常會(huì)產(chǎn)生______,________,______,______和_______。9.金屬的實(shí)際表面相對(duì)于理想表面發(fā)生了哪些變化?10.金屬表面現(xiàn)象有哪些?常有些什么表面反應(yīng)?11.五種二位布拉菲晶格是:_____,______,_______,______和_______。12.何謂kramer效應(yīng)？金屬表面多相反應(yīng)的基本過(guò)程怎樣？13.何謂潤(rùn)濕角？潤(rùn)濕的熱力學(xué)本質(zhì)是什么？潤(rùn)濕在表面強(qiáng)化技術(shù)中有何作用？14.何謂粘著功？哪些因素會(huì)影響粘著功？15.對(duì)金屬表面的鈍化的解釋有哪兩種理論？其異同點(diǎn)是什么？ChapterTwo第二章表面準(zhǔn)備Thesurfacepreparing金屬材料表面處理及強(qiáng)化之前,通常需要進(jìn)行表面準(zhǔn)備,以使其表面平坦,光滑和潔凈。此外,金屬零件,構(gòu)件表面的油和銹均會(huì)影響表面處理的質(zhì)量。特別是對(duì)表面進(jìn)行磷化,電鍍,VCD,PVD等處理時(shí)更是如此。只有經(jīng)過(guò)精細(xì)制備后的表面，才能可能得到高質(zhì)量的表面強(qiáng)化效果。表面準(zhǔn)備有以下三個(gè)主要方面：機(jī)械方法平整表面。包括有磨光，拋光（機(jī)械拋光，化學(xué)拋光），滾光和噴砂處理等。除油。包括有機(jī)溶劑除油，化學(xué)除油和電化學(xué)除油。3．除銹。包括化學(xué)浸蝕，電化學(xué)浸蝕及弱侵蝕等?！?-1金屬表面機(jī)械整平及成批光飾一、磨光技術(shù)1．作用。使金屬表面平坦光滑，除去金屬表面的毛刺和氧化皮，銹和砂眼，溝槽和氣泡等。因這種磨光不是用砂輪磨平，故又稱為裝飾磨，磨光適合一切金屬材料。2．設(shè)備。用裝于拋光機(jī)上的彈性輪來(lái)完成。磨光輪的工作面用明膠粘上磨料，而磨料為不同粒度的人造剛玉砂（含Al2O390~95%）。3．效果。取決于磨料特性、磨輪剛性及磨輪的轉(zhuǎn)速。4．磨料。據(jù)磨料的粒度將其分為若干等級(jí)。而粒度通常是按篩子的號(hào)碼來(lái)劃分的，篩子的號(hào)碼是用單位面積（1cm2）上的孔數(shù)來(lái)表示的，篩子號(hào)碼越小則過(guò)篩后的磨料顆粒越小。這樣將過(guò)篩磨料分為三組：顆粒磨料10~90#；細(xì)粉磨料320~600#；粉末磨料100~320#。人造剛玉（90~95%）有一定韌性，其顆粒棱面較多，故應(yīng)用較廣。5．磨料粒度的選用。據(jù)金屬零件的表面狀態(tài)及磨光加工后對(duì)表面的質(zhì)量的要求來(lái)選用粒度：對(duì)粗糙的鑄鍛件，可用20~80#磨料，再依次加大號(hào)碼進(jìn)行中磨（200~240#）和最后的細(xì)磨（280~320#）。通常，鑄鍛件到中磨為止。零件表面原始狀態(tài)較好時(shí)，則無(wú)需粗磨，直接從中磨開(kāi)始。細(xì)磨常用于電鍍后還要進(jìn)行拋光的零件鍍前的表面準(zhǔn)備。6．磨輪及其選用。磨輪磨光所用的磨輪材料：一般用皮革，粗細(xì)毛氈，棉皮，纖維制品及高強(qiáng)度紙制成的彈性輪子，其剛性依次降低。磨輪的硬軟除與所用的材料有關(guān)外，還與材料的組合及縫制方法有關(guān)。磨輪的選用：粗糙度Ra大且形狀簡(jiǎn)單的零件應(yīng)選用較硬的磨輪；硬度低的有色金屬零件及形狀復(fù)雜，切削量小的零件，應(yīng)采用較軟而彈性大的磨輪以免磨變形。7．磨光的速度。被磨光的金屬材料越硬、加工后表面粗糙度Ra要求越低時(shí)，輪子的圓周速度應(yīng)越大。另外，因?yàn)檗D(zhuǎn)速低，效率低；而轉(zhuǎn)速高，磨輪損壞快，故應(yīng)考慮好磨輪的圓周速度，計(jì)算公式為：v=πdn/60(2-1)v:圓周速度；π:圓周率；d:磨輪直徑；n:磨輪轉(zhuǎn)速(r/m)。由（2-1）式知:磨輪直徑和它的轉(zhuǎn)速越大則圓周速度越快。磨光速度的選擇如下表:磨光不同材料時(shí)磨輪的最佳速度 被磨金屬材料最佳圓周速度（m/s）鑄鋼、鋼、鐵、烙18-30鋼及其合金、銀、鋅14-18鋁及其合金、鉛、錫10-148．磨料的粘結(jié)方法。(見(jiàn)張黔表面強(qiáng)化技術(shù)基礎(chǔ))磨料粒度越小含明膠量應(yīng)越高。二機(jī)械拋光1．目的。清除零件表面的微觀不平,使其有鏡面光的表面,是電鍍前的表面準(zhǔn)備和磨后的精加工。2．設(shè)備。用拋光機(jī)及其上面的拋光輪完成零件的拋光工作。磨光與拋光用的設(shè)備類似，只是拋光使用的拋光機(jī)的轉(zhuǎn)速更高，且拋光過(guò)程中要周期性地向拋光輪涂拋光膏，被拋光的零件以一定的角度接觸拋光輪后用力壓緊，沿著拋光輪旋轉(zhuǎn)的方向拋光。3．拋光論。用布、亞麻布、細(xì)毛氈和鹿皮等制成圓盤。4．拋光膏。用金屬氧化物粉末與硬脂，石膏等混合而合成軟塊。據(jù)金屬氧化物不同，拋光膏分為三種：白膏：高純度無(wú)水CaO和少量MgO的粉制成,用于軟金屬及多種鍍層的細(xì)拋;紅膏:由紅褐色的Fe2O3粉末制成,有中等硬度，適用于鋼鐵拋光;綠膏：由Cr2O3粉末制成,由于Cr2O3硬而鋒利,適于硬質(zhì)合金及鍍鉻層的拋光。5．拋光工藝。a拋光速度。拋光的圓周速度比磨光的圓周速度高。通常拋光生鐵、鋼、Ni、Cr等的圓周速度為30~35M/S；拋光Al、Zn、Pb及鋁合金的圓周速度為18~25m/s；拋光Cu,Ag及其合金時(shí)的圓周速度為22~30M/S。b光亮表面的形成。金屬表面拋光時(shí)與高速度旋轉(zhuǎn)的拋光輪摩擦而產(chǎn)生高溫，使金屬表面發(fā)生塑性變形而填平其凹處；另外，高溫使金屬表面被氧化而形成氧化物膜，當(dāng)氧化膜在被拋除去后，露出的金屬表面又會(huì)被氧化，從而周期變化。在拋光膏與零件表面產(chǎn)生的電化學(xué)過(guò)程作用下反復(fù)進(jìn)行，直到拋光結(jié)束，得到光亮的表面為止。C其它。為降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高效率，可以據(jù)不同的零件采用化學(xué)拋光、電化學(xué)拋光、機(jī)械拋光和自動(dòng)拋光等方法。三噴砂與噴丸1．噴砂。a定義。用凈化的壓縮空氣將干砂流猛烈的噴到工件表面進(jìn)行表面清理和加工的過(guò)程稱為噴砂。b用途。去除鑄、鍛及熱處理工件上的氧化皮，清理焊縫，除去氧化銹蝕，積碳，舊油漆層或其他干燥的油類物質(zhì)，提高零件表面的粗糙度，以增大油漆及涂層的附著力和去除毛刺等。c噴砂用砂。通常用石英砂，有干噴和濕噴兩種。濕噴可以減少污染，但應(yīng)注意被噴件的防銹。2．噴丸。噴丸有強(qiáng)力型表面層強(qiáng)化噴丸和清理型噴丸兩種。前者在噴丸強(qiáng)化時(shí)詳述，而清理型噴丸是將丸粒噴射于被噴的鑄件，鍛件及有毛刺，棱邊等的工件表面，使其去銹，覆層，整理粗糙的表面，去掉毛邊，毛刺和殘余油污等，為表面浸，刷油漆等做準(zhǔn)備。噴丸用的彈丸有鋼丸、鑄鐵丸、玻璃丸和陶瓷丸等，視材料和噴丸的作用不同而選用不同的丸粒。丸粒愈細(xì)小，噴丸后零件表面粗糙度愈小，外表面愈光亮。噴丸用丸粒常在6~50目之間，在表層形成的壓應(yīng)力深度與丸粒直徑成正比。噴速通常<90m/s,鋼丸噴速可達(dá)鑄鐵丸的1.5~2倍。強(qiáng)化型噴丸的噴速可超過(guò)聲速。噴丸用設(shè)備有離心式和壓縮空氣式兩種。四成批光飾1．概念。將被處理的零件與磨料、水和化學(xué)促進(jìn)劑一道放入專門的容器里進(jìn)行表面準(zhǔn)備的工藝過(guò)程稱為成批光飾。2．作用。成批光飾可用來(lái)除油、去銹、去毛刺、倒圓銳邊和光亮表面。其特點(diǎn)是：成批地將零件進(jìn)行一次性處理。3．方法。有普通滾光、振動(dòng)光飾、旋轉(zhuǎn)光飾、離心盤光飾和離心滾光等。4．實(shí)例。T10A鋼手用鋼鋸條經(jīng)淬火+180°C低溫回火后放于六角形滾筒內(nèi)，再添加木粉屑及少量磨料進(jìn)行滾光。起去油、去毛刺和光亮表面的作用。滾光裝載量一般為60%左右，滾筒轉(zhuǎn)速控制在§2-2除油一油污的來(lái)源1．機(jī)加工過(guò)程中使用的潤(rùn)滑油；2．熱處理過(guò)程中的淬火油；3．半成品時(shí)涂的防銹油；4．磨光后拋光時(shí)使用的拋光膏中的油脂物等。二油脂的種類及特點(diǎn)。1．礦物油。指各種機(jī)油,如;10#、15#和20#機(jī)油及各類從石油中提煉出的油類。2．植物油。指從各種植物中榨取的油類。如：菜油、豆油、花生油和蓖麻油等。3．動(dòng)物油。指各種動(dòng)物的油類，如：豬、牛、雞、海豹和鯨等油類。油類覆蓋于工件表面后會(huì)對(duì)表面處理的覆蓋層與金屬基體間的結(jié)合起不良影響。4．各種油的特點(diǎn)。a共性。均不溶于水。b異性。礦物油為碳?xì)浠衔?，不能與堿相互作用，稱為非皂化油；動(dòng)植物油為脂肪酸和甘油酯，能與堿作用而生成肥皂，稱為皂化油。三除油方法1．用有機(jī)溶劑除油。常用的有機(jī)溶劑有：汽油、丙酮、甲苯、三氯乙烷和四氯化碳等。汽油價(jià)低，毒性小，但易燃不安全；三氯乙烷和四氯化碳除油效率高，不燃燒，可在較高溫度下使用。有機(jī)溶劑對(duì)皂化油和非皂化油均能溶解，一般不腐蝕工件因而使用較普遍。2．有機(jī)溶劑除油的不足。a油脂不會(huì)被徹底清除。但由于除油效率高，常用于嚴(yán)重油污染的金屬表面的預(yù)除油，隨后再進(jìn)行化學(xué)及電化學(xué)除油（補(bǔ)充除油）。b成本高?？捎脤Ｓ迷O(shè)備循環(huán)使用以彌補(bǔ)。c易燃和有毒。其中三氯乙烷毒性最大，應(yīng)注意通風(fēng)，防火，防爆。3．堿性化學(xué)除油。a堿性化學(xué)除油劑的組成。堿性化學(xué)除油液通常由NaOH、Na2CO3、Na3PO4和乳化劑組成，溶液溫度通常為80~90℃b堿性化學(xué)除油方法。（1）熱堿浴化學(xué)除油。此為目前用得最多的除油方法。除油時(shí)向堿液內(nèi)添加少量乳化劑硅酸鈉（水玻璃）、皂粉、乳化劑和海歐洗滌劑等表面活性劑?？咳芤褐袎A的皂化反應(yīng)除去動(dòng)、植物油；靠乳化劑除去礦物油。（2）反應(yīng)機(jī)理。皂化反應(yīng)：(RCOO)3C3H5+3NaOH=3(RCOO)Na+C3H5(OH)3（油脂） （堿）（肥皂）（甘油） 式中R為含碳原子的烴基。反應(yīng)生成的肥皂和甘油溶于水中，可清除油污，乳化劑是一種表面活性物質(zhì)，常吸附于一定的界面上。若乳化劑用Na2SiO3，有：O=SO3，其氧原子一端親水，吸附時(shí)向著溶液，而另一端則增水，吸附時(shí)向著油。這樣，在油-液界面上吸附的結(jié)果，使油和溶液間的界面強(qiáng)力下降，工件表面的油膜則變成小油滴而分散在溶液內(nèi)。c鋼鐵表面堿性除油工藝。（見(jiàn)表2-1）表2-1 鋼鐵表面堿性除油工藝配方號(hào)含量（g/L）溫度（0CNaOHNaCO3Na3PO4·H2oNaLSiO3表面活性劑海鷗洗滌劑15~10020~4030~4015~5080~9522020301-21-270-90320-3030-4030-402-480-904．電化學(xué)除油。a作用。電化學(xué)除油是用來(lái)清除其它除油工序后殘留的微量油漬。它對(duì)電鍍、氣相沉積等表面涂覆層處理工藝非常重要。b配方。電化學(xué)除油液的配方類似化學(xué)除油。c電極。以鎳板或鍍Ni板作為僅起導(dǎo)電作用的第二電極，除油的工件既可以作為陰極，又可以作為陽(yáng)極或輪流其極性。d特點(diǎn)。除油速度快，是化學(xué)除油的數(shù)倍，而且除油徹底。e機(jī)理。（1）陰極除油。陰極除油是將工件放于陰極，因陰離子在靠近陰極附近的電解液內(nèi)放電，引起OH-的富集而去除油脂：4H2O+4e=2H2+4OH由于H2的大量析出而對(duì)油膜產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，油膜被撕裂成為細(xì)小的油珠，小氣泡附在小油珠上，待小氣泡長(zhǎng)到一定尺寸后，就會(huì)將小油珠帶離工件而上浮到溶液表面達(dá)到除油目的。（2）陽(yáng)極除油。陽(yáng)極除油時(shí)，在陽(yáng)極附近的電解液內(nèi)因OH-放電而產(chǎn)生氧氣：4OH-—4e=O2+2H2O。陽(yáng)極除油時(shí)產(chǎn)生的氧氣很少，氣泡大，溶液的乳化能力很弱，而且OH-減少，除油慢，另外，析出的氧氣使金屬表面氧化，使某些有色金屬溶解，但不會(huì)使除油的金屬材料發(fā)生“氫脆”。（3）陰--陽(yáng)極聯(lián)合除油。生產(chǎn)中往往先進(jìn)行陰極除油，再轉(zhuǎn)入短時(shí)間的陽(yáng)極除油以除去氫的不良影響。最好的聯(lián)合除油的工藝是：先進(jìn)行20秒鐘的陰極除油，再進(jìn)行10~15秒鐘的陽(yáng)極除油，電流密度為6~8A/dm2。f電化學(xué)除油的一般條件。電流密度為3-10A/dm2;電源電壓為12V;陰極面積比1:1.5~1:2;除油溫度20~80℃；時(shí)間1-10分鐘。電化學(xué)除油液用于鋼鐵時(shí)配方是：20~40%（NaOH）+5~10%正磷酸鈉(Na3PO4)+10~30%水玻璃（Na2SiO3）+1.4~1.9%乳化劑。其工藝為：液溫50~20℃，電流密度為2~8A/dm2。作為陰極的持續(xù)時(shí)間為0.5~5.0分鐘，作為陽(yáng)極時(shí)的持續(xù)時(shí)間為：§2-3侵蝕及化學(xué)和電化學(xué)拋光一酸洗(浸蝕)1．概念。將金屬浸入鹽酸、硫酸、鹽酸鹽、堿液及其它溶液內(nèi),以除去金屬表面的氧化皮及銹蝕產(chǎn)物的過(guò)程稱為浸蝕或者酸洗。浸蝕分為化學(xué)浸蝕和電化學(xué)浸蝕兩種。2．注意。浸蝕前必須除油，否則效果差。3．硫酸浸蝕。a浸蝕機(jī)理。硫酸水溶液能穿透鐵的氧化皮空隙，從而使鐵基體發(fā)生氧化反應(yīng)：Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑。一則生成的氫氣能將鐵的氧化物還原成鐵的低價(jià)氧化物；另外，因氫在是鐵的氧化物內(nèi)部產(chǎn)生的，其強(qiáng)大的壓力能頂裂鐵的氧化物并使其剝落，從而加快浸蝕速度。b不足。鐵與硫酸作用會(huì)使其表面局部腐蝕或者變粗糙，使零件尺寸發(fā)生改變，并滲氫而易產(chǎn)生氫脆。c緩蝕劑。為克服這些不足，可以向溶液內(nèi)添加緩蝕劑。常用的硫酸溶液的緩蝕劑有：“五四”牌緩蝕劑（若丁或二鄰甲苯硫脲+NaCl）、磺化物蛋白、皂莢浸出液、若丁、硫脲、尿素、六次甲基四胺等。d浸蝕液濃度及溫度。此兩者對(duì)浸蝕速度有很大的影響。濃度為25%時(shí)浸蝕速度最快，在15-20%時(shí)浸蝕速度較快，通常H2SO4濃度控制在20%左右；溫度到60-70℃時(shí)，會(huì)使鋼件表面滲氫。這里因?yàn)闇囟鹊?0-70℃時(shí)，F(xiàn)eSO4的溶解速度會(huì)下降，而氫的滲入速度卻加快，故用硫酸水溶液浸蝕鋼鐵時(shí)，溫度通常應(yīng)控制在4．鹽酸浸蝕。a鹽酸的浸蝕機(jī)理。鹽酸直接與鋼鐵表面的氧化物作用，有如下四個(gè)反應(yīng)：Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O,Fe3O4+8HCl=2FeCl3+FeCl2+4H2O,FeO+2HCl=FeCl2+H2O,Fe+2HCl=FeCl2+H2↑.由于FeCl3和FeCl2在鹽酸內(nèi)有較大的溶解度，因而反應(yīng)速度快。這樣，在鹽酸中除去鐵的氧化皮主要是靠鹽酸的化學(xué)溶解作用，耗酸量很大。b浸蝕溫度及濃度。隨鹽酸濃度增加，銹的溶解速度增大,但濃度﹥20%以后，基體金屬鐵的溶解速度較氧化皮更快。故用鹽酸溶解氧化皮的時(shí)候,濃度宜用10%-15%的濃度,溫度升高,酸蝕速度升高,但升高溫度會(huì)使基體金屬的溶解速度和滲氫速度加快。c緩蝕劑。用于鹽酸浸蝕的緩蝕劑是六次甲基四胺（“H”促進(jìn)劑或?yàn)趼逋衅稢6H12N4）。d混合酸浸劑。若氧化皮致密，為避免過(guò)大的消耗酸量，同時(shí)注意到單獨(dú)使用H2SO4時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生腐蝕及氫脆，故生產(chǎn)上用：H2SO450-100g/L（5-10g）+HC100-50g/L（15-10％）；或：；（2）H2SO460％+HNO340％，兩種混合酸來(lái)浸蝕，速度快，成本低。e酸浸劑液的更換。酸浸蝕液使用一段時(shí)間后，其內(nèi)鐵鹽必然增加，這會(huì)影響浸蝕速度和表面質(zhì)量。若浸蝕液中的Fe3+過(guò)多，會(huì)發(fā)生2Fe3++Fe=3Fe2+反應(yīng)。因而，當(dāng)浸蝕液內(nèi)鐵鹽含量達(dá)到一定程度，即：較原溶液內(nèi)酸含量降低到約3-5％后就應(yīng)當(dāng)更換浸蝕液。f高碳鋼補(bǔ)充浸蝕。高碳鋼用鹽酸和硫酸鹽浸蝕后，其表面常存一些不容于鹽酸和硫酸的暗粉粒碳化物。為此，應(yīng)在硝酸和絡(luò)酸等含氧酸中補(bǔ)充繼續(xù)浸蝕。5．氫氟酸和磷酸浸蝕。a氫氟酸浸蝕。（1）用于鑄件和不銹鋼件的浸蝕，它能溶解硅的化合物，對(duì)鉻和鋁的氧化物也有較好的溶解能力。（2）方法。對(duì)于鑄件可用含25%HF的H2SO4硫酸溶液浸蝕,反應(yīng)為Si02+6HF=H2SiF6+2H2O。(3)注意。因HF劇毒,揮發(fā)性強(qiáng),使用應(yīng)當(dāng)小心,防止與人體皮膚接觸。b磷酸侵蝕。對(duì)鑄件還可以用120-160g/l的H3PO4溶液在60-70℃范圍內(nèi)進(jìn)行侵蝕。磷酸溶液的侵蝕能力較H2SO和HCl溶液弱,6.鋼鐵鑄件的侵蝕液和工藝規(guī)范（見(jiàn)張黔.表面強(qiáng)化技術(shù)基礎(chǔ)，表1-5，P24）。a黑色金屬可以進(jìn)行電化學(xué)腐蝕。常采用陽(yáng)極腐蝕，電解液用10-15%濃度的H2SO溶液，電流密度5-10A/dm2，操作溫度20-60℃，時(shí)間10-15minb對(duì)氧化皮厚的鑄件?？捎?3%NaOH+7%NaCl溶液于420-480℃下進(jìn)行化學(xué)侵蝕。采用陽(yáng)-陰極聯(lián)合浸蝕法。工件首先作陰極5min，再作陽(yáng)極5min，電流密度5-8A/dm2二、電解拋光1.概念。電解拋光是在特定的溶液內(nèi)使被拋光件進(jìn)行陽(yáng)極電解，整平金屬表面并使其產(chǎn)生光澤的加工過(guò)程。2.電解拋光機(jī)理。電解拋光時(shí)零件表面先形成氧化物膜，溶解下來(lái)的金屬離子通過(guò)這層膜擴(kuò)散到溶液內(nèi)。由于凸起點(diǎn)的電流密度大，其溶解速度較四周快，從而整平了表面并出現(xiàn)金屬光澤。3.電解拋光的應(yīng)用。制備金屬試樣；提高零件表面光潔度和亮度；顯示零件表面的裂紋、砂眼、夾雜物等缺陷；d.拋光過(guò)程。若先機(jī)械拋光到Ra=0.5-0.63μm，再進(jìn)行電解拋光，可得到鏡面光亮的表面Ra=0.125-0.160μm。4.電解拋光工藝。用磷酸和硫酸的混合液作為電解液，加入5%-25%的鉻酐作緩蝕提高拋光質(zhì)量。陽(yáng)極用鉛板，電源電：12-18v，陽(yáng)極電流密度通常用15-80A/dm2，溫度60-80℃，時(shí)間0.5-10min。鋼鐵電解拋光典型工藝如表（2—2）所示：：鋼鐵磷酸溶液電解拋光工藝規(guī)范成分與操作條件含量（質(zhì)量﹪）12345678985%H3PO470-8050-1050-604240-4511560m/L66-705898%H2SO415-4020-3034-3436400m/L31Cr2O33-41050m/L12-14C5H8O3（甘油）12-454725明膠7-8g/LH2O30-2023-515-201117-201822-169三化學(xué)拋光1.概況?；瘜W(xué)拋光用于Cu、Al及其合金和不銹鋼零件的裝飾處理等。和電解拋光相比，其方法和設(shè)備簡(jiǎn)單，無(wú)需耗電，生產(chǎn)效率高；但溶液的調(diào)整及再生困難。化學(xué)拋光時(shí)常有有害氣體析出，拋光效果也不及電解拋光。2.目的。主要用于Cu、Al及其合金的表面和不銹鋼的表面進(jìn)行裝飾處理；金相制樣有時(shí)也要進(jìn)行化學(xué)拋光。3.方法。將金屬制品浸入溶液中即可進(jìn)行化學(xué)拋光整平表面。4.實(shí)例。常見(jiàn)的化學(xué)拋光溶液，適用拋光材料及拋光工藝見(jiàn)屠世潤(rùn)、高越等編寫的〈〈金相原理與實(shí)踐〉〉，機(jī)械工業(yè)出版社出，P334-338。例如：用于鈦的電解拋光液為HF1份+HNO31份浸蝕，劇烈攪動(dòng)。當(dāng)拋光作用劇烈時(shí)，再繼續(xù)10s，若溶液變綠則倒掉。鋼（0.1-0.8%C，合金含量≤3%）用HF14ml+30%H2O2100ml+H2O100ml侵蝕30-3s，并用力攪拌，最后在30%H2O2中清洗等。思考題3表面處理的工件為什么要進(jìn)行表面準(zhǔn)備？表面準(zhǔn)備工作主要包括哪幾個(gè)方面？2．金屬表面磨光技術(shù)有何作用？所用何種磨光設(shè)備何磨料？如何選用磨輪和磨料？磨光速度由何公式計(jì)算？3．試說(shuō)明機(jī)械拋光的目的、設(shè)備及拋光輪。4．機(jī)械拋光用的拋光膏由哪些材料組成？分為哪三種拋光膏？應(yīng)如何選用？5．機(jī)械拋光工藝怎么樣？光亮面是怎么形成的？6．何為噴砂？有何作用？常用何種砂材？濕噴有何優(yōu)缺點(diǎn)？7．清理性噴丸有何作用？常用的丸粒有哪些種類？8．何為成批光飾？有何作用？試舉例說(shuō)明9．零件表面的油污是怎么樣來(lái)的？油分哪幾種？對(duì)表面處理有何影響？各種油的異同點(diǎn)怎么樣？如何除盡零件表面的油污？10．鹽酸與硫酸除銹各自的原理何工藝怎么樣？為何要加緩蝕劑和抑霧劑等？Chapter3金屬表面冷塑性變形強(qiáng)化§3-1金屬表面冷塑性變形強(qiáng)化的方法金屬表面冷塑性變形強(qiáng)化的方法通常為：表面滾壓內(nèi)孔擠壓和表層噴丸強(qiáng)化三種。其中,噴丸強(qiáng)化應(yīng)用的最多、最廣泛。一表面滾壓1.原理金屬軸類有圓角處的表面，溝槽的表面等經(jīng)過(guò)滾壓后，若使表層發(fā)生塑性變形，則會(huì)形成殘余壓應(yīng)力，表層組織細(xì)化、位錯(cuò)密度升高；表面微小缺陷得到彌合，從而提高其疲勞壽命和表面強(qiáng)度。2.方法.如圖3.1示:圖3.1表面滾壓強(qiáng)化示意圖圖3.2溝槽滾壓后產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力分布示意圖當(dāng)然，表面滾壓強(qiáng)化除上面的示意方法外，還有其他的強(qiáng)化方法。3．用途主要對(duì)有圓角。溝槽等的零件采用表面滾壓的方法來(lái)強(qiáng)化這些（應(yīng)力集中處）部位，以提高其使用壽命。4.殘余應(yīng)力以溝槽滾壓后的殘余應(yīng)力為例說(shuō)明（見(jiàn)3.2圖）。顯然經(jīng)過(guò)滾壓之后，引進(jìn)了殘余應(yīng)力-δr，深度可達(dá)5mm，而溝槽兩側(cè)產(chǎn)生了不大的殘余拉應(yīng)力，底部產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。5．標(biāo)準(zhǔn)目前國(guó)內(nèi)尚未制定標(biāo)準(zhǔn)，而且對(duì)滾輪、滾壓力的大小也無(wú)標(biāo)準(zhǔn)，只使根據(jù)需要定。但美國(guó)在這方面有專利。二內(nèi)孔擠壓1．作用將鉆有孔的工件用硬度較它略高的、直徑相當(dāng)于緊配合的圓柱形工具強(qiáng)行擠壓通過(guò)，令其內(nèi)孔表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的方法稱為內(nèi)孔擠壓，其作用是提高其疲勞強(qiáng)度、抗微動(dòng)磨損等。2．實(shí)例汽車鋼板彈簧中心孔擠壓和中心孔與板面間交界處的擠壓，提高其強(qiáng)度。三噴丸強(qiáng)化1．方法。用高速?gòu)椡杳土覜_擊零件的表面，使其產(chǎn)生形變強(qiáng)化層和表層的殘余壓應(yīng)力等。2．應(yīng)用。廣泛用于航空、機(jī)械工業(yè)的零部件上。如：彈簧、葉片、齒輪、連桿、鏈條、火車輪等。良好的噴丸工藝能顯著提高這些機(jī)械零件的疲勞壽命。3．特點(diǎn)。a材料強(qiáng)度越高，/值越大，噴丸強(qiáng)化效果越顯著。b鋼的噴丸強(qiáng)化效果高于其他合金。c有輕微表面缺陷（輕微劃傷、輕微脫碳）的零件噴丸強(qiáng)化效果高于光滑零件。d噴丸設(shè)備有兩類：（1）離心式噴丸機(jī)。適用于噴丸強(qiáng)度高，批量大、品種少、形狀簡(jiǎn)單且尺寸較大的零件。（2）壓縮空氣式噴丸機(jī)。適用于噴丸強(qiáng)度低，批量小、品種多、形狀復(fù)雜且尺寸較小的零件。4彈丸。常用的彈丸有鑄鐵丸、鋼丸、玻璃丸和陶瓷丸等。a鑄鐵丸。含碳量在2.65-3.60%，硬度約HRc58-65；常進(jìn)行退火處理，使硬度降低到HRc30-57后用，以提高彈丸韌性，其直徑約為d=0.2-1.5mm。鑄鐵丸的不足處是易碎，耗損量過(guò)大，容易劃傷工件，但價(jià)格低。b鋼丸。有鑄鋼丸和鋼絲丸兩種。以鑄鋼丸代替鑄鐵丸可降低破碎率；鋼絲丸是用含碳量＞0.7%的彈簧鋼絲切成小段，經(jīng)打圓處理，過(guò)篩后而成。直徑約為0.4-1.2mm，硬度為HRc45-50，組織為回火馬氏體或下貝氏體。鋼丸有時(shí)還用不銹鋼丸。c玻璃丸。直徑為d=0.05-0.40mm，20年代出現(xiàn)，首先用于國(guó)防工業(yè)，常噴有色金屬。5用于黑色金屬。據(jù)零件、硬度及強(qiáng)化要求選用鑄鐵丸、鑄鋼丸、鋼丸和玻璃丸、陶瓷丸或有時(shí)選用兩種不同材質(zhì)的丸粒先后噴同一零件會(huì)有更好的強(qiáng)化效果；有色金屬、不銹鋼則常用不銹鋼丸和陶瓷丸。6要求。強(qiáng)化表面的丸粒與清理丸和校正丸不同，必須是球形，且忌有棱角，以免劃傷零件的表面。§3-2噴丸強(qiáng)化工藝噴丸強(qiáng)化工藝根據(jù)被強(qiáng)化的零件的材料、強(qiáng)化要求、零件的形狀、強(qiáng)化部位等選用噴丸設(shè)備，噴丸用丸粒。然后，用實(shí)驗(yàn)、分析和測(cè)定等來(lái)確定其噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)。一噴丸工藝應(yīng)確定的參數(shù)1．噴丸強(qiáng)度。噴丸后用Alman試片的弧高表示噴丸強(qiáng)度，有fN、fA、fC三種。2．表面覆蓋率。噴丸后的零件表面的彈丸凹坑所占面積與總面積之比稱為表面覆蓋率。3．殘余壓應(yīng)力。噴丸后被噴零件表層引進(jìn)的殘余壓應(yīng)力的大小用-δr表示。4．噴丸后的組織。噴丸后零件表面層組織相對(duì)于其內(nèi)部的變化情況。通常，以確定噴丸強(qiáng)度為準(zhǔn)，它與后三者成正比。即：噴丸強(qiáng)度越高，則表面覆蓋率越大，表層形成的殘余應(yīng)力也越大，表層組織變化也越大。二噴丸工藝的確定1.噴丸強(qiáng)度。噴丸后主要確定的是此項(xiàng)指標(biāo)，即Alman試片的弧高值。2.Alman試片。a材料。用高彈性極限的70鋼冷軋帶作。b規(guī)格。有N、A、C三種，如下表所列：項(xiàng)目NAC厚度（mm）0.79±0.0251.3±0.0252.4±0.025平面度公差（mm）±0.025±0.025±0.025長(zhǎng)×寬（mm）19-0.01×76±0.219-0.01×76±0.219-0.01×76±0.2表