表面工程综合实验预实验报告.doc

表面工程综合实验
目录
碳钢的化学镀NI—P 3
第一章 实验机理 3
第二章 工艺流程 4
第三章 关键工艺目的及溶液参数 4
3。1 准备试样 4
3.2 碱性除油 5
3。2.1除油目的： 5
3.2.2除油溶液参数： 5
3。3 酸洗（除锈+活化) 5
3.4 化学镀 5
3。4。1化学镀成分及作用 5
3.4.2化学镀溶液参数 6
3。5 镀后热处理 6
第四章 检测与分析 7
4。1表面形貌分析 7
4.2 镀层厚度测定 7
4。3镀层及镀后热处理硬度测定 7
4。4镀后耐蚀性检测 8
参考文献： 8
钢的磷化 10
第一章 实验机理 10
1.1 磷化膜的形成机理 10
1.2 磷化膜的组成和结构 11
第二章 工艺流程 12
第三章 关键工艺目的及溶液参数 12
3。1 准备试样 12
3.2 碱性除油 12
3。2。1除油目的 12
3。2。2除油溶液参数 12
3。3 酸洗（除锈+活化） 13
3.4 磷化 13
3.4.1高温磷化的磷酸盐溶液参数 13
3。5 磷化膜的后处理 13
第四章 检测与分析 14
4。1表面形貌分析 14
4.2 磷化膜厚度测定 14
4.3磷化后硬度测定 14
4。4磷化后耐蚀性检测 14
参考文献： 15
碳钢的化学镀Ni-P
学院名称：材料科学与工程学院 专业班级：金属1501
学生姓名:高奇 指导教师：王云龙 王兰
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 分析
第一章 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”。下面介绍其中一种“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—+H2O→HPO3-+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++2H→Ni+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-+H→H2O+OH—+P
2H→H2↑
（4）镍原子和磷原子共沉积,并形成镍磷合金层。
3P+Ni→NiP3
第二章 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→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。
第三章 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
3。2。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。
3。2.2除油溶液参数：
表1 碱性化学除油溶液配方及参数
组成及工艺
NaOH
Na2CO3
Na3PO4•12H2O
Na2SiO3
温度（℃)
配方（g/L)
60-80
20-60
15—30
5—10
80—90
3.3 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
3。4。1化学镀成分及作用
（1)镍盐
镍盐是镀液主盐,一般使用硫酸镍。镍盐浓度高，镍液沉积速度快，但稳定性下降.另外，镀液中镍盐含量决定了所需还原剂和络合剂的量。
（2)还原剂
化学镀镍的反应过程是一个自催化的氧化–还原过程，因为次磷酸钠价格较低，控制容易，镀层抗蚀性能好，故采用其作为还原剂。镍与次磷酸钠的物质的量之比为0.3～0.45。
（3)络合剂
为防止化学镀进行时溶液中亚磷酸离子与游离镍离子结合生成亚磷酸镍沉淀,需要加入适当的络合剂生成镍的络离子来降低游离镍离子浓度。化学镀镍液中的络合剂均为有机酸和它们的盐类，常用的络合剂有：乙醇酸、苹果酸、柠檬酸、琥珀酸、乳酸、丙酸、羟基乙酸及它们的盐类。本实验采用乳酸作为络合剂。
（4）缓冲剂
为了保证镀液的PH值维持在一定的范围内，本实验采用硼酸作为缓冲剂。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,从而改善试样的表面性能.
3。4.2化学镀溶液参数
表2 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（℃）
配方（g/L)
25
20
25
10
4。4—5。8
90—92
镀液的配置过程如下：
（1）用分析天平称取12.623g硫酸镍,9.986g次磷酸钠，12。548g乳酸，5.125g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4.8；
（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验要求温度90℃。(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，然后分别取两个已镀工件及分别放入400℃箱式电阻炉保温2小时进行检测，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，用酒精溶液擦洗，然后吹干，并对已镀试样进行性能检测。
第四章 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。
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。
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。
4。4镀后耐蚀性检测
按照《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法国标JB/T 7901-1995》测试腐蚀介质中（3.5％氯化钠溶液）试样的腐蚀速率.腐蚀速率用公式计算（式中为腐蚀前试样的重量,为腐蚀后试样的重量,为腐蚀前后的平均表面积单位“”,T为时间单位“"。）腐蚀实验在静态流体中进行。
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，在室温下,保持24h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。
图1 腐蚀标准参考表
参考文献：
［1]钱苗根。 现代表面技术[M］。 机械工业出版社, 2016
［2]顾迅. 现代表面技术的应用[J]。 金属热处理， 1999（4）:1—6.
[3］戴达煌. 薄膜与涂层现代表面技术[M］。 中南大学出版社, 2008.
[4]华中一， 罗维昂。 表面分析[M］. 复旦大学出版社, 1989.
[5]钱苗根。 材料表面技术及其应用手册[M］。 机械工业出版社， 1998。
［6］薛增泉. 薄膜物理［M］。 电子工业出版社， 1991。
[7］杨威生, 盖峰. 扫描隧道显微镜对表面科学的巨大推动[J］. 物理, 1996, 25（9）:0—0。
［8］白春礼， 田芳. 扫描力显微镜研究进展［J］. 物理， 1997（7):402-407。
[9]钱苗根. 材料科学及其新技术［M］. 机械工业出版社， 1986.
[10]A.W.赞德纳, 强俊, 胡兴中. 表面分析方法［M]。 国防工业出版社， 1984。
[11]周玉。 材料分析方法［M］. 机械工业出版社, 2011.
[12]佚名. 化学镀镍-磷合金[J］. 新技术新工艺， 2009(10):127-127。
[13]庄瑞舫。 化学镀镍磷合金技术探讨（Ⅰ）［J］. 材料保护， 1997(11):41-43。
[14］张小华， 周海晖, 陈范才。 化学镀镍磷合金工艺中问题与探讨[J]. 表面技术, 2002， 31（3）:44—46.
［15]王孝镕, 顾慰中. 化学镀镍磷合金工艺研究[J]。 电镀与涂饰， 1999, 18(2）：43—46。
钢的磷化
学院名称：材料科学与工程学院 专业班级：金属1501
学生姓名：高奇 指导教师：王云龙 王兰
摘要： 本文简要介绍钢的磷化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 原理 溶液参数 高温磷化 检测 分析
第一章 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，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。
第二章 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：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.
第三章 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
3.2.1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，以增加磷化的保护膜层的结合强度。
3。2。2除油溶液参数
表1 碱性化学除油溶液配方及参数
组成及工艺
NaOH
Na2CO3
Na3PO4•12H2O
Na2SiO3
温度（℃)
配方（g/L)
20
20—60
15—30
5-10
25
3。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化这两种方法。
3.4.1高温磷化的磷酸盐溶液参数
表2 高温磷化溶液的配方及参数
组分与工艺
磷酸mL/L
氧化锌g/L
温度/℃
时间/min
配方参数g/L
23
9
85~95
25～30
实验时，具体配制步骤如下：
（1）先称取氧化锌，重量分别为4.5g;
（2)接着将它们分别用少量水调和,将调成糊状的氧化锌在不断搅拌下融入11。5mL磷酸中，最后加水至500mL；
（3)将配好的溶液加热至90℃，25min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20g和1.5g；
（2)将其混合，加水至500mL,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。
第四章 检测与分析
4.1表面形貌分析
利用金相显微镜对有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。
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.
4.3磷化后硬度测定
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。
4。4磷化后耐蚀性检测
按照国家标准《轻工产品黑色金属化学保护层的测试方法 浸渍点滴法 QB/T 3824一1999》进行磷化膜的耐蚀性测试，具体方法如下:
（1） 配置磷化膜测试溶液,由40ml 0。5N化学纯硫酸铜，20ml的10%化学纯氯化钠和0。8ml的0.1 N化学纯盐酸组成.
（2） 将磷化过的试样用脱脂棉花沾乙醉去油,然后用测试溶液滴一点在表面上,由试液的天蓝色变成土红色为终点，记录其所需的时间/分。
参考文献：
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[2］顾迅。 现代表面技术的应用[J］. 金属热处理， 1999(4）：1—6.
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[13］向东明. 低碳钢的高温磷化工艺研究［J]. 材料保护， 1989（6）：55—56。
[14]王春明。 金属磷化处理［J]. 电镀与环保, 2000， 20（5）。
[15］雷作. 金属的磷化处理[M]. 机械工业出版社, 1992.
13