轴承应用基础知识:表面处理

表面处理

 表面处理( Surface Treatment )：表面处理的对象非常广泛,从传统工业到现在的高科技工业,从以前的金属表面到现在的塑料,非金属的表面.它使材料更耐腐蚀 ,更耐磨耗,更耐热,它使材料之寿铭延长,此外改善材料表面之特性,光泽美观等提高产品之附加价值,所有这些改变材料表面之物理,机械及化学性质之加工技术统称为表面处理 (surface treatment) 或称为表面加工(surface finishing).  
    金属表面处理(metal surface treatment)：金属经初步加工成型后需修饰金属表面,美化金属表面 ,更进一步改变金属表面的机械性质及物理化学性质等之各种操作过程,称之为金属表面处理.或称之金属表面加工(metal surface finishing).

表面处理的目的

表面处理的目的可以分四大类:   
    一、美观(appearance).  
    为了提高制品之附加价值,赋予制品表面美观,例如装饰性电镀 (decorative plating) Au, Ag, Rh, Ni, Cr,黄铜等电镀 (electroplating)。
    二、防护(protection)   
    为了延长制品的寿命,再制品表面披覆(coating)耐腐蚀之材料,例如保护性电镀(protective  plating) Zn,Cd,Ni,Cr,Sn 等电镀。
    三、特殊表面性质(special surface properties)  
    1. 提高制品之导电性(electrical conductiuity),例如电镀Ag,Cu。 
    2. 提高焊接性(soderability)在通讯急电子工业应用,例如Sn-Pb合金电镀。  
    3. 提高光线之反射性(light reflectivity ) 例如宇宙飞船,人造卫星的外壳需反射光线,Ag及Rh的镀层被应用上。  
    4. 减小接触阻抗(contact resistance)例如在电子组件之Au及Pd电镀。  
    四、机械或工程性质(mechanical or engineering properties)  
    1. 提高制品之强度(strenth),例如塑料电镀。 
    2. 提高制品之润滑性( bearing propertries ) 例如多孔洛电镀(porous  chromium plating), 内燃机之铝合金活塞(piston) ,镀锡Sn以防止汽缸 (cylinder)壁刮伤。  
    3. 增加硬度(hardness)及耐磨性(wear resistance) ,例如硬洛电镀(hard chromium plating)。 
    4. 提高制品之耐热性,耐候性,抗幅射线,例如塑料,非金属之电镀。

表面处理常用名词术语

1.化学腐蚀  chemical corrosion   
    金属在非电化学作用下的腐蚀(氧化)过程。通常指在非电解质溶液及干燥气体中，纯化学作用引起的腐蚀。  
2.双电层  electric double layer  
    电极与电解质溶液界面上存在的大小相等符号相反的电荷层。  
3.双极性电极  bipolar electrode  
    一个不与外电源相连的，浸入阳极与阴极间电解液中的导体。靠近阳极的那部分导体起着阴  
极的作用，而靠近阴极的部分起着阳极的作用。  
4.分散能力 throwing power  
    在特定条件下，一定溶液使电极上(通常是阴极)镀层分布比初次电流分布所获得的结果更  
为均匀的能力。  
    此名词也可用于阳极过程，其定义与上述者类似。  
5.分解电压  decomposition voltage  
    其定义与上述者类似。  
    能使电化学反应以明显速度持续进行的最小电压(溶液的欧姆电压降不包括在内)。  
6.不溶性阳极(惰性阳极)  inert anode   
    在电流通过时，不发生阳极溶解反应的阳极。  
7.电化学 electrochemistry  
    研究电子导体和离子导体的接触界面性质及其所发生变化的科学。  
8.电化学极化(活化极化)  activation polarization  
    由于电化学反应在进行中遇到困难而引起的极化。  
9.电化学腐蚀  electrochemical corrosion   
    在电解质溶掖中或金属表面上的液膜中，服从于电化学反应规律的金属腐蚀(氧化)过程。  
10.电化当量  electrochemical equivalent  
    在电极上通过单位电量（例如1安时，1库仑或1法拉第时），电极反应形成产物之理论重量。通常以克/库仑或克/安时表示。

11 电导率(比电导)  conductivity  
    单位截面积和单位长度的导体之电导，通常以S／m表示。  
12 电泳  electrophoresis  
    液体介质中带电的胶体微粒在外电场作用下相对液体的迁移现象。  
13 电动势  electromotive force  
    原电池开路时两极间的电势差。  
14 钝化电势   passivation potential  
    金属电极阳极极化时，金属阳极溶解速率突然下降的电势。通常腐蚀电流在达到钝化电势前经历一极大值。  
15 腐蚀电势  corrosion potential  
    金属材料在特定的腐蚀环境中自发建立的稳定电极电势。  
16 电流密度  current density  
    单位面积电极上通过的电流强度，通常以A／dm2表示。  
17 电流效率   current efficiency  
    电极上通过单位电量时，电极反应生成物的实际质量与电化当量之比，通常以％表示。  
18 腐蚀速率，腐蚀电流   corrosion rate(vcor)，corrosion current(Icor)  
    腐蚀速率是材料特定表面上单位时间物质转变的量。或按法拉第定律，腐蚀速率是腐蚀电势下的电流。  
    腐蚀电流为: Icor = nFvcor；  
    式中：n-电极反应的电子数；  
    F-法拉第常数；  
    vcor-腐蚀速率。  
19 电极  electrode  
    置于导电介质(如电解液、熔融物、固体、或气体)中的导体。电流通过它流入或流出导电介质。  
20 电极电势   electrode potential  
    在标准状态下，某电极与标准氢电极(作为负极)组成原电池，所测得的电动势称为该电极的氢标  
电极电势，或简称电极电势。各种电极的氢标电极电势可以表示出电极与溶液界面间电势差的相对大小。

21 电解质  electrolyte  
    本身具有离子导电性或在一定条件下(例如高温熔融或溶于溶剂形成溶液)能够呈现离子导电性的物质。  
22 电解液  electrolytic solution   
    具有离子导电性的溶液。  
23 电离度  degree of ionization  
    溶液中的电解质以自由离子存在的摩尔数与其总摩尔数之比。通常以％表示。  
24 去极化   depolarization   
    在电解质溶液或电极中加入某种去极剂而使电极极化降低的现象。  
25 平衡电极电势   equilibrium electrode potential  
    电极反应处于热力学平衡状态的电极电势。  
26 正极  positive electrode   
    在原电池的两个电极中电势较正的电极。  
27 负极   negative electrode  
    在原电池的两个电极中电势较负的电极。  
28 阴极   cathode  
    发生还原反应的电极，即反应物于其上获得电子的电极。  
29 阴极极化  cathodic polarization  
    当有电流通过时，阴极的电极电势向负的方向偏移的现象。  
30 阴极性镀层  cathodic coating  
    比基体金属的电极电势更正的金属镀层。

31 阳极  anode 
    发生氧化反应的电极，即能接受反应物所给出电子的电极。 
32 阳极泥   anode slime 
    在电流作用下，阳极溶解过程中产生的不溶性残渣。 
33 阳极极化   anodic polarization 
    当有电流通过时，阳极的电极电势向正的方向偏移的现象。 
34 阳极性镀层  anodic coating 
    比基体金属的电极电势更负的金属镀层。 
35 迁移数  transport number 
    电流通过电解质溶液时，溶液中某种离子携带的电流与通过的总电流之比称为该离子的迁移数。 
36 超电势  overpotential 
    电极上有电流通过时的电极电势与热力学平衡电极电势的差值。 
37 扩散层  diffusion layer 
    电流通过时在电极表面附近存在着浓度梯度的溶液薄层。 
38 杂散电流  stray current 
    在需要通过电流的线路以外的其他回路(例如镀槽槽体或加热器等)中流过的电流。 
39 导电盐  conducting salt 
    添加到电解液中能够提高溶液电导率的盐类物质。 
40 体积电流密度  volume current density 
    单位体积电解质溶液中通过的电流强度。通常以A／L表示。

41 沉积速率 deposition rate 
    单位时间内镀件表面沉积出金属的厚度。通常以μm／h表示。 
42 初次电流分布 primary current distribution  
    不存在电极极化时，电流在电极表面上的分布。 
43 局部腐蚀 local corrosion 
    腐蚀破坏主要集中在表面局部区域，而其他部分几乎未遭受腐蚀的一种现象。 
44 极化 polarization 
    电极上有电流通过时，电极电势偏离其平衡值的现象。 
45 极化度 polarizability 
    电极电势随电流密度的变化率，它相当于改变单位电流密度所引起的电极电势的变化。 
46 极化曲线 polarization curve 
    描述电极电势与通过电极的电流密度之间关系的曲线。 
47 极间距Interelectrode distance 
    原电池或电解槽中两电极(正、负极或阴、阳极)之间的距离。 
48 乳化 emulsification 
    一种液体以极微小液滴均匀地分散在互不相溶的另一种液体中的现象。 
49 应力腐蚀 stress corrosion 
    金属材料在应力和腐蚀环境共同作用下而发生的开裂现象。 
50 析气 gassing  
    电解过程中电极上有明显可见的气体析出现象。

51 活化  activation    
    用调整有效离子浓度，达到理想行为以消除电极表面的钝化状态。   
52 活度  activity   
    在标准状态下，溶液中组分的热力学浓度，即校正真实溶液与理想溶液性质的偏差而使用的有效   浓度。   
53 标准电极电势  standard electrode potential   
    在标准状态下，电极反应中所有反应物与产物的活度(或逸度)均等于l的平衡电极电势。   
54 浓差极化  concentration polarization   
    电极上有电流通过时，由电极表面附近的反应物或产物浓度变化引起的极化。   
55 钝化  passivation   
    在一定溶液中使金属阳极极化超过一定数值后，金属溶解速率不但不增大，反而剧烈减小，这种使金属表面由"活化态"转变为"钝态"的过程称为钝化。由阳极极化引起的钝化为电化学钝化，而由溶液中某些钝化剂的作用引起的钝化则称为化学钝化。   
56 点腐蚀  spot corrosion   
    在金属表面出现的点状腐蚀。   
57 配位化合物  complex compound   
    金属离子或原子与一定数目的带负电的基团或电中性的极性分子形成具有配位键的化合物。   
58 复盐  double salt   
    两种盐以一定比例共同结晶而成的化合物。它实质上是以晶体形式存在的配位化合物。   
59 氢脆   hydrogen embrittlement    

    金属或合金吸收氢原子和有应力存在下而引起的脆性。   
60 渗氢  seepage hydrogen   
    金属制件在浸蚀、除油或电镀等过程中常有吸附氢原子的这种现象。

61 界面张力  interracial tension  
    两相界面间存在的使界面收缩的作用力称为界面张力。若其中一相为气体则称为表面张力。  
62 临界电流密度  critical current density  
    在电镀所需电极反应的电势范围内，能够维持反应进行的最高或最低电流密度。高于最高电流密度时，电势移动超出所需范围，将有新的副反应发生。低于最低电流密度时，电极反应速率降低而达不到生产上的要求。   
63 半电池  half-cell  
    单一电极与电解质溶液所构成的体系。  
64 原电池  galvanic cell  
    能将化学能直接转变为电能的装置。一个原电池可以看作是由两个半电池组成的。  
65 盐桥  salt bridge  
    连接两个半电池用于减小液接电势的装置，通常为盛有浓度较高的电解质溶液(例如饱和的KCL溶液)的玻璃管。  
66 pH值 pH  value  
    氢离子活度αH+(或近似地用浓度)的常用对数的负值，即pH＝一logaH+。  
67 基体材料  basis material(substrate)  
    能在其上沉积金属或形成膜层的材料。  
68 辅助阳极  auxiliary anode  
    为了改善被镀制件表面上的电流分布而使用的附加阳极。  
69 辅助阴极  auxiliary cathode  
    制件上某些电流过于集中的部位附加某种形状的阴极，以避免毛刺和烧焦等缺陷，这种附加的阴极就是辅助阴极。   
70 接触电势  contact potential  
    两种不同的导电材料接触时，在界面上产生的电势差。

71 晶间腐蚀  intercrystalline corrosion   
    沿着晶粒边界发生的选择性腐蚀。   
72 溶度积  solubility product   
    在一定温度下难溶电解质饱和溶液中相应的离子之浓度的乘积，其中各离子浓度的幂次与它在该电解质电离方程式中的系数相同。   
73 溶解度  solubility   
    在一定的温度和压力下，在100g溶剂中所能溶解溶质最大的克数。   
74 微观覆盖能力  microcovering power   
    在一定条件下电镀液中金属离子在孔隙或划痕中电沉积的能力。   
75 槽电压  tank voltage   
    电解时单元电解槽两极间总电势差。   
76 静态电极电势  static electrode potential   
    无外电流通过时，金属电极在电解液中的电极电势。   
77 螯合物  chelate compound   
    中心离子与配体多位配合形成的具有环状结构的配位化合物。   
78 整平作用  1eveling action   
    镀液使镀层表面比基体表面更平滑的能力。   
79 覆盖能力  covering power   
    在特定的电镀条件下，镀液沉积金属覆盖镀件整个表面的能力。   
80 主要表面  signiflcant surface   
    制件上电镀前后的规定表面，该表面上的镀层对于制件的外观和(或)使用性能是极为重要的。   
81 冲击电流  striking current   
    电镀过程中通过的瞬时大电流。

表面处理方法

常用的表面处理方法主要有脱脂处理法、机械处理法和化学处理法三大类。选择表面处理法应考虑多种因素，其中主要包括    
    （1）表面污染物的种类。如动物油、植物油、矿物油、润滑油、脏土、流体、无机盐、水份、指纹等。   
    （2）污染物的物理特性。如污染物的厚度、紧密或疏松程度等。  
    （3）胶接材料的种类。如钢材料可用碱溶液，而处理黄铜、铝材料时应考虑选用腐蚀性较小的温和溶液。   
    （4）需要清洁的程度。   
    （5）清洗液的清洁能力和设备情况。   
    （6）危险性和价格成本等。   

 
    金属表面处理方法    
    金属表面在各种热处理、机械加工、运输及保管过程中，不可避免地会被氧化，产生一层厚薄不均的氧化层。同时，也容易受到各种油类污染和吸附一些其他的杂质。    
    油污及某些吸附物，较薄的氧化层可先后用溶剂清洗、化学处理和机械处理，或直接用化学处理。对于严重氧化的金属表面，氧化层较厚，就不能直接用溶剂清洗和化学处理，而最好先进行机械处理。    
    通常经过处理后的金属表面具有高度活性，更容易再度受到灰尘、湿气等的污染。为此，处理后的金属表面应尽可能快地进行胶接。    
    塑料表面处理方法    
    塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。在通常情况下，热固性塑料要比热塑性塑料容易胶接。但它们的表面能量均低于玻璃、陶瓷、金属等亲水性材料，而且它们表面常会粘附脱模剂或逸出增塑剂，因此不易为胶粘剂所浸润，从而影响胶接强度。因此，一般均需对塑料进行表面处理。由于塑料的品种众多，各种性能差别很大，因此表面处理的方法也就很不相同。以下介绍几种常见的塑料表面处理方法。   
    橡胶表面处理方法    
    一般的橡胶材料表面都比较光滑，需要经机械处理或化学处理增加其粗糙度，才能达到较高的机械强度。    
    其它材料表面处理方法    
    一、玻璃表面处理法    
    二、陶瓷表面处理法    
    1、研磨法 用细砂纸轻轻打磨，再用干燥空气吹净细粉。    
    2、酸处理法 先在用重铬酸钠3.5份、浓硫酸200份（或铬酸1份，水4份）配成的处理溶液中，于室温下浸渍10-15min，再用水洗净，65 ° C下干燥。    
    三、混凝土表面处理法    
    四、木材表面处理法    
    适当刨光，并以木砂纸适当粗化，并控制含水量低于6-12%。对软木，可涂敷一层底胶以增加胶接强度。

快速除去氧化皮酸洗工艺

碳钢或低、中碳合金钢制紧固件在潮湿的环境下易锈蚀，在热镦锻和红冲过程中，会形成黑色而致密的氧化皮，既影响美观，又给后处理带来不便，通常可用喷砂、喷丸和加热酸洗以及常温酸洗来除锈和除去氧化皮。下面介绍一种快速除去氧化皮酸洗工艺。 
    1、基础配方 
    根据文献《化学清洗实用技术》、《钢铁材料酸洗化学》、《酸洗除锈技术》等介绍，确立了以盐酸为主的常温酸洗除去氧化皮工艺的基础配方（1L溶液）为： 
    盐酸420mL，乌洛托品5g，十二烷基硫酸钠5g，草酸5g，OP-105g，添加剂10mL，磷酸14mL。 
    盐酸是主要成分；磷酸的加入可提高酸洗速度；草酸可与Fe2+、Fe3+络合，加快氧化皮溶解；添加剂也可与Fe2+、Fe3+络合，明显加快氧化皮溶解；十二烷基硫酸钠起润滑和渗透作用；OP-10有渗透作用，同时还有抑雾作用。 
    2、含量的确定 
    盐酸酸洗从420mL盐酸加至1000mL中，结果氧化皮全部去除所用时间为48min，单位面积重量为118g/m2 ；基础配方盐酸为420mL时，氧化皮全部去除所用时间为23min，单位面积重量为101g/m2。 
    乌洛托品的加入不但降低了氧化皮的清除速度，增加了酸洗时间。从1g到5g的加入对基体的浸蚀略有增加，造成麻点、凹坑。 
    十二烷基硫酸钠从1g到5g的分别加入试验，仅加入1g酸洗就有所加快，再继续增加用量，酸洗的速度加快并不明显。 
    草酸从1g到5g的分别加入试验，随着草酸量的增加，氧化皮的清除速度随之加快，超过5g时酸洗速度增加不明显。 
    OP-10从1g到10g的分别加入试验，加入1g时氧化皮清除速度加快，再继续增加，速度增加不明显，但加入后酸雾明显减少。 
    添加剂从1g到10g的分别加入试验，加入添加剂氧化皮溶解速度加快，当浓度大于10mL时，速度增加并不明显。 
    磷酸分别为14、28、42、56、70、140mL溶液中加水到1000mL分别进行试验，磷酸浓度增加使氧化皮清除速度加快，但超过56mL后速度增加已经不明显。因此，确定磷酸的含量为56mL/L。采用该配方氧化皮去除时间为约16min，与盐酸酸洗相比较是其30%，大大缩短了氧化皮的去除时间。 
    3、结论 
    本工艺的最佳配方（1L溶液）：盐酸42mL；十二烷基硫酸钠10g；草酸5g；OP-1010g；添加剂10mL；磷酸56mL。 
    该配方去除氧化皮的速度比盐酸溶液时间缩短70%。

材料保护 :表面合金化

通过扩散改变基体金属表面层的成分和组织的材料保护技术。在机械製造中主要应用的是铝﹑铬﹑硅﹑钒﹑锌等的表面合金化层或渗层。渗层是利用金属卤化物蒸汽与金属表面层產生化学反应形成的﹐或是在液相中发生化学反应而形成的。

对於铝有多种渗层。最早的是在碳素钢或低合金钢基体上获得含铝约25%﹑层厚约125～1000微米的覆层。这种覆层具有在大气或炉气中长期抗800℃以内的氧化的能力﹐用於生產空气加热器﹑加热炉和蒸汽过热器的构件。铝铁合金需要在渗剂中加热到1080℃﹐经24小时而获得25～150微米厚的覆层。渗前若先镀扩散屏蔽层(如铂)﹐便可以抑制或延缓基体与覆层中金属元素间的相互扩散。

铬的渗层可在低碳钢﹑高碳钢﹑合金钢﹑不锈钢﹑工具钢﹑铸铁和铁粉烧结件上生成。可用粉末法﹐也可用熔盐法。在低碳铁金属表面形成含高铬的合金﹐厚度可达75微米﹐而且在高温下的抗氧化性较好﹔在高碳的金属表面可形成较薄的(12～50微米)碳化铬层﹐这种渗铬层在湿腐蚀条件下工作较好。渗铬层在以后的热处理中不受损毁﹐抗蚀性相当於含铬30%的钢。碳化铬层的硬度很高﹐耐磨性良好﹐多用於保护阀门﹑喷嘴﹑泵﹑量规和工模具。

渗硅主要用於低碳(C〈0.25%)﹑低硫(S〈0.04%)钢。工件埋在碳化硅粉末中﹐加热到930～980℃时导入氯气﹐经气相反应后可得125～250微米厚的脆性渗硅层。这种覆层具有耐磨﹑耐蚀性能﹐硬度高﹐还具有良好的抗擦伤性﹐用於泵轴﹑缸衬﹑阀门﹑传送带链的联结件和洗瓶机的构件。鈮﹑鉬﹑鉭﹑钨等难熔金属可作为航天器的短期有效构件材料﹐多採用硅化物层来减少它们在1650℃时的氧化。发展更有效的抗热腐蚀的渗层﹐也在探索中。

渗钒时﹐基体钢材中的碳含量至少应为0.4%﹐渗钒层的硬度很高﹐但冷焊性不佳。高碳工具钢的VC层﹐表面硬度在2牛顿载荷下可达HV22300﹐渗层厚度为19微米。在220号刚玉砂纸上的圆盘试验结果表明﹐它的相对抗磨粒磨损性﹐远高於渗硼层﹑渗氮层和渗碳层。

渗锌主要用在铁基体材料上。把工件﹑锌粉和填料放在滚桶中滚动﹐并加热到350～400℃﹐约3～12小时即可获得渗层。渗层厚度在25～37.5微米间时﹐基体圆柱形工件直径会胀大0.01～0.04毫米﹐所以组合件渗锌时﹐应留一定的空隙量﹐便於渗后不加工即可装配。渗锌层的最大特点是厚度均匀﹐抗蚀性极好﹐渗锌方法简单﹐效果也好﹐但装入和卸出时﹐粉尘飞扬﹐不仅污染大气﹐而且还会使一部分锌粉氧化。

化。