第4章 钢铁材料的表面处理

第4章钢铁材料的表面处理

金属制品的使用性能，主要取决于其表面的特性和状态。在使用过程中，金属制品常会出现疲劳断裂、磨损、腐蚀、氧化、烧损以及辐射损伤等现象。这些损伤一般都是从制品表面开始的。为了提高金属材料表面的性能，抵御工作环境对材料表面的损坏，就必须采用表面处理技术。金属材料的表面处理技术是利用物理的、化学的、物理化学的以及机械等工艺方法，使金属材料表面获得所要求的化学成分、组织和性能，以提高机械产品耐腐蚀性为主的技术。

表面处理技术可分为原子沉积、颗粒沉积、整体覆盖、表面改性。原子沉积是沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态，在材料表面上形成覆盖层，如物理气相沉积、化学气相沉积、化学镀、电镀等；颗粒沉积是沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面形成覆盖层，如热喷涂、陶瓷和搪瓷涂敷等；整体覆盖是将涂敷材料于同一时间施加于材料表面，如热浸镀、涂刷等；表面改性是用各种物理的、化学的方法，使表面组织、结构发生变化，从而改变其表面的性能，如激光表面处理、电子束表面处理、离子注入等。

4.1化学镀镍

化学镀是经过化学反应使溶液中的金属离子还原沉积于基体材料表面的方法。化学镀无需电源，又称为无电解镀、无电镀或自催化镀。化学镀是一个可控制的自催化还原过程，还原过程只能在基体材料表面上进行，而不能在液体的本体内进行。在无外电流通过的情况下，利用还原剂将电解质溶液中的金属离子，化学还原沉积在基体材料表面。基体材料表面沉积的物质是使化学反应继续进行的催化剂，以利金属离子与基体材料表面的还原沉积能牢固地结合形成具有一定层厚的镀覆层。

基体材料可以是金属或非金属，覆盖层材料主要是金属和合金，最常用的是镍和铜，另外还有金、银、钴等金属。其中化学镀镍的镀覆层一般作为工程或功能镀层，已形成了较完善的工艺，是目前国内发展速度最快的一种化学镀表面强化技术。化学镀镍的主要特点是：

（1）镀镍层的厚度均匀，基体材料化学镀镍时，无论基体材料表面形状是简单的，还是形状复杂的，只要通过镀液就能获得厚度均匀的镀覆层。并且，还可以人为地、精确地控制镀覆层的层厚。基体材料通过表面镀镍后，材料表面可以不再进行机械加工即可使用。

（2）化学镀镍的镀覆层与材料的表面附着力好，化学镀镍开始时，置换反应发生在基体材料表面上具有催化作用，被催化的基体材料表面在镀液中具有去除亚微观污物的能力，使所形成的金属沉积层与材料表面紧密结合。

（3）化学镀镍后的热处理，具有使镀覆层与基体材料表面间的互相扩散和除氢的作用。同时，经过热处理后镀覆层能产生时效硬化，其硬度值可达1100HV，有效地提高了基体材料表面镀覆层的强度和硬度，尤其是耐磨性。基体材料表面镀覆层在使用过程中，经过初期的磨损与镀硬铬层比较，其耐磨性比镀硬铬层好。即化学镀镍的镀覆层被广泛作为机械零件的耐磨层使用。

（4）化学镀镍后的镀覆层钎焊性和耐腐蚀性较好，如轻金属制成的电子元件经过化学镀镍后，能提高钎焊的性能。另外，化学镀镍的镀覆层耐腐蚀性优于纯镍，镀覆层还可以使基体材料的表面与周围环境隔离，起到一种屏障保护作用。然而，金属工件在化学镀镍时，工件的表面与镀覆层的结合力完全取决于镀镍前的预处理质量。为此，在镀镍前必须进行认真地进行预处理，若预处理不当镀覆层的强度会受到严重的影响，甚至会产生位移与裂纹。

为了提高模具和铸件的表面性能，化学镀镍工艺被广泛应用在模具、机械加工业中。模具和铸件通过化学镀镍后，不仅可以改善其润滑性和耐磨性，还有利于脱模。尤其是石油、化工设备、机械制造等方面，都是通过化学镀镍工艺来提高并解决化工设备、化工容器、油气管道的耐腐蚀性，耐磨性和润滑性。

4.2电镀

电镀是一种电沉积过程。电沉积是通过电解在固体表面上获得沉积层的方法，目的在于改变材料表面的性能，制取特定性质的材料。电沉积技术包括电冶金、电镀和电铸等。电镀是在基体材料表面通过电化学反应，使金属附着于基体材料表面上的过程，其目的是改变基体材料表面特性和尺寸。电镀是一个古老的表面强化工艺，由于电镀后基体材料的表面具有优异的装饰性和抗腐蚀性、耐磨性等性能，在工业中获得极为广泛的应用。

近代电镀新技术中，可在金属、塑料、陶瓷等材料表面镀制30多种金属及合金镀层。现已发展装饰用的有：多色调合金电镀、耐强腐蚀的锌合金电镀、稀土低浓度镀铬、功能膜的电镀等。电镀也可作为磨损件的修复手段，如：用电镀方法来修复并改变磨损件的形状和尺寸。电镀时金属在水溶液中的电沉积过程，是金属离子在溶液中的扩散、表面吸附、表面电化学反应结晶的过程。沉积的金属与基体材料的表面结合牢固，沉积物结构致密，厚薄均匀，光亮度高。

4.2.1实现电镀的条件

实现电镀需要三个必要条件，即电镀液、电极和直流电源。电镀是在含镀层金属的电解质溶液中进行，以被镀基体材料为阴极，镀层材料或其他不溶性材料为阳极，在两极间通以直流电后，被镀金属不断沉积在基体材料表面上。在电镀过程中，电极和电镀液之间的界面上发生电化学反应，阳极释放电子，发生氧化反应，阴极吸收电子，发生还原反应。为使所有要求的反应沿相同的方向进行，必须使用直流电。电镀金属的主要性能，取决于沉积金属的特性。如电镀纯铁层的硬度比纯铁硬度高，可达600HV。电镀层具有特殊的结构、组织和性能，可以提高材料的耐蚀性、装饰性、耐磨性、减磨性，以及满足电、热、磁、光等方面的性能要求。

4.2.2电镀工艺及应用

常用电镀层金属有铬、镍、铜、锌、铅、银、金等。为了得到与基体材料牢固结合的镀层，在电镀前和电镀工艺过程中，要求对基体材料表面进行预处理，预处理质量对电镀层的组织和性能起着至关重要的作用。电镀时应根据需要合理选择镀液成分、阴极电流密度、镀液温度和搅拌程度等。在镀液中加入络盐，可以获得光滑致密的镀层。添加光亮剂可以提高镀层的光泽性。基体材料电镀后需用热水洗净并干燥，必要时还需要进行研磨和机械抛光处理。基体材料电镀后再进行水洗、干燥、最后涂覆防锈漆防止腐蚀。为了消除氢脆的现象，镀后还需在150～200℃环境下进行烘烤。

1．低碳钢件的电镀工艺流程如下：阳极清洗→冷水漂洗→酸洗（除氧化皮）→冷水漂洗（另槽）→阳极清洗→冷水漂洗（另槽）→浸酸→冷水漂洗（另槽）→电镀（Ni、Cu、Zn、Cr）→漂洗

→除氢（175～180℃）在低碳钢的电镀工艺中，预处理采取酸洗的目的，是为了充分去除氧化皮和锈蚀层。阳极清理采用75g/升的碱液，电流密度为5～10A/dm2，酸槽电压6V，温度90～100℃，进行酸洗的时间为1～2min。

2．中碳结构钢、高碳钢的电镀工艺流程中碳结构钢、高碳钢的电镀工艺流程与低碳钢的基本相同。电镀中碳结构钢、高碳钢时，为了获得优质的电镀层，必须注意在电镀前、在电镀后和电镀过程中的各种处理。当中碳钢和中碳合金钢通过热处理渗碳后，钢的强度和氢脆敏感性非常高。为此，中碳钢和中碳合金钢的电镀工艺流程与低碳钢电镀工艺流程的主要区别如下：（1）预处理时必须先用50℃热水漂洗镀件，再用冷水喷洗镀件。

（2）进行酸处理时，必须采用1%～10%的盐酸进行处理，不能采用硫酸处理。因为用硫酸处理后，镀件表面的污斑（污迹）有增大的倾向。（3）镀件表面经过酸处理后，在电镀前会重新出现污斑和锈蚀现象。为此，镀件在电镀前，必须放在45g/L的NaCN溶液中，以1.5～2A/dm²电流密度进行阳极处理。（4）为提高镀件表面的电镀层结合力，需要在250～1000g/L的硫酸中，以15A/dm²电流进行1min的阳极侵蚀处理。（5）为提高镀件表面的镀层强度和抗蚀性，采用机械抛光的方法，可以去除金属镀件表面的应力层。（6）电镀后必须立即把镀件放置在150～260℃（镀锌、镀铬件不超过205℃）环境下进行保温1～5h，以此清除氢脆现象。

不锈钢也可以进行电镀，目的是为了进一步提高不锈钢的高温抗氧化能力，从而改善其导热性、导电性。对不锈钢镀件施行电镀时，关键是要解决不锈钢镀件的表面钝化膜表面活化问题。不锈钢镀件的表面活化处理的方法，可采用阴极处理、浸渍处理以及电镀时同时活化等综合处理。活化后的不锈钢镀件可以直接进行电镀铬、电镀黄铜、电镀镍、电镀金和电镀银等。金属镀件在进行电镀时必须注意的是：金属镀件经过电镀会因吸氢而变脆。因此，电镀后，必须都进行除氢处理。目前，清洁化电镀生产过程得到了很大的发展，电镀液也逐渐向低毒和无毒的方向发展。

4.3热浸镀

热浸镀是将被镀的基体材料浸在熔融态的另一种低熔点金属中，通过短时间加热，液态与固态相互反应后，取出基体材料进行冷却，熔融金属在基体材料表面形成一层金属保护膜（浸镀层）的表面强化技术。热浸镀层金属的熔点要比被镀基体材料的熔点低，一般以锌（熔点419.5℃）、铝（熔点658.7℃）、锡（231.9℃）、铅（熔点327.4℃）及其合金为主。目前，钢铁也是广泛使用的基体材料，铸铁以及铜等金属材料也可以作为基体材料进行热浸镀。

热浸镀工艺与其它表面强化处理的工序相似，首先得对基体材料进行预处理，预处理后才能进行热浸镀，热浸镀结束还要对镀件进行后处理。热浸镀前对基体材料进行的预处理是：对基体材料表面进行除油、除锈、表面活化处理，使之形成一个适合热浸镀的表面。热浸镀时表面越光洁，热镀层与基体材料结合就越牢固。热浸镀的后处理，是对基体材料表面的热镀层进行化学处理和必要的平整、矫直、涂油等。

热浸镀的过程，是熔融态金属在基体材料表面发生热浸蚀和热漫流，直至达到两种金属完全接触的冶金过程。基体材料表面的铁原子向熔融金属熔解，熔融金属中的原子被基体材料表面吸附，直至饱和后，在基体材料表面形成固溶体或合金化合物的热浸镀层。热浸镀层与基体材料结合的强度高，并有一定的韧性、硬度和耐磨性。热浸镀层的钝化膜具有化学稳定性和耐腐蚀性。

4.3.1热浸镀的预处理方法根据预处理方法的不同，热浸镀可分为溶剂法和保护气氛还原法两类。

1．溶剂法处理溶剂法处理是在热浸镀前将基体材料表面进行脱脂、除锈后，再将基体材料浸入溶剂中处理，以去除酸冲洗时表面所形成的氧化物和氢氧化物的工序。溶剂法处理可以防止基体材料在浸入热浸镀溶液前再发生氧化现象，降低与熔融金属的表面张力。用此工序还可以改变基体材料表面的润湿性，增加表面活性，以利进行热浸镀时形成致密、均匀的浸镀层。热浸镀溶剂处理是影响热浸镀质量的关键工序。溶剂处理分为熔融溶剂方法和干燥溶剂法两种方法。

2．保护气氛还原法保护气氛还原法是将基体材料退火后，先将基体材料放入氧化炉加热，烧去表面上残留的油污和乳化液等，使表面发生微氧化生成蓝色的氧化膜，随后将基体材料放入氢、氮混合气体的还原炉中，使氧化膜还原成适合于热浸镀的海绵铁。之后，基体材料在还原炉的保护气氛中冷却到适当温度，再放入热浸镀槽内进行热浸镀。4.3.2热浸镀镀层的性能及应用

基体材料热浸镀后，在浸镀层金属与基体材料的互相作用下，基体材料表面的热浸镀层具有不同成分和性质的结构。即靠近基体材料表面的内层含有较多基体材料的成分，而中间层为具有较多的热浸镀金属（纯金属）层。在最上层为纯金属与基体材料结合而成的合金层。合金层是两种金属组成的金属化合物，含有少量的基体材料和微量夹杂物，具有与纯金属不同的结构和性能，合金层比纯金属脆。

在热浸镀中，基体材料表面的镀层金属的厚度难以精确控制，使镀层金属的分布不均匀。因此，热浸镀的镀层一般都比较厚，可以在腐蚀环境中长期使用，能有效地抵抗各种介质的腐蚀。现在，热浸镀被广泛用来做热浸镀锌层和热浸镀铝层，如热浸镀锌板、热浸镀锌钢管、热浸镀锌钢丝、热浸镀锌钢带、热浸镀铝钢板、热浸镀铝钢丝、热浸镀铝钢管等。4.4热喷涂

把金属、合金、金属陶瓷和陶瓷等材料熔融或部分熔融，然后以高速喷射法喷涂在工件表面上，以获得抗腐蚀、耐磨性较高的涂层的表面处理技术称为热喷涂。热喷涂的涂层厚度一般可达到0.25～0.75mm，甚至还可喷涂至10mm。因此，实际生产中常把热喷涂涂层用做材料（金属或非金属）的防腐蚀、抗高温氧化、抗磨损的表面防护层，还可以对零件磨损后进行修复或制造注塑模具等。热喷涂方法很多，但是喷涂过程、涂层的形成和涂层的结构基本是相同的。按所用的热源不同，热喷涂可分为电弧喷涂、等离子弧喷涂、气体隧道、等离子喷涂等方式。4.4.1电弧喷涂

电弧喷涂是将两根彼此绝缘的喷涂线材（喷涂材料）分别接在直流电源的正负极上，在喷嘴处形成电弧，形成高温区域，使线材（喷涂材料）端部被加热溶化，成为熔滴状态。然后导入压缩空气，在压缩空气作用下熔滴被雾化，形成熔融粒子，喷射在基体材料表面上。在基体材料表面上熔融粒子间发生强烈的碰撞，把动能转化热能传给基体材料，同时在凸凹不平的基体表面形成扁平状的粒子，瞬间凝固形成涂层。

电弧喷涂时，两根喷涂线（喷涂材料）末端保持一定距离，使用18～40V直流电源，形成稳定的电弧区，电弧区的温度很高可达4200℃。要求电弧喷涂的线材（喷涂材料）直径与成分必须均匀，同时还要求输送线材（喷涂材料）的速度平稳，反馈的压力稳定。

电弧喷涂涂层具有结合力高，质量好，能源利用率高，成本低等特点。用较低的温度也可在低熔点材料（如塑料）上进行喷涂，能得到较厚的涂层。使用两种不同材料的喷涂线材时，可获得两种相互紧密结合的“合金”涂层，涂层具有两种物质各自的性能。例如高碳钢与紫铜的合金涂层，既有高耐磨性又有高导热性。此外，电弧喷涂设备造价低、使用维修方便、成本低，因此，电弧喷涂在国内外发展迅速。4.4.2热喷涂材料的特点

热喷涂材料种类很多。按材质分有金属、陶瓷、金属化合物、塑料和复合材料。按形态分有线材、棒材和粉末材料，其中线材被广泛应用于火焰喷涂、电弧喷涂和线爆炸喷涂。粉末材料用于等离子弧喷涂、爆炸喷涂和火焰喷涂等。按用途分有耐磨、耐蚀和耐热等热喷涂材料。另外，还有导电、超导、半导体、电磁屏蔽、热辐射、生物功能、装饰等热喷涂材料。

热喷涂材料具有良好热稳定性，能够在热喷涂加热过程中不变质、不挥发。另外，还具有在熔融或半熔融状态下，能与基体材料之间保持良好的湿润性能。因此，热喷涂可以得到致密的、平整光滑的、结合强度很高的喷涂层。热喷涂粉末材料还具有良好的流动性，保证在喷涂时能够均匀地流动而实现热喷涂。由于，热喷涂层的线膨胀系数与基体材料很接近，从而有利于热喷涂层的形成，且涂层形成后不发生龟裂和脱落现象。

热喷涂的基体材料使用范围广泛，几乎所有的固体材料都可以进行表面热喷涂。并且，不受基体材料的尺寸限制，可以对基体材料进行大面积喷涂，也可以进行局部面积喷涂，热喷涂层的厚度也很容易控制，根据要求可获得厚度从几微米到几十微米的热喷涂层。热喷涂过程对基体材料的组织和性能几乎没有影响。4.5离子镀

离子镀膜简称为离子镀。离子镀是在真空条件下，利用低压气体放电的等离子，使蒸发出金属或化合物原子（或分子）电离和激活，然后在基体材料表面沉积成膜的过程。离子镀具有沉积速度快和离子轰击可以清洁基体材料表面等特点。其膜层与基体材料表面结合力强，绕射性好，可镀材料非常广泛。实现离子镀的两个必要条件：（1）必须造成一个气体放电的空间。（2）能将离子镀料原子引进放电空间电离和激活后轰击基体材料表面。

离子镀的种类很多，一般根据工件负偏压的高度和放电方式的不同，分为辉光放电型和弧光放电型。图4.1离子镀示意简图图4.1离子镀示意简图

离子镀的最基本技术是二级离子镀。如图4.1所示，二级离子镀是采用电阻作为蒸发源，真空室抽至10-3Pa以上真空度之后通入工作气体（氩气），并使真空度维持在0.1～1Pa之间，在基体材料下方设置蒸发源，将离子镀料放置在蒸发源上，将基体材料电极接上数百伏至数千伏直流高压时，产生辉光放电现象。基体材料与蒸发源之间形成低温等离子区，基体材料附近是阴极暗区（阴极辉区）。惰性气体离子进入阴极暗区被电场加速电离后，产生离子轰击基体材料表面，对基体材料进行溅射清洗，去除基体材料表面的吸附气体和氧化层等污染物。基体材料经溅射清洗之后开始离子镀，蒸发、气化离子镀料的原子进入等离子区，与离子化的或被激发的惰性气体原子、电子发生剧烈碰撞而被离子化，被电离的镀料离子和气体离子一起受到电场作用而加速，以很高的能量轰击镀层表面，在基体材料表面上同时产生溅射和沉积效应，直至离子镀的全过程。

在离子镀过程中，镀料原子在向基体材料表面上飞行的过程中与高速电子发生弹性碰撞，部分镀料原子被电离为离子，大部分被激活为高能中性原子。离子在向基体材料表面上飞行的过程中，可能与其他原子碰撞发生电荷转移变成中性原子，但它的动能不变，仍然继续前进轰击膜层。这种粒子轰击既有离子，又有高能中性原子的粒子轰击。离子镀入射粒子的能量很高，可达几百到几千电子伏特。粒子到达基体材料表面上扩散迁移，成核并长大成膜所需的能量，由蒸发源加热和离子加速的方式获得。使离子镀膜层与基体材料表面的结合力、膜层组织致密性都很高。离子镀不仅适用于铁合金、也适用于非铁合金、陶瓷、聚合物、玻璃等材料的表面处理。

名词释义:

预处理：通过一定方法对基体材料表面除油、除锈、表面活化处理电流密度：单位面积电极上通过的电流强度，通常以A/dm2表示。活化：使金属表面钝态消失的过程。氢脆：在浸蚀、除油或电镀等过程中金属或合金吸收氢原子而引起的脆性增高的现象。基体材料：能与其上沉积金属或形成膜层的材料。除氢：将金属制件在一定温度下加热处理或采用其它方法，以驱除在电镀生产过程中金属内部吸收氢的过程。

结合力：镀层与基体材料结合的强度。可以采用使镀层与基体分离开所需的力来度量。麻点：在电镀和腐蚀中，金属表面上形成的小坑或小孔。

镀层钎焊性：镀层表面被熔融焊料润湿的能力。镀硬铬：是指在各种基体材料上镀较厚的铬层。实际上其硬度并不比装饰铬层硬，如镀层不光亮反而比装饰铬镀层软，只因其镀层厚能发挥其硬度高、耐磨的特点，故称镀硬铬。沉积速度：单位时间内零件表面沉积出金属层的厚度,通常以μm/h表示。

复习思考题

一、填空题

1．钢铁制品的使用性能，主要取决于

的特性和状态。

2．根据作用原理，表面处理技术可以分为四种基本类型：

、

、

和

。

3．化学镀无需电源，又称为

镀、

镀或

镀。

4．化学镀镍镀覆层与金属材料的表面附着力好，开始化学镀镍时，置换反应发生在金属材料

上，具有

作用。

5．实现电镀需要三个必要条件，即＿、

和

。

6．电镀金属的主要性能，取决于

金属的特性。

7．为了得到与基体材料牢固结合的镀层，在电镀前和电镀工艺过程中，要求对基体材料表面进行

处理。

8．热浸镀前对基体材料进行的预处理是：对基体材料表面进行除

、除

、表面

处理，使之形成一个

热浸镀的表面。

9．实际生产中常把热喷涂涂层用做材料（金属或非金属）的防

、抗

、抗

的表面防护层，还可以对零件磨损后进行

或制造注塑模具等。