《材料表面處理技術(shù)與工程實(shí)訓(xùn)》習(xí)題解答

《材料表面處理與工程實(shí)訓(xùn)》習(xí)題解答第1章材料表面處理的分類思考題1.材料表面處理全面而確切的含意是什么？表面處理應(yīng)該是指為滿足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、結(jié)構(gòu)和性能（或功能）的化學(xué)、物理方法與工藝，它以表面科學(xué)為理論基礎(chǔ)，利用各種物理的、化學(xué)的、物理化學(xué)的、電化學(xué)的、冶金的以及機(jī)械的方法和技術(shù)，使材料表面得到我們所期望的成分、組織、性能或絢麗多彩的外觀。2.舉出您比較熟悉的一個(gè)產(chǎn)品對(duì)材料表面處理技術(shù)的需求。提示：隨著材料表面處理技術(shù)的發(fā)展，基材不再局限于金屬材料而是包攬金屬、有機(jī)、無機(jī)、復(fù)合等材料領(lǐng)域。對(duì)材料表面性能的要求也從一般的裝飾防護(hù)拓展到機(jī)、電、光、聲、熱、磁等多種特種功能和綜合功能領(lǐng)域。舉出一例。在您所接觸的日常生活用品中，哪一件制品的表面處理您最喜歡，為什么？您能說出它的表面是怎樣處理的嗎？提示：學(xué)習(xí)用品、通訊工具、交通工具等。在您所接觸的日常生活用品中，有哪一件您認(rèn)為如果能在表面處理上作一些改進(jìn)，大家就會(huì)更喜歡它？您對(duì)它的改進(jìn)有具體設(shè)想嗎？提示：學(xué)習(xí)用品、通訊工具、交通工具等。什么是表面改性？什么是表面加工？二者有什么區(qū)別？表面改性——用機(jī)械、物理和化學(xué)的方法，改變材料表面的形貌、化學(xué)成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)。表面加工——通過物理化學(xué)方法使金屬表面的形貌發(fā)生改變，但不改變金屬表面的金相組織和化學(xué)成分，如：表面微細(xì)加工、拋光、蝕刻、整體包覆。區(qū)別：表面加工不改變金屬表面的金相組織和化學(xué)成分；表面改性改變金屬表面的金相組織和化學(xué)成分。第2章材料表面處理的理論基礎(chǔ)思考題什么是清潔表面，什么是實(shí)際表面，二者具有怎樣的研究意義？清潔表面是指不存在任何吸附、催化反應(yīng)、雜質(zhì)擴(kuò)散等物理化學(xué)效應(yīng)的表面。這種清潔表面的化學(xué)組成與體內(nèi)相同，但周期結(jié)構(gòu)可以不同于體內(nèi)。在材料實(shí)際應(yīng)用過程中，材料表面是要經(jīng)過一定加工處理（切割、研磨、拋光等），材料又在大氣環(huán)境（也可能在低真空或高溫）下使用。材料可能是單晶、多晶、非晶體。這類材料的表面稱為實(shí)際表面。什么是理想表面？特點(diǎn)是什么？對(duì)于沒有雜質(zhì)的單晶，作為零級(jí)近似可將其清潔表面理想為一個(gè)理想表面。這是一種理論上的結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面。忽略了晶體內(nèi)部周期性勢(shì)場(chǎng)在晶體表面中斷的影響，忽略了表面原子的熱運(yùn)動(dòng)、熱擴(kuò)散和熱缺陷等，忽略了外界對(duì)表面的物理化學(xué)作用等。這種理想表面作為半無限的晶體，體內(nèi)的原子的位置及其結(jié)構(gòu)的周期性，與原來無限的晶體完全一樣根據(jù)表面原子排列，清潔表面又可分為哪三種，這三種表面分別呈現(xiàn)什么特點(diǎn)？根據(jù)表面原子的排列，清潔表面又可分為臺(tái)階表面、弛豫表面、重構(gòu)表面等。臺(tái)階表面不是一個(gè)平面，它是由有規(guī)則的或不規(guī)則的臺(tái)階的表面所組成。由于固相的三維周期性在固體表面處突然中斷，表面上原子產(chǎn)生的相對(duì)于正常位置的上、下位移，稱為表面弛豫。重構(gòu)是指表面原子層在水平方向上的周期性不同于體內(nèi)，但垂直方向的層間距則與體內(nèi)相同。金屬離子電沉積的熱力學(xué)條件是什么？分析金屬離子在水溶液中沉積的可能性。原則上，只要陰極的電位負(fù)于金屬在該溶液中的平衡電位，并獲得一定過電位時(shí)，該金屬離子就可以在陰極上析出。但事實(shí)上并不這么簡(jiǎn)單，因?yàn)槿芤褐写嬖诙喾N可以在陰極還原的粒子，這些粒子，尤其是氫離子將與該金屬離子競(jìng)爭(zhēng)還原。因此，某金屬離子能否從水溶液中陰極還原，不僅取決于其本身的電化學(xué)性質(zhì)，而且還取決于溶液中其他粒子的電化學(xué)性質(zhì)，特別是取決于與氫離子還原電位的關(guān)系。金屬電沉積包括哪些基本的單元步驟？寫出各單元步驟的表達(dá)式。金屬電沉積的陰極過程，一般由以下幾個(gè)單元步驟串聯(lián)組成：（1）液相傳質(zhì)溶液中的反應(yīng)粒子，如金屬水化離子向電極表面遷移。（2）前置轉(zhuǎn)化遷移到電極表面附近的反應(yīng)粒子發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，如金屬水化離子水化程度降低和重排；金屬絡(luò)離子配位數(shù)降低等。（3）電荷傳遞反應(yīng)粒子得電子、還原為吸附態(tài)金屬原子。（4）電結(jié)晶新生的吸附態(tài)金屬原子沿電極表面擴(kuò)散到適當(dāng)位置（生長(zhǎng)點(diǎn)）進(jìn)入金屬晶格生長(zhǎng)，或與其他新生原子集聚而形成晶核并長(zhǎng)大，從而形成晶體。簡(jiǎn)單金屬離子在陰極上的還原歷程遵循金屬電沉積基本歷程，其總反應(yīng)式可表示如下：Mn+?mHO+ne=M+mHO22試從能量的角度分析金屬離子放電的位置和進(jìn)入晶格的途徑。氣相沉積和電鍍時(shí)，原子的沉積過程一般都是在晶體表面的扭折或臺(tái)階處率先形核，再通過擴(kuò)散逐漸長(zhǎng)大的，因?yàn)檫@樣所需要的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力最小。晶體表面各種缺陷濃度的高低，也直接影響表面擴(kuò)散速度和物理、化學(xué)吸附過程的進(jìn)行。吸附原子可以以兩種方式并入晶格：放電粒子直接在生長(zhǎng)點(diǎn)放電而就地并入晶格（見圖2.411）；放電粒子在電極表面任一位置放電，形成吸附原子，然后擴(kuò)散到生長(zhǎng)點(diǎn)并入晶格（見圖 2.41II）。I一直接在生長(zhǎng)點(diǎn)放電；II—通過擴(kuò)散進(jìn)入生長(zhǎng)點(diǎn)圖2.41金屬離子并入晶格的方式簡(jiǎn)述電結(jié)晶形核理論的要點(diǎn)及形成晶體的要點(diǎn)。形核理論的要點(diǎn)：根據(jù)德國(guó)學(xué)者Kossell和Volmer提出并被后人用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了的電結(jié)晶形核理論，在完整的晶體表面電沉積時(shí)首先形成二維晶核，再逐漸生長(zhǎng)成為“單原子”薄層，然后在新的晶面上再次形核、長(zhǎng)大，一層一層生長(zhǎng)，直至成為宏觀的晶體沉積層。形成晶體的要點(diǎn)：電結(jié)晶形核過程有如下兩點(diǎn)重要規(guī)律：（1）電結(jié)晶時(shí)形成晶核要消耗電能（即nFnc），因而在平衡電位下是不能形成晶核的，只有當(dāng)陰極極化到一定值（即陰極電位達(dá)到析出電位時(shí)），晶核的形成才有可能。從物理意義上說，過電位或陰極極化值所起的作用和鹽溶液中結(jié)晶過程的過飽和度相同。（2）陰極過電位的大小決定電結(jié)晶層的粗細(xì)程度，陰極過電位高，則晶核愈容易形成，晶核的數(shù)量也愈多，沉積層結(jié)晶細(xì)致；相反，陰極過電位愈小，沉積層晶粒愈粗大。簡(jiǎn)述晶體螺旋錯(cuò)位生長(zhǎng)理論的要點(diǎn)及形成晶體的過程。晶面上的吸附原子擴(kuò)散到位錯(cuò)的臺(tái)階邊緣時(shí)，可沿位錯(cuò)線生長(zhǎng)。如圖2.42所示，開始時(shí)，晶面上的吸附原子擴(kuò)散到位錯(cuò)的扭結(jié)點(diǎn)O,從O點(diǎn)開始逐漸把位錯(cuò)線OA填滿，將位錯(cuò)線推進(jìn)到OB，原有的位錯(cuò)線消失，新的位錯(cuò)線OB形成。吸附原子又在新的位錯(cuò)線上生長(zhǎng)。位錯(cuò)線推進(jìn)一周后，晶體就向上生長(zhǎng)了一個(gè)原子層。如此反復(fù)旋轉(zhuǎn)生長(zhǎng)，晶體將沿位錯(cuò)線螺旋式長(zhǎng)大，成為圖2.43所示的棱錐體。這就是晶體的螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)理論。圖2.42螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)示意圖 圖2.43位錯(cuò)螺旋推進(jìn)生長(zhǎng)成棱錐體示意圖試述過電位在電結(jié)晶過程中的重要意義。金屬的電結(jié)晶與鹽從過飽和溶液中結(jié)晶的過程有類似之處，即都可能經(jīng)歷晶核生成和晶核長(zhǎng)大兩個(gè)過程。但金屬電結(jié)晶是一個(gè)電化學(xué)過程，形核和晶粒長(zhǎng)大所需要的能量來自于界面電場(chǎng)，即電結(jié)晶的推動(dòng)力是陰極過電位而不是溶液的過飽和度。試述金屬表面的極化現(xiàn)象。如果采用陰極和陽(yáng)極的初始電位計(jì)算腐蝕速度，所得到的結(jié)果要比實(shí)際體系的腐蝕速度大幾十倍甚至幾百倍。這一明顯差別使人們發(fā)現(xiàn)，腐蝕電池工作時(shí)，陰、陽(yáng)極之間有電流通過，使得其電極電位值與初始電位值（沒有電流通過時(shí)的平衡電位值或穩(wěn)定電位值）有一定的偏離，使陰、陽(yáng)極之間的電位差比初始電位差要小得多，這種現(xiàn)象就稱為極化現(xiàn)象或極化作用。試述金屬表面的化學(xué)鈍化現(xiàn)象。從熱力學(xué)上講，絕大多數(shù)金屬在一般環(huán)境下都會(huì)自發(fā)地發(fā)生腐蝕，可是在某些介質(zhì)環(huán)境下金屬表面會(huì)發(fā)生一種陽(yáng)極反應(yīng)受阻的現(xiàn)象。這種由于金屬表面狀態(tài)的改變引起金屬表面活性的突然變化，使表面反應(yīng)（如金屬在酸中的溶解或在空氣中的腐蝕）速度急劇降低的現(xiàn)象，就稱為鈍化。25℃時(shí)，金屬銅從Cu2+離子活度為1的溶液中以j=08A/dm2的速度電沉積，已知電子轉(zhuǎn)移步驟是整個(gè)電極過程的速度控制步驟，并測(cè)得陰極塔菲爾斜率b=0.06V，交換電流密度j0=0.01A/dm2。試求該電流密度下的陰極過電位。提示：用巴特勒-伏爾摩(Butler-Volmer)方程求陰極過電位。與簡(jiǎn)單金屬離子相比，金屬配位離子的陰極還原過程有何特點(diǎn)？加入配位劑后，由于配位劑和金屬離子的配位反應(yīng)，使水合金屬離子轉(zhuǎn)變成不同配位數(shù)的配位離子，金屬在溶液中的存在形式和在電極上放電的粒子都發(fā)生了改變，因而引起了該電極體系電化學(xué)性質(zhì)的變化。主要變化是使金屬電極的平衡電位向負(fù)移動(dòng)。金屬電結(jié)晶過程是否一定要先形成晶核？晶核形成的條件是什么？電結(jié)晶過程有兩種形式：一是陰極還原的新生態(tài)吸附原子聚集形成晶核，晶核逐漸長(zhǎng)大形成晶體；一是新生態(tài)吸附原子在電極表面擴(kuò)散，達(dá)到某一位置并進(jìn)入晶格，在原有金屬的晶格上延續(xù)生長(zhǎng)。第一種形式需要現(xiàn)成晶核，第二種形式則不需要。電結(jié)晶的推動(dòng)力是陰極過電位。固體表面自由能和表面張力與液體相比有什么不同？表面能的含義是每增加單位表面積時(shí)，體系自由能的增量，單位是J/m2。固體表面上的質(zhì)點(diǎn)與晶體內(nèi)部相比，處于一個(gè)較高的能量狀態(tài)，所以表面積增加，體系的自由能就增加。表面張力是表面能的一種物理表現(xiàn)，是由于原子間的作用力以及在表面和內(nèi)部的排列狀態(tài)的差別而引起的。液體的表面自由能和表面張力在數(shù)學(xué)上是相等的，而固體則不一樣，因?yàn)楣腆w的原子幾乎不可移動(dòng)，其表面不像液體那樣易于伸縮或變形，拉伸或壓縮固體表面時(shí)，僅僅能改變其表面原子的間距，而不能改變表面原子的數(shù)目；吸附是固體表面最重要的性質(zhì)之一。法國(guó)佳士得拍賣行拍賣的圓明園銅鑄鼠首和兔首頭像，圖2-44，歷經(jīng)250年的風(fēng)雨，為什么沒有被腐蝕？圖2.44圓明園兔首和鼠首銅像從熱力學(xué)上講，絕大多數(shù)金屬在一般環(huán)境下都會(huì)自發(fā)地發(fā)生腐蝕，可是在某些介質(zhì)環(huán)境下金屬表面會(huì)發(fā)生一種陽(yáng)極反應(yīng)受阻的現(xiàn)象。提示：從金屬鈍化的角度解釋。第3章材料表面預(yù)處理及機(jī)械處理思考題1．噴丸和滾壓這兩項(xiàng)表面機(jī)械處理工藝的加工方法和應(yīng)用有何不同？國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4863《機(jī)械制造工藝基本術(shù)語(yǔ)》給噴丸所作的解釋是：“用小直徑的彈丸，在壓縮空氣或離心力等作用下，高速噴射工件，進(jìn)行表面強(qiáng)化和清理的加工方法?！眹娡璨坏梢郧謇砹慵砻妫贡砻娲只?，提高涂層與基體的結(jié)合力，而且還可以提高金屬材料的耐疲勞性能。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4863《機(jī)械制造工藝基本術(shù)語(yǔ)》給滾壓所下的定義是“用液壓工具對(duì)金屬坯料或工件施加壓力．使其產(chǎn)生塑性變形，從而將坯料成形或滾光工件表面的加工方法。”表面滾壓的目的是提高金屬構(gòu)件的抗疲勞能力，保證工作安全，延長(zhǎng)使用壽命。2．根據(jù)噴丸的原理和功能，請(qǐng)您為它安排一個(gè)實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目，或舉出一個(gè)在生產(chǎn)中應(yīng)用的實(shí)例，并說明這項(xiàng)技術(shù)在此項(xiàng)應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)效益。（略）3．根據(jù)滾壓加工的機(jī)理和功能，請(qǐng)您為它安排一個(gè)實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目。（略）4．噴丸（噴砂）的兩種工藝方法在原理與應(yīng)用方面有何異同之處？噴丸（噴砂）一般分為干噴砂和濕噴砂兩種。干噴砂是用凈化的壓縮空氣將干砂流強(qiáng)烈地噴到金屬制品表面上，利用砂料的沖擊作用吹掉制品表面上的污物并使表面粗化。濕噴砂是在砂料中加入一定量的水和緩蝕劑，使之成為砂-水混合物，以減緩砂料對(duì)金屬表面的沖擊作用，從而減少金屬材料的去除量，使金屬表面的光潔度更好，而且可以減少砂土對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人體的危害。5．如果有一件金屬制品要進(jìn)行消光處理，您能推薦一種簡(jiǎn)便的加工方法嗎？噴丸（噴砂）。電鍍之前需要對(duì)材料進(jìn)行預(yù)處理，其中脫脂（或除油）過程主要采取哪兩種方式進(jìn)行，基本原理是什么？化學(xué)除油又稱堿液清洗或化學(xué)脫脂。它利用堿與油脂起化學(xué)反應(yīng)來去除材料表面的油污。電化學(xué)除油，將零件掛在陰極或陽(yáng)極上，由于電極的極化作用，降低了油和零件界面的表面張力。在電解時(shí)，電極上析出的氣泡使油膜變?yōu)榧?xì)小的油珠離開表面，從而去除材料表面的油污。在表面預(yù)處理工藝中，采取電化學(xué)脫脂比采用化學(xué)脫脂效果好，為什么？什么情況下不可以采用電化學(xué)脫脂，為什么？在電解時(shí)，電極上析出的氫氣泡或氧氣泡球?qū)τ湍ぞ哂袕?qiáng)烈的撕裂作用，使油膜變?yōu)榧?xì)小的油珠，氣泡上升時(shí)的機(jī)械攪拌作用又可進(jìn)一步強(qiáng)化除油過程。在除油過程中可能有氫滲入基體，引起氫脆，對(duì)高強(qiáng)度鋼和彈簧件不宜采用。第4章電鍍和化學(xué)鍍思考題.什么是電鍍，電鍍分哪兩種？電鍍是指借助外界電流的作用，利用電解原理，使導(dǎo)電體（例如金屬）的表面沉積一層金屬或合金層。分為有槽電鍍和無槽電鍍。.什么是有槽電鍍？有槽電鍍即：將零件作為陰極放在含有欲鍍金屬的鹽類電解質(zhì)溶液中，并使陽(yáng)極的形狀符合零件待鍍表面的形狀，通過電解作用而在陰極上（即零件）發(fā)生電沉積現(xiàn)象形成電鍍層。3分析說明電鍍反應(yīng)中的基本反應(yīng)？陽(yáng)極金屬失去電子變?yōu)殡x子溶于電解液中，即發(fā)生氧化反應(yīng)；M-ne-Mn+陰極附近的離子獲得電子而沉積于零件表面，即發(fā)生還原反應(yīng)。Mn++ne-M4．如何判斷金屬制件的鍍層是陽(yáng)極鍍層還是陰極鍍層？陰極鍍層是如何保護(hù)基體金屬的？周圍介質(zhì)是電解質(zhì)的鍍件，一旦鍍層損傷首遭腐蝕的將是基體金屬而非鍍層，既然如此，為什么還要采用陰極鍍層？按鍍層與基體金屬的電化學(xué)活性，可將電鍍層分為陽(yáng)極性鍍層和陰極性鍍層兩大類。陽(yáng)極性金屬鍍層的標(biāo)準(zhǔn)電極電位比基體金屬高，它們與基體金屬形成原電池時(shí)，基體金屬為陰極，鍍層金屬為陽(yáng)極；反之則是陰極性鍍層。陽(yáng)極性鍍層對(duì)基體金屬除提供機(jī)械保護(hù)外，還提供電化學(xué)保護(hù)；陰極性鍍層對(duì)基體金屬僅起到機(jī)械保護(hù)的作用。由于鍍層的特殊的結(jié)構(gòu)和性能，陰極性鍍層應(yīng)用也比較廣泛，如鋼鐵表面的鎳鍍層，一般鎳鍍層都是多孔的，所以除某些醫(yī)療器械、電池外殼直接使用它外，鎳鍍層常常與其它金屬鍍層組成多層組合體系，用作底層或中間層，如：Cu/Ni/Cr，Ni/Cu/Ni/Cr等。這些多層組合鍍層被廣泛用于日用五金、輕工、家電、機(jī)械等行業(yè)。5．對(duì)鋼鐵制件而言，鍍鉻層是陽(yáng)極鍍層還是陰極鍍層？為什么？鉻未鈍化時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為①0 =-0.74V，比鐵負(fù)，但鉻在空氣中表面極易鈍化，鈍化后的電位為+1.36V。因此，對(duì)鋼鐵基體而言，鉻鍍層屬陰極性鍍層，僅能起到機(jī)械保護(hù)作用。6．有一在有機(jī)酸介質(zhì)中工作的中碳鋼件需要鍍鉻，鍍層厚度要求60微米。擬采用標(biāo)準(zhǔn)鍍鉻溶液，請(qǐng)您為試鍍確定鍍面電流密度和電鍍時(shí)間。普通鍍鉻液以硫酸根作為催化劑的鍍鉻溶液。鍍液中僅含有鉻酐和硫酸，成分簡(jiǎn)單，使用方便，是目前應(yīng)用最為廣泛的鍍鉻液。鉻酐和硫酸的比例一般控制在CrO3：H2so4=100：1,鉻酐的濃度在150?450g/L之間變化。根據(jù)鉻酐濃度的不同，可分為高濃度(350?500g/L)、中濃度(150?250g/L)和低濃度(50?150g/L)鍍鉻液。習(xí)慣上把CrO3250g/L和H2SO42.5g/L的中等濃度鍍鉻液稱為“標(biāo)準(zhǔn)鍍鉻液”，又稱為“萬(wàn)能鍍鉻液”,用于裝飾及功能性多種鍍鉻。低濃度的鍍鉻液電流效率高,鉻層的硬度也高,但覆蓋能力較差,主要用于功能性電鍍,如鍍硬鉻、耐磨鉻等；高濃度鍍液穩(wěn)定,導(dǎo)電性好,電解時(shí)只需較低的電壓,覆蓋能力較稀溶液好,但電流效率較低,主要用于裝飾性鍍鉻及復(fù)雜件鍍鉻。生產(chǎn)上一般采用中等溫度(45?60℃)與中等電流密度(30?45A/dm2)以得到光亮和硬度較高的鉻鍍層。盡管鍍?nèi)」饬铃儗拥墓に嚄l件相當(dāng)寬,考慮到鍍鉻液的分散能力特別差,在形狀復(fù)雜的零件鍍裝飾鉻或硬鉻時(shí),欲在不同部位都鍍上厚度均勻的鉻層,必須嚴(yán)格控制溫度和電流密度。當(dāng)鍍鉻工藝條件確定后,鍍液的溫度變化最好控制在土(1?2)℃之間。提示：標(biāo)準(zhǔn)鍍鉻溶液為教材(p87)表4-18的“中濃度鍍液”。1、CrO3(VI)——Cr(0)得到6e根據(jù)法拉第定律計(jì)算；2、采用中等電流密度30?45A/dm2如40A/dm2計(jì)算60Mm需要的電鍍時(shí)間，電流效率取20%。7．飛機(jī)上使用的一些繼電器甚為重要,其電接觸元件的工作表面需要電鍍,請(qǐng)您為鍍層選擇提出建議,并說明理由。提示：電鍍接觸電阻低的金屬,如銀等。8.舉出電鍍的兩種鍍后處理工藝,并簡(jiǎn)要說明。鈍化處理是指在一定的溶液中進(jìn)行化學(xué)處理，在鍍層上形成一層堅(jiān)實(shí)致密的，穩(wěn)定性高的薄膜的表面處理方法。鈍化使鍍層耐蝕性大大提高并能增加表面光澤和抗污染能力。這種方法用途很廣，鍍Zn,Cu等后，都可進(jìn)行鈍化處理。除氫處理有些金屬(如Zn)在電沉積過程中，除自身沉積出來外，還會(huì)析出一部分氫，這部分氫滲入鍍層中，使鍍件產(chǎn)生脆性，甚至斷裂，稱為氫脆。為了消除氫脆，往往在電鍍后，使鍍件在一定的溫度下熱處理數(shù)小時(shí)，稱為除氫處理。9．化學(xué)鍍的機(jī)理與電鍍有何不同？被鍍件浸入鍍液中,化學(xué)還原劑在溶液中提供電子使金屬離子還原沉積在鍍件表面：Mn++ne-M其實(shí)質(zhì)是化學(xué)氧化還原反應(yīng),有電子轉(zhuǎn)移、無外電源的化學(xué)沉積過程?；瘜W(xué)鍍所需的電子是通過化學(xué)反應(yīng)直接在溶液中產(chǎn)生的,而電鍍所需的電子是通過外加電源獲得的。10．化學(xué)鍍?yōu)楝F(xiàn)代制造業(yè)解決了哪些電鍍無法解決的問題？舉三個(gè)實(shí)例。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,有時(shí)為了某種目的需要在半導(dǎo)體材料、絕緣材料的制件上覆蓋一層金屬。運(yùn)用什么技術(shù)手段才能實(shí)現(xiàn)這一目的呢？化學(xué)鍍。由于受電鍍?nèi)芤壕兡芰蜕铄兡芰Φ募s制,受電流尖角效應(yīng)的影響,形狀復(fù)雜的金屬制件雖可以電鍍,卻很難得到完整面厚度均勻的鍍層,這又該如何解決呢？化學(xué)鍍。在電鍍的全過程中,除油、浸蝕和電鍍?nèi)芤旱臏囟纫话愣汲潭炔坏鹊馗哂诔?因而鍍件常常要經(jīng)歷溫度的起伏變化。雖然這對(duì)普通形狀尺寸的鍍件并無大礙,但對(duì)尺寸單薄、形狀復(fù)雜的鍍件卻容易發(fā)生超過容許限度、又難以矯正的變形，面對(duì)這一難題又當(dāng)如何呢？化學(xué)鍍。11．為什么化學(xué)鍍對(duì)于形狀復(fù)雜的鍍件也能得到厚度均勻的鍍層，而電鍍則比較困難？與電鍍相比，化學(xué)鍍的優(yōu)點(diǎn)是不需要外加直流電源、不存在電力線分布不均勻的影響，因而無論工件的幾何形狀多復(fù)雜，各部位鍍層的厚度都是均勻的；只要經(jīng)過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，它可以在金屬、非金屬、半導(dǎo)體材料上直接鍍覆；得到的鍍層致密，孔隙少、硬度高，因而具有極好的化學(xué)和物理性能。12．與電鍍相比化學(xué)鍍的技術(shù)難點(diǎn)在哪里？化學(xué)鍍能夠順利實(shí)施的必要條件是金屬的沉積反應(yīng)只發(fā)生在具有催化作用的工件表面，溶液本身相對(duì)穩(wěn)定，自發(fā)發(fā)生氧化-還原反應(yīng)速度極慢，以保證溶液在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)因自然分解而失效。在化學(xué)鍍中，溶液內(nèi)的金屬離子是依靠得到由還原劑提供的電子而還原成相應(yīng)的金屬的。13.什么是合金電鍍?cè)陉帢O上同時(shí)沉積出兩種或兩種以上金屬，形成結(jié)構(gòu)和性能符合要求的鍍層的工藝過程，稱為合金電鍍。14．鍍槽內(nèi)壁的粗糙度對(duì)化學(xué)鍍有無影響？為什么？鍍槽內(nèi)表面要求光滑，鍍槽的材料最好選用聚乙烯等不易被浸潤(rùn)的材料，而且內(nèi)壁表面應(yīng)該力求平整光潔。因?yàn)榇植诘谋砻鏁?huì)加速溶液的自然分解，降低溶液的穩(wěn)定性。.什么是復(fù)合電鍍，復(fù)合電鍍中使用的固體微粒主要有哪兩類？在鍍覆溶液中加入非水溶性的固體微粒，使其與主體金屬共同沉積形成鍍層的電鍍工藝稱之為復(fù)合電鍍，所得鍍層稱為復(fù)合鍍層。提高鍍層耐磨性的高硬度、高熔點(diǎn)的微粒；提高鍍層自潤(rùn)滑特性的固體潤(rùn)滑劑微粒。.什么是非金屬電鍍，實(shí)現(xiàn)非金屬材料的電鍍最關(guān)鍵的工藝是什么？非金屬材料自身的耐磨性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和裝飾性等都難以滿足各種零件的要求，通過在非金屬零件表面電鍍上金屬層可以達(dá)到目的。非金屬電鍍是指對(duì)塑料、玻璃、陶瓷、纖維等非金屬制品電鍍。非金屬材料制品在電鍍前必須經(jīng)過前處理，它是決定非金屬電鍍能否順利的關(guān)鍵。不同的非金屬材料之前處理步驟相同，包括粗化、除油、敏化、活化和化學(xué)鍍等，但在處理溶液的組成和操作條件上有差異。非金屬制品是不導(dǎo)電的，要在其表面進(jìn)行電鍍，必須先采用化學(xué)還原法在其表面沉積一層導(dǎo)電金屬膜。非金屬電鍍的關(guān)鍵工藝是表面金屬化，使非金屬基體上生成導(dǎo)電層以便進(jìn)行導(dǎo)電。表面金屬化的方法有化學(xué)鍍法、噴涂法、燒滲銀法和涂刷法等。第5章轉(zhuǎn)化膜技術(shù)思考題.化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的定義使金屬與特定的腐蝕液相接觸，在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在金屬表面形成一層附著力良好、難溶的生成物膜層。這些膜層，或者能保護(hù)基體金屬不受水和其它腐蝕介質(zhì)的影響，或者能提高有機(jī)涂膜的附著性和耐老化性，或者能賦予表面其它性能。.簡(jiǎn)述化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的形成機(jī)理，該機(jī)理與電鍍和化學(xué)鍍機(jī)理有何本質(zhì)區(qū)別，這使得化學(xué)轉(zhuǎn)化膜與電鍍化學(xué)鍍所得的鍍層在結(jié)合力方面有何不同金屬表層的原子與特定介質(zhì)中的陰離子在一定的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，成膜的典型反應(yīng)如下：mM+nAz >MmAn+nze其中：M——表面金屬，Az——介質(zhì)中價(jià)態(tài)為z的陰離子。.簡(jiǎn)述鋼鐵高溫氧化的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。化學(xué)反應(yīng)機(jī)理：鋼鐵表面在熱堿液和氧化劑（亞硝酸鈉）的作用下生成亞鐵酸鈉：3Fe+NaNO2+5NaOH=3Na2FeO2+H2O+NHJ亞鐵酸鈉與溶液中的氧化劑進(jìn)一步反應(yīng)生成鐵酸鈉：6Na2FeO2+NaNO2+5H2O=3Na2Fe2O4+7NaOH+NHJ鐵酸鈉與亞鐵酸鈉相互反應(yīng)生成磁性氧化鐵：Na2Fe2O4 +Na2FeO2 +2H2O=Fe3O4 +4NaOH電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理：鋼鐵浸入電解質(zhì)溶液后，即在表面形成無數(shù)的微電池，在鐵的微陽(yáng)極區(qū)發(fā)生氧化反應(yīng)：Fe-Fe2++2e在強(qiáng)堿性有氧化劑的溶液中，陽(yáng)極區(qū)二價(jià)鐵離子轉(zhuǎn)化成三價(jià)鐵的氫氧化物6Fe2++NO2-+11OH--6FeOOH+H2O+NHJ在微陰極區(qū)，氫氧化鐵被還原FeOOH+e-HFeO2-（二價(jià)鐵）HFeO2-和FeOOH相互作用脫水生成磁性氧化鐵2FeOOH+HFeO- -FeO+OH-+HO.鋁能與空氣中的氧化合生成Al2O3,為什么鋁或鋁合金制件還要進(jìn)行氧化處理？新鮮的鋁表面會(huì)很快生成一層氧化膜，但這層膜厚度只有4?5nm,這層膜不致密，耐蝕性能差，防護(hù)性低，所以鋁或鋁合金制件還要進(jìn)行氧化處理以得到具有一定防護(hù)價(jià)值的化學(xué)氧化膜。5．鋁或鋁合金制件電化學(xué)陽(yáng)極氧化的原理是什么？鋁及其合金進(jìn)行陽(yáng)極氧化時(shí)，在陽(yáng)極發(fā)生下列反應(yīng)：HO-2efO+2H+ 2Al+3OfAlO2 23在陰極發(fā)生下列反應(yīng)：2H++2efHT2同時(shí)酸對(duì)鋁和生成的氧化膜進(jìn)行化學(xué)溶解，其反應(yīng)如下：2Al+6H+f2Al3++3HTAlO+6H+f2Al3++3HO2 23 2氧化膜的生成與溶解同時(shí)進(jìn)行，氧化初期，膜的生成速度大于溶解速度，膜的厚度不斷增加；隨著厚度的增加，其電阻也增大，結(jié)果使膜的生長(zhǎng)速度減慢，一直到膜生長(zhǎng)速度與膜溶解速度相等時(shí)，膜的厚度才為一定值。6．用交流電源能否進(jìn)行鋁或鋁合金制件的電化學(xué)氧化處理？如果可以，工件掛在電解槽兩個(gè)導(dǎo)電桿中的哪一個(gè)上呢？是否兩個(gè)導(dǎo)電桿都可以掛工件？鋁或鋁合金制件的電化學(xué)氧化處理可以使用交流電源。優(yōu)點(diǎn)是兩極都可掛工件、效率高、成本低。但發(fā)展速度慢，至今沒有被廣泛應(yīng)用，主要因?yàn)榻涣餮趸さ哪臀g性差、硬度低、厚度小于10^m。7．為什么鋁或鋁合金制件陽(yáng)極氧化處理后還要進(jìn)行封閉處理？經(jīng)染料著色的氧化件為什么也要進(jìn)行封閉處理？鋁及其合金經(jīng)陽(yáng)極氧化后，無論是否著色都需及時(shí)進(jìn)行封閉處理，其目的是把染料固定在微孔中，防止?jié)B出，同時(shí)提高膜的耐磨性、耐曬性、耐蝕性和絕緣性?；蛘撸簽榱颂岣哧?yáng)極氧化膜的耐蝕、抗污染、電絕緣和耐磨等性能，鋁及鋁合金在陽(yáng)極氧化和著色后都要進(jìn)行封閉處理。其方法較多，對(duì)不著色的氧化膜可進(jìn)行熱水、蒸汽、重鉻酸鹽和有機(jī)物封閉；對(duì)著色的氧化膜可用熱水、蒸汽、含有無機(jī)鹽和有機(jī)物等封閉。8．為了改善鋁或鋁合金制件陽(yáng)極氧化后的著色性能，在陽(yáng)極氧化時(shí)，應(yīng)采取哪些措施？氧化膜的膜厚和孔隙均勻一致是染色時(shí)獲得均勻一致顏色的前提和基礎(chǔ)。稍高的硫酸濃度可促進(jìn)氧化膜的溶解反應(yīng)加快，利于孔隙的擴(kuò)張，更易于染色；鋁離子濃度，控制在5—15g/l,保證氧化膜的均勻性不受影響；氧化溫度，控制在20℃左右，氧化槽液的溫度對(duì)染色的影響非常顯著，過低的溫度致使氧化膜的膜孔致密，染色速度顯著減緩；溫度過高，氧化膜蔬松，容易粉化，不利于染色的控制。電流密度，控制在120—180a/m2。電流密度過大，在膜厚一定的情況下，就要相應(yīng)地縮短鋁制品在槽中的電解時(shí)間，這樣，氧化膜在溶液中的溶解減少，膜孔致密，染色時(shí)間加長(zhǎng)。9.陽(yáng)極氧化膜熱水封閉法，重鉻酸封閉法，水解鹽封閉法各自機(jī)理氧化膜表面和孔隙中的”3和水分子結(jié)合生成水合氧化鋁。AlO+HO=2AlO(OH)=AlO?HOIA12O3+3H2O=2AlO(OH)?2H2O=A12OJ3H2OI生成一水合氧化鋁，體積增大33%；生成三水合氧化鋁，體積增大100%，由于體積的增大就使膜孔封閉。氧化膜表面和微孔壁的氧化鋁與重鉻酸鉀發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成堿式鉻酸鋁和堿式重鉻酸鋁的沉淀：2Al2O3+3K2Cr2O7+5H2O=2Al(OH)CrO4I+2Al(OH)Cr2O7I+6KOH該沉淀與熱水和氧化鋁反應(yīng)生成的一水合氧化鋁、三水合氧化鋁一起封閉了氧化膜的微孔鎳鹽和鈷鹽的極稀溶液在加熱條件下，被氧化膜吸附，在氧化膜的微孔中發(fā)生水解反應(yīng)：Ni2++2HO=Ni(OH)+2H+C02++2H2O=Co(OH)2+2H+生成的氫氧化鈷和氫氧化鎳沉積在氧化膜的微孔中，將孔封閉。第6章其他表面處理技術(shù)思考題1．在鍍覆機(jī)理上離子鍍與電鍍、化學(xué)鍍的不同點(diǎn)是什么？離子鍍借助于一種惰性氣體的輝光放電，使金屬或合金蒸氣離子化。離子經(jīng)電場(chǎng)加速而沉積在帶負(fù)電荷的基體上。離子鍍兼有真空蒸鍍與陰極濺射鍍兩種工藝的特點(diǎn)。電鍍和化學(xué)鍍則是鍍層金屬離子(經(jīng)過電化學(xué)還原或還原反應(yīng))在工件表面沉積。2．離子鍍基本的工藝條件有哪些？現(xiàn)以教材(p147)圖6.3的空心陰極離子鍍?cè)O(shè)備為例，說明:圖6.3空心陰極離子鍍?cè)O(shè)備鍍膜室這是鍍覆材料蒸發(fā)、等離于體產(chǎn)生、鍍膜沉積的空間；坩堝用以加熱蒸發(fā)鍍覆材料，并且是電場(chǎng)的陽(yáng)極；基板這是安裝工件的所在，工作時(shí)