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《现代表面技术》复习思考题1.表面处理技术的最早应用是什么？其目的是什么？答：表面处理技术的最早应用是进行钢的淬火，其目的是使钢的表面获得坚硬层。2.表面处理技术的主要目的是什么？答：（1）提高材料抵御环境作用能力。（2）赋予材料表面某种功能特性。（3）实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。3.表面处理技术主要有哪二条途径进行实施？答：（1）施加各种覆盖层。（2）用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态，即采用各种表面改性技术。5．简述表面处理技术的四种基本类型。答：（1）原子沉积。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，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。（2）颗粒沉积。沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂敷等。（3）整体覆盖。它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。（4）表面改性。用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成、结构发生变化，从而改变性能，如表面处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理、离子注入等。7.试列举10种常用的表面覆盖技术。答：常用的表面覆盖技术：电镀、电刷镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、塑料粉末涂敷、电火花涂敷等。8.试列举8种表面改性技术。答：表面改性技术：喷丸强化、表面热处理、化学热处理、等离子扩渗处理（PDT）、激光表面处理、电子束表面处理、高密度太阳能表面处理、离子注入表面改性。13.固体可分为哪两类？材料按其特性可分为哪几类？按作用分为哪几类？答：固体大致分为晶体和非晶体两类。按照材料特性，可将它分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三类。固体材料按所起的作用可分为结构材料和功能材料两大类。14.何谓界面？何谓清洁表面？何谓实际表面？答：界面：两种不同相之间的交界区称为界面。清洁表面：经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空中解理、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反应、分子束外延等特殊处理后，保持在10-6Pa~10-9Pa超高真空下外来沾污少到不能用一般表面分析方法探测的表面。实际表面：暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理（如切割、研磨、抛光、清洗等），保持在常温和常压（也可能在低真空或高温）下的表面。15.何谓理想表面结构？何谓TLK模型？答：理想表面结构：理想表面是一种理想的结构完整的二维点阵平面。TLK模型：TLK中的T表示低晶面指数的平台（Terrace），L表示单分子或单原子高度的台阶（Ledge），K表示单分子或单原子尺度的扭折（Kink）。16．简述实际表面的三个表征指标。答：（1）表面粗糙度：表面粗糙度是指加工表面上具有的较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状特性。（2）贝尔比层和残余应力：在固体材料最外的5nm~10nm厚度可能会形成一种非晶态层，称为贝尔比层。贝尔比层具有较高的耐磨性和耐蚀性，但是在其他许多场合，贝尔比层是有害的。残余应力：无论是宏观塑性变形、热膨胀不均匀还是缺陷都会产生宏观或微观的内应力。（3）表面氧化、吸附和沾污：吸附是固体表面吸引气体与之结合，以降低固体表面能的作用。18.电镀具有哪几种功能？答：电镀具有防护、装饰等功能。19.电镀液的主要成份及其作用是什么？答：（1）主盐：用于提供金属离子；（2）络合剂：络合主盐中的金属离子形成络合物；（3）附加盐：主要用于提高电镀液的导电性，有些附加盐还能改善镀液的深镀能力、分散能力，产生细致的镀层；（4）缓冲剂：用来稳定溶液酸碱度；（5）阳极活化剂：提高阳极开始钝化的电流密度，从而保证阳极处于活化状态而能正常地溶解；（6）添加剂：改善镀层的性能，在镀层中起到光亮、整平、润湿和抑雾的作用。20.何谓电流效率？其影响如何？答：电流效率就是实际析出物质的质量与理论计算析出物质的质量之比。提高电流效率可以加快沉积速度，节约能源，提高劳动生产率，电流效率有时还会影响镀层的质量。21.何谓电镀液的分散能力？它与哪些因素有关？答：电镀溶液的分散能力是指电镀液所具有的使金属镀层厚度均匀分布的能力，也称均镀能力。它与镀液电阻率ρ、极化率△ψ/△J、以及阴阳两极间的距离l、阴极形状△l有关。阴极形状越简单，阴阳两极间距离越远，镀液导电性越好，阴极极化率越高，越有利于二次电流的均匀分布，即电镀液的分散能力越强。22.何谓电镀液的覆盖能力？答：电镀液的覆盖能力是指电镀液所具有的使镀件的深凹处沉积上金属镀层的能力，亦称深镀能力。23.何谓电极电位？何谓电极极化？简述电极极化的主要原因。答：由金属与该金属盐溶液界面之间产生的电位差叫该金属的电极电位。所谓极化就是指有电流通过电极时，电极电位偏离平衡电极电位的现象。产生极化作用的原因主要是电化学极化和浓差极化。电化学极化：由于阴极上电化学反应速度小于外电源供给电子的速度，从而使电极电位向负的方向移动而引起的极化作用，称为电化学极化（阴极极化）。浓差极化：由于邻近电极表面液层的浓度与溶液主体的浓度发生差异而产生的极化称浓差极化。25.简述影响电镀质量的几方面因素。答：（1）pH值得影响：镀液中的pH值可以影响氢的放电电位，碱性夹杂物的沉淀，还可以影响络合物或水化物的组成以及添加剂的吸附程度。（2）添加剂的影响：镀液中的光亮剂、整平剂、润湿剂等添加剂能明显改善镀层组织。（3）电流密度的影响：任何电镀液都必须有一个能产生正常镀层的电流密度范围。当电流密度过低时，阴极极化作用较小，镀层结晶粗大，甚至没有镀层。随着电流密度的增加，阴极极化作用随着增加，镀层晶粒越来越细。当电流密度过高，超过极限电流密度时，镀层质量开始恶化，甚至出现海绵体、枝晶状、“烧焦”及发黑等。（4）电流波形的影响：电流波形的影响是通过阴极电位和电流密度的变化来影响阴极沉积过程的，它进而影响镀层的组织结构，甚至成分，使镀层性能和外观发生变化。（5）温度的影响：镀液温度的升高能使扩散加快，降低浓差极化。（6）搅拌的影响：搅拌可降低阴极极化，使晶粒变粗，但可提高电流密度，从而提高生产率。此外，搅拌还可增强整平剂的效果。27.金属共沉积的条件是什么？答：两种金属离子共沉积除具备单金属离子电沉积的条件外，还必须具备下面两个条件。第一，两种金属中至少有一种金属能从其他盐的水溶液中沉积出来。第二，两种金属的析出电位要十分接近，如果相差太大的话，电位较正的金属将优先沉积，甚至完全排斥电位较负金属析出。29.相比槽镀而言，电刷镀的优缺点及其主要应用方面是什么？答：与槽镀（即常规电镀）相比，电刷镀具有以下优点：（1）设备简单，携带方便，不须要大的渡槽设备。（2）工艺简单，操作方便，凡镀笔能接触及到的地方均可电镀，特别适用于不解体机件的现场维修和野外抢修。（3）镀层种类多，与基体材料的结合力强，力学性能好，能保证满足各种维修性能的要求。（4）沉积速度快，但须采用高电流密度进行操作。电刷镀的缺点是劳动强度大，消耗镀液较多，消耗阳极包缠材料。电刷镀主要用于以下几个方面：（1）修复因机器磨损、腐蚀、加工等原因造成的零件的表面缺陷（凹坑、蚀斑、孔洞和划伤等）、零件表面尺寸和零件形状与位置精度的超差。（2）对零件材料表面进行强化处理，用以提高零件表面的硬度、耐磨性、减摩性、抗氧化能力等。（3）对零件材料表面进行改性处理，改性内容包括导电能力、导磁能力、热性能、光性能、防护性能、耐蚀性能、钎焊性能等。（4）与其它表面技术复合对零件材料表面进行处理。30.何谓化学镀？与电镀相比，化学镀的优缺点是什么？答：化学镀是指在没有外电流通过的情况下，利用化学方法使溶液中的金属离子还原为金属并沉积在基体表面，形成镀层的一种表面加工方法。与电镀相比，化学镀具有其自身特点。不管零件形状如何复杂，其镀层厚度都很均匀；镀层外观良好，晶粒细，无孔，耐蚀性更好；无需电解设备及附件；能在非金属（塑料、玻璃、陶瓷等）以及半导体上沉积。化学镀的缺点是溶液稳定性差，使用温度高，寿命短。31.运用化学反应式表述化学镀镍的二种机理。答：（1）原子氢态理论：H2PO2－+H2O→HPO3－+2H+H+Ni2++2H→Ni+2H+H2PO2－+H→H2O+OH－+P3P+Ni→NiP32H→H2↑（1）电化学理论：阳极反应H2PO2－+H2O→H2PO3－+2H++2e阴极反应Ni2++2e→NiH2PO2－+e→2OH－+P2H→H2↑金属化反应3P+Ni→NiP333.运用化学反应式表述化学镀铜的二种机理。答：（1）原子氢态理论：HCHO+OH－→HCOO－+2HHCHO+OH－→HCOO－+H2Cu2++2H+2OH－→Cu+2H2O电化学理论：阳极反应：HCHO+OH－→HCOO－+H2+2e阴极反应：Cu2++2e→Cu35.何谓金属的化学处理？其机理是什么？如何表述其成膜反应？化学转化膜有几种类型？主要适用于哪几种金属？答：金属的化学处理法是通过化学或电化学手段，使金属表面形成稳定的化合物膜层的方法。化学成膜处理的机理是金属与特定的腐蚀液接触而在一定条件下发生化学反应，由于浓差极化作用和阴极极化作用等，使金属表面生成一层附着力良好的，能保护金属不易受水和其他腐蚀介质影响的化合物膜。成膜的典型反应：mM+nAZ－→MmAn+nze化学转化膜有氧化物膜、磷酸盐膜、铬酸盐膜三种类型。主要适用于铁、铝、锌、铜、镁及其合金。36.何谓钢铁的“发蓝”或“发黑”？结合化学反应式，简述钢铁高温化学氧化的二种机理。答：钢铁的化学氧化是指钢铁在含有氧化剂的溶液中进行处理，使其表面生成一层均匀的蓝黑到黑色膜层的过程，也称钢铁的“发蓝”或“发黑”。钢铁高温氧化的机理：（1）化学反应机理。①钢铁表面在热碱溶液和氧化剂（亚硝酸钠等）的作用下生成亚铁酸钠3Fe+NaNO2+5NaOH=3Na2FeO2+H2O+NH3↑②亚铁酸钠进一步与溶液中的氧化剂反应生成铁酸钠6Na2FeO2+NaNO2+5H2O=3Na2Fe2O4+7NaOH+NH3↑③铁酸钠（Na2FeO4）与亚铁酸钠（Na2FeO2）相互作用生成磁性氧化铁Na2Fe2O4+Na2FeO2+2H2O=Fe3O4+4NaOH（2）电化学反应机理。①钢铁浸入电解质溶液后即在表面形成无数的微电池，在微阳极区发生铁的溶解Fe→Fe2++2e②在强碱性介质中有氧化剂存在的条件下，二价铁离子转化为三价铁的氢氧化物6Fe2++NO2－+11OH－→6FeOOH+H2O+NH3↑与此同时，在微阴极上氢氧化物被还原FeOOH+e→HFeO2－③相互作用，并脱水生成磁性氧化铁。2FeOOH+HFeO2－→Fe3O4+OH－+H2O37.钢铁高温化学氧化的关键是什么？简述其工艺的具体影响因素。答：适当控制四氧化三铁的生成速度是钢铁化学氧化的关键。影响因素：（1）氢氧化钠。提高氢氧化钠的质量浓度，氧化膜的厚度稍有增加，但容易出现疏松或多孔的缺陷，甚至产生红色挂灰；质量浓度过低时，氧化膜较薄，产生花斑，防护能力差。（2）氧化剂。提高氧化剂的质量浓度，可以加快氧化速度，膜层致密、牢固。氧化剂的质量浓度时，得到的氧化膜厚而疏松。（3）温度。提高溶液温度，生成的氧化膜层薄，且易生成红色挂灰，导致氧化膜的质量降低。（4）铁离子含量。氧化溶液中必须含有一定的铁离子才能使膜层致密，结合牢固。铁离子浓度过高，氧化速度降低，钢铁表面易出现红色挂灰。对铁离子含量过高的氧化溶液，可用稀释沉淀的方法，将以Na2Fe2O4及Na2FeO2形式存在的铁变成Fe(OH)3的沉淀去除。然后加热浓缩此溶液，待沸点升至工艺范围，便可使用。（5）钢铁含碳量。钢铁中含碳量增加，组织中的Fe3C增多，即阴极表面增加，阳极铁的溶解过程加剧，促使氧化膜生成的速度加快，故在同样温度下氧化，高碳钢所得到的氧化膜一定比低碳钢的薄。38.钢铁常温化学氧化的特点是什么？结合化学反应式，简述钢铁常温化学氧化的二种机理。答：与高温发黑相比，常温发黑具有节能、高效、操作简便、成本较低、环境污染小等优点。钢铁常温发黑机理：（