第2教學(xué)單元金屬的磨損和腐蝕.doc

冶金與建筑工程系 教 案第 2 教學(xué)單元課 題：金屬的磨損和腐蝕教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)1 理解金屬磨損的定義和分類(lèi)2 掌握金屬耐磨性的影響因素3 掌握金屬腐蝕的防護(hù)措施能力目標(biāo)懂得如何對(duì)金屬腐蝕進(jìn)行防護(hù)職業(yè)素質(zhì)目標(biāo)自主創(chuàng)新教學(xué)重點(diǎn)影響金屬耐磨性的因素金屬腐蝕的防護(hù)措施教學(xué)難點(diǎn)影響金屬耐磨性的因素輔助教學(xué)手段采用實(shí)物、標(biāo)本、模型、圖表、幻燈和錄像等手段教學(xué)準(zhǔn)備準(zhǔn)備教學(xué)目標(biāo)、準(zhǔn)備學(xué)生情況、準(zhǔn)備教學(xué)材料、準(zhǔn)備教學(xué)心理、準(zhǔn)備教學(xué)過(guò)程、準(zhǔn)備教學(xué)評(píng)價(jià)授課班級(jí)授課日期月 日月 日月 日月 日月 日教 學(xué) 進(jìn) 程教學(xué)方法及時(shí)間分配復(fù)習(xí)提問(wèn)：金屬表面處理技術(shù)的主要途徑？采用任務(wù)教學(xué)法、案例教學(xué)法、引導(dǎo)文教學(xué)法、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)法，通過(guò)教師講解、示范，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。4學(xué)時(shí)導(dǎo) 言：教學(xué)內(nèi)容：一、金屬的磨損相互接觸的一對(duì)金屬表面，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)不斷發(fā)生損耗或產(chǎn)生塑性變形，使金屬表面狀態(tài)和尺寸發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為磨損。 磨損表現(xiàn)為松脫的細(xì)小顆粒（磨屑）的出現(xiàn)，以及在摩擦載荷作用下，金屬表面性質(zhì)（金相組織、物理化學(xué)性能、力學(xué)性能）和形狀的（形貌和尺寸、粗糙度、表面層厚度）變化。 在機(jī)械設(shè)備中磨損通常是有害的，它損傷零件工作表面，影響機(jī)械設(shè)備性能，消耗材料和能源，并使設(shè)備使用壽命縮短。據(jù)估算，中國(guó)主要支柱產(chǎn)業(yè)部門(mén)每年因機(jī)器磨損失效所造成的損失在400億元人民幣以上。但磨損有時(shí)卻是有益的，如新機(jī)器的跑合、機(jī)械加工中的磨削、研磨等。 金屬磨損特性曲線二、金屬磨損的分類(lèi)目前人們公認(rèn)的最重要的四種基本磨損類(lèi)型(機(jī)理)是粘著磨損、磨料磨損、疲勞磨損和化學(xué)磨損發(fā)展金屬表面防護(hù)和強(qiáng)化技術(shù)， 是各國(guó)普遍關(guān)心的重大課題。 磨損類(lèi)型磨損表面外觀粘著磨損錐刺、鱗尾、麻點(diǎn)磨料磨損擦傷、溝紋、條痕疲勞磨損裂紋、點(diǎn)蝕腐蝕磨損反應(yīng)產(chǎn)物（膜、微粒）1. 影響金屬材料耐磨性的因素一般認(rèn)為金屬材料的硬度越高，其耐磨性越好。如提高鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及加入碳化物形成元素鎢、鉻、釩等，可以提高其耐磨性。但硬度并不是影響金屬耐磨性的唯一因素，高錳鋼（ZGMN13）材料就是一個(gè)典型的例子。又如，在相同的硬度下，下貝氏體組織的耐磨性優(yōu)于馬氏體組織。金屬材料抵抗磨損的能力稱為耐磨性，是由材料成分、硬度、組織結(jié)構(gòu)及形態(tài)等因素決定的。影響金屬材料耐磨性的因素有： 晶體結(jié)構(gòu)和晶體互溶性 密排六方晶格的金屬具有低摩擦系數(shù)，磨損率也低；冶金上互溶性差（指晶格類(lèi)型、晶格常數(shù)、電子密度及電化學(xué)性能相差較大）的一對(duì)金屬摩擦副可獲得低摩擦系數(shù)和低磨損率，如銅鉛合金。 溫度升高，金屬的硬度下降，且互溶性增強(qiáng)，摩擦加?。粶囟壬邔?dǎo)致氧化速度加劇也可影響磨損性能。 一般來(lái)說(shuō)，在真空條件下，磨損嚴(yán)重。因?yàn)榇髿饪稍谳^短時(shí)間內(nèi)在潔凈表面形成一定厚度的氧化膜，從而有防止粘著的作用。 此外在摩擦副間添加潤(rùn)滑劑，也是減小磨損的有效方法。2. 耐磨表面處理從金屬材料表面來(lái)研究提高耐磨性問(wèn)題，一般可從兩個(gè)方面著手。 使表面具有良好的力學(xué)性能 一般來(lái)說(shuō)，在力學(xué)性能中最重要的是硬度。在實(shí)際生產(chǎn)中通過(guò)表面淬火、滲碳等提高零件的表面硬度，或通過(guò)一定方法在材料表面形成一層具有較高硬度的涂覆層，如電鍍、熱噴涂和堆焊等。 設(shè)法形成具有非金屬性質(zhì)的摩擦面 非金屬性質(zhì)的摩擦面是通過(guò)物理或化學(xué)的作用來(lái)減少磨損的。如對(duì)鋼材滲S，氮化、熱噴涂層加MoS2、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積及離子注入等 ，使材料表面形成氮化物、氧化物、硫化物、碳化物以及它們的復(fù)合化合物的表面層，這些表面層可以抑制摩擦過(guò)程中摩擦副兩個(gè)零件之間的粘附，熔附以及由此引起的金屬轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，從而提高耐磨性。許多表面強(qiáng)化方法往往兼有上述兩種特性，因而都可以明顯提高材料的耐磨性。三、金屬的腐蝕1. 認(rèn)識(shí)金屬的腐蝕金屬材料表面在環(huán)境介質(zhì)的作用下所引起的破壞或變質(zhì)稱為腐蝕。所謂環(huán)境介質(zhì)是指和金屬接觸的物質(zhì)，例如大氣、海水、酸、堿、鹽等等，這些物質(zhì)和金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)引起金屬的腐蝕，發(fā)生生銹、開(kāi)裂、穿孔、變脆等現(xiàn)象。金屬腐蝕的本質(zhì)：金屬陽(yáng)離子失e氧化反應(yīng)金屬原子金屬腐蝕現(xiàn)象非常普遍，象金屬制成的日用品、機(jī)器部件、船底艦殼、生產(chǎn)工具等保養(yǎng)不好，就會(huì)腐蝕，從而造成大量金屬消耗。造成無(wú)法估量的損失。因此防腐意義非常重要。 2. 金屬腐蝕的分類(lèi)按腐蝕機(jī)理分，主要有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。 n 化學(xué)腐蝕是金屬和環(huán)境介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)作用而產(chǎn)生的損壞，在腐蝕過(guò)程中只有電子的得失，沒(méi)有電流產(chǎn)生，引起金屬化學(xué)腐蝕的環(huán)境介質(zhì)不能導(dǎo)電。 這種腐蝕的產(chǎn)物一般覆蓋在金屬的表面。例如金屬的高溫氧化、非電解質(zhì)對(duì)金屬的腐蝕等。n 電化學(xué)腐蝕是金屬在電解質(zhì)溶液中發(fā)生電化學(xué)作用而引起的損壞，在腐蝕過(guò)程中不僅有電子的得失，而且有電流產(chǎn)生，引起電化學(xué)腐蝕的介質(zhì)都能導(dǎo)電。電化學(xué)腐蝕比化學(xué)腐蝕更為常見(jiàn)和普遍，金屬在酸、堿、鹽、土壤、海水、潮濕大氣等介質(zhì)中的腐蝕均屬于電化學(xué)腐蝕的范疇，如鋼在室溫的氧化、銅表面生成銅綠等。 電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的原因是不同金屬之間或合金中的不同相之間電極電位不同，存在電位差，當(dāng)存在電解質(zhì)溶液時(shí)便在金屬表面形成了原電池，電位低的部分（陽(yáng)極）被腐蝕，電位高的部分（陰極）被保護(hù)，不同金屬之間或合金中的電位差越大、原電池效應(yīng)越明顯，腐蝕速度越快。從上述原理可以看出，金屬零件發(fā)生電化學(xué)腐蝕的基本條件是： 零件是由二種不同金屬組成，或使用的合金中不同區(qū)域或不同相的電極電位不同。 不同電極電位的部分彼此是非絕緣的，可以有電子的流動(dòng)。 有電解質(zhì)存在。在美空軍目前裝備的F-22戰(zhàn)機(jī)中，有三分之二的機(jī)體已出現(xiàn)銹蝕問(wèn)題。美空軍F-22計(jì)劃負(fù)責(zé)人認(rèn)為，清理戰(zhàn)機(jī)表面和除銹工作需耗費(fèi)50萬(wàn)美元。而為一些F-22更換部件的費(fèi)用則有可能高達(dá)數(shù)百萬(wàn)美元。導(dǎo)致F-22機(jī)體發(fā)生銹蝕的主要原因是用于制造機(jī)體板材、涂料和其他一些構(gòu)件的材料不夠匹配，導(dǎo)致其中的不同金屬發(fā)生了電化反應(yīng)。而解決這一問(wèn)題的方法是將原先的鋁制構(gòu)件換為鈦合金構(gòu)件。 3.金屬腐蝕的防護(hù) 正確選用金屬材料，合理設(shè)計(jì)工件結(jié)構(gòu) 金屬表面覆蓋保護(hù)層 犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法3.1 正確選用金屬材料，合理設(shè)計(jì)工件結(jié)構(gòu)正確選擇金屬材料是防止金屬腐蝕的最根本措施。應(yīng)根據(jù)材料工作環(huán)境中介質(zhì)的性質(zhì)、產(chǎn)生腐蝕的類(lèi)型及程度合理選擇材料，在滿足主要技術(shù)、工藝和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡可能使用在給定的腐蝕條件下穩(wěn)定性好的材料。如在H2S04溶液貯槽中采用襯金屬鉛和陶瓷材料；在建戶外結(jié)構(gòu)時(shí)，在強(qiáng)度允許的情況下，使用鋁及鋁合金，因?yàn)殇X在一般空氣中不易腐蝕，表面有一層氧化膜保護(hù)層；不銹鋼是工程中最常用的耐蝕材料。在不銹鋼中含有大量的合金元素鉻、鎳，一方面鉻有助于在金屬表面生成鈍化膜，并能提高鋼基體的電極電位，減小電位差，提高鋼的耐腐蝕性能； 另一方面在不銹鋼中加入鉻或鎳有助于獲得單相奧氏體組織或鐵素體組織，消除了電位差，避免出現(xiàn)原電池，提高了鋼的耐蝕性。在設(shè)計(jì)方面，工件的結(jié)構(gòu)和組合應(yīng)該符合防腐蝕規(guī)律，要盡量避免電位差較大的金屬直接搭接和鉚接，例如鋁、鎂不應(yīng)與鋼鐵、鎳等材料相接觸。另外，工件結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量采用圓角，避免尖角，焊縫不宜太多，各部分受力要均勻，以防出現(xiàn)應(yīng)力集中。 3.2金屬表面覆蓋保護(hù)層在金屬表面形成一層保護(hù)膜，隔絕金屬和腐蝕介質(zhì)，是防止金屬腐蝕的一種有效方法，尤其是化學(xué)腐蝕。最常用、最簡(jiǎn)便的是在金屬表面覆蓋上防腐涂料、塑料、橡膠、搪瓷、陶瓷、玻璃、石材等非金屬材料。此外，在金屬表面可以化學(xué)鍍、電鍍、熱噴涂、熱浸鍍一層耐腐性良好的金屬或合金，如Ni、Cr、Zn、Al、Sn、Cu等金屬。金屬覆蓋保護(hù)可分為陰極覆蓋保護(hù)和陽(yáng)極覆蓋保護(hù)，作為陽(yáng)極覆蓋層的金屬，應(yīng)比主體金屬有更負(fù)的電極電位，例如在鐵基合金上覆蓋Zn、Al等；陰極覆蓋層金屬的電極電位比被保護(hù)的主體金屬更正，如在鐵基合金上覆蓋Ni、Cu、Sn、Pb等，主體金屬是陽(yáng)極，覆蓋層是陰極，所以覆蓋層必須是完整的才能達(dá)到保護(hù)基體的目的。 也可以通過(guò)金屬材料本身形成這層鈍化膜，如向鋼中加入Cr、Al等元素，使鋼產(chǎn)生鈍化。 3.3犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法電化學(xué)腐蝕的必要條件是陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)、電流回路，除去或改變其中任何一個(gè)條件即可阻止或減緩腐蝕的進(jìn)行。犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法是利用電位比被保護(hù)金屬低的金屬或合金作為陽(yáng)極，與作為陰極的被保護(hù)金