1、冶金与建筑工程系 教 案1第 2 教学单元课 题：金属的磨损和腐蚀知识目标1理解金属磨损的定义和分类2掌握金属耐磨性的影响因素3掌握金属腐蚀的防护措施能力目标 懂得如何对金属腐蚀进行防护教学目标职业素质目标 自主创新教学重点影响金属耐磨性的因素金属腐蚀的防护措施教学难点 影响金属耐磨性的因素辅助教学手段 采用实物、标本、模型、图表、幻灯和录像等手段教学准备准备教学目标、准备学生情况、准备教学材料、准备教学心理、准备教学过程、准 备教学评价授课班级授课日期 月 日 月 日 月 日 月 日 月 日教 学 进 程教学方法及时间分配复习提问：金属表面处理技术的主要途径？导 言：采用任务教学法、案例教学
2、法、引导文教学法、现场教学法，通过教师讲冶金与建筑工程系 教 案2教学内容：一、金属的磨损相互接触的一对金属表面，在相对运动时不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸发生改变的现象称为磨损。 磨损表现为松脱的细小颗粒（磨屑）的出现，以及在摩擦载荷作用下，金属表面性 质（金相组织、物理化学性能、力学性能）和形状的（形貌和尺寸、粗糙度、表面层厚度）变化。 在机械设备中磨损通常是有害的，它损伤零件工作表面，影响机械设备性能，消耗材料和能源，并使 设备 使用寿命缩短。据估算，中国主要支柱产业部门每年因机器磨损失效所造成的损失在 400 亿元人民币以上。但磨损有时却是有益的，如新机器的跑合、机械
3、加工中的磨削、研磨等。解、示范，引导学生学习。4 学时冶金与建筑工程系 教 案3金属磨损特性曲线二、金属磨损的分类目前人们公认的最重要的四种基本磨损类型(机理)是粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损和化学磨损发展金属表面防护和强化技术， 是各国普遍关心的重大课题。 磨损类型 磨损表面外观粘着磨损 锥刺、鳞尾、麻点磨料磨损 擦伤、沟纹、条痕疲劳磨损 裂纹、点蚀腐蚀磨损 反应产物（膜、微粒）1. 影响金属材料耐磨性的因素一般认为金属材料的硬度越高，其耐磨性越好。如提高钢中碳的质量分数以及加入碳化物形成元素钨、铬、钒等，可以提高其耐磨性。但硬度并不是影响金属耐磨性的唯一因素，高锰钢（ZGMN13 ）材料就是
4、一个典型的例子。冶金与建筑工程系 教 案4又如，在相同的硬度下，下贝氏体组织的耐磨性优于马氏体组织。金属材料抵抗磨损的能力称为耐磨性，是由材料成分、硬度、组织结构及形态等因素决定的。影响金属材料耐磨性的因素有： 晶体结构和晶体互溶性 密排六方晶格的金属具有低摩擦系数，磨损率也低；冶金上互溶性差（指晶格类型、晶格常数、电子密度及电化学性能相差较大）的一对金属摩擦副可获得低摩擦系数和低磨损率，如铜铅合金。 温度升高，金属的硬度下降，且互溶性增强，摩擦加剧；温度升高导致氧化速度加剧也可影响磨损性能。 一般来说，在真空条件下，磨损严重。因为大气可在 较短时间内在洁净表面形成一定厚度的氧化膜，从而有防止
5、粘着的作用。 此外在摩擦副间添加润滑剂，也是减小磨损的有效方法。2. 耐磨表面处理从金属材料表面来研究提高耐磨性问题，一般可从两个方面着手。 使表面具有良好的力学性能 一般来说，在力学性能中最重要的是硬度。在实际生产中通过表面淬火、渗碳等提高零件的表面硬度，或通过一定方法在材料表面形成一层具有较高硬度的涂覆层，如电镀、热喷涂和堆焊等。冶金与建筑工程系 教 案5 设法形成具有非金属性质的摩擦面 非金属性质的摩擦面是通过物理或化学的作用来减少磨损的。如对钢材渗 S，氮化、热喷涂层加 MoS2、物理气相沉积、化学气相沉积及离子注入等 ，使材料表面形成氮化物、氧化物、硫化物、碳化物以及它们的复合化合物
6、的表面层， 这些表面层可以抑制摩擦过程中摩擦副两个零件之间的粘附，熔附以及由此引起的金属转移现象，从而提高耐磨性。许多表面强化方法往往兼有上述两种特性，因而都可以明显提高材料的耐磨性。三、金属的腐蚀1. 认识金属的腐蚀金属材料表面在环境介质的作用下所引起的破坏或变质称为腐蚀。所谓环境介质 是指和金属接触的物质，例如大气、海水、酸、碱、盐等等， 这些物质和金属发生化学反应或电化学反应引起金属的腐蚀，发生生锈、开裂、穿孔、变脆等现象。金属腐蚀的本质：金属阳离子失e 氧化反应金属原子金属腐蚀现象非常普遍，象金属制成的日用品、机器部冶金与建筑工程系 教 案6件、船底舰壳、生产工具等保养不好，就会腐 蚀
7、，从而造成大量金属消耗。造成无法估量的损失。因此防腐意 义非常重要。 2. 金属腐蚀的分类按腐蚀机理分，主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。 化学腐蚀是金属和环境介质直接发生化学作用而产生的损坏，在腐蚀过程中只有电子的得失，没有 电 流产生，引起金属化学腐蚀的环 境介质不能导电。 这种腐蚀的产物一般覆盖在金属的表面。例如金属的高温氧化、非电解质对金属的腐蚀等。 电化学腐蚀是金属在电解质溶液中发生电化学作用而引起的损坏，在腐蚀过 程中不仅有电子的得失，而且有电流产生，引起电化学腐 蚀的介质都能导电。 电化学腐蚀比化学腐蚀更为常见和普遍，金属在酸、碱、盐、土壤、海水、潮湿大气等介质中的腐蚀均属于电化学腐蚀
8、的范畴，如钢在室温的氧化、铜表面生成铜绿等。冶金与建筑工程系 教 案7电化学腐蚀产生的原因是不同金属之间或合金中的不同相之间电极电位不同，存在电位差，当存在电解质溶液时便在金属表面形成了原电池， 电 位低的部分（阳极）被腐 蚀， 电位高的部分（阴极）被保护，不同金属之间或合金中的 电位差越大、原 电 池效应越明显，腐蚀速度越快。从上述原理可以看出，金属零件发生电化学腐蚀的基本条件是： 零件是由二种不同金属组成，或使用的合金中不同区域或不同相的电极电位不同。 不同电极电位的部分彼此是非绝缘的，可以有电子的流动。 有电解质存在。在美空军目前装备的 F-22 战机中，有三分之二的机体已出现锈蚀问题。
9、美空军 F-22 计划负责人认为，清理战机表面和除锈工作需耗费 50 万美元。而 为一些 F-22 更换部件的冶金与建筑工程系 教 案8费用则有可能高达数百万美元。导致 F-22 机体发生锈蚀的主要原因是用于制造机体板材、涂料和其他一些构件的材料不够匹配，导致其中的不同金属发生了电化反应。而解决这一问题的方法是将原先的铝制构件换为钛合金构件。 3.金属腐蚀的防护 正确选用金属材料，合理设计工件结构 金属表面覆盖保护层 牺牲阳极的阴极保护法3.1 正确选用金属材料，合理设计工件结构正确选择金属材料是防止金属腐蚀的最根本措施。应根据材料工作环境中介质的性质、产生腐蚀的类型及程度合理选择材料，在满足
10、主要技术、工 艺和经济指标 的前提下，应 尽可能使用在给定的腐蚀条件下稳定性好的材料。如在 H2S04 溶液贮槽中采用衬金属铅和陶瓷材料；在建户外结构时，在强度允许 的情况下，使用 铝及铝合金，因为铝在一般空气中不易腐蚀，表面有一层氧化膜保护层；不锈钢是工程中最常用的耐蚀材料。在不锈钢中含有大量的合金元素铬、镍，一方面 铬有助于在金属表面生成钝化膜，并能提高钢基体的电极电位，减小电位差，提高钢的耐腐 蚀性能； 另一方面在不 锈钢中加入铬或镍有助于获得单相奥氏体组织或铁素体组织，消除了电位差，避免出现原电 池，提高了 钢的耐蚀性。冶金与建筑工程系 教 案9在设计方面，工件的结构和组合应该符合防腐
11、蚀规律，要尽量避免电位差较大的金属直接搭接和铆接，例如铝、镁不应与钢铁、镍等材料相接触。另外，工件 结构应 尽量采用圆角，避免尖角，焊缝不宜太多，各部分受力要均匀，以防出现应力集中。3.2 金属表面覆盖保护层在金属表面形成一层保护膜，隔绝金属和腐蚀介质，是防止金属腐蚀的一种有效方法，尤其是化学腐蚀。最常用、最简便的是在金属表面覆盖上防腐涂料、塑料、橡胶、搪瓷、陶瓷、玻璃、石材等非金属材料。此外，在金属表面可以化学镀、电镀 、热喷涂、热浸镀一层耐腐性良好的金属或合金，如 Ni、Cr、Zn、Al、Sn、Cu 等金属。金属覆盖保护可分为阴极覆盖保护和阳极覆盖保护，作为阳极覆盖层的金属，应 比主体金属
12、有更负的电极电位，例如在铁基合金上覆盖 Zn、Al 等；阴极覆盖层金属的 电极电位比被保护的主体金属更正，如在铁基合金上覆盖Ni、Cu、Sn、Pb 等，主体金属是阳极，覆盖层是阴极，所以覆盖层必须是完整的才能达到保护基体的目的。 也可以通过金属材料本身形成这层钝化膜，如向钢中加入 Cr、Al等元素，使钢产生钝化。3.3 牺牲阳极的阴极保护法电化学腐蚀的必要条件是阳极、阴极、电解质、电流回路，除去或改变其中任何一个条件即可阻止或减缓腐蚀的冶金与建筑工程系 教 案10进行。牺牲阳极的阴极保护法是利用电位比被保护金属低的金属或合金作为阳极，与作 为阴极的被保护金属构成一个原电池。当 发生电化学腐蚀时 ，电位低的阳极不断地被腐蚀，而阴极（被保护金属）不会腐蚀而得到保护。在海水中的钢闸门上连接一种比铁更活泼的金属锌，以达到防腐的目的。 任务总结： 理解金属磨损的定义和分类 掌握金属耐磨性的影响因素 掌握金属腐蚀的防护措施布置任务：金属腐蚀的防护措施有哪些？金属耐磨性的影响因素有哪些？注：各栏大小可根据需要进行调整。
