表面工程4章节
1表面淬火技术的原理和特点
2感应加热表面淬火
3火焰加热表面淬火
4激光加热表面淬火
4-1. 表面淬火技术的原理
将钢表面快速加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1 （过共析钢）以上，然后使之迅速冷却并转变为马氏体。
将钢整体加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1 （过共析钢）以上，然后使其表面迅速冷却并转变为马氏体。
2. 表面淬火对材料的要求
凡是能进行整体淬火强化的材料都能够进行表面淬火。
低碳钢或低合金钢需进行表面渗碳或合金化（齿轮渗碳）。
表面硬度要求越高，要求钢碳含量和合金含量越高；表面硬化层越深，要求钢淬透性越好。
3.与常规淬火技术的区别
在一定加热速度范畴内，V加热↑，T临界↑
V加热↑，奥氏体成分的不平均性↑
a. C 成分不平均,从相图上看与F,K 相邻的浓度相差专门大,C 来不及扩散。
b. 合金元素不平均
预先热处理（调质、正火、球化退火）——表面淬火
V加热↑，奥氏体晶粒细化显著
a.过热度大,相变趋动力增大,晶粒形成位置增多,A在F 和K相界上形成，A在F 亚晶界上形成。
b.加热时刻短,假如加热速度10 7 度/S,形成时刻10-5S,在如此短时刻内奥氏体晶粒来不及长大。
V冷却↑，表面硬度高
4. 表面淬火技术的特点
生产效率高，能耗小。
加热快，冷却快：组织细，硬度高；组织平均性差（渗碳体来不及溶解和扩散）。
表面组织细，硬度高，中部硬度低，韧性好。
4.2 感应加热表面淬火技术
1感应加热淬火原理
将工件紧靠在有足够功率输出的感应圈邻近,感应圈通电，在高频(中频)交流磁场的作用下（假如工件与线圈的间隙专门小）由于集肤效应,在工件表面产生专门大的涡流，大小与线圈电流相等，方向相反。
涡流产生热量，将工件表面加热迅速加热到淬火温度，并用冷却介质快速冷却，达到对工件表面淬火的目的。
2感应加热淬火技术特点
效率高；变形小；深度可控；需要制作特定的线圈；电源功率大；“尖角”效应
3感应加热淬火技术应用
高频淬火：轴类零件，磨损量小，但精度要求高的零件
中频淬火：齿轮、活塞环槽，有明显磨损量，精度要求较高的零件
工频或双频：轧辊，磨损量大
表面淬火在粗加工或半精加工后进行，最后只留磨量。
4.3 火焰加热表面淬火技术
1 火焰淬火（flame quenching）原理：
用火焰快速将工件表面加热到淬火温度，并快速冷却，使工件表面得到淬火组织。
操纵参数：火焰大小、火焰与工件的相对距离和相对移动速度
淬火深度：钢淬透性、加热深度和冷却条件等
2优点：
设备简单；操作灵活；操作简单
适用于各种形状的小批量零件或大型零件的局部淬火
3缺点：
生产效率低；难以操纵，需要丰富的体会；淬火层的平均性差；变形大
4适用范畴
适用于各种形状的小批量零件或大型零件的局部淬火
导槽、模具、凸轮轴（凸台）
4.4 激光加热淬火技术
1激光加热原理:
用激光束加热材料表面，使之迅速生高到相变温度以上。
1.1 激光加热的特点：能量密度高，加热速度快、温度高，且容易操纵。
2激光淬火（Laser Quenching）原理:
用激光束加热材料表面，使之迅速生到相变点温度以上但不熔化，当激光束移开后表层自行快速冷却，并转变为马氏体。
2.1特点
能量密度高，加热速度快、温度高，不需要淬火冷却介质。
3优点：
☆工件变形小
☆能量集中，热阻碍区小
☆加热深度和轨迹容易操纵
☆适用于表面重熔，甚至能够熔化陶瓷。
为了不使材料熔化，激光淬火时能量密度一样为1000~6000 J/cm2 。
4缺点：
存在回火软化带，对要求大面积平均硬化层的工件不利
5应用
（1）高精度零件处理
汽车大梁，汽车油泵，空压机、发动机的汽缸，汽车凹轮轴，热锻模大型内齿圈
（2）管材内表面改性
例：管内机器人＋激光表面改性技术，对细长管材内表面硬化处理，提高耐磨性，延长寿命，减少管材的使用量。
外径60mm，壁厚8mm，长2300mm的细长空心轴，淬火后振摆变形小于0.2mm 4.5 变形强化
1变形强化机理：
塑性变形←位错运动→位错增殖→位错交结→强度提高
塑性变形→马氏体相变→强度提高
最常用来表示金属材料变形强化的公式是Hollomon公式：S=Ken
式中：S为真应力；e为真应变；n为变形强化指数；K材料硬化系数。
2（1）喷丸或抛丸强化:钢丸高速撞击工件表面，使表层材料产生大量的塑性变形。
（2）滚压强化：用钢球、辊轮或辊轴滚压工件表面，使工件表面产生大量的位错。
产生大量的位错，如有奥氏体相，促使马氏体相变，提高材料的表面强度。
较大的残余压应力。
提高材料的强度，专门是疲劳强度的方法。
4.5.1 喷丸强化
1 喷丸强化：压缩空气带动钢丸高速撞击工件。
2优点：撞击点集中，易于操纵。
4.5.2 抛丸强化
1特点抛丸强化撞击面大，生产效率高。用于弹簧钢板、圆弹簧、大型工件、车轮以及大批量生产的零件等。
4.5.3 滚压强化
1.原理在一定的压力作用下，用钢球、辊轮或辊轴滚压工件表面，使工件表面产生大量的位错和较大的残余压应力，从而提高材料的表面强度，专门是疲劳强度的方法。
表面滚压的强化原理与喷丸和抛丸相同。
2适用范畴滚压强化适用于轴类零件和沟槽类零件，不能用于复杂零件。滚压改性层深度可达5mm以上，球墨铸铁曲轴滚压疲劳强度可提高20~33%
滚压强化使零件产生变形，必须进行矫正处理。
第五章热扩渗
定义：
将工件放在专门的介质（气体、液体或固体）中，使介质中的某一种或几种元素渗入工件表面，形成一定厚度的扩散层（或掺杂层），从而改变材料成分、组织和性能的方法。
热扩渗技术机理：
渗剂产生活性原子，并不断提供给基体金属表面。
活性原子吸附在基体金属表面，并被基体金属吸取，形成固溶体或金属间化合物。
活性原子不断向基体金属内部扩散，渗层厚度不断增加。
热扩渗目的：
提高强度、硬度和耐磨性。渗氮表面硬度达950Hv~1200Hv，渗硼表面硬度达
1400Hv~2000Hv。
提高疲劳强度。渗碳、渗氮和渗铬使材料发生相变，表层体积膨胀，导致产生残余压应力。提高淬透性。低碳钢、低合金钢渗碳。
提高抗咬合、抗粘着能力和降低摩擦系数，如渗硫、氮化。
提高耐腐蚀性能，如渗铝、渗氮等
气体
渗碳气氛的形成方式：
滴注式气体渗碳：向炉内滴入含碳有机液体，如煤油。（设备简单，要求体会）
吸入式气体渗碳：吸入富碳气氛进行渗碳。（专用设备，大批量生产）
氮基气氛渗碳：以纯氮为载体，加入碳氢化合物，一并注入炉内形成富碳气氛进行渗碳。（专用设备）
气氛检测仪器（CO2、CH4、CO分析仪）
优点：提高硬度和耐磨性的同时，心部能保持相当高的韧性，可承担冲击载荷，疲劳强度较高
缺点：处理温度高，工件畸变大
应用
渗碳工艺广泛应用于飞机、汽车、机床等设备的重要零件中，如齿轮、轴和凸轮轴等。渗碳是应用最广、进展得最全面的化学热处理工艺。
渗氮
优点：
氮化层硬度高达950~1200Hv，耐磨性、疲劳强度、红硬性、抗咬合性能和减摩性能优于渗碳层。
低温渗氮：500~600℃渗氮，工件变形小。
缺点：
时刻长，数十到上百小时。
渗层薄（500μm），脆性高
应用
渗氮能够用于结构钢、高铬钢、工具钢和铸铁。
产品有销、轴、缸套、活塞、齿轮和模具等等。
渗氮层专门薄，一样为0.1~0.15mm，渗氮处理后最好不加工或少量精加工
在520~580℃，以渗氮为主，称氮碳共渗，渗层硬度比渗氮层略低，俗称软氮化。
氮碳共渗比渗氮时刻大大缩短；渗层中不含ξ相，硬度略低，韧性好，裂纹敏锐性小。
氮碳共渗是一种表面硬度高，摩擦磨损性能和疲劳性能好，尺寸变形小的热扩渗工艺。
在780~930℃，以渗碳为主，称碳氮共渗。
碳氮共渗比渗碳温度低，零件变形小，晶粒细，能够直截了当进行淬火，零件变形开裂倾向小。
氮不仅扩大了γ相区，而且提高奥氏体稳固性，提高了渗层的淬透性和淬硬性。
渗层存在较大的残余压应力。
更高的疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回火稳固性。
渗氮和氮碳共渗的应用
渗氮层专门薄，一样为0.1~0.15mm，渗氮处理后最好不加工或少量精加工。
不仅要求疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回火稳固性高，而且要求精度高的产品，如销、轴、缸套、活塞、活塞销、模具等等。
固体
把工件埋入固体渗剂或用固体渗剂包裹工件，并加热达到一定温度，保持一定时刻，使工件表面渗入一种或多种元素的方法。
固体渗剂包含：供渗剂（+还原剂）+催渗剂（或催化剂）+填充剂。
供渗剂：作用是提供渗入工件表面的活性原子，如供渗剂是稳固的化合物，还要加还原剂。还原剂的作用是使供渗剂产生活性原子。
催渗剂（或催化剂）：促进活性原子渗入工件和促进还原反应。
填充剂：减轻或防止渗剂板结，降低生产成本。
渗剂原子活性越强，渗层就越厚
液体
将工件放入熔融液体中，使表面层渗入一种或几种元素的方法称为液体热扩渗。
盐浴法：
（1）盐浴为渗剂，盐浴产生的活性原子渗到工件表层。
（2）渗剂浮于盐浴表面，盐浴作为载体传输活性原子。
热浸法：熔融金属液，热浸锌、热浸铝等
熔烧法：渗剂制成浆料涂敷在工件表面，在真空或爱护气氛下加热至渗剂熔点以上，渗剂元素扩散到基体金属表面。
热浸金属
将工件浸入熔融的金属液中，使工件表面形成金属防护层的方法。
热浸金属的三个过程：
（1）基体金属表面被溶解，形成合金层。
（2）合金层内的渗入原子向内扩散，形成固溶体或化合物。
（3）合金层别处包覆一层纯金属。
热浸铝和热浸锌是公认的经济有用的钢铁材料表面防护方法。
热浸锌在大气、海洋环境下使用的钢结构件已大量使用，如水管、高速公路护栏、铁搭、桥梁上大量使用。
热浸铝还在汽车零部件上使用。渗铝是目前提高钢材耐硫化物腐蚀最有效的方法。
热浸铝原理：
铝液与铁接触，在界面上形成Fe/Al合金层，并形成FeAl3化合物。
铝原子向内部扩散，不断形成FeAl3化合物，FeAl3相厚度增加。
随着铝原子连续向内扩散，还形成Fe2Al5相。
取出工件时，表面形成一层纯铝。
用常规方法对工件表面脱脂除锈
用质量浓度为4%的K2ZrF6溶剂在50~80℃清洗工件：
1）进一步清除工件表面铁锈
2）活化工件表面，提高浸入能力和镀层的结合力。
工件干燥后，浸入铝液。
等离子体热扩渗
等离子体热扩渗是利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，在工件表面产生热扩渗的工艺。
特点
离子轰击工件表面，使表面活性提高，容易吸取被渗离子和活性原子。
离子轰击能去除工件表面的氧化膜或钝化膜，使易氧化的金属（如不锈钢）也能进行热扩渗。调剂电参数、渗剂气体成分和压力来操纵热扩渗层组织性能。
工艺过程易于操纵。
离子渗氮
将工件放入离子渗氮炉,抽真空至1.33Pa.
通入少量含氮气体,如氨,使炉压升到规定值.
阴极(工件)和阳极加直流高压,使炉内气体放电.氮离子和氢离子在高压电场作用下冲击阴极,产生大量热量加热工件,同时氮离子和氢离子被工件吸附,渗入工件，形成渗层.
保持一定时刻，渗层达到要求厚度后停电、停气，降温到200℃后出炉。
工艺
辉光电压：保温时期为500~700V
电流密度：0.5~15 mA/cm2。电流密度大，升温快，但易显现打弧。
炉内真空度：266~533Pa。炉内压力太低，加热太慢；炉内压力太高，易显现打弧。
渗氮气氛：液氮或氮氢混合气。液氮使用简单，但渗层脆性大；体积比为1:3的氮氢混合气可改善渗层性能。调整氮氢混合气的氮势，可操纵渗层相组成。
渗氮温度：450~650℃。不含铝的钢一样采纳500~550℃的一段渗氮工艺，含铝钢采纳520~530℃和560~580℃的二段渗氮工艺；不锈钢采纳600~650℃的渗氮温度。
渗氮时刻τ：δ为0.2~0.6mm时，τ为6~30h。一样钢种8h左右，不锈钢要长得多。
渗层深度运算公式：δ=k（Dτ）1/2运算。δ为渗层深度，k为常数，D为扩散系数，τ为渗氮时刻。
离子渗氮的特点
效率高：渗氮速度与一般气体渗氮的3~5倍。
（1）N离子轰击，使部分金属原子活化，使C、N、O等部分非金属元素还原出来。
（2）表面清洗作用
（3）高的N浓度：轰击出来的N，Fe原子形成FeN，吸附在工件表面，提高了表面浓度。（4）阴极溅射，部分原子脱离表面，位错密度增加，增加了N原子向内的扩散系数。
硬度：离子渗氮层硬度与气体渗氮层相当。
厚度：离子渗氮层厚度可达0.3~0.5mm，比气体渗氮层厚得多。
热效率高，节能；环保。
第六章热喷涂、喷焊、堆焊技术
原理：
采纳气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物以及它们的复合材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其
雾化，并喷射到通过预处理的工件表面，形成附着牢固的表面层的加工方法。
涂层质量阻碍因素
结合强度：材料性质、熔化状态（热源温度、粒子飞行距离）、粒子飞行速度、基体表面粗糙度、涂层厚度等
间隙率：材料性质、熔化状态、粒子飞行速度
内应力：材料性质、涂层厚度、工件冷却条件、喷枪运动速度。
涂层结合机理
涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内部的结合。
结合力：涂层与基体表面的结合强度。
内聚力：涂层内部的结合强度。
（1）机械结合
碰撞成扁平状，与凹凸不平的表面互相嵌合，形成机械钉扎而结合。
涂层与基体的结合以机械结合为主。
机械结合为主的结合决定了热喷涂的结合强度较低。
（2）冶金---化学结合
喷涂热量、撞击能量和放热反应，使表面局部产生高温，使涂层和基体表面局部显现扩散和焊合，形成冶金结合。
结合面上的金属间化合物或固溶体为冶金结合的产物。
重熔或喷焊时，喷焊层与基体的结合要紧是冶金结合。
3）物理结合
颗粒对基体表面的紧密结合，形成范德华力或次价键形成的结合
涂层形成机理
材料溶化---加速—撞击基体—冷却凝固—形成涂层
2.要紧热喷涂方法和特性
不同的方法，适用于不同的材料；不同的材料，选择不同的方法。要紧取决于材料的熔点和氧化特性。
电喷涂：适用于金属材料或金属基复合材料。
气喷涂：能够喷金属也能够喷陶瓷。火焰喷涂喷金属，HVOF喷金属陶瓷，等离子喷涂喷氧化物陶瓷。
热喷涂特点：
（1）适用范畴广
涂层能够是金属、非金属以及复合材料。
工件也能够是金属和非金属。
（2）工艺灵活
施工对象小到10mm内孔，大到铁塔、桥梁等大型结构。
既可在整体表面，也可在指定区域内涂敷。
既可在真空或操纵气氛中喷涂活性材料，也可在野外现场作业。
（3）工件受热少
例如氧--乙炔焰喷涂、等离子喷涂或爆炸喷涂，工件受热程度均不超过250℃，工件可不能发生畸变，不改变工件的金相组织。
（4）生产效率高
大多数工艺方法的生产率可达到每小时喷涂数千克喷涂材料，有些工艺方法可高达50kg／h以上。
（5）缺点
热效率等，能耗高。
材料利用率低，白费大。
涂层结合强度低。
3表面处理
为了提高涂层与基体的结合强度，在喷涂前，对基体表面进行脱脂、清洗和粗糙化等预处理。
碱洗法：将工件放到氢氧化钠或碳酸钠等碱性溶液中，待基体表面的油脂溶解后，再用水冲洗洁净。
溶液洗涤法：采纳挥发性溶液，如雨酮、汽油、三氯乙烯和过氯乙烷乙烯等，它们的要紧作用是把基体表面的矿物油溶解掉，再加以清除。
蒸气清洗法：采纳三氯乙烯蒸气清洗，这种方法的清洗成效专门好，但对人体有一定的危害。
对疏松表面（如铸铁件）的清洗：先脱脂、清洗后，将工件表面加热到250℃左右，尽量将油脂渗透到表面，然后再加以清洗。
基体表面氧化膜的处理
机械方法去氧化膜，如切削加工方法和人工除锈法。
直截了当喷砂去除氧化膜。
也能够采纳硫酸或盐酸进行酸洗。
表面粗化处理
提高结合强度的一个重要措施。
喷涂前4h～8h内必须对工件表面进行粗糙化处理。常用的方法有：
（1）喷砂法：是最常用的粗糙化方法。砂粒有冷硬铁砂、氧化铝砂、碳化硅砂等多种，依照工件表面的硬度选择
（2）机械加工法
对轴、套类零件表面粗化，可采纳挑扣、开槽、滚花等简便切削加工方法，限制涂
层的收缩应力，增加涂层与基的接触面。
对强度要求不高的工件，在喷涂区域内车螺纹和滚压，形成粗糙表面，一样每厘米10条纹左右。
（3）化学腐蚀法
基体表面进行化学腐蚀，由于晶粒上各个晶面的腐蚀速度不同，可形成粗糙的表面。
（4）电弧法（又称电火花拉毛法）
将细镍（或铝）丝作为电极，在电弧作用下，电极与基体表面局部熔合，产生粗糙的表面。这种方法适用于硬度比较高的基体表面，但不适用于比较薄的零件。
基体表面预热
涂层与基体表面的温度差使涂层产生拉应力，从而引起涂层开裂和剥落。
基体表面的预热可降低涂层残余应力。但预热温度不宜过高，以免基体表面氧化，降低基体表面活性，从而降低涂层与基体的结合强度。
预热温度一样在200℃－300℃之间
非喷涂表面的爱护
在喷砂和喷涂前，必须对非喷涂表面爱护。爱护方法可依照非喷涂表面的形状，设计一些简易的爱护罩。
爱护罩可采纳薄铜皮或铁皮、炭素物或石棉等。
4.喷涂后处理
封闭气孔
一样采纳有机涂料进行涂覆处理，涂层需封孔时,依照使用状态选择封孔剂.石蜡，树脂。
自熔性合金镀层的熔化处理
将B,Si等元素加入到喷涂材料中，这些元素在喷涂过程中高温时发生氧化或与金属作用形成熔渣，涂覆在最表面；另一方面，发生的反应是放热反应，使基体表面一薄层熔化，涂层与基体达到冶金结合。
熔化处理采纳的加热热源一样为火焰加热和高频感应加热等。
精加工
通过喷涂的表面一样厚度不平均，表面粗糙度高，需要进行精加工，如车削或磨
削等。
5.热喷涂方法
(1) 火焰喷涂（Flame spray）
火焰喷涂包括丝材火焰喷涂和粉末火焰喷涂，一样不包括超音速火焰喷涂（HVOF）。
火焰喷涂的热源是氧-乙炔气体，也能够是丙烷、氢气或天然气。
喷涂材料熔化雾化并加速沉积到工件，形成涂层。
火焰喷涂设备简单，一枝喷枪。
喷枪要紧由两部分组成：产生火焰的氧、乙炔供给系统和供料（粉末或丝材）系统线、棒材喷涂差不多上将材料从喷枪中心孔送出，由氧的火焰将其熔化，通过压缩空气将熔化的材料雾化成微粒，并将其喷射到基体表面沉积成为涂层。
特点：操作简单，设备运转费用低，可手持操作。
材料：线材要紧有Zn,Al,Cu, Mo, Ti等及其化合物，铝包镍，镍包铝，金属包碳化物等复合线材;棒材要紧为Al2O3、Al2O3 + TiO2及TiO2陶瓷材料。
粉末火焰喷涂是将粉末加热到熔融或半熔融状态，同时将被加热粉粒以一定的速度喷射到工件上形成涂层。
特点：涂层致密度和结合强度不如线材火焰喷涂，然而该设备最简单、轻便，投资
少，成本低。并可喷涂后进行重熔以得到更致密的涂层。
材料：可制备塑料涂层
爆炸喷涂技术产生于上世纪50年代中期，将燃气爆炸技术引入热喷涂领域。其要紧特点是涂层与基体的结合强度高，涂层孔隙率小（小于0.5％），工件受热小，涂层在制作过程中受空气污染小。
高速火焰喷涂是20世纪80年代初期由美国开发的，由喷管出口处燃烧的高温射流迅速膨胀，产生了超音速火焰，焰流速度高，颗粒熔化充分。该方法制备的涂层与基体结合强度高，涂层致密，孔隙率小于1％，同时涂层的残余应力小。然而成本较高，限于应用于一些关键部位制作上。
特点：所得涂层性能可与爆炸喷涂相比美，但其工作效率，工作条件的可变范畴更优越；成本较高。
材料：最适宜喷涂碳化物基的粉末。
HVOF是上世纪80年代初,由美国ＳＫＳ公司Ｂｒｏｗｎｉｎｇ.Ｊ.Ａ研制成功。
HVOF系统使用气体燃料和氧气，产生3200℃的高温高压火焰
焰流速度高达1500m/s
粒子撞击速度(1005～1200ｍ/ｓ)
HVOF专门适用于喷涂WC-Co涂层。
（1）VOF 的火焰温度低
（2）颗粒的飞行速度快, 颗粒在空气暴露时刻专门短。因为WC 颗粒在高温下专门容易发生脱碳反应:
应用
美国在航空发动机压缩机叶片、轴承套等。
气轮机第一级静叶片上使用，取代昂贵的低压等离子喷涂层和电子束物理气相沉积。
修复退火炉辊, 从80年代中期的30%上升到90年代后期的80%, 带钢因结瘤等引起的次品率则由85%下降到零。
在冶金挤压辊轮、热浸镀锌槽中的沉没辊。
HVOF涂层结合强度高,能够喷2mm涂层.
Fusion公司现已关闭电镀Cr生产线而转向超音速火焰喷涂,因为这种涂层具有高结合强度和韧性,完全能够适应部件服役时的弯曲工况。
HVOF的火焰温度较低，适合于喷金属陶瓷，但不适合喷涂氧化物陶瓷。
优点：
设备简单，操作方便，可携带到现场施工。
沉积效率高，生产成本低。
既能够喷粉末，也能够喷丝材（熔点高的金属不能用丝材）。
缺点：
涂层含氧量高。
为了提高涂层与基体的结合力，先喷涂后重熔。
焰火温度低，不适用于喷陶瓷材料。
电弧喷涂技术
喷涂丝材通过两根彼此绝缘并加有18~40V的线形电极，当两根丝材靠近时产生电弧，并将丝材端部熔化。同时通入压缩空气使熔化的金属液滴雾化，在压缩空气的作用下高速撞击工件表面并在表面沉积，形成涂层。
特点：电弧喷涂设备比较轻便，易于现场操作，生产效率高，能源的利用率高。涂层质量要紧取决于熔滴雾化后的粒度。
超音速电弧喷涂要紧是对喷涂枪进行改进，开发出高速电弧喷枪，提高熔化粒子的雾化程度和飞行速度，从而提高涂层与基体的结合强度及降低涂层的孔隙率。
电弧喷涂的特点
一样只能喷具有导电性能的金属丝材，用超音速电弧喷涂设备也能够喷金属基陶瓷复合材料。
生产效率高，成本低。
涂层比火焰喷涂致密，可达70%~90%的理论密度。
结合强度达10MPa~40MPa。
电弧喷涂的应用
要紧喷涂铝锌涂层、不锈钢涂层、高铬钢涂层，近期研究铝基陶瓷复合材料。
要紧金属零件的防腐和强化，专门适用于大型零件的防腐（闸门、桥梁、钢结构）和强化。
电弧喷涂长效防腐涂层
防腐寿命长：耐蚀寿命达50年以上，是防腐油漆的4—5倍，热浸镀锌的2—3倍，玻璃钢涂层的2—3倍。。
可修复性强：涂层被碰坏、划伤，能够进行修复，保证了防腐体系的完整性和有效性；热浸涂层无法进行修补。
普遍适应性好：可依照腐蚀环境选用相应的耐蚀材料，灵活性强；热浸锌只能制备单一的锌涂层。
等离子喷涂原理
利用等离子焰流，即非转移等离子弧作热源，将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态，在高速等离子焰流引导下高速撞击工件表面，并沉积在通过粗糙处理的工件表面形成涂层。
等离子喷涂特点
优点：
火焰温度高，几乎能够喷任何固体材料，专门适用于喷氧化物陶瓷。
缺点：
喷低熔点材料不如其他方法
应用
防腐蚀
?喷涂铝：飞机表面用玻璃纤维强化的塑料代替金属，为减少电荷累积造成的静电和减少水对塑料的腐蚀，喷涂一层铝。
?火焰或电弧大面积喷涂锌、铝及其合金涂层，代替传统油漆方法，实行阴极爱护进行长效防腐涂层，防腐蚀年限可达到30年以上。长期暴露在户外大气的大型钢铁结构件、地下电缆支架、桥梁、都市过街天桥、港口、船体等适用。如：长江三峡永久闸门、上海东方明珠电视塔。
?热喷涂塑料：葡萄酒厂低温发酵车间的发酵罐内壁采纳火焰喷涂聚乙烯涂层后，有效地防止了罐壁的点蚀。
耐磨
?连续铸造模
连续铸造模表面由于金属凝固层的摩擦而磨损，用镀铬提高其耐磨性，但在高温下，硬度↓快，防护成效不行；采纳高温下硬度不明显下降的自熔性合金涂层＋粘结底层，
寿命↑。
?冷轧加工辊
冷轧生产线中的加工辊，表面要求耐磨、粗糙度变化小，镀铬，耐磨性不行；
喷涂WC－Co涂层＋电镀，寿命↑，耐磨性提高5～10倍。
耐高温
?卫星绕地球运动时，温度在－100～315℃之间变化，采纳喷涂Al2O3层，能够隔热，保证内部温度10～30℃。
?涡轮叶片高温防护
航空发动机高温热端部件要紧是涡轮叶片，长期在高温、高速、高负荷条件下工作（超合金，空心加气膜冷却）——高温防护涂层M(Ni、Co)CrAlY（低压等离子喷涂）＋氧化物陶瓷（Al2O3,ZrO2-Y2O3），0.25mm的ZrO2-Y2O3，冷却空气流量↓50％，油耗改善1.3％，寿命↑4倍。
模具制造与工件修复
?热喷涂快速制作钢基模具
工件模型——脱模剂——电弧喷涂的熔点合金（中间模）——灌注石膏加固——取下工件模型——喷涂高熔点高强度涂层
电弧喷涂对基材的热阻碍小，母型可用金属、木材、石膏等；热变形小，收缩小，尺寸精度和复制性能优良，是忠于母型的建议模具成型法。
?工件修复
各种轴类机床，发电机轴，各种驱动轴，磨损后采纳氧乙炔火焰粉喷、丝喷以及电弧丝材喷涂均可修复均能奏效，设备简单，操作方便，可现场施工，经济效益好。
功能性应用
?远红外辐射涂层的节能应用
复合氧化物TiO2-ZrO2具有较高的热辐射系数和优良的长波辐射特性，是远红外辐射材料，氧化物受热时辐射出远红外波，极易被高分子有机物、水、空气等物质的分子吸取，而引起共振产生内热，从而加速加热过程，采纳热喷涂技术在电加热元件上喷涂远红外辐射涂层，其节能效率一样平均在25％～40％。
?飞机表面防雷和抗干扰涂层
为了减轻飞机重量、隐身要求，采纳大量非金属复合材料，不导电，某些部位需涂覆导电层（铝）来屏蔽外来信号干扰和防止雷击。
?人工种植生物功能应用
人工关节、义齿，采纳不锈钢，表面状态与人体组织结合不紧密，且不锈钢中的Cr、Ni在人体中逐步开释，引起躯体的感染、发炎。
Ti：与人体体液相容并与人体组织有较好的结合能力
羟基磷灰石（HA）：生物陶瓷材料，是成骨成分之一
采纳低压等离子喷涂方式在不锈钢表面进行喷涂。
堆焊
在金属材料或零件表面熔焊上耐磨、耐蚀等专门性能的金属层的一种工艺方法。
堆焊的特点与应用：
?采纳堆焊修复已失去精度或表面破旧的零件，可节约材料、费用、工时，延长零件使用寿命；
?堆焊层的专门性能可提高零件表面耐磨、耐热、耐蚀等性能，发挥材料的综合性能和工作潜力；
?具有明显的异种金属焊接特点，可制造双金属零部件，对焊接工艺及其参数要求较高。
应用：机械产品的制造和修理，在冶金机械、重型机械、汽车、动力机械、石油化工设备等领域有广泛应用。
分类
Fe基：韧性与耐磨性匹配好，价格低，应用广。
Ni基、Co基：
价高，但高温性好、耐磨蚀，要紧用于耐高温磨损、腐蚀的场合。
WC基：价格较高，高耐磨性。
Cu基：
耐蚀性好，具有润滑性，可减少金属间的磨损
第七章电镀与化学镀
1电镀概念P122
2电镀目的P122
3电镀分类P122
按镀层成分分：
单一金属镀层，如Zn、Cu、Cr等
合金镀层：如Cu-Sn，Cu／Ni／Cr镀层等；
复合镀层：如Ni-Al2O3，Co-SiC等。
?依照镀层和基体金属之间的电化学性质分为：
1）阳极性镀层
镀层电极电位低，相对与基体金属为负，镀层为阳极，称为阳极性镀层，例如钢上的镀Zn层；
2）阴极性镀层钢上的Ni、Sn镀层
4 工艺特点
电镀工艺设备较简单，操作条件易于操纵，镀层材料广泛，成本较低，因而在工业中广泛应用，是材料表面处理的重要方法
电镀最大的问题是污染
镀层的特点
（1）与基体结合牢固，附着力好；
（2）完整，洁净致密，孔隙少；
（3）厚度分布平均
5 电镀差不多原理
电镀是典型的电解反应，在外加电场作用下，溶液中的金属离子在阴极表面得到电子，被还原为金属并沉积在阴极表面。
Me n++ne→Me
6 电镀的差不多条件P124
7可沉积金属的种类及方式P122表7-1
已发觉的金属有70多种，能从水溶液中电沉积的不到一半。
若使用熔盐镀液，则几乎所有的金属都能够实现电沉积。
8电镀溶液P125
9电镀工艺过程平P130
10电镀金属
镀锌－应用广泛，占60％以上
E Zn2+/Zn=-0.76< E Fe2+/Fe，阳极性镀层，要紧用于钢铁等黑色金属的防腐
易钝化：防腐＋装饰，防护能力提高5~8倍，不同钝化层可显示白色、蓝色、绿色等。
两类电镀液：酸性和碱性。酸性电镀液价格廉价,电流效率高,电镀速度快，缺点是镀层平均性差;碱性电镀液价格高,但镀层平均性好。
镀铜
用于钢铁表面防护（如防钢铁表面渗碳），装饰（如塑料表面），作为过渡层提高镀层与基体结合力。
电镀溶液要紧有：
（1）硫酸盐镀铜液
（2）氰化物镀铜液
（3）焦磷酸盐镀铜液
硫酸盐镀铜液：平滑光亮的镀层，电流效率>95%，适用于大电流密度下的厚镀层，镀层的致密性比氰化亚铜镀液差。
氰化物镀铜液：含有一价铜的络离子，在钢铁基体上形成平均的、附着性专门好的镀层。缺点：镀液毒性严峻。
焦磷酸盐镀铜
?镀液稳固性好，易于操纵，适于大批量生产
?缺点：
（1）成本高
（2）钢铁件不能直截了当电镀，需镀过渡层
如：先用氰化盐镀铜或镀镍，也可用硫酸铜溶液先浸镀，然后再用焦磷酸盐镀铜。
镀铬
镀铬层光泽好、耐腐性能好、硬度高、摩擦系数小，要紧用于装饰、耐磨损和耐腐蚀。
镀铬液要紧是含有少量硫酸的铬酐（CrO3）溶液
镀铬层分：防护装饰镀铬和镀硬铬
防护装饰镀铬
（1）美观光亮
（2）电镀时刻短（3~5min）
（3）镀层薄（0.3~1.0μm）
应用：家用电器，飞机，汽车、自行车
镀硬铬
（1）要求硬度高、耐磨、结合牢固。
（2）镀层厚（20~300μm）
（3）电镀时刻长
应用：测量、切削工具、轴
松孔镀铬：镀层表面形成大量沟纹——减磨镀层。应用：活塞、环
镀镍
提高材料的防护性能和美观
作为其他镀层的过渡层：提高结合强度
镀金
镀金具有耐蚀性、钎焊性、装饰性，价格较贵。
例：1、异色电镀：18K黄金镀24K金
2、奥运会奖牌制作
11合金电镀
1概念P137
2电镀合金的特点
易获得高熔点与低熔点金属组成的合金，如:Sn-Ni合金。
可获得热熔相图没有的合金,δ-铜锡合金
易获得组织致密、性能优异的非晶态合金，如: Ni-P合金。
在相同合金成分下，电镀合金与热熔合金比，硬度高，延展性差。
3与单金属镀层相比合金镀层的要紧特点：
合金镀层结晶更细致，镀层更平坦、光亮。
具有单金属所没有的专门物理性能，例如导磁性、减摩性（自润滑性）、钎焊性。具备比组成它们的单金属层更耐磨、耐蚀、更耐高温，并有更高硬度和强度。但延展性和韧性通常有所降低。
不能从水溶液中单独电沉积的W，Mo，Ti，V等金属可与铁族元素（Fe，Co，Ni）共沉积形成合金。
通过成分设计和工艺操纵，可得到不同色调的合金镀层，例如银合金、彩色镀镍及仿金合金等，具有更好的装饰成效。
4合金电镀原理
共沉积中的一些现象至今仍难以合明白得释：共沉积时，两种以上金属离子在阴极上还原，会显现竞争放电现象、电子之间互相阻碍以及电结晶过程中合金元素对成核规律的阻碍等问题。
目前还只能提供一些实验数据的综合和某些定性说明，定量的理论研究还有待今后进展
5合金共沉积的条件P138
6实现共沉积的方法P138
7合金镀层及其应用P139表7-8
化学镀
1概念P141
2化学镀的三种沉积方式P142
工程上所讲的化学镀要紧是指这种还原沉积化学镀。
3化学镀条件
还原剂的电位要显著低于沉积金属的电位，金属有可能在基材上被还原沉积。
镀液不产生自发分解，只有当与催化表面接触时，才发生金属沉积过程。
被还原的金属具有催化活性，氧化还原沉积过程才能连续进行，镀层连续增厚。
溶液有足够的使用寿命
4化学镀的特点：
镀覆过程不需外加电源驱动
均镀能力好
形状复杂、有内孔、内腔的镀件均可获得平均的镀层。例：聚氨酯泡沫化学镀镍工艺——制备泡沫Ni → 制作电极质轻，比表面积大，化学活性好，减震器、过滤器、热交换器孔隙率低
可在金属、非金属以及有机物上沉积镀层。
缺点：溶液稳固性较差，爱护、调整和再生都比较苦恼，材料成本费较高
5化学镀的应用
化学镀金属和合金种类较多，诸如:Ni-P，Ni-B，Cu, Ag，Pd，Sn，In，Pt，Cr及多种Co基合金等
应用最广的是化学镀镍和化学镀铜。
化学镀层一样具有良好的耐蚀性、耐磨性、钎焊性及其它专门的电学或磁学等性能。
不同成分的镀层，其性能变化专门大。
在电子、石油、化工、航空航天、核能、汽车、印刷、纺织、机械等工业中获得日益广泛的应用。
6化学镀镍
还原沉积:还原剂将镍离子还原为镍原子并沉积在被镀工件上。
还原剂有次磷酸盐、硼氢化物、胺基硼烷、肼及其衍生物等。最常用的是次磷酸盐。7化学镀镍溶液
以次磷酸盐为还原剂的化学镀镍溶液有两类：酸性镀液和碱性镀液。
酸性镀液比较稳固，容易操纵，沉积速度快，镀层中磷含量较高（2-11%）。
碱性镀液镀层含磷量较低（3-7%），镀液对杂质比较敏锐，稳固性差。应用较少。8镀镍特点
耐腐蚀性强，表面为非晶态，抗腐蚀性专门优良，经硫酸、盐酸、烧碱、盐水同比试验，其腐蚀速率低于1Cr18Ni9不锈钢。
耐磨性好：表面为非晶态，即处于差不多平面状态，有自润滑性。磨擦系数小，非粘着性好，耐磨性能高，在润滑情形下，可替代硬铬使用。
光泽度高：镀件表面光泽度高，可与不锈钢制品比美，呈白亮不锈钢颜色。
表面硬度高：在钢铁及铜表面可达570Hv。
结合强度大：与金属基件结合强度可达350-400MPa，不起皮、不脱落、无气泡。
仿型性好：在尖角或边缘突出部分，没有过份明显的增厚，即有专门好的仿型性，沉积层的厚度和成份平均。
工艺技术高适应性强：在盲孔、深孔、管件、拐角、缝隙的内表面可得到平均镀层，不管产品结构有多么复杂，绝无漏镀之处。
低电阻，可焊性好。
9镀镍应用
汽车工业: 散热器、喷油嘴、球头螺栓、差速器行星齿轮轴、制动器活塞、同步齿轮、关节销、减震器、销紧零件、软管管接头。
化学工业：压力容器、反应容器、搅拌器轴、泵和叶轮、热变换器、过滤器和零件、涡轮机叶轮转子、阀门。
纺织工业：纺织刮板、送料导杆、锭子棘轮、纺织针、喷丝头罗拉等需增加光滑和耐磨的零件。
石油和天然气：管道、泵壳、抽油杆、球阀、柱塞泵、封隔器、泥浆泵、防喷装置。采矿工业：液压缸和轴、挤压机、传动带、离合器、液压系统、喷射泵头。
食品工业：食品充气灌装机、螺杆送料机、搅拌锅、食品模具、烤盘、干燥箱、保温炉。
电子工业：电容器、插头、散热器、导线框架晶体管封装，陶瓷和金属之间的封接。
其他工业：玻璃模型、注塑模、喷丝头、编织针、印刷辊筒、印刷平板、药丸分筛机、手术器械、五金工具等。
10化学镀铜
要紧目的：在非导体表面形成导电层，专门好地解决了多层印制电路板间的电路连接问题。
化学镀铜层的物理化学性能与电镀铜的性能差不多相似。
还原沉积:还原剂将铜离子还原为铜原子并沉积在被镀工件上。
化学镀铜的主盐是硫酸铜，还原剂有甲醛、肼、次磷酸钠、硼氢化钠等。最常用的是甲醛。
11复合镀P147
1复合镀层差不多条件：
粒子在镀液中是稳固的：不发生任何化学反应，不促使镀液分解。
粒子在镀液中完全润湿，形成分散平均的悬浮液。粒子都需通过亲水处理，专门是那些疏水粒子，更应作充分的亲水处理，并要降低镀液的表面张力，形成悬浮性好的镀液。
镀液的性质要有利于固体粒子带正电荷，即利于粒子吸附镀液阳离子和金属离子。
粒子粒度适当。粒子过粗，易于沉淀，且不易被沉积金属包覆，镀层粗糙；粒子过细，易于结团成块，不能平均悬浮。通常使用0.1～10um的粒子，以0.5～3um最好。
适当的搅拌。保持微粒平均悬浮，使粒子高效率输送到阴极表面并与阴极碰撞。
2复合镀层的性能特点及应用
复合镀层的性能由镀层金属的特性和粒子特性共同决定。
1．耐磨复合镀层
将硬质粒子加入到Ni，Co，Cr，Co-Ni，Ni-P，Ni-B等镀层中，可大幅度地提高金属或合金镀层的耐磨性。
Ni-P-SiC的耐磨性随SiC含量增加而迅速升高
牙科用磨削针
镀层的硬度随粒子含量及粒子硬度升高而升高。耐磨复合镀层中加人的粒子大多选用金钢石，WC，Al2O3，ZrO2，TiC, SiC，Cr3C2等粒子。
这种高耐磨性复合镀层在中、高温条件下更显示其专门的耐磨性能。在航空、机械、汽车等工业中已被广泛应用。
2．减摩复合镀层
将剪切强度低，摩擦系数小的固体粒子加入到某些金属和合金中，可形成具有自润滑功能的减摩复合镀层。
常用的基体金属Ni，Cu，Pb等，用石墨、石墨、聚四氟乙烯(PTFE)、MoS2和六方氮化硼等作减磨剂。
PTFE的摩擦系数仅为0.05，Ni-P-PTFE复合镀层与淬火钢配对摩擦时，干摩擦系数0.36～0.40，低于Ni-P镀层的摩擦系数0.60～0.63；这种复合镀层相互对磨时，干摩擦系数仅为0.2。
Ni-BN（氮化硼）在800℃高温下仍有专门低的摩擦系数，适用于高温轴承。
在宇航、真空和无油润滑的条件下，轴承、导轨等摩擦副是这类减摩复合镀层充分发挥自润滑功能的地点。
PTFE的摩擦系数仅为0.05，Ni-P-PTFE复合镀层与淬火钢配对摩擦时，干摩擦系数0.36～0.40，低于Ni-P镀层的摩擦系数0.60～0.63；这种复合镀层相互对磨时，干摩擦系数仅为0.2。
Ni-BN（氮化硼）在800℃高温下仍有专门低的摩擦系数，适用于高温轴承。
在宇航、真空和无油润滑的条件下，轴承、导轨等摩擦副是这类减摩复合镀层充分发挥自润滑功能的地点。
12非金属电镀
1非金属---塑料、陶瓷、玻璃、木材等
非金属特点：质轻、价廉；不导电、不导热、不耐腐蚀、易变形，缺乏金属光泽
2前处理
粗化→脱脂→敏化→活化
粗化：表面微观粗糙，由憎水→亲水，提高结合力
机械粗化，化学粗化（常用），有机溶剂粗化
敏化：工件表面吸附一层易氧化的物质，以便在活化时（把催化金属还原出来）被氧化，在表面形成活化层或催化膜，缩短化学镀的诱导期，保证化学镀的顺利进行。
活化：将敏化处理时生成的物质氧化，在塑料表面产生有催化性的贵金属薄层，作为化学镀时氧化还原反应的催化剂。如：金、银、铂、钯等
3几种非金属电镀
塑料电镀
ABS塑料电镀最为广泛，具体步骤如上所示
石膏、木材电镀
封闭处理—喷涂ABS塑料——类似塑料电镀
石蜡、树脂胶封闭
玻璃电镀
粗化（机械，化学HF）→烘烤→敏化→活化→化学镀→电镀
4电铸特点
优点
?高度逼真性，复制<0.5μm的金属线
?可制造各种电铸产品
?工艺简单，大批量生产
缺点
?加工时刻长
?原模、芯模加工难度大
?脱模成本高
5应用P152
13电镀进展趋势P155
第八章转化膜与着色技术
1概念基体金属＋处理液——难溶性膜层（转化膜）
2转化膜的形成方法
在一定条件下，金属与特定的腐蚀液接触发生化学、电化学反应，由于浓差极化作用和阴极极化作用等，在金属表面生成一层性质稳固，附着力良好的、能爱护金属的化合物膜。
金属基体直截了当参与成膜反应生成，膜与基体的结合力比电镀、化学镀和热喷涂等这些外加膜层大得多。
成膜的典型反应式：
mM+nAz- →MmAn+nze
直截了当化学反应、不需热处理－与化学热处理区别
3分类
氧化物膜：金属在含有氧化剂溶液中形成的膜，其成膜过程叫氧化。
磷酸盐膜：金属在磷酸盐溶液中形成的膜，其成膜过程称磷化。
铬酸盐膜：金属在含有铬酸或铬酸盐溶液中形成的膜，其成膜过程称钝化。
4用途
防锈一样防锈要求，转化膜作为底层，专门薄，外层涂防锈油等。
要求较高的防锈，转化膜要平均致密，以厚者为佳。
耐磨减磨减磨：磷酸盐膜具有专门小的摩擦系数，具有良好的储油作用，在接触面间产生一缓冲层，从而减小磨损。
耐磨：铝阳极氧化，形成Al2O3膜，硬度专门高，具有专门好的耐磨性能。
活塞、轴承
着色不同的化学膜有不同的颜色；改变化学膜厚度，也能够改变颜色。
例：不锈钢用铬酸-硫酸溶液处理后可得到不同颜色
获得多孔结构的化学膜，进行着色处理，得到需要的颜色。
例：铝合金阳极氧化、着色，有些铝合金氧化膜本身就有颜色
塑性加工金属表面进行磷化处理后进行塑性加工，如：钢管、钢丝等冷拔；能够减小拉拔力，延长模具寿命，减少拉拔次数。
作为挤出工艺、深拉延长工艺的前道工序
电绝缘性磷酸盐膜和阳极氧化膜差不多上不良导体，能够用做绝缘体。磷化膜专门早就用作硅钢板绝缘层。
这种绝缘层的特点是占空系数小，耐热性好。
转化膜应用对象
几乎在所有的金属表面都能生成，应用较多的是铁、铝、锌、铜及其合金。
氧化：钢铁、铝合金、镁合金等。
磷化：钢铁。
钝化：不锈钢、铜合金、锌合金等。
5转化膜应用对象
几乎在所有的金属表面都能生成，应用较多的是铁、铝、锌、铜及其合金。
氧化：钢铁、铝合金、镁合金等。
磷化：钢铁。
钝化：不锈钢、铜合金、锌合金等。
6氧化处理(钢铁的氧化)
把钢铁在含有氧化剂的溶液中进行处理，在表面形成一层平均的蓝黑到黑色膜层的过程，也称为钢铁的“发蓝”或“发黑”。
钢铁的化学氧化可分为：高温化学氧化和常温化学氧化。
钢铁高温化学氧化（碱性化学氧化或发蓝）
钢铁常温化学氧化（酸性化学氧化或发黑）
80年代以来迅速进展的新技术。
具有氧化速度快,膜层抗蚀性好,节能、高效,成本低,操作简单,环境污染小等优点。
钢铁表面的发黑处理,可得到平均的黑色或蓝黑色外观，其表面膜的要紧成分是CuSe，功能与Fe3o4相似。
****特点
发黑比发蓝时刻短：由15~60min缩短到3~8min，生产成本降低一半。
发黑对粗糙表面、未淬火表面专门有效
发黑的结合力和耐磨性能不如发蓝层；但CuSO4和NaCl点滴试验和盐雾试验说明其耐腐蚀性能优于发蓝层。
7铝合金化学氧化
这种氧化膜的耐磨性能和耐腐蚀性能远不如阳极氧化膜好。
铝合金阳极氧化特点曲线与氧化膜生长示意图P168图8-5
8铝合金着色
吸附着色（化学着色）
无机颜料着色：色调不鲜艳，与基体结合力差，但耐晒性好。
有机颜料着色：色泽鲜艳，颜色范畴广，但耐晒性差。
例：光盘的制作
自然发色法
阳极氧化＋着色一步法
发色缘故：膜层选择性吸取光线（七色光互补原理）
发色位置：孔层夹壁中
阻碍因素：材料成分、溶液种类、氧化膜厚度以及操作条件，热处理条件
电解着色（电解着色二步法）
具有良好的耐磨性、耐晒性、耐热性、色泽稳固性；广泛用于建筑装饰用铝型材。
显色缘故：沉积金属颗粒直径不平均，硫酸镍能够得到粉红色、绿色、紫色和蓝色。
氧化膜的封闭处理P171
不管是否着色，氧化膜都应封孔处理，提高耐磨性、耐晒性、耐蚀性和绝缘性。
封孔的方法有：
（1）热水封闭法
（2）水蒸气封闭法水蒸气的原理与热水封闭法相同，但成效要好得多。
（3）重铬酸盐封闭法
（4）水解封闭法
（5）填充封闭法
9钢铁的磷化处理拍P158
金属＋磷酸盐（Mn、Zn、Ca）—磷酸盐（难溶于水）
磷化膜特点:多孔结构，与基体结合牢固，具有良好的吸附性、润滑性。
磷化膜厚度一样为5~20μm，黑色或灰黑色,要紧用于一样要求的金属防护和涂料底层。
工艺特点:设备简单，操作方便，成本低，生产效率高
预处理：水洗－脱脂－碱洗－酸洗－表调（机械、化学法）
分类高温磷化：90～98℃（Mn, Zn系）优点：膜层较厚（10～20μm），膜层结合力、硬度和耐热性都比较好，磷化速度快；
《涂装工程安全设计规范》 喷涂系统 1 编制范围 本标准适用于使用涂料及有关化学品在金属或非金属表面喷涂而使用的喷涂系统，规定了喷涂系统工程在保障劳动者的生命安全和职业健康、防止事故发生和财产损失、保护环境方面的设计要求。喷涂系统主要包括喷涂设备和供给设备，喷涂设备按操作方式可分为手工喷涂和自动喷涂（如机器人、往复机等）；供给设备按动力源种类分为气动、液压、电动等，可适应于溶剂型、水性油漆、胶、蜡等涂装用液体材料供给。 本标准适用于喷涂系统工程在规划、设计、安装、调试、生产时，对危险、有害因素的预防和控制，也适用于伤亡事故的统计分析管理，及涂装职业健康安全信息的处理和交换。 2 提供本章节的规范性引用文件 GB 14773 涂装作业安全规程静电喷枪机其辅助装置安全技术要求 GB 7691 涂装作业安全规程安全管理通则 GB 12367 涂装作业安全规程静电喷漆工艺安全 GB 25286 爆炸性环境用非电气设备 GB 11291 工业环境用机器人 GBT 16855 机械安全控制系统有关安全部件 GB 50016 建筑设计防火规范 GB 50515 导（静）电地面设计规范 GB 50073 洁净厂房设计规范 GBT 20801 压力管道规范-工业管道 GB 50058 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范 SH 3097 石油化工静电接地规范 GB 3836 爆炸性气体环境用电气设备 AQ 3009 危险场所电气防爆安全规范 GB 50140 建筑灭火器配置设计规范 GB 12158 防止静电事故通用导则 GB 4385 防静电鞋、导电鞋技术要求 GBZ 158工作场所职业病危害警示标识 GB 2894安全标志及其使用导则 GB/T 11651 个体防护装备选用规范 GB/T 18664 呼吸防护用品的选择、使用与维护 3 术语和定义 静电喷涂 electrostatic spray painting 在高压电场的作用下利用电晕放电原理使喷出的涂料滴或粉末涂料粒子荷负电荷，进而吸附于荷正电荷接地的被涂物，放电后附着在被涂物上的喷涂方法。 高固体分涂料high-solid coating 固体分（不挥发物）含量超过60%（体积分数）的涂料。 喷涂机器人 painting robot
材料表面工程技术期中测试题 姓名： 一、名词解释 1.溅射镀膜： 2.分子束外延： 3.激光合金化技术： 4.物理气相沉积： 5.真空蒸镀： 6.热喷涂工艺： 7.气相沉积： 8.合金电镀： 9.腐蚀：10.电镀：11.堆焊：12.化学转化膜：13.表面工程技术： 14.磨损：15.极化：16.钝化：17.表面淬火：18.喷丸强化：19.热扩渗：20.热喷涂：21.热喷焊：22.电镀：23.化学镀： 二、填空题 1.钢件渗碳后，表面为（）钢，心部仍保持（）状态。再通过（）及（）工艺，可使渗碳件具有表面硬度高，耐磨损，心部硬度低，塑性和韧性好的特点。 2.感应加热表面淬火的原理是利用感应电流的（），（）和（）。 3. （）、（）和（）是衡量气体渗碳件是否合格的三大主要性能指标，它们基本决定了渗碳件的综合力学性能。 4.热喷涂时，熔滴撞击基材后扩展成（），撞击时的高能量有助于熔滴的扩展，但会因为（）和（）而停止扩展，并凝固成一种（）结构。 5.热扩渗时，渗剂元素原子扩散的机理主要有（）、（）和（）三种。 6.腐蚀按材料腐蚀原理分为（）和（）两种。 7.热喷涂时，当熔滴撞击基体并快速冷却凝固时，颗粒内部会产生（），而在基体表面产生（）。喷涂完成后，涂层内部残余应力大小与 （）成正比。 8.磨损分为（）、（）、（）、（）微动磨损、冲蚀（包括气蚀）磨损高温磨损。 9.离子镀膜是（）与（）相结合的一种镀膜工艺。 10.常用的热喷涂工艺方法有（）、（）和（）。
三、简答题 1．表面淬火技术与常规淬火技术有何区别？ 2．简述复合镀的原理和需要满足的基本条件？ 3．最基本的金属腐蚀的主要形式和金属材料腐蚀控制及防护方法？4．简述热喷涂涂层的形成过程。 5.简述离子镀膜的特点？ 7．简述CVD的沉积条件？ 8．简述等离子体热扩渗与普通气体热扩渗技术相比都有哪些基本特点？ 9.简述离子镀膜的特点？ 10.简述形成热扩渗层的基本条件？ 11.简述热扩渗层的形成机理？ 12.简述化学镀的原理与特点. 四、论述题 1.试述常用的热喷涂工艺方法及其基本特点? 2.试述热喷涂涂层结合的三种机理? 3.试述表面淬火和化学热处理的概念及区别？ 4.试述什么是堆焊？堆焊层有哪些特点？ 5.试述堆焊与一般焊接的区别及特性？ 6.试述物理与化学气相沉积原理，特点及分类? 7.试述几种典型表面淬火工艺及特点？
表面工程技术的作用 表面工程技术的作用是多种多样的，但其最重要的作用为提高金属机件的耐蚀性、耐磨性及获得电、磁、光等功能性表面层。 1)腐蚀保护性即可以提高基体材料的耐大气、海洋大气、天然水及某些酸碱盐的腐蚀作 用。例如若在钢构件上喷涂一层851515合金，可使构件在海水中耐腐蚀20-40年。2)抗磨性包括抗磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损等。例如若在刀 具表面镀上一层、或2O3薄膜，成为防止钢屑粘结的表面薄层，从而提高刀具寿命3-6倍。 3)电性能包括绝缘性、导电性等。 4)耐热性包括抗高温氧化、热疲劳等性能。 5)光学特性包括反光性、光选择吸收性、吸光性等性能。 6)电磁特性包括磁性、半导体性、电磁屏蔽性等性能。 7)密封性。 8)装饰性包括染色性、光泽性等性能。 9)其它表面特性诸如耐疲劳性、保油性、可焊接性等性能。 表面技术的应用使基体材料表面具有原来没有的性能，这就大幅度地拓宽了材料的应用领域，充分发挥了材料的潜力。举例如下： 1)可用一般的材料代替稀有的、昂贵的材料制造机器零件，而不降低甚至超过原机件的质 量。 2)可以把两种以上的材料复合，各取所长，解决单一材料解决不了的问题。 3)延长在苛刻条件下服役机件的寿命。 4)大幅度提高现有机件的寿命。 5)赋予材料特殊的物理、化学性能，有助于某些尖端技术的发展。 6)可成功地修复磨损、腐蚀的零件。 表面工程技术的分类 表面工程技术目前还没有统一的分类办法，但一般均认为表面工程技术包括表面涂镀技术、表面扩渗技术和表面处理技术三个领域。表面涂镀技术是将液态涂料涂敷在材料表面，或者将镀料原子沉积在材料表面，从而获得晶体结构、化学成分和性能有别于基体材料的涂层或镀层，此类技术有有机涂装、热？镀、热喷涂、电镀、化学镀和气相沉积等；表面扩渗技术是将原子渗入（或离子注入）基体材料的表面，改变基体表面的化学成分，从而达到改变其性能，它主要包括化学热处理、阳极氧化、表面合金化和离子注入等；表面处理技术是通过加热或机械处理，在不改变材料表层化学成分的情况下，使其结构发生变化，从而改变其性能，常用的表面处理技术包括表面淬火、激光重熔和喷丸等。可见，表面工程技术远远超出了最初的化学热处理、电镀的范畴。 表面工程技术发展的主攻方向 目前，对新型金属表面技术主要集中力量开发的为以下三方面技术： 1．离子技术 离子技术包括等离子和离子束技术，表1使各种离子技术的开发年代及其的工作气压。
材料表面工程技术练习题（答案） 一、解释名词 1.喷丸强化技术:利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料在再结晶温度下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗压力腐蚀能力的表面工程技术。 2.干法热浸渗:先将经常规方法脱脂除锈清洗后的清洁工件或钢材进行溶剂处理，干燥后再将工件浸入欲渗金属溶液中，保温数分钟后抽出，水冷。 3.粘结底层:某些材料能够在很宽的条件下喷涂并粘结在清洁、光滑的表面上，而且这类涂层表面粗糙度适中，对随后喷涂的其它涂层有良好的粘结作用。 4.溅射镀膜:用高能粒子轰击固体表面，通过能量传递，使固体的原子或分子逸出表面并沉积在基片或工件表面形成薄膜的方法。(在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面沉积的过程。) 5.分子束外延:在超高真空环境中，将薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到温度适宜的衬底表面上，在合适的条件下就能沉积出所需要的外延层。 6.激光合金化技术:激光合金化就是利用激光束将一种或多种合金元素快速熔入基体表面，从而使基体表层具有特定的合金成分的技术。换言之，它是一种利用激光改变金属或合金表面化学成分的技术。 7.物理气相沉积:在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子或使其粒子化为离子，直接沉积到基体表面上的方法。 8.真空蒸镀:在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法。
9.热喷涂工艺:热喷涂是用专用设备把某种固体材料熔化并使其雾化,加速喷射到机件表面,形成一特制薄层,以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的一种工艺方法。 10.气相沉积:气相沉积技术也是一种在基体上形成一层功能膜的技术，它是利用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。 气相沉积技术一般可分为两大类:物理气相沉积(pvd)和化学气相沉积(cvd)。 11.合金电镀:在一个镀槽中，同时沉积含有两种或两种以上金属元素镀层称为合金电镀。 12.腐蚀:材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。 13.电镀:在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以被镀基体金属为阴极，以欲镀金属或其它惰性导体为阳极，通过电解作用，在基体表面上获得结合牢固的金属膜的表面工程技术。 14.堆焊:在零件表面熔敷上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金层的技术。 15.离子镀膜:真空蒸发镀膜:在真空室内，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体(基片/基板/衬底、工件)表面，凝结形成固态薄膜的方法。 16.化学转化膜:通过化学或电化学方法，使金属表面形成稳定的化合物膜层而不改变其金属外观(形状及几何尺寸)的一类技术。 17.表面工程技术:为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理方法与工艺。 18.表面能:严格意义上指材料表面的内能，包括原子的动能、原子间的势能以及原子中原子核和电子的动能和势能等。
1．使用表面技术的目的？ （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。包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等等各种物理和化学性能。 （3）实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件。 2 按学科特点将表面技术大致划分为三个方面 1）表面合金化：包括喷焊、堆焊、离子注入、激光溶敷、热渗镀等。 2）表面覆层与覆膜技术：包括热喷涂、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金属染色、热浸镀等。 3）表面组织转化技术：包括激光、电子束热处理技术以及喷丸、辊压等表面加工硬化技术。 3.表面技术:表面技术主要通过表面涂覆和表面改性技术来提高材料抵御环境作用能力和赋予材料表面某种功能特性。 表面涂覆：主要采用各种涂层技术。 表面改性技术：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。 4．表面粗糙度常采用如下方法表示，请用线段连接相应的采示符号。 轮廓算术平均偏差： R a 微观不平度+点高度R z 轮廓最大高度R y 5电镀的基本原理及其分类？ 电镀是指在直流电的作用下，电解液中的金属离子还原，并沉积到零件表面形成有一定性能的金属镀层的过程。电解液主要是水溶液，也有有机溶液和熔融盐。从水溶液和有机溶液中电镀称为湿法电镀，从熔融盐中电镀称为熔融盐电镀。 6．电沉积的基本条件 金属离子以一定的电流密度进行阴极还原时，原则上，只要电极电位足够负，任何金属离子都可能在阴极上还原，实现电沉积。但由于水溶液中有氢离子、水分子及多种其它离子，使得一些还原电位很负的金属离子实际上不可能实现沉积过程。所以金属离子在水溶液中能否还原，不仅决定于其本身的电化学性质，还决定于金属的还原电位与氢还原电位的相对大小。若金属离子还原电位比氢离子还原电位更负，则电极上大量析氢，金属沉积极少。 7．合金共沉积的条件？ 两种金属离子共沉积除需具备单金属沉积的基本条件外，还应具备以下两个基本条件：①两种金属中至少有一种金属能从其盐的水溶液中沉积出来。有些金属如W，Mo等不能从其盐的水溶液中沉积出来，但它可以借助诱导沉积与铁族金属共沉积。②共沉积的两种金属的沉积电位必须十分接近。如果相差太大，电位较正的金属优先沉积，甚至完全排斥电位较负的金属析出。
《材料表面工程基础》课后习题目录及答案 1.材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展? 2.表面工程技术的目的和作用是什么? 3.为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科? 4.为什么会造成表面原子的重组？ 5.什么是实际表面？什么是清洁表面？什么是理想表面？ 6.常用的材料表面处理预处理种类及方法有哪些？ 7.热喷涂技术有什么特点？ 8.热喷涂涂层的结构特点是什么？其形成过程中经历了哪几个阶段？ 9.简单分析热喷涂涂层的结合机理？ 10.热喷涂只要有哪几种喷涂工艺？各有什么特点？ 11.热喷涂材料有哪几大类？热喷涂技术在新型材料开发方面可以做什么工作？ 12.镀层如何分类？怎样选择使用？ 13.金属电镀包括哪些基本步骤？说明其物理意义。 14.电镀的基本原理？ 15.共沉积合金的相特点有几种类型？ 16.电刷镀的原理及特点是什么？ 17.什么叫化学镀？实现化学镀过程有什么方式。 18.与电镀相比，化学镀有何特点？ 19.热浸镀的基本过程是什么？控制步骤是什么？其实质是什么？ 20.形成热浸镀层应满足什么条件？
21.简述钢材热镀铝时扩散层的形成过程。 22.热镀铝的优缺点怎样？ 23.表面淬火与常规淬火的区别：临界温度上移、奥氏体成分不均匀、晶粒细化、硬度高、耐磨性好、抗疲劳强度高。 24.表面淬火层组成：淬硬区、过渡区和心部区。 25.硬化层厚度的测定：金相法和硬度法。 26.喷丸强化技术原理、特点、应用围。 27.感应加热淬火原理、涡流、集肤效应。 28.工件感应加热淬火的工艺流程。 29.各种表面淬火的特点和应用围。 30.什么是表面工程？表面工程技术的作用是什么？ 31.金属离子电沉积的热力学条件是什么？金属离子从水溶液中沉积的可能性取决于什么？ 32.什么是热喷涂技术？试简述热喷涂的特点。 33.热喷涂的涂层结构特点是什么？其涂层与基体的结合机理是什么？一般的等离子喷涂层不可能形成太厚的涂层，为什么？而HVOF技术则可以获得10余毫米厚的超厚涂层，又是为什么？ 34.化学镀的基本原理是什么？有哪些特点？ 35.材料表面工程技术是我校材料科学的学科优势之一？你对于我校材料表面技术的发展有什么想法和建议？ 36.材料表面耐腐蚀的技术有哪些？我国规定煤矿系统的井筒井架、电力塔架、广播发射塔等必须要进行钢结构长效防腐处理。一般的寿命要求30～50年。请
现代表面工程与技术 Modern Surface Engineering and Technology 什么是表面工程？ 表面工程是将材料的表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。 第一章表面技术概论 表面技术是直接与各种表面现象或过程相关的，能为人类造福或被人们利用的技术----宽广的技术领域。 一、使用表面技术的目的 1、提高材料抵御环境作用能力。 2、赋予材料表面功能特性。 3、实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件。 途径： 表面涂覆：各种涂层技术（电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、气相沉积、包箔、贴片）。 表面改性：喷丸强化、表面热处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理。 二、表面技术的分类 1、按作用原理 (1)原子沉积 电镀、化学镀、物理、化学气相沉积 (2)颗粒沉积 热喷涂、搪瓷涂敷 (3)整体覆盖 包箔、贴片 (4)表面改性 2、按使用方法 (1)电化学法 电镀、电化学氧化（阳极氧化） (2)化学法 化学转化膜、化学镀 (3)真空法 物理、化学气相沉积、离子注入 (4)热加工法 热浸镀、热喷涂、化学热处理、堆焊 (5)其它方法 涂装、机械镀、激光表面处理
三、表面技术的应用 1、广泛性和重要性 (1)广泛性 内容广 基材广 种类多 遍及各行业，用于构件、零部件、元器件，效益巨大 (2)重要性 ?改善耐腐蚀、磨损、氧化、疲劳断裂、辐照损伤 ?提高产品长期运行可靠性、稳定性 ?满足特殊要求（必不可少或唯一途径）
?生产各种新材料、新器件（在制备临界温度超导膜、金刚石膜、纳米多层膜、纳米粉末、纳米晶体材料、多孔硅中起关键作用；又是许多光学、微电子、磁性、化学、生物等功能器件研究和生产的基础） 2、在结构材料及构件和零部件上的应用 表面技术作用：防护、耐磨、强化、修复、装饰 3、在功能材料和元器件上的应用 制造装备中具独特功能的核心部件。 表面技术可制备或改进一系列功能材料及元器件 物理特性： ?光学 反射镜材料，防眩零件 ?热学 散热材料，耐热涂层，吸热材料 ?电学 表面导电玻璃，绝缘涂层 ?磁学 磁记录介质，电磁屏蔽材料，磁泡材料 化学特性： 分离膜材料 4、在人类适应、保护和优化环境方面的应用 (1)净化大气 原料、燃料→CO2、NO2、SO2 措施：回收、分解 方法：制备触媒载体（钯炭、铂炭、钌炭、铑炭） (2)净化水质 制备膜材料，处理污水、化学提纯、水质软化、海水淡化 (3)抗菌灭菌 TiO2（粉状、粒状、薄膜状）可将污染物分解 ?当光照射半导体化合物时，并非任何波长的光都能被吸收和产生激发作用，只有能量E满足式(1)的光量子才能发挥作用。 ?光子波长 h-普朗克常数，4.138×10-15 eV·s； c-真空中光速，2.998×1017 nm/s 锐钛型TiO2的Eg = 3.2eV ?在TiO2粒子表面上，有还原作用；产生氧化作用。 在界面处的还原作用：
涂装行业 清洁生产评价指标体系 国家发展和改革委员会 发布环境保护部 工业和信息化部
目录 前言...................................................................................................................................................... I 1 适用范围 (1) 2 规范性引用文件 (1) 3 术语和定义 (1) 4 评价指标体系 (3) 5 评价方法 (24) 6 指标解释与数据来源 (25)
前言 为贯彻《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国清洁生产促进法》，指导和推动涂装企业依法实施清洁生产，提高资源利用率，减少和避免污染物的产生，保护和改善环境，制定涂装行业清洁生产评价指标体系（以下简称“指标体系”）。 本指标体系依据综合评价所得分值将清洁生产等级划分为三级，Ⅰ级为国际清洁生产领先水平；Ⅱ级为国内清洁生产先进水平；Ⅲ级为国内清洁生产基本水平。随着技术的不断进步和发展，本评价指标体系将适时修订。 本清洁生产评价指标体系为首次发布。 本指标体系由国家发展改革委员会、环境保护部会同工业和信息化部组织制订。 本标准起草单位：中国表面工程协会涂装分会、上海市机电设计院有限公司、北京正丰易科环保科技研究中心有限公司、南昌航空大学。 本指标体系由国家环境保护部负责解释。 本指标体系自公布之日起试行。
1 适用范围 本指标体系规定了涂装行业清洁生产的技术要求。本指标体系将清洁生产指标分为五类，即生产工艺及设备要求、资源和能源消耗指标、资源综合利用指标、污染物产生指标和清洁生产管理指标。 本指标体系适用于涂装行业的清洁生产审核、清洁生产潜力与机会的判断以及清洁生产绩效评定和清洁生产绩效公告制度，也适用于新建或改扩建项目环境影响评价、环保核查、行业准入等管理制度。 2 规范性引用文件 本指标体系内容引用了下列文件中的条款。凡不注明日期的引用文件，其有效版本适用于指标体系。 《中华人民共和国清洁生产促进法》(中华人民共和国主席令第七十二号) 《清洁生产评价指标体系编制通则》（试行稿）（中华人民共和国国家发展和改革委员会、环境保护部、工业和信息化部2013年第33号） GB2589 综合能耗计算通则 GB6514 涂装作业安全规程涂漆工艺安全及其通风净化 GB7692 涂装作业安全规程涂漆前处理工艺安全及其通风净化 GB8264 涂装作业安全规程涂装技术术语 GB11893 总磷的测定钼酸铵分光光度法 GB11914 水质化学需氧量的测定重铬酸盐法 GB12348 工业企业厂界环境噪声排放标准 GB12367 涂装作业安全规程静电喷漆工艺安全 GB14443 涂装作业安全规程涂层烘干室安全技术规定 GB14444 涂装作业安全规程喷漆室安全技术规定 GB 14554 恶臭污染物排放标准 GB/T 15432 环境空气总悬浮颗粒物的测定重量法 GB/T 16157 固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法 GB16297 大气污染物综合排放标准 GB/T17167 用能单位能源计量器具配备和管理导则 GB18597 危险废弃物贮存污染控制指标 GB18599 一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准 GB/T 24001 环境管理体系要求及使用指南 HJ/T 55 大气污染物无组织排放监测技术导则 HJ/T 75 固定污染源烟气排放连续监测技术规范（试行） HJ/T91 地表水和污水监测技术规范 HJ/T 194 环境空气质量手工监测技术规范 HJ/T 373 固定污染源监测质量保证与质量控制技术规范（试行） HJ/T 397 固定源废气监测技术规范 HJ 583 环境空气苯系物的测定固体吸附/热脱附-气相色谱法
材料表面工程教案 李远睿编写 重庆大学材料科学与工程学院 2005年4月 前言Foreword 金属材料表面工程学科是涉及范围较广的学科。总的目的是：在保证材料整体强度水平不降低的基础上设法应用不同的现代技术手段赋予材料表面各种所需要的性能。本课程在介绍了金属表面的有关基础知识后，结合国内外最新的资料和信息及老师的科研实践，分别讲解：表面准备、表面冷塑性变性强化、表面覆层强化，高能量密度表面强化与改性、表面淬火强化，化学热处理表面强化及表面特殊涂覆处理和表面复合处理技术等内容。由于在热处理工艺学中学习了表面淬火强化和化学热处理等方面的内容，则在本课程中不再详细讨论了。 一综述： 1．金属材料表面工程学的地位。 金属材料，特别是钢铁材料，目前仍旧是机械,设备和工程构件的主要材料。国内机械行业曾对114 个大型企业耗用材料的统计资料表明：钢铁材料占93.13%；有色金属占1.85%；非金属材料占5.2%。目前存在的主要问题是：材料消耗多、利用率低、质量欠稳定、制成的零部件或工程结构失效较早等。 2．机械零件失效的主要形式： a 塑性变形。原因是材料强度不足或过载使用； b 断裂。有韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂三种类型； c 磨损。按磨损机理分为磨料磨损、冲蚀磨损、粘着磨损和疲劳磨损四类，各类磨损又可以细分为更具体的一些形式。 d 腐蚀。在环境及周围介质作用下，对金属材料及零件的腐蚀。
在以上四种失效形式中，磨损、疲劳和腐蚀占80%以上。由现代理化手段分析后证实：失效通常是从材料的表面开始的，而且往往是因其表面性能不高所致。故研究金属材料的表面及其相应的强化方法有十分重要的意义。 二表面强化技术的分类及概况。 1．分类。通常按表面强化技术的性质分类，可以分为： a化学热处理表面强化；b表面淬火强化；c表面覆层（化成处理覆层、覆衬、CVP、PVD薄膜和热浸渗）强化及装饰；d表面冷塑性变形强化；e表面复合强化；f表面高能量密度改性与强化。 2．各类表面强化的概况。 a 化学热处理表面强化。即用渗入原子在材料表层内扩散而形成人工内污染层，以改变表层的化学成分为先决条件，再进行不同处理后赋与表面和内部不同的组织，从而具有不同性能的表面强化方法。例如：钢的渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、热浸渗和渗金属等等。 b 表面淬火。不改变材料的化学成分，只是因表层相变而产生的强化方法称为表面淬火。例如：高频、中频和表面感应加热淬火、火焰加热表面淬火、电子束、激光（Laser）束加热表面淬火等。 c 表面冷塑性变形强化。在金属材料的再结晶温度之下，使其表层发生冷塑性变形后达到表层加工硬化，弥补其表面轻微脱碳和细小缺陷并形成表层残余压应力的强化方法称为表面冷塑性变形强化。其显著作用就是提高金属材料及其制品的高周疲劳寿命，且材料本身强度愈高，其表面强化效果愈显著。表面冷塑性变形强化的方法有：表面滚压、内孔挤压和表层喷丸强化。其中，喷丸强化用得最普遍。 d 表面覆层强化及装饰。使金属表面获得特殊的覆盖层，以提高其耐磨、耐蚀、抗疲劳及装饰等目的工艺方法都称为表面覆层强化及装饰。它分为：表面镀膜，化成处理和表面覆衬。表面镀膜主要有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和分子外延技术等；化成处理主要有：化学镀、电镀、发蓝、发黑、磷化和铝的阳极氧化等；表面覆层主要为热喷涂、热堆焊覆层（衬）和用玻璃和地沥清等覆衬于其表面，以达到耐热、耐蚀、防滑、修复尺寸和防腐等目的。 e高能量密度表面强化。以极高密度的能量作用于金属表面使其发生物理、化学变化，达到强化或表面改性的目的称为高能量密度表面强化。特点是：方法简单、时间短、变形小、高效率等，但设备复杂，造价高。采用：电子束、激光束、太阳能和高频冲击表面感应加热等。能量密度：以电子束和激光束提供的能量密度最高，可达到：
“材料表面工程”复习题 一、名词解释 表面工程技术：为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理方法与工艺。 表面能：严格意义上指材料表面的内能，包括原子的动能、原子间的势能以及原子中原子核和电子的动能和势能等。 洁净表面：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与体内相同的表面。 清洁表面：一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后的表面。 区别：洁净表面允许有吸附物，但其覆盖的几率应该非常低。洁净表面只有用特殊的方法才能得到。清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。洁净表面的“清洁程度”比清洁表面高。 吸附作用：物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围其它物质(主要是气体、液体)分子的能力。 磨损：相对运动的物质摩擦过程中不断产生损失或残余变形的现象。 腐蚀：材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。 极化：腐蚀电池工作时，阴、阳极之间有电流通过，使阴、阳极之间的电位差(实际电极电位)比初始电位差要小得多的现象。 钝化：由于金属表面状态的改变引起金属表面活性的突然变化，使表面反应速度急剧降低的现象。(阳极反应受阻的现象) 表面淬火：用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3(对亚共析钢)或者Ac1(对过共析钢)之上(奥氏体化)，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺过程。 喷丸强化：利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料在再结晶温度之下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。(喷丸强化技术) 热扩渗：将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层(或掺杂层)的工艺。(化学热处理技术) 热喷涂：采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。 热喷焊：采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙的表面处理技术。(喷焊) 堆焊：在零件表面熔敷上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金层的技术。
表面工程技术的开发和应用 表面工程学是一门新兴的学科，发展迅速，应用前景广阔。文章阐述了开展表面工程学研究的目的和意义。评述了表面工程学在人类文明和生活、在先进制造技术、在设备仪器维修、在电子通讯技术、在高新技术以及在节约资源、保护环境中的作用和应用。 关键词表面工程学表面技术应用 1.前言 表面科学与工程以表面为研究对象。表面问题是一个古老的问题。然而，早在二十多年以前，所有固体物理的研究均假设材料是无穷大的，没有表面，抛开表面问题来研究材料，说明表面有其特殊的复杂性。美国材料界有“上帝创造了物质、魔鬼给了一个表面”之说，可见表面问题是比较困难的。 表面工程学科发展的重要标志是1983年英国伯明翰大学成立了Wolfson表面工程学院[1], 并在1985年创办了国际性杂志《表面工程》。认识到这一新兴学科的重要性，1986年在布达佩斯第5届国际材料热处理大会上，将国际热处理学会更名为国际热处理与表面工程学会。中国机械工程学会于1987年成立了表面工程研究所，1988年出版了中文版《表面工程》杂志，1993年成立了中国机械工程学会表面工程分会。自1989年以来，我国先后多次召开全国性或国际性的表面工程学术会议和表面科学与工程学术会议。 2、表面工程学的研究意义和目的 物体的相互作用首先是通过物体表面进行的。表面及表面层的结构与性能在科学、技术和日常生活中的重要性是不言而喻的。如催化剂的催化行为是由表面成分和结构决定的；在半导体材料中，各种电性能通常是由材料的最外层微米数量级厚度的成分和结构控制的。工程中常见的三大失效形式—磨损、腐蚀和断裂，前两者是因表面破坏
而失效，即使是疲劳断裂，也往往是从受力最大的表面开始而逐渐向内部发展。失效破坏导致零部件报废，设备停产，给国民经济造成巨大的损失。表面工程学能直接针对许多贵重零部件的失效原因，实行局部表面强化或修复，对零部件进行预保护或重新恢复其使用价值，它的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，这层表面材料与制作部件的整体材料相比，厚度薄，仅占工件整体厚度的几百分之一到几十分之一，但却赋于基体材料表面的原来没有的特殊性能，从而满足工程上对材料表面性能的要求。因此，开展表面工程学的研究，改善材料的表面性能，对于提高零件的使用寿命和可靠性；对于改善机械设备的性能、质量，增强产品的竞争能力；对于推动高新技术的发展；对于节约资源、美化人类生活，减少环境污染等方面都具有重要意义，其经济效益和社会效益是显而易见的。 开展表面工程学的研究，不仅在于其经济意义，还在于其具有重要的学术价值。美国工程科学院为美国国会提供的2000年前集中力量加强发展的9项新科学技术中，有关材料方面的仅有材料表面科学与技术的的研究[2]。在我国材料表面改性作为传统材料性能优化的基础研究也列入国家自然科学基金“九五”优先资助领域。在国家的节能节材九五规划中建议将发展表面工程作为重大措施之一，并列出节能、节材示范项目[3]。表面科学的研究可为表面技术的研究提供一定的理论指导；表面新技术的开发和完善又提出许多新的学术课题，表面工程学的研究也有力地促进了相关学科的发展。 表面工程学研究的目的是赋于材料表面具有原来没有的特殊性能： 1)物理性能：包括电磁特性(导电性、绝缘性、半导体性、磁 性、电磁屏蔽性)，光学特性(吸光性、反光性、光导、光电 效应)，热特性(热传导性、耐热性)，声特性及防辐射等；
表面工程技术 Surface Engineering and Technology 课程编号：07370120 学分：2 学时：30(其中：讲课学时：30 实验学时：0 上机学时：0 ) 先修课程：金属材料表面新技术、表面涂层技术 适用专业: 复合材料与工程、材料成型与控制工程、金属材料工程、冶金工程教材：《现代表面技术》，钱苗根等编，著机械工业出版社，2004年8月第1版开课学院：材料科学与工程学院 一、课程的性质与任务: 《表面技术》课程是材料复合材料相关专业教学计划中的选修课，要求学生完成学习《复合材料界面物理化学》、《复合材料原理》等课程的基础上，以及进行了认识实习，有一定的生产实际知识的基础上讲授。 本课程的任务是： 1、通过本课程学习，系统地掌握现代表面处理技术的基本原理；能合理选择并应用这些新的表面工程技术； 2、解决材料表面硬度、强度、耐磨性与心部强韧性之间的矛盾；充分发挥材料性能的潜力；延长产品使用寿命和提高产品质量。 二、课程的基本内容及要求第一章表面技术概论 1、教学内容 (1) 表面技术定义与应用实例 (2) 表面技术的分类 (3) 表面技术的发展及应用 2、基本要求了解并掌握表面技术定义、分类及发展趋势。 3、重难点表面技术的种类及应用。 第二章表面科学的某些基本概念和理论 1、教学内容 (1) 固体材料及其表面 (2) 表面晶体学 (3) 表面热力学 (4) 表面动力学 (5) 表面电子学 2、基本要求 了解增材料表面的种类，掌握材料表面的晶体学结构，热力学、动力学及电子学特性。
表面晶体学及表面动力学的概念及理论。 第三章电镀和化学镀 1、教学内容 (1) 电镀概念及其基本原理 (2) 金属的电结晶及其作用 (3) 电镀层的质量指标及其影响因素 (4) 合金电镀的概念、特点及其基本原理 (5) 复合镀、化学镀的概念、特点及其基本原理 2、基本要求 了解电镀反应过程，电极电位的作用，以及电极的极化现象。掌握沉积合金的条件、溶液对镀层中的合金成分的影响，电镀规范对镀层成分的影响等。掌握复合电镀的特点、分类、工艺特点，以及影响复合镀层中固体微粒含量的因素。了解塑料、玻璃、陶瓷、有色合金表面的电镀过程。 3、重难点 影响复合镀层中固体微粒含量的因素。 第四章金属的化学处理 1、教学内容 (1) 化学转化膜技术 (2) 转化膜形成的基本方式 (3) 转化膜技术的发展动向 2、基本要求 了解金属的化学转化膜处理技术，及其分类和发展趋势，掌握转化膜形成的基本原理。 3、重难点 转化膜形成的基本原理及操作工艺。 第五章表面涂敷技术 1、教学内容 (1) 涂料与涂装 (2) 粘结与粘涂 (3) 堆焊 (4) 热喷涂 (5) 电火花表面涂敷 (6) 熔结 (7) 热浸镀 (8) 搪瓷涂敷
收稿日期:2004-05-28 作者简介:闻立时(1936-),男,湖北省浠水县人,《真空》杂志编委会副主任,中国工程院院士,中科院金属研究所研究员。1960 年毕业于莫斯科钢铁学院,回国后在中科院金属研究所工作。在表面工程、薄膜技术和纳米科技方面作出了卓越贡献。 先进表面工程技术发展前沿 闻立时1,2,黄荣芳1,2 (1.中国科学院金属研究所,辽宁 沈阳 110016; 2.湖南远科航表面工程有限公司,湖南 长沙 410200)摘 要:先进表面工程技术是当代材料科技、真空科技与高科技的交叉领域和发展前沿,成为现代高新技术领域和先进制造业的重要前沿之一,在高性能防护涂层和功能薄膜方面应用广泛。本文综述了先进表面工程的发展趋势、工艺过程及其新进展与当代科技架构的关系以及先进表面工程技术的产业化。文章最后强调指出,在先进表面工程技术中采用远离平衡态镀膜技术、等离子体技术、激光技术、纳米技术等均取得了良好的应用效果。 关键词:表面工程;技术;应用 中图分类号:T B43 文献标识码:A 文章编号:1002-0322(2004)05-0001-06 Frontiers of advanced surface engineering /technology WEN Li-shi 1,2,HU ANG Rong -fang 1,2 (1.Institute o f Metal R eseach ,Chinese A cademy of Science ,Sheny ang 110016,China ; 2.H unan YK H SE ,Changsha 410200,China ) Abstract :N o wa day s ,adva nced surface techno lo gy is an int erdiscipline w hich incor po ra tes contempor ar y mater ial and v acuum techno log ies w it h new /hig h-tech dev elo pment and becom es o ne o f t he leading -edg e t echnolog ies for manufact ur ing.It has been applied ex tensiv ely to t he field o f sur face coating s and functio nal films w ith hig h perfo rmances.It s dev elo pment t rend,techno log ical pr o cesses and their new pro gr ess ar e r eview ed .Rela tion bet ween the fr amew or k of contempor ar y seience and techno log y and successful industr ial applicatio ns o f far -fr om -equilibr ium plating pr ocess ,plasma techno lo gy ,laser techno lo g y and nano -techno lo gy is emphasized. Key words :surface technology ;technolog ical process;application 1 先进表面工程技术的若干走向 先进表面工程技术是当代材料科学技术、真空科技与高技术的重要交叉领域和发展前沿。先进表面工程技术在高性能防护涂层方面的应用,仍在继 续发展,成为现代高新技术领域和先进制造业的重要前沿之一;功能涂层和薄膜技术近年来发展迅速。以上趋势一方面使防护涂层走向多功能化,既提高了产品的品位,同时还有利于降低成本,便利应用,增加产品的市场竞争能力。另一方面,又使表面工程技术逐步发展成为新型材料制备工艺,其中既有作为体材料的制备工艺,如电铸成型、气相沉积特种材料(热解石墨、六方氮化硼、碳化硅)、喷射成型等,又 有薄膜和微制造工艺,这后一类技术的特征尺寸还在不断地向更低数值扩展。其结果是,微小特征尺度的先进表面工程技术正在逐步发展成为微/纳技术的重要组成部分。在以上各方面,先进表面工程技术已在世界范围内,为科技和经济的发展作出了重要的的贡献。在我国,先进表面工程技术已成为赶超国际先进水平的重要前沿阵地。 2 先进表面工程的发展趋势 按其工作原理,表面工程技术可分为以下四大类。1原子沉积 是指通过形成原子分散状态的物质来沉积所需表面层或薄膜的技术,包括了液相沉积和气相沉积 第41卷第5期2004年9月 真 空 VACUUM Vol .41,No .5 Sep .2004
材料表面工程技术-考试复习资料． 1.表面工程:从材料表面的实际应用出发，科学设计工艺方法，严格监控工艺过程，实际检验施工质量，并对全过程进行记录和总结，改进其中的不足，不断提高技术水平，丰富理论内涵，开发新的用途和应用领域。采用表面技术，在零部件或工件表面涂覆一层或多层表面层而形成的技术，主要包 2.括电镀和化学镀、热喷涂、化学转化膜、热浸镀、涂料涂装、气相沉积、堆焊与熔结、
搪瓷和陶瓷涂覆、粘涂、溶胶-凝胶等。表面现象有关的一些表面技术: 1）表面湿润和反湿润技术. 2）表面催化技术3.3）膜技术4）表面化学技术 4.
表面5.在几个原子范围内的清洁表面其偏离三维周期性结构的主要特征是表面松弛、重构和表面台阶结构。从微观水平看，即使宏观看来非常光滑平整的表面实际上也是凹凸不平的，即表面6. 是粗糙的。吸附、吸收和化学反应是固体与气体发生作用的三种表现。7. 晶体表面缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类. 8.表面平整一般采用磨光、滚光、抛光及刷光和振动磨光。9.磨光是借助粘有磨料的特制磨光轮(或带)的旋转，以磨削金属零件表面的过程。 滚光是将成批零件与磨削介质一起在滚筒中作低速旋转，靠零件和磨料的相对运动进行光饰处理的过程。 抛光是用抛光轮和抛光膏或抛光液对零件表面进一步轻微磨削以降低粗糙度，也可用于镀后的精加工。 刷光是把刷光轮装在抛光机上，用刷光轮上的金属丝(钢丝、黄铜丝等)刷，同时用水或含某种盐类，表面活性剂的水溶液连续冲洗去除零件表面锈斑、毛刺、氧化皮及其他杂物，还可用于装饰目的进行丝纹刷光和缎面刷光等。
振动磨光是将零件与大量磨料和适量抛磨液置入容器中，在容器振动过程中使零件表面平整光洁。基体表面清洁的目的是：10. 打基础；)如电镀、热喷涂等(作为前序处理工艺的一部分，为下一涂装或其他表面加工． 作为一项单独表面处理技术，可提高工件寿命或恢复工件原状态或节能需要(锅炉清除水垢，提高热效率)； 消除工件(设备)隐患，提高安全性(如传热设备局部过热可通过清洗来解决)，消毒、灭菌，除放射性污染，有利于人体健康。 表面清洗主要包括除油和除锈。 喷砂是用机械或净化的压缩空气，将砂流强烈地喷向金属制品表面，利用磨料强11.力的撞击作用，打掉其上的污垢物，达到清理或修饰目的的过程。喷砂的主要用途有：
1.表面工程:从材料表面的实际应用出发，科学设计工艺方法，严格监控工艺过程，实 际检验施工质量，并对全过程进行记录和总结，改进其中的不足，不断提高技术水平，丰富理论内涵，开发新的用途和应用领域。 2.采用表面技术，在零部件或工件表面涂覆一层或多层表面层而形成的技术，主要包括电镀和化学镀、热喷涂、化学转化膜、热浸镀、涂料涂装、气相沉积、堆焊与熔结、搪瓷和陶瓷涂覆、粘涂、溶胶-凝胶等。 3.表面现象有关的一些表面技术: 1）表面湿润和反湿润技术. 2）表面催化技术3）膜技术4）表面化学技术 4. 5.在几个原子范围内的清洁表面其偏离三维周期性结构的主要特征是表面松弛、表面重构和表面台阶结构。 6.从微观水平看，即使宏观看来非常光滑平整的表面实际上也是凹凸不平的，即表面是粗糙的。 7.吸附、吸收和化学反应是固体与气体发生作用的三种表现。 8.晶体表面缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类. 9.表面平整一般采用磨光、滚光、抛光及刷光和振动磨光。 磨光是借助粘有磨料的特制磨光轮(或带)的旋转，以磨削金属零件表面的过程。 滚光是将成批零件与磨削介质一起在滚筒中作低速旋转，靠零件和磨料的相对运动进 行光饰处理的过程。 抛光是用抛光轮和抛光膏或抛光液对零件表面进一步轻微磨削以降低粗糙度，也可用 于镀后的精加工。 刷光是把刷光轮装在抛光机上，用刷光轮上的金属丝(钢丝、黄铜丝等)刷，同时用水 或含某种盐类，表面活性剂的水溶液连续冲洗去除零件表面锈斑、毛刺、氧化皮及其 他杂物，还可用于装饰目的进行丝纹刷光和缎面刷光等。 振动磨光是将零件与大量磨料和适量抛磨液置入容器中，在容器振动过程中使零件表 面平整光洁。 10.基体表面清洁的目的是： 作为前序处理工艺的一部分，为下一涂装或其他表面加工(如电镀、热喷涂等)打基础；