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1、第二章 表面工程技术的物理化学基础1.1表面：固相与气相的分界面。界面：固相之间的分界面。相界面：不同凝聚相之间的分界面，如：A与M，F与M同相中晶粒之间的分界面称为晶界 微晶um；非晶1nm理想表面：认为半无限晶体中的原子位置和电子密度都和原无限晶体一样。显然自然界很难获得理想表面洁净表面：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但化学成分与体内相同，这种表面称为洁净表面。相对于表面受污染程度和理想表面而言的。清洁表面：指经过清洗（脱脂，浸湿）以后的表面。驰豫：指表面附近的点阵常数在垂直方向上较晶体内部发生明显的变化。重构；指表面原子在水平方向的周期性不同于体内的晶面。台阶化；台阶化是指实际晶体
2、的外表面由许多密排面的台阶构成偏析和吸附：是指化学组分在表面区的变化1.2 界面通常指两个块体之间的过渡区，其空间尺度决定于原子间力作用影响范围的大小；其状态决定于材料和环境条件特性。1.4扩散途径：体扩散 表面扩散 晶界扩散 位错扩散其中，后三种扩散都比第一种扩散快，又称短路扩散。表界位体；表界位体D扩散系数 Q扩散激活能吸附的基本特性：物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸附周围其他物质分子的能力，即所谓吸附作用物理吸附-范得华力 化学吸附-化学键物理吸附容易解吸，为可逆过程；化学吸附很难解吸，为不可逆过程；两表面必须靠近到原子间距的范围内，才能产生固体表面吸附。用粘附功描述粘附程度1.6
3、、固体表面润湿润湿：液体在固体表面铺展的现象水滴与玻璃，能被水润湿亲水，如玻璃、石英、方解石、长石等。u水滴与石蜡，不能被水润湿疏水，如石蜡、石墨、硫磺等。(TiO2光致亲水)用润湿角q来描述润湿程度qq90为不润湿；qq=0和q=180 时，则称为完全润湿和完全不润湿。润湿的大小与分子间的作用力相关：润湿与否取决于液体的内聚力和液-固分子间的粘附力的相对大小。若后者大，则润湿；反之则不润湿铺展系数第二节材料磨损原理及其耐磨性摩擦：相互接触的物体相对运动时产生的阻力。磨损：相互接触的物体相对运动时产生的物体损失或残余变形。摩擦：干摩擦 边界润滑摩擦 流体润滑摩擦 滚动摩擦干摩擦无润滑摩擦制动，
4、传动边界润滑摩擦接触面之间存在油膜（1个分子0.1m厚），使F降低2-10倍；流体润滑摩擦对摩表面完全被油膜隔开，靠油膜的压力平衡外载，F 取决于润滑油的内摩擦系数，最小，F与接触表面无关；滚动摩擦如果压力太大，零件运行速度太低，或表面粗糙度太高，将会发生油膜刺穿现象，即发生微凸体之间的接触而导致磨损的增加。此时的磨损状态称为边界润滑。第三节：金属腐蚀原理与防护技术腐蚀的基本概念：当金属与周围的介质接触时，由于化学或电化学作用而引起的材料性能的退化与破坏，称为金属的腐蚀化学腐蚀：金属在干燥的气体介质中或者不导电的液体介质中发生腐蚀，腐蚀过程无电流产生电化学腐蚀:由金属、金属中的杂质、电解质溶液
5、组成的局部电池引起的腐蚀。特点:局部形成短路小电池(腐蚀电池)2016/6/8按腐蚀形态不同分类局部腐蚀：腐蚀主要集中于金属表面某一区域，而表面的其他部分几乎未被破坏分类：点蚀 氢脆 应力腐蚀 开裂 晶间腐蚀 选择性腐蚀 电偶腐蚀 脱层腐蚀全面腐蚀：腐蚀分布在整个金属表面上按环境不同分类湿蚀 干蚀 微生物腐蚀金属电化学腐蚀原理u发生在水溶液中的腐蚀属于电化学腐蚀u依靠腐蚀原电池作用而进行的腐蚀过程叫电化学腐蚀。u电化学腐蚀是腐蚀原电池电极反应的结果。金属放出自由电子成为阳离子的反应称为阳极反应。金属发生阳极反应的表面部位称为阳极区。接受电子的反应称为阴极反应。发生阴极反应的表面部位称为阴极区。
6、n电极系统:金属浸于电解质溶液中所组成的系统。电极反应:在电极系统金属和溶液界面上发生的化学反应。电极：浸入电解质溶液且界面处进行电化学反应的导体称为电极。电位较负的区域的离子化为阳极，电位较正的区域化为阴极电化学腐蚀速率：二、金属表面的极化、钝化及活化1、金属表面的极化现象腐蚀电池工作过程由于电流流动而引起电极电位偏离初始值的现象，称为极化现象。通阳极电流后，阳极电位向正方向偏离，称为阳极极化.通阴极电流后，阴极电位向负方向偏离，称为阴极极化产生极化现象的根本原因是阳极或阴极的电极反应与电子迁移(从阳极派出或流入阴极)速度存在差异引起的。根据极化所产生的原因,可分为浓差极化、电化学极化和电阻
7、极化。电化学极化(活化极化)阴极：去极剂与电子结合的反应速度消耗阳极送来的电子 电子密度增高电位向负方向移动阳极：金属失去电子成为水化离子的反应速度电子流出阳极的速度双电层内层电子密度减小 电位向正方向移动金属表面的活化 目的：获得清洁表面或者洁净表面 end two第三章：表面工程技术的预处理工艺与作业环境表面预处理目的清除被处理材料表面附着的杂质，使处理后的材料本体表面的原子能和处理介质（气相或液相）的原子相接触，原子直接在材料本体上沉积或向材料内部扩渗，有利于提高涂层与基体材料之间的结合强度。表面预处理工艺分类一、机械性清理 二、脱脂 三、化学浸蚀、抛光和电化学抛光 四、脱脂浸蚀综合处理
8、 五、其它表面处理工艺机械磨光和抛光 磨光主要目的是去除金属零件表面的毛刺/砂眼/氧化皮/锈迹/沟纹等,使其具有一定的平整度和粗糙度。抛光主要目的是消除金属零件表面的微观不平,使其具有镜面外观。（作用）化学脱脂:指在热碱液中加入少量乳化剂(活性剂),依靠溶液的皂化作用和乳化作用去除植物油和动物油的过程电化学脱脂：电化学脱脂的速度比化学除油快好几倍,且油污去除得干净阴极除油快,但可能因氢渗入金属内部而引起氢脆,高强度钢和弹簧不宜采用三、化学浸蚀、抛光和电化学抛光1 化学浸蚀指将金属零件浸入酸/酸性盐或碱溶液中,以去除其表面氧化皮及锈蚀产物的过程;在通电条件下进行的浸蚀称电化学浸蚀对要进行浸蚀的零
9、件必须首先除油,否则达不到效果防止过腐蚀措施:加入少量缓蚀剂;酸洗结束后立即用水清洗去掉余酸,再用碱液(一般为Na2CO3溶液)中和余酸,之后用水洗掉碱液化学浸蚀的一般工艺过程脱油脂 冷水洗2次 化学浸蚀 水洗 中和 水洗电化学抛光 指将工件作为阳极,浸于特定的抛光介质中并通以直流电进行抛光第四章表面淬火和表面形变强化技术表面淬火（定义）用特殊的加热方式将钢表面快速加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上，随后快速冷却，使钢铁表层发生马氏体相变，生成硬化层表面淬火与常规淬火的区别：加热速度越快，奥氏体晶粒越细、硬度越高提高加热速度将使Ac3与Acm线上移，可以防止过热。快速加热使奥氏体
10、成分不均匀，易形成贫碳的奥氏体，合金元素也难实现成分均匀化。表面淬火层的组织和硬度分布：表面淬火层分为：（1）淬硬区（完全相变区）（2）过渡区（部分相变区）（3）心部区（无相变区）45钢的淬硬区组织为马氏体；过渡区组织为马氏体铁素体；心部组织为珠光体铁素体。表面淬火层的性能：（1）表面硬度：经高频加热淬火的工件其表面硬度比普通淬火高25个HRC。这是由于表面淬火晶粒细化和高的残余压应力。（2）耐磨性：高频淬火件的耐磨性比普通淬火要高。这是由于淬硬层中马氏体晶粒极为细小，碳化物高度弥散，淬硬层硬度和强度都比较高。（3）疲劳强度：高频淬火可显著提高零件的疲劳强度。这是由于表面产生的压应力可以抑制裂
11、纹的萌生和扩展，使其缺口敏感性下降。第二节 感应加热淬火技术感应加热频率越高，淬硬层越浅，但加热速度越快。感应加热表面淬火工艺流程（重点）以齿轮加工为例锻打毛坯正火处理(220HB)粗加工调质处理（250HB）精加工（滚齿）感应加热淬火回火（55HRC）磨削火焰加热表面淬火的优缺点硬化层较厚，硬度梯度较平缓，耐磨性好；投资少，简单易行，处理费用低；大小零件均可处理，能实现自动化操作；温度均匀性差，难以控温，质量波动大。因有软带的问题，只能进行局部淬火。第四节 激光淬火与电子束淬火技术激光淬火组织 相变硬化区：极细的马氏体；过渡区：为复杂的多相组织；基体：原始的基体组织（1）与基体力学性能有关的
12、热处理：被处理金属的原始组织对激光淬硬层的硬度和深度都有影响。材料表面预处理（2）提高零件表面激光吸收率的黑化处理：80的激光被平整金属表面反射，黑化处理可以增加激光吸收率。黑化处理的方法有：涂碳素墨汁、磷化处理、氧化处理或激光专用黑色涂料。激光表面熔凝技术工件横截面沿深度方向的组织依次为：熔凝层、相变硬化层、热影响区和基材。熔凝层为铸态组织（也可能出现非晶态组织）。第五章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，就称为热扩渗技术，或化学热处理技术。所形成的合金层称为热扩渗层，简称渗层。特点是：渗层与基本金属之间是冶金结合，结合强度很高
13、，渗层不易脱落或者剥落。热扩渗层形成的基本条件渗入元素的原子存在于扩渗层的形式为二种：固溶体和金属化合物1、渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。原子直径，结构，电负性等必须满足要求。2、欲渗元素与基材之间必须有直接接触；3、被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度；4、对靠化学反应提供活性原子的热扩渗工艺而言，反应必须满足热力学条件。渗层形成机理：3个过程：产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面。渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收形成最初的表面固溶体或金属间化合物建立热扩渗所必须的浓度梯度；渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩
14、散，使渗层增厚三、热扩渗速度的影响因素1.热扩渗层的形成速度总是由上述三个过程中最慢的一个来制约。初始阶段：受供给渗剂活性原子的化学反应速度控制；反应物浓度；反应温度；活化剂形成渗层后：主要取决于扩散速度：温度；时间；晶体结构；晶体缺陷等四、扩渗层的组织特征1.纯扩散：溶质元素在基体金属中形成单相固溶体,如渗碳层中的铁素体相等。2.反应扩散：随表面溶质浓度的增加而有新相形成的化合物，如渗氮层中的相（F2-3N），渗硼层中F2B等。化学热处理后，一般可同时存在固溶体、化合物的多相渗层。渗剂B向金属A渗入形成的二元合金平衡组织（1）热扩渗初始阶段，B溶入A形成固溶体，固溶度C0（曲线1）；（2）当
15、B在A中的浓度达到饱和浓度C时，开始析出相（曲线2）；（3）当表面B的浓度达到C1至C2，表面开始形成化合物AnBm（曲线3）；（4）表面B的浓度再升高则开始出现相（曲线4）。因此，B在金属A中的组织由外向内依次顺序为AnBmA。第三节气体热扩渗工艺（看看）一、气体热扩渗技术的基本工艺特点气体热扩渗是把工件置于含有渗剂原子的气体介质中加热到渗剂原子能在基体中产生显著扩散的温度，使工件表面获得该渗剂元素的工艺过程。常规气体法、低压气体法和流态床法。气体渗碳工艺特点：1产生活性原子气体的渗剂可以是气体、液体、固体，但在扩渗炉内都成为气体；2在气体热扩渗过程中，渗剂可以不断补充更新，使活性原子的供给、吸收和向内部扩散的过程持续维持；3可以渗碳层的碳含量从外向内逐渐
