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1、金属表面技术（复习精编）金属表面技术（复习精编）金属表面技术（复习精编）金属表面技术（复习精编）第一章第一章第一章第一章 表面技术概论表面技术概论表面技术概论表面技术概论第二节第二节第二节第二节 表面覆盖技术表面覆盖技术表面覆盖技术表面覆盖技术 （涵盖内容较多，PPT 上没有总结，不少内容与后面有重复，所以不整了。 ）第二章第二章第二章第二章 表面科学的某些基本概念和理论表面科学的某些基本概念和理论表面科学的某些基本概念和理论表面科学的某些基本概念和理论第二节第二节第二节第二节 表面晶体学表面晶体学表面晶体学表面晶体学 2、清洁表面结构： 表面驰豫：与表面平行的晶面间距在靠近表面时发生变化，压
2、缩或者膨胀，原子 在表面排列与内部一致，可延续几层原子，但间距变化幅度很快减少。第三章第三章第三章第三章 电镀和化学镀电镀和化学镀电镀和化学镀电镀和化学镀第一节第一节第一节第一节 电镀电镀电镀电镀 1、电镀的基本知识电镀：在含有欲镀金属离子的电解液（电镀液）中，以被镀金属为阴极，欲镀金 属为阳极，通过为阴极，欲镀金属为阳极，通过电镀反应，使电解液中的欲镀金 属离子在被镀金属表面沉积出来，被镀金属表面覆盖欲镀金属为，使电解液中的 欲镀金属离子在被镀金属表面沉积出来， 被镀金属表面覆盖欲镀金属为镀层的金 属表面处理。电极电位：金属放入电解液内，其表面形成双电层，双电层所具有的电位称为电 极电位。平
3、衡电位：动态平衡状态下的电极电位。电镀液的组成：主盐（提供欲镀金属离子） 、络合剂（使简单离子转变成为水化 离子和络合离子） 、附加盐（增加导电性，有时对于产生晶粒细密的电镀层、改 善镀层分散能力和覆盖能力有利） 、缓冲剂（稳定和调整电镀液的 PH 值，以调整 PH 对络合物的平衡，调整和稳定电镀过程） 、阳极活化剂（保证阳极溶解，源源 不断提供欲镀离子） 、添加剂（光亮剂、整平剂、润湿剂，抑雾剂等） 。极化：电流通过电极时，电极电位偏离平衡电位的现象。极化的原因：电化学极化（阴级极化） （通电后，阴级有电源快速供应电子，但 离子获得电子在表面析出的电化学反应过程为动力学过程，即需要一定的时间
4、， 一般电化学反应速度比电子流动速度低，造成电子在阴级的堆积，因此电位向负 的方向变化，由此产生电极电位偏离平衡电位。 ）浓差极化（靠近阴极表面的离 子在阴极表面析出后，进一步的反应要求稍远一些的离子移动到表面后进行， 如 果离子的移动速度比反应速度慢，将造成电解液在垂直阴极表面方向的浓度梯度，同时也造成电子在阴极的堆积，因此电位向负的方向变化，由此产生电极电 位偏离平衡电位。 ）阴级极化（电化学极化）特征：电流密度较低时，随电流密度增加，电极电位往 负方向急剧偏移。影响电镀质量的其它工艺因素：电流密度、电流波形、温度增加、搅拌。第三节第三节第三节第三节 化学镀化学镀化学镀化学镀 1、化学镀镍
5、 化学镀及其基本原理：金属工件单独放入镀液内（不外加电流，无阳极） ，镀液 与金属工件的相互作用， 依靠镀液的化学金属工件单独放入镀液内 （不外加电流， 无阳极） ，镀液与金属工件的相互作用，依靠镀液的化学还原剂提供电子给镀液 的离子， 离子在金属表面还原沉积产生镀层。金属工件本身不参加化学反应反应 在金属表面进行提供电子给镀液的离子，离子在金属表面还原沉积产生镀层。 金 属工件本身不参加化学反应反应在金属表面进行,金属或金属表面沉积物起到反 应的催化作用,是反应的催化剂。具体催化反应过程尚未完全认识。化学镀镍：PPT 上主要是讲了书上两个机理，我这里整理出来，PDF 复制来的字 母可能不对，
6、最好还是对书看。 主盐为镍盐： 氯化镍 硫酸镍 还原剂：次磷酸钠 提供原生态氢或者电子以及合金成分 主盐为镍盐： 氯化镍 硫酸镍 还原剂：次磷酸钠 提供原生态氢或者电子以及合金成分 P 络合剂（有机酸及其盐类） ：苹果酸，柠檬酸纳，虎铂酸 增速剂：氟化钠 稳定剂（铅离子） ：与增速剂作用相反 络合剂（有机酸及其盐类） ：苹果酸，柠檬酸纳，虎铂酸 增速剂：氟化钠 稳定剂（铅离子） ：与增速剂作用相反 PH 值、温度机理一原子氢态理论： 镀液为水溶液中加有次磷酸盐和镍盐 （1）镀件表面的催化作用使次磷酸根分解出初生态氢（原子态）H H2PO2-+ H2O HPO3-+ 2H + H+ （2）部分原
7、子态氢在金属表面与镍离子相遇，氢使镍离子在金属表面还原， 镍原子在金属表面沉积，众多镍的沉积形成镀层： ）部分原子态氢在金属表面与镍离子相遇，氢使镍离子在金属表面还原， 镍原子在金属表面沉积，众多镍的沉积形成镀层： Ni2+2HNi+2H+ （3）其它反应 部分原子态氢与次磷酸根离子反应生产磷： ）其它反应 部分原子态氢与次磷酸根离子反应生产磷： H2PO2-+ H HO2 + OH-+ P 磷与镍反应生成镍化磷 3P + Ni NiP3 或形成镍磷合金沉积 P-Ni 部分原子态氢结合成为氢气 2HH2 （4） 化学镀镍实际获得镍磷合金镀层机理二电化学理论： 次磷酸根被氧化直接释放出电子 镍在
8、金属表面获得电子还原沉淀成为镀层 反应物直接吸附在金属表面交换电子，彼此之间通过金属传导构成原电池 电池的电动势驱动反应不断进行 阳极反应： 次磷酸根被氧化直接释放出电子 镍在金属表面获得电子还原沉淀成为镀层 反应物直接吸附在金属表面交换电子，彼此之间通过金属传导构成原电池 电池的电动势驱动反应不断进行 阳极反应： H2PO2-+ H2O H2PO3-+ 2H+ 2e 阴极反应： Ni2+ + 2e Ni（沉积） H2PO2-+ e 2OH-+P2HH2 金属化反应： 3P + Ni NiP3 （或者合金沉积：P + Ni P-Ni）第四章第四章第四章第四章 金属的化学处理金属的化学处理金属的
9、化学处理金属的化学处理第一节第一节第一节第一节 氧化处理氧化处理氧化处理氧化处理 1、钢铁的化学氧化 化学转化膜 Fe3O4：反尖晶石晶体结构在金属表面以形核长大方式构成的多 晶体膜厚度比较薄（一般 0.51.5m,最厚 2.5 m) Fe3O4 蓝黑色或者黑 色膜结构稳定, 致密覆盖金属表面； 蓝黑色或者黑色膜结构稳定, 致密覆盖 金属表面(防止内部金属再生成较不稳定的氧化物 Fe2O3)化学反应机理 表面的铁原子与溶液中的化学物质发生反应，形成含铁的反应物， 在金属表面含铁的反应物随即进一步反应，生成 Fe3O4， Fe3O4 在金属表面成核长大为致密、多晶、与金属结合牢固的表面膜 反应过
10、程： 溶液中亚硝酸钠（氧化剂）与碱一起完成第一步与金属表面反应，夺取表面金 属原子到反应物： 亚铁酸钠与碱一起完成第一步与金属表面反应，夺取表面金属原子到反应物：亚铁酸钠（Na2FeO2）此步骤必须有 100 多度的高温才能够进行， 所以称为高温化学氧化。 亚铁酸钠继续反应生成铁酸钠（ Na2Fe2O4） 铁酸钠再与亚铁酸钠反应生成 Fe3O4 Fe3O4 生成后便在金属表面形核-长大-成膜 钢铁常温化学氧化（钢铁常温发黑） ： 化学转化膜 CuSe第二节第二节第二节第二节铝及铝合金的阳极氧化铝及铝合金的阳极氧化铝及铝合金的阳极氧化铝及铝合金的阳极氧化 阳极氧化形成的氧化膜结构：多孔蜂窝结构、
11、孔洞、膜胞、无孔层（阻挡层） 、 多孔层。 阳级氧化氧化膜的形成：被处理的铝或者铝合金为阳级 生成氧化膜 阳级附近的水被离解为原子氧和氢离子： H2O-2eO+2H+ 原子氧与铝发生氧化产生氧化铝： 2Al+3OAL2O3 氧化膜溶解 电解液内的酸又同时将氧化铝溶解成为离子 膜的形成和溶解同时进行 初期膜形成速度大于溶解速度，膜厚度增加 两者速度相等，膜厚度不变氧化膜形成过程三阶段： 第一阶段 形成无孔底层（阻挡层） 第二阶段 形成多孔层 第三阶段 膜溶解和膜生长均在膜胞底部（孔洞底部）同时进行，溶解使孔洞加深 膜增长使无孔层向金属内部方向发展，但无孔层厚度基本不变，膜总厚度增加第五章第五章第
12、五章第五章 表面涂敷技术表面涂敷技术表面涂敷技术表面涂敷技术第三节第三节第三节第三节 堆焊堆焊堆焊堆焊 堆焊：将一定厚度的金属表面层熔化,同时将一定量另一金属材料同时熔化, 在金属表面形成增加厚度的覆盖层。第四节第四节第四节第四节 热喷涂热喷涂热喷涂热喷涂 热喷涂：将金属、合金、化合物、陶瓷等颗粒材料加热到熔融或部分熔融，以高 的动能使其雾化并喷至工件表面，形成牢固的涂覆层。第五节第五节第五节第五节 电火花表面涂敷电火花表面涂敷电火花表面涂敷电火花表面涂敷 电火花表面涂敷： 通过电极材料与金属零部件表面的火花放电作用，把作为火花 放电极的导电材料（如 WC、TiC）熔渗于表面层，从而形成含电极
13、材料的合金化涂层。工作原理： 工件和电极接脉冲电源两级电极接近工件时放电工件和电极接 脉冲电源两级电极接近工件时放电,造成电极和工件局部微区高温熔化和气化 (8000-25000)电极挤压熔化区:（1)使两者在压力下熔合；(2)接触使电阻大 大减少，电流减少，温度急剧下降， 熔化区急冷凝固形成涂敷层电极离开工 件表面（接触时间仅接触使电阻大大减少，电流减少，温度急剧下降， 熔化区 急冷凝固形成涂敷层电极离开工件表面 （接触时间仅 5-10s） ， 又开始新循（电 极振动） 。第七节第七节第七节第七节 热浸镀热浸镀热浸镀热浸镀 热浸镀： 将工件浸在熔融的液态金属中， 使工件表面发生一系列物理和化
14、学反应， 取出后表面形成金属镀层。第六章第六章第六章第六章 表面改性技术表面改性技术表面改性技术表面改性技术第一节第一节第一节第一节 金属表面形变强化金属表面形变强化金属表面形变强化金属表面形变强化 表面形变强化原理： 金属表面层一定厚度的金属在外界压应力作用下产生压缩变 形,通过表面材料的形变硬化改变表面层的性能。工艺有滚压、内挤压和喷丸） 。第二节第二节第二节第二节 表面热处理表面热处理表面热处理表面热处理 表面热处理：仅对金属表面进行加热,冷却,改变金属表面组织和性能的工艺方 法。第三节第三节第三节第三节 金属表面化学热处理金属表面化学热处理金属表面化学热处理金属表面化学热处理 金属表面
15、化学热处理目的： (1) 提高表面的强度,硬度和耐磨性(固溶强化,化合物,相变强化) (2) 提高材料疲劳强度(相变体积变化致残余压应力的结果) (3)表面抗沾着,抗咬合,降低摩擦系数 (4)提高表面抗氧化，耐腐蚀能力第四节第四节第四节第四节 等离子体表面处理等离子体表面处理等离子体表面处理等离子体表面处理 等离子体：电离度超过 0.1%的气体，由电子，离子和中性离子组成。级联运动： 固体表面层内的原子获得能量后将做反冲运动，并形成一系列的级联 运动。溅射： 如果某一做级联运动的原子向固体表面方向运动，当其动能大于表面的结 合能时，被轰击固体的原子从固体表面发射出去，这种现象称为溅射。第五节第
16、五节第五节第五节 激光表面处理技术激光表面处理技术激光表面处理技术激光表面处理技术 激光表面处理应用：1.激光表面强化（激光表面淬火）2.激光表面涂敷 3.激光 表面非晶态处理 4.激光表面合金化 5.激光辅助气相沉积第八节第八节第八节第八节 离子注入表面改性离子注入表面改性离子注入表面改性离子注入表面改性 离子注入： 在真空环境下,将外来高速离子轰击金属表面,外来离子注入金属表面 一定深度。离子注入特征： 1. 不受平衡扩散和合金化限制,可注入任何物质, 扩大了金属表面结构多样性 2. 过程可控制,在纳米级设计和构造金属表面结构的方法 3. 真空进行,表面不氧化,整体温度可控制,零件不变形 4. 制造结合牢固的多层复合结构,而且不影响工件尺寸 5. 设备及工艺费用大,复杂零件有些局部无法处理（直线性）,处理层薄第七章第七章第七章第七章 气相沉积技术气相沉积技术气相沉积技术气相沉积技术气相沉积技术：将含有构成薄膜元素的一种或者几种化合物、单质气体,一般
