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1、表面工程学课程小结1. 表面工程技术： 是赋予材料或零部件表面以特殊的成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法与工艺。它的实施对象是固体材料的表面。 基材涉及几乎所有的工程材料，如金属、陶瓷、半导体材料、高分子材料、混凝土、木材、各类复合材料。表面改性技术：主要指赋予材料表面以特定的物理、化学性能的表面工程技术。按照工艺特点的不同，表面改性技术可分为：表面组织转化技术，表面涂层、镀层及堆焊技术，表面合金化技术等三大类。2. 表面、磨损与腐蚀典型固体表面有：理想表面、洁净表面与清洁表面、机械加工过的表面、一般表面。最基本的磨损形式：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损。这些磨损过程的特点。影
2、响磨粒磨损过程的因素有：磨粒的硬度、磨粒形状和粒度、工况和环境条件。影响固体材料粘着磨损性能的因素有：润滑条件或环境、硬度、晶体结构和晶体的互溶性、温度。腐蚀：按腐蚀机理分为化学腐蚀和电化学腐蚀。 按腐蚀形态不同分为：全面腐蚀、局部腐蚀。按环境不同，可将腐蚀分为：湿蚀，干蚀，微生物腐蚀。电化学腐蚀：指金属在导电的液态介质中因电化学作用导致的腐蚀，在腐蚀中有电流产生。如：电偶腐蚀：在腐蚀介质中，金属与另一种电位更正的金属或非金属导体发生电连接而引起的加速腐蚀。大气腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀属于电化学腐蚀。化学腐蚀：是金属在干燥的气体介质中或不导电的液体介质中（如酒精、石油等）发生的腐蚀，腐蚀过程中
3、无电流产生。高温氧化属于化学腐蚀。电化学保护方法分为阴极保护和阳极保护两大类。3. 电镀与化学镀（1）电镀是指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，以欲镀金属或其他惰性导体为阳极，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。合金电镀：在一种溶液中，两种或两种以上金属离子在阴极上共沉积，形成均匀细致镀层的过程叫做合金电镀。电镀过程中，被镀工件接电源的负极。电镀液分为简单盐镀液和络合物镀液。电镀仅可以改变基材表面性能。（2）电刷镀电刷镀的原理及特点：原理：刷镀时工件与专用直流电源的负极相连，镀笔上的不溶性阳极与正极相连，阳极上的包套蘸上专用电解液，工
4、件与镀笔作相对运动，电解液中的金属离子在电场的作用下向工件表面扩散，并在工件（阴极）表面得到电子后沉积，形成刷镀层。特点：刷镀不需要电镀槽，具有设备简单、工艺灵便、沉积速度快、镀层与基体材料的结合力好、镀后不需要机加工且对环境污染小等一系列优点。a. 中、高碳钢的电刷镀工艺：1. 电净，电净液，815伏，正接，相对运动速度918m/min。水冲。2. 活化，2号活化液，反接，815伏，至表面出现均匀碳黑。水冲。3. 活化，3号活化液，反接，1525伏，至表面出现均匀的银灰色。水冲。4. 镀打底层，特殊镍，先无电擦拭35秒，再接通电源，正接，镀厚约0.0010.002mm, 815V，918m/
5、min。5. 镀工作层。正接，815V，918m/min。镀至要求厚度。所谓正接是指工件与专用直流电源的负极相连，镀笔上的阳极与正极相连。b.低碳钢和普通低碳合金钢的电刷镀工艺上述步骤中不需3号活化液活化。（3）化学镀在无外加电流的状态下，借助合适的还原剂，使镀液中的金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。优点：不需要外加直流电源、不存在电力线分布不均匀的影响，镀层均匀；只要经过适当的预处理，可以在金属、非金属、半导体材料上直接镀覆； 镀层致密，孔隙少，硬度高，具有极好的化学和物理性能。完成化学镀的过程有三种方式，即置换沉积、接触沉积、还原沉积。4. 热喷涂技术分为喷涂与喷焊。（1
6、） 喷涂特点：可在各种基体上制备各种材质的涂层、基体温度低、操作灵活、涂层厚度范围广。涂层形成的大致过程是：涂层材料经加热熔化和加速 撞击基体 冷却凝固 形成涂层。涂层中产生孔隙的原因：1.未熔化颗粒的低冲击动能；2.喷涂角度不同时造成的遮蔽效应；3.凝固收缩和应力释放效应。喷涂层与基材的结合机理主要为机械结合。（2） 喷焊氧乙炔火焰喷焊：采用氧乙炔火焰作为喷焊热源的工艺称为氧乙炔火焰喷焊技术。等离子喷焊：采用等离子弧作为热源加热基体，使其表面形成熔池，同时将喷焊粉末材料送入等离子弧中，粉末在弧柱中得到预热，呈熔化或半熔化状态，被焰流喷射至熔池后，充分熔化并排出气体和熔渣，喷枪移开后合金熔池凝
7、固，形成喷焊层的工艺过程。喷焊层与基材呈冶金结合。喷焊时基材的熔点应该高于喷焊材料的熔点。5. 表面淬火表面淬火：采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，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。依据表面淬火的热源不同，可以将其分为感应加热淬火、火焰加热淬火、激光淬火和电子束淬火等。火焰加热表面淬火：将高温火焰气体喷向工件表面，使其迅速加热到淬火温度，然后在一定淬火介质中冷却，称为火焰加热表面淬火。感应加热表面淬火：将工件放在感应线圈内，在高频交流磁场的作用下，产生很大的感应电流，由于集肤效应而集中于工件表面，使受热区迅速加热到钢
8、的临界温度以上，然后在冷却介质中快速冷却，称为感应加热表面淬火。6. 热扩渗热扩渗：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，形成合金层的工艺。热扩渗工艺的分类方法有许多种，根据渗剂在工作温度下渗剂的物质状态可分为气体热扩渗，液体热扩渗，固体热扩渗，等离子体热扩渗，和复合热扩渗五种。热扩渗渗层形成的基本条件：1.渗入元素必须能够与基材金属形成固溶体或金属间化合物；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。固体热扩渗渗剂组成：供渗剂、催渗剂、填充剂。各自的作用：供渗剂：能产生活性原子。催渗剂：促进活性原子渗入。填充剂：减少渗剂的板结，
9、方便工件的取出，并降低成本。TD处理：在高温下将钢铁材料放入硼砂熔盐浴中一定时间后，可在材料表面形成几微米到数十微米的碳化物层，这种工艺称为TD法。TD法所得覆层特点：覆层硬度极高，在600以下有较高的硬度；摩擦系数较低，耐磨性好；抗剥离性、抗氧化性及耐蚀性好。气体渗碳：在增碳的活性气氛中，将低碳钢或低碳合金钢加热到高温（一般为900950），使活性碳原子进入钢的表面，以获得高碳渗层的工艺方法。离子氮化的原理：将工件放入离子渗氮炉内，抽真空至1.33Pa左右后通入少量的含氮气体如氨，至炉压升到70Pa左右时接通电源，在阴极（工件）与阳极间加上直流高压，使炉内气体放电。放电过程中氮和氢离子在高压
10、电场的作用下，冲向阴极表面，产生大量的热把工件加热到所需的温度，同时氮离子或氮原子被工件吸附，并迅速向内扩散，形成渗氮层。保温一段时间，渗氮层达到要求厚度后，断电、停气、降温。影响离子渗氮的主要因素有：温度；时间；气体成分；炉气气压。渗氮层的组织结构不同，则韧性及耐磨性不同。7. 三束改性技术将高能束作用于材料表面，可以在极短的时间内以极快的加热速度使材料基体表面特性发生改变。根据放电方式的不同，CO2激光器主要分为封离型激光器、快速轴流CO2激光器和横向流动CO2激光器三类。激光熔凝技术：采用激光束将基体表面加热到熔化温度以上，当激光束移开后由于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结
11、晶的表面处理工艺。熔凝的关键是使材料表面经历了一个快速熔化凝固过程，所得的熔凝层为铸态组织。激光熔覆技术：采用激光束在选定工件表面熔覆一层特殊性能的材料，以改善其表面性能的工艺。激光熔覆层的组织致密，微观缺陷少，结合强度高，性能更优。激光熔覆对环境无污染，噪声小，劳动条件好。离子注入：将从离子源中引出的低能离子束加速成具有几万到几十万电子伏的高能离子束后注入到固体材料表面，形成特殊物理、化学或力学性能表面改性层的过程，它具有原子冶金特征。8气相沉积技术（1）蒸镀：把待镀膜的基体或工件置于高真空室内，通过加热使蒸发材料汽化（或升华），以原子、分子或原子团离开熔体表面，凝聚在具有一定温度的基片或工
12、件表面，并冷凝成薄膜的过程。步骤：基材表面清洁 蒸发源加热镀膜材料 镀膜材料蒸发（或升华） 真空室内形成饱和蒸气 蒸气在基材表面凝聚、沉积成膜。（2）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称为溅射镀膜。根据电极的结构、电极的相对位置以及溅射镀膜的过程，镀膜方法可以分为：二极溅射、三极溅射、磁控溅射、对向靶溅射、离子束溅射和吸气溅射。二级溅射不适于用于制造10m以上的厚膜。应用主要有两种方式：离子束溅射，阴极溅射。成膜机理：离子束溅射：在真空状态下，用离子束轰击靶表面，使溅射出的粒子在基片表面成膜，该工艺较为昂贵，主要用于制
13、取特殊的薄膜。阴极溅射：主要利用低压气体放电现象，使处于等离子状态下的离子轰击靶面，溅射出的粒子沉积在基片上。同蒸镀相比，用溅射法形成的薄膜对基片具有较强的附着力。（3） 离子镀磁控溅射离子镀：是将磁控溅射的大面积稳定的溅射源和离子镀技术的高能离子对基板的轰击作用结合起来，在一个装置中实现氩离子对磁控靶的大面积稳定的溅射过程，与此同时，在基板的负偏压的作用下，高能的靶材元素离子在基板上发生轰击、溅射、注入及沉积过程。多弧离子镀由于靶材采用水冷，可减少靶对基材的热辐射，减低基材温度。（4） 化学气相沉积这种方法是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基片的反应室，借助气相作用或在基片上的化学反应生成所希望的薄膜。缺点：沉积时基片温度高，沉积速率较低。9. 涂装技术一般涂料主要由成膜物质、颜料、溶剂、助剂四部分组成。各部分的作用。2
