金属材料表面改性及其应用
金属材料的表面改性与热处理实现材料表面性能的提升
金属材料的表面改性与热处理实现材料表面性能的提升金属材料在工业和制造领域中广泛应用，其表面性能对材料整体性能和使用寿命起着至关重要的作用。
为了提高金属材料的表面性能，表面改性和热处理技术被广泛采用。
本文将介绍金属材料表面改性的常用方法和热处理对材料表面性能提升的作用。
一、金属材料的表面改性1.化学表面改性化学表面改性是通过在金属材料表面形成一层化学活性的物质或化合物，从而改变其表面性能。
常用的化学表面改性方法包括电化学处理、溶液浸渍和化学沉积等。
通过这些方法，可以实现金属材料表面的腐蚀耐久性、摩擦性能、润滑性能等的提高。
2.物理表面改性物理表面改性是通过物理手段对金属材料表面进行改良，包括机械处理、喷涂涂层和磁场处理等。
其中，机械处理如切削、打磨和抛光可以提高金属材料的光洁度和平滑度，从而降低表面粗糙度并增加强度。
喷涂涂层技术可以在金属表面形成一层保护性膜，提高耐磨性和耐腐蚀性。
磁场处理可以通过调控磁场对金属表面进行改性，改善其力学性能和磁性能。
二、金属材料的热处理热处理是一种通过对金属材料进行加热和冷却的工艺，以改变材料的组织结构和性能。
常用的热处理方法包括退火、淬火、回火和固溶处理等。
1.退火退火是将金属材料加热至一定温度，然后缓慢冷却的过程。
退火可以消除金属材料中的应力和缺陷，提高其塑性和可加工性。
此外，退火还可以改变材料的晶粒结构，从而调节材料的硬度和强度。
2.淬火淬火是将金属材料加热至临界温度，然后迅速冷却至常温的过程。
淬火可以使金属材料形成超饱和固溶体或马氏体组织，从而提高材料的硬度、强度和耐磨性。
淬火还可以产生残余应力，使材料表面形成压应力层，提高抗拉应力的能力。
3.回火回火是将淬火后的金属材料加热至较低温度，然后适当冷却的过程。
回火可以降低金属材料的脆性和残余应力，提高其韧性和可靠性。
回火还可以调节材料的硬度，使其适应不同的工作条件。
4.固溶处理固溶处理是将合金的固溶元素加热至高温区，然后迅速冷却的过程。
常见金属表面处理的种类及工艺、作用
金属表面处理的种类及工艺1、表面处理工艺简介：利用现代物理、化学、金属学和热处理等学科的技术来改变零件表面的状况和性质，使之与心部材料作优化组合，以达到预定性能要求的工艺方法，称为表面处理工艺。
表面处理的作用：提高表面耐蚀性和耐磨性，减缓、消除和修复材料表面的变化及损伤；使普通材料获得具有特殊功能的表面；节约能源、降低成本、改善环境。
2、金属表面处理工艺分类：总共可以分为4大类：表面改性技术、表面合金化技术、表面转化膜技术和表面覆膜技术。
一、表面改性技术1、表面淬火表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。
表面淬火的主要方法有火焰淬火和感应加热，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰等。
2、激光表面强化激光表面强化是用聚焦的激光束射向工件表面，在极短时间内将工件表层极薄的材料加热到相变温度或熔点以上的温度，又在极短时间内冷却，使工件表面淬硬强化。
激光表面强化可以分为激光相变强化处理、激光表面合金化处理和激光熔覆处理等。
激光表面强化的热影响区小，变形小，操作方便，主要用于局部强化的零件，如冲裁模、曲轴、凸轮、凸轮轴、花键轴、精密仪器导轨、高速钢刀具、齿轮及内燃机缸套等。
3、喷丸喷丸强化是将大量高速运动的弹丸喷射到零件表面上，犹如无数个小锤锤击金属表面，使零件表层和次表层发生一定的塑性变形而实现强化的一种技术。
作用：提高零件机械强度以及耐磨性、抗疲劳和耐蚀性等；用于表面消光、去氧化皮；消除铸、锻、焊件的残余应力等。
4、滚压滚压是在常温下用硬质滚柱或滚轮施压于旋转的工件表面，并沿母线方向移动，使工件表面塑性变形、硬化，以获得准确、光洁和强化的表面或者特定花纹的表面处理工艺。
应用：圆柱面、锥面、平面等形状比较简单的零件。
5、拉丝拉丝是指在外力作用下使金属强行通过模具，金属横截面积被压缩，并获得所要求的横截面积形状和尺寸的表面处理方法称为金属拉丝工艺。
金属材料表面改性的制备及应用
金属材料表面改性的制备及应用金属材料作为工程材料的重要组成部分，在现代工业中发挥着不可替代的作用。
然而，在实际应用中，由于外界环境的影响，金属材料表面容易出现氧化、腐蚀等现象，从而导致材料性能的下降。
为此，表面改性技术应运而生，通过改变金属材料表面的化学、物理性质，从而可以提高金属材料的性能，并延长其使用寿命。
本文将探讨金属材料表面改性的制备及应用。
一、金属表面改性的常见方法1.化学氧化：金属材料表面化学氧化是通过利用金属表面吸附氧气并在氧气中形成金属氧化物的化学反应来实现的。
该方法操作简单、成本低廉，但易受外界环境的影响，导致氧化层密度不均匀。
2.物理氧化：物理氧化可以通过高温氧化、阳极氧化等方式来实现。
其制备的氧化层密度、颜色和成分均可调控，具有较好的稳定性。
3.化学镀层：化学镀层是将金属置于含有金属离子的溶液中，利用还原-氧化反应在表面形成金属薄层。
该方法制备的材料表面平整度好、质量均匀、附着力强，但环境要求较高，难以应用于大规模生产。
4.物理镀层：物理镀层包括真空镀层、喷涂镀层等方法。
该方法制备的可降解性“纳米壳”具有高度可控性和良好的稳定性，可被广泛应用于涂料、塑料、高分子材料和生物医学等多个领域。
二、金属表面改性的应用1.防腐材料：金属腐蚀是生命与财产安全的大敌。
利用表面改性技术，可以制备出具有很强防腐和耐酸碱性能的金属材料。
在国防、化工、航空、航天等多个工业领域已经得到广泛应用。
2.材料复合：表面改性技术可以将不同性质的材料表面改性，制备出具有多种性质的复合材料。
例如，在化工、航空、汽车等行业中，利用表面改性技术可以将金属材料和非金属材料进行复合，制备出具有优异性能的复合材料。
3.制造新型材料：表面改性技术可以将磁性、光电性、催化性等性能引入到金属材料中，制备出一系列具有特殊性质的新型材料。
在电子材料、化学材料、医学材料等领域有着广泛的应用前景。
4.金属材料加工：利用表面改性技术可以制备出具有优异性能的钢铁、铝材等金属材料，用于汽车、火车、高速公路等交通运输领域，能够大大提高机械设备的安全性和寿命。
材料表面改性技术
离子渗氮法是由德国人B. Berghaus于1932年发明的。 原理：在0.1~10Torr的含氮气氛中，以炉体为阳极，被处理工件为阴极， 在阴阳极间加上数百伏的直流电压，由于辉光放电现象便会产生象霓虹 灯一样的柔光覆盖在被处理工件的表面。此时，已离化了的气体成分被 电场加速，撞击被处理工件表面而使其加热。同时依靠溅射及离子化作 用等进行氮化处理。
3、喷丸表面质量及影响因素
（1）喷丸表层的塑性变形和组织变化
金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性变形，表层 位错密度大大增加，而且还会出现亚晶界和晶粒细化现象。喷 丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响，表层组织结构将 产生变化，由喷丸引起的不稳定结构向稳定态转变。
如：渗碳钢表层存在大量残余奥氏体。喷丸后，这些残余奥 氏体转变成马氏体而提高零件的疲劳强度。
感应加热表面淬火
（一）感应加热基本原理
利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并 使之迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的 淬火方法。
• 当感应圈中通过一定频率交流电时， 在其内外将产生与电流变化频率相同 的交变磁场。将工件放入感应圈内， 在交变磁场作用下，工件内就会产生 与感应圈频率相同而方向相反的感应 电流。感应电流沿工件表面形成封闭 回路，通常称之为涡流。
化学热处理渗层的基本组织类型：单相固溶体；化合物；同时存在 固溶体、化合物的多相深层
形成扩渗层的3个基本条件：
（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。 要满足这一要求，溶质原子与基体金属原子相对直径的大小、 晶体结构的差异、电负性的强弱等因素必须符合一定的条件
（2）欲使渗入元素与金属之间直接接触，必须创造相应的工艺条 件来实现
金属材料表面工程在能源利用中的应用
金属材料表面工程在能源利用中的应用金属材料是一类十分常见的材料，广泛应用于很多领域中，如机械制造、汽车工业、电子工业等。
在这些领域中，金属材料的表面特性对其性能具有较大影响，在金属材料热处理、质量检测、强度提升等方面，金属材料表面工程技术得到了广泛应用。
而在能源利用中，金属材料表面工程也同样显得尤为重要。
一、表面处理技术的应用在能源利用领域中，金属材料表面处理的应用主要体现在两个方面：一是增强金属材料的耐蚀性、耐高温性、抗氧化性等表面特性，二是改善金属材料的导热性、传热性等热学特性。
常见的表面工程技术如喷涂、电镀、氧化等，在能源产业中的应用具体表现如下：(一) 喷涂技术的应用常见的金属喷涂技术有中频感应喷涂、等离子喷涂、火焰喷涂等。
在能源利用领域中，金属表面的涂层技术主要用于提高金属材料的热学性能和抗氧化性能。
对于高温燃烧设备等，常用的表面涂层有无机涂层和金属涂层。
无机涂层主要包括氧化物、硅酸盐等，主要具有高温抗冲蚀、高温抗摩擦等特性。
而金属涂层则主要包括钴铬、钨等金属材料，主要用于提高金属表面的抗腐蚀性和热学性能。
(二) 电镀技术的应用电镀技术是一种利用电化学原理在金属表面上沉积金属或合金的方法。
在能源利用领域中，金属材料的电镀应用主要涉及到电石膏合金镀金、银镀、镍铬镀、黑色金属氧化和电解铜等技术。
具体而言，电沉积是一种使金属表面形成高密度、高均一度、高质量金属膜的方法，可以大幅度提高金属材料的抗腐蚀性和耐摩擦性。
(三) 氧化技术的应用氧化技术主要是指利用金属元素与氧化物反应形成氧化膜，从而达到提高金属材料表面性能的目的。
在能源利用领域中，金属材料的表面氧化应用主要集中在钢铁制造行业和太阳能设备行业。
其中，钢铁制造行业常用的表面氧化技术有棕化氧化、黑色氧化，主要作用是提高钢材的耐蚀性、耐磨性和抗氧化性。
而在太阳能设备行业中，氧化铝电解液技术得到广泛应用，主要用于在铝表面形成一层氧化铝保护膜，以达到提高太阳能电池板转换效率和稳定性的目的。
金属材料表面改性处理
TiCl4+CH4+H2
TiC+4HCl +H2
特点:反应温度高,需通入大量氢气,工件易产生氢脆,且不安全, 废气HCl有毒.
5.3.2 物理气相沉积法
定义:物理气相沉积法是把金属蒸气离子化后在高压静电场使离 子加速并沉积于金属表面形成覆层的方法,简称PVD法. 特点:沉积温度低,速度快,渗层成分和结构可控制,无公害.
室温 50~70 90~98
30~45 15~20 10~15
5.2 电镀
定义:在电解液中- 零件表面镀上金属薄层, -保护和装饰作用,
也可用于部分修复. 标准镀铬溶液 铬酐250 g/L、硫酸2.
铬 颜酸料（在W电C场rO作对3用）下为非移3%向~金阳10极%属）并、沉材积于料工件电表面镀，形,成应不溶先进行金属化处理,如化学镀.
定义: 工艺过程:★ 应用:
钢铁工件发蓝处理工艺过程
化学除油
水洗
酸洗
水洗
氧化
水洗
补充处理
水洗
吹干
检验★
影响因素:碱浓度、温度、工件含碳量
钢铁工件发蓝处理工艺过程
溶液组成及质量浓度 温度/℃ 时间/min
苛性钠30~50、碳酸 1 化学除油并水洗 钠30~50、磷酸三钠
30~40、水玻璃5~10
＞60
行封闭处理。常用蒸汽封闭法、盐溶液封闭法、石蜡或油类
或树脂类封闭法。
磷化工艺 分类 低温磷化
中温磷化
溶液成分的质量浓度
/g。L-1
磷酸锰铁盐 30~40
硝酸盐
140~160
氟化钠 2~5
磷酸二氢锌 25~40
硝酸锌
80~100
高温磷化 磷酸锰铁盐 30~35
一种金属材料表面改性的方法及其产品和用途[发明专利]
![一种金属材料表面改性的方法及其产品和用途[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/2222dc8c48d7c1c709a14535.png)
专利名称：一种金属材料表面改性的方法及其产品和用途专利类型：发明专利
发明人：王怀雨,童丽萍,刘涵霞,李志斌,朱剑豪
申请号：CN201710849379.7
申请日：20170920
公开号：CN107937880A
公开日：
20180420
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种金属材料表面改性的方法。
使用两步气体等离子体浸没离子注入技术和化学共价接枝，在金属材料的表面共价接枝抗菌肽。
该方法不影响金属材料主体性能，更加容易实现临床研究及应用。
抗菌肽具有抗菌谱广，不易产生抗药性的特点，且可以针对特定细菌进行抗菌肽设计。
另一方面，本发明技术操作简便，工艺简单，反应条件温和，可在常温下进行，效率高，成本低，可重复性好，后续清洗程序简单。
根据本发明的产品在生物医用领域具有很高的应用前景。
申请人：深圳市创新维度科技有限公司
地址：518055 广东省深圳市南山区桃源街道仙科路崇文花园17栋30层3单元
国籍：CN
代理机构：广州嘉权专利商标事务所有限公司
代理人：薛建强
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金属材料的表面改性研究
金属材料的表面改性研究金属材料作为重要的结构材料，在工业生产和日常生活中广泛应用。
然而，金属材料的表面性能常常限制了其在某些特定领域的应用。
为了改善金属材料的表面性能，人们开展了大量的研究工作，主要集中在表面改性技术上。
本文将探讨金属材料表面改性研究的现状和进展。
一、金属材料表面改性的意义金属材料的表面性能直接关系到其使用寿命和性能稳定性。
例如，在汽车制造领域，金属零件的耐腐蚀性能对于汽车的安全性具有重要影响。
而在航空航天领域，金属材料的高温抗氧化性能则决定了航空发动机的可靠性。
因此，通过表面改性技术来提高金属材料的性能至关重要。
二、金属材料表面改性的方法1. 表面涂层表面涂层是一种常见的金属材料表面改性方法。
通过在金属表面涂覆一层具有特定性能的材料，可以改善金属材料的耐磨性、耐腐蚀性等性能。
例如，将陶瓷材料如氧化铝、氮化硼等涂覆在金属表面，可以增强其硬度和耐磨性，适用于制造高速切削工具等。
2. 表面喷涂表面喷涂是另一种常见的金属材料表面改性方法。
通过喷涂特定的涂层材料，可以形成一层可靠的保护层，提高金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性能。
例如，在海洋工程中，金属结构常常需要面对海水的腐蚀和氧化环境，喷涂具有抗腐蚀和抗氧化性能的聚合物涂层可以有效地延长金属结构的使用寿命。
3. 表面改性处理表面改性处理是一种通过化学或物理方法改变金属表面性质的技术。
例如，通过阳极氧化处理可以在铝合金表面形成一层致密的氧化层，提高其耐腐蚀性和耐磨性。
而通过等离子体表面硬化处理，可以形成表面硬度较高的金属层，提高材料的抗磨损性能。
三、金属材料表面改性研究的发展趋势随着科学技术的不断进步，金属材料表面改性研究也在不断发展。
主要体现在以下几个方面：1. 具有多功能性的涂层研究传统的表面涂层主要用于单一性能的提升，如硬度、耐磨性等。
而现在的研究趋势则是开发具有多功能性的涂层，如同时具有抗紫外线、防水性、自洁性等特性。
这种研究不仅可以满足更多领域的需求，还可以最大程度地提高材料的综合性能。
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金属材料表面改性及其应用
金属材料是人类社会发展历程中不可或缺的一个重要部分，它
们可以用于制造各种工业器材和生活用品，如汽车、飞机、手机、电脑、电视等等。
但是，由于金属材料固有的一些问题，如腐蚀、磨损、氧化等，人们需要对金属材料进行表面改性，以提高它们
的抗腐蚀、防磨损和抗氧化等性能，并应用于更广泛的领域。
本
文将介绍金属材料表面改性及其应用。
一、金属材料表面改性方法
1. 表面涂层技术
表面涂层技术是一种在金属表面涂覆不同材料的方法。
不同的
材料有不同的性能，当涂布到金属表面时，可以起到抗腐蚀、防
磨损、减少氧化等作用。
常见的表面涂层技术有电镀、喷涂、电
火花等。
2. 表面改性喷涂技术
表面改性喷涂技术是一种通过喷涂特殊材料来改变金属表面物理特性的方法。
喷涂的材料包括聚合物、金属、陶瓷等，可以通过增加金属材料表面硬度和耐磨性的方法来增加金属材料的寿命和稳定性。
3. 离子注入技术
离子注入技术是将一种或多种化学物质注入到金属材料表面的方法，以提高金属表面的硬度和耐磨性。
4. 镀覆金属技术
镀覆金属技术是将另一种金属沉积到金属表面的方法，以提高金属表面硬度和耐磨性。
这种技术可以通过选择不同的金属来增加材料的导电性、热传导性等性能。
二、金属材料表面改性的应用
1. 航空制造
在飞机制造过程中，金属材料的表面改性可以增加其耐腐蚀性
和防腐蚀时间，提高制造材料和部件的寿命和性能。
2. 化工行业
在化工行业中，许多气体和液体都极易腐蚀金属表面。
通过表
面改性，可以提高金属在这些环境下的耐腐蚀性。
3. 电子制造
在电子制造过程中，金属材料的表面改性可以提高其导电性能，使它们更适合用于电子部件制造。
此外，金属材料表面改性还可
以增加电子部件的稳定性，降低故障率。
4. 医疗领域
金属材料表面改性可以用于人工关节、牙齿种植等医疗领域。
通过改变金属材料的表面物理和生物化学特性，可以提高其与人
体组织的相容性和生物活性，从而有效降低手术风险和提高治疗
效果。
5. 汽车制造
表面改性的42CrMo4钢制约束变形元件制作效果非常好，可以明显改善汽车零部件的防腐蚀性和氧化稳定性。
总之，金属材料表面改性是一种十分重要的技术方法，可以提高金属材料的性能，提高其使用寿命，扩大其应用范围。
它在航空制造、化工行业、电子制造、医疗领域和汽车制造等重要领域中得到了广泛应用。
未来，随着科技的不断发展和进步，金属材料表面改性技术也将得到进一步的发展和应用。