材料表面工程技术复习资料

第一章表面工程的概念表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需要表面性能的系统工程表面工程是改善机械零件、电子电器元件基质材料表面性能的一门科学和技术表面工程的基础是表面技术表面工程的作用对于机械零件提高零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性、抗疲劳强度等力学性能保证现代机械在高速、高温、高压、重载以及强腐蚀介质工况下可靠而持续地运行对于电子电器元件提高元器件表面的电、磁、声、光等特殊物理性能保证现代电子产品容量大、传输快、体积小、高转换率、高可靠性对于机电产品的包装及工艺品提高表面的耐蚀性和美观性实现机电产品优异性能、艺术造型与绚丽外表的完美结合对生物医学材料提高人造骨骼等人体植入物的耐磨性、耐蚀性，尤其是生物相容性保证患者的健康并提高生活质量表面工程的功能提高耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳、耐氧化、防辐射性能提高表面的自润滑性实现表面的自修复性（自适应、自补偿和自愈合）实现表面的生物相容性改善表面的传热性或隔热性改善表面的导电性或绝缘性改善表面的导磁性、磁记忆性或屏蔽性改善表面的增光性、反光性或吸波性改善表面的润湿性或憎水性改善表面的黏着性或不黏性改善表面的吸油性或干摩性改善表面的摩擦因数（提高或降低）改善表面的装饰性或仿古做旧性表面工程的发展经历的三个阶段第一阶段以单一表面工程技术的品种增加、工艺成熟为特征第二阶段以复合表面工程技术的出现和协同创新为主要特征第三阶段以微纳米材料和纳米技术与传统表面工程技术的结合与实用化为主要特征发展表面工程的意义使提升机电产品服役性能、支持制造业技术创新的需要是贯彻可持续发展战略，建设节能型社会和保护环境的需要是大力推进废旧机电产品再制造的需要是促进电子电器高新技术和生物医学材料发展的需要是提高人民生活水平的需要表面工程技术的应用在廉价而机械力学性能好的基材上进行表面处理，以提高材料抵御环境作用的能力 材料经表面处理后可获得特殊功能的表面在节约材料、节省能源、改善环境发挥巨大作用在发展的新兴技术和学术研究中具有重要地位第二章淬火淬火是将钢加热到AC3或AC1点以上某一温度，保持一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺淬火的目的提高硬度、强度、耐磨性以及满足零件的使用性能淬火加热温度亚共析钢Ac3+（30-50）℃共析钢和过共析钢Ac1+（30-50）℃表面淬火用钢的特点含碳量0.40-0.50%的优质碳素结构钢采用表面淬火最为常见 依据加热的方式不同表面淬火方法有：感应加热（高频、中频、工频）表面淬火火焰加热表面淬火激光加热表面淬火等离子体加热表面淬火热扩渗将工件放在特殊的介质中，加热到一定的温度，使介质中的元素渗入工件表层，从而改变表层金属组织与性能的一种工艺操作目的使在复杂的交变载荷下工作的构件通过热扩渗获得具有较高的疲劳强度、硬度和耐磨性能的表面，而心部保持有足够的强度和韧性对普通的碳钢可通过渗铝、渗铬、渗硼获得较高的化学稳定性，以提高耐腐蚀及耐热性能，延长使用寿命热扩渗原理介质分解活性介质在一定温度下，进行化学分解，析出活性（初生态的）原子（或离子）的过程化学介质分解的速度，取决于化学介质性质、数量、分解的温度、压力以及有无催化剂吸收活性原子在金属表面吸附与金属表面原子产生键合而进入金属表层的过程吸收的方式活性原子向钢的固溶体中溶解或形成化合物吸收的强弱与活性介质的分解速度、渗入元素的性质、扩散速度、钢件的成分及其表面状态有关扩散被钢件表面吸收的活性原子（或离子）向钢件深处迁移，以形成一定厚度的扩散层（即渗层）与普通淬火比较感应淬火具有以下优点热源在工件表面，加热速度快，热效率高工件因不是整体加热，变形小工件加热时间短，表面氧化脱碳量少表面硬度高，缺口敏感性小，冲击韧性、疲劳强度以及耐磨性等具有很大提高，有利于发挥材料潜力，节约材料消耗，提高零件使用寿命设备紧凑，使用简便，劳动条件好可将设备组织到生产线中，如果采用程序自动调节系统，可对过程精确控制，废品量较低不仅可应用于工件的表面，内孔等的淬火，还可以应用于工件的穿透加热和化学热处火焰加热淬火原理将工件置于强烈的火焰中进行加热，使其表面温度迅速达到淬火温度后，急速用水或水溶液进行冷却，从而获得预期的硬度和硬化层深度的一种方法优点设备简单使用方便，成本低不受工件体积大小限制，可灵活移动使用淬火后表面清洁，无氧化、脱碳现象，变形小利用火焰直接加热，容易过热火焰加热原理用高功率激光束快速扫描工件，使光斑扫到的局部区域急速升至相变温度，而处在常温下的工件散热极快，从而在瞬间达到自冷淬火，实现工件表面的相变硬化优点淬硬层组织细化，硬度比常规淬火提高15-20%，铸铁经淬火后耐磨性可提高3-4倍 加工速度极快，工艺周期短，生产效率高，成本低，工艺过程易实现数控可进行大型零件局部表面硬化及形状复杂工件的硬化处理淬硬层深度可精确控制可以实现自冷淬火，不需要油或水等淬火介质等离子淬火原理利用电弧等离子体对钢铁零件表面快速加热并主要靠金属自身快速冷却可获得高硬超细的局部表面淬火组织优点其控制方法先进、精度高、效率高，扫描速度可达3—4米/分钟节省能源设备投资运行费仅为一般处理设备的1/10处理表面质量好，残余变形小处理部位的耐磨性和抗疲劳强度显著提高处理过程易于机械化、自动化，可在大批量生产线上使用，也可用于镰刀、剪刀刀口局部淬火，也可用于汽缸套内表面淬火等离子特点有较大的表面残余应力，能提高零件抗疲劳寿命能广泛适用于中碳钢、合金钢、铸铁等制造的零件及刀具表面淬火，尤其适用于大型零件局部表面淬火生产率高，扫描速度达3—4米/分；硬化带宽为4毫米，深度≤0.6毫米成本低，设备投资及运行费低廉，可大幅度降低成本省电无公害，不污染环境生产过程易于机械化、自动化设备故障低、易操作、易维修渗碳概念将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳目的通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使表面获得高碳回火马氏体，具有高硬度、耐磨性和抗疲劳性能；而心部为低碳回火马氏体或索氏体，具有一定的强度和良好的韧性配合渗碳方法气体渗碳固体渗碳液体渗碳渗碳用钢低碳钢和低碳合金钢，如15、20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等渗碳后组织渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为过共析组织（珠光体+碳化物）共析组织（珠光体）亚共析组织（珠光体+铁素体）的过渡区心部的原始组织渗氮概念渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面，在钢件表面获得一定深度的富氮硬化层的热处理工艺目的使提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等渗氮方法气体渗氮离子渗氮渗氮用钢优质碳素结构钢，如20，40等；一般合金结构钢，如40Cr等；渗氮专用钢，如38CrMoAlA 渗硼概念在一定的条件下，向钢内部渗入硼元素的热扩渗工艺目的提高气表面硬度、耐磨性、抗蚀性和红硬性，尤其适用于易磨损件以及在高温、腐蚀性介质中工作的机械零件方法盐浴渗硼固体渗硼气体渗硼渗硼用钢无专用钢，但大多采用中碳钢和中碳合金钢含碳量增加，使渗硼层减薄钢中含有钨、钛、钼等合金元素也会减低渗硼层的厚度第三章堆焊的概念将具有一定使用性能的合金借助一定的热源，熔覆在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法堆焊的作用可用于修复材料因服役而导致的失效部位可用于强化材料或零件的表面延长服役件的使用寿命、节约贵重材料、降低制造成本堆焊的特点堆焊层与母材具有典型的冶金结合堆焊合金种类选择范围宽堆焊的物理化学本质堆焊金属的合金化把所需要的合金元素通过堆焊材料过渡到堆焊金属中的过程常用合金化方法焊条药皮渗合金法焊剂渗合金法合金焊丝或焊带渗合金法药芯焊丝渗合金法合金粉末渗合金法堆焊的物理化学本质堆焊金属的合金化把所需要的合金元素通过堆焊材料过渡到堆焊金属中的过程常用合金化方法影响合金过渡系数的因素合金元素本身的物理化学性质合金元素的沸点合金元素与氧气的亲和力合金元素的含量堆焊材料中的含量合金剂的粒度合金剂的尺寸大小堆焊方法与规范参数工艺条件，保护方法的保护程度影响稀释率的堆焊规范参数电流电极直径干伸长极性堆焊速度搭接量堆焊层数电极的摆动幅度和频率堆焊实质堆焊材料与母材受焊接热源加热进行熔池熔炼，热源移开后，熔池冷却结晶形成堆焊层，因此，堆焊过程是异种金属液相的冶金结合过程堆焊金属的使用性能耐磨性能耐腐蚀性能耐腐蚀磨损性能耐气蚀性能耐高温性能第三章热喷涂概述热喷涂的基本原理喷涂层的形成过程涂层形成过程热喷涂涂层结合机理◆机械结合◆冶金化学结合◆物理结合冷喷涂与传统热喷涂技术相比可以避免喷涂粉末的氧化、分解、相变、晶粒长大等对基体几乎没有热影响可以用来喷涂对温度敏感材料，如易于氧化材料、纳米结构材料等粉末可以进行回收利用涂层组织致密，可以保证良好的导电、导热性涂层内应力小，且为压应力，有利于沉积厚膜膜层含氧量低送粉率高，可以实现较高的沉积率和生产率噪声小，操作安全第五章电刷镀工艺工艺参数优化大面积精确电刷镀与其他技术的融合电刷镀镀液的特点品种多，使用范围广，镀液使用温度范围及工作电压范围宽，危险性小，便于运输和使用镀液大多数是金属络合物的水溶液，金属离子含量一般比槽镀溶液高2~10倍镀液的均镀能力和深度能力较好，能获得低孔隙率的镀层，尤其在低电压下进行的电刷镀，孔隙率更低添加剂有多种作用，在金属镀液中加入不同的添加剂可以分别起到细化晶粒、减小内应力、提高浸润性等作用镀液选择原则打底层常用的打底层有特殊镍、碱铜、中性镍、半光亮中性铁、低氢脆镉等要求快速回复尺寸选用沉积速度快、结合强度高的镀液快速镍、致密快镍、碱铜要求有较强防腐蚀能力有阴极型和阳极型的两大类要求镀层有一定的硬度和耐磨性可选用镍-钨、钴-钨、钴、镍巴氏合金和锡常用于修复轴承、轴瓦的表面，锡用于修复严重磨损的轴承表面要求有良好导电性要求有低氢脆性要求镀层有好的钎焊性可选择碱性锡、碱铜、铅-锡合金等电刷镀镀液的分类预处理液去除被镀金属表面油污、锈蚀、氧化层和各种杂质包括电净液、活化液电沉积金属镀液单金属镀液合金镀液退镀镀液从工件表面腐蚀去除金属或多余镀层的溶液钝化和阳极化镀液在工件表面生成致密氧化膜特殊用途的镀液在工件表面获得各种特殊功能的表面层，如抛光、染色发黑、防变色等第六章薄膜制备技术的选用原则需要制备的材料的种类所需的薄膜沉积速率基底材料所限定的条件所需达到的薄膜对基底的附着能力需要保证的薄膜对于复杂形状基底的涂覆能力薄膜制备所采用的原料纯度以及所导致的薄膜纯度薄膜需要达到的致密度大面积薄膜制备所需要的设备能力薄膜制备的成本薄膜制备技术对环境可能造成的污染问题薄膜制备技术中的原料种类及其来源问题分子束外延生长优点在超高真空系统中操作，使用纯度极高的元素材料，所以可以得到高纯度、高性能的外延薄膜生长速率低，大约为一微米每小时，可以精确地控制外延层厚度，制造超薄层晶格结构及其它器件生长温度低，可避免高温生长引起的杂质扩散，能得到突变的界面杂质分布可在生长腔内安装仪器，通过仪器可对外延生长表面情况、外延层结晶学和电学性质等进行原位检测和质量评价由于基体能够旋转，保证了外延膜的均匀性不足表面形态的卵形缺陷，长须状缺陷及多晶生长，难于控制两种以上V族元素，不利于批量生产等。