表面工程复习资料

1．表面工程的涵义。

材料表面实施表面工程技术的目的。

表面技术的分类。

表面技术的涵义：表面技术是指通过表面涂覆、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、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能。

表面技术的目的：①提高材料抵御环境作用的能力。

②赋予材料表面某种功能特性，包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等各种物理和化学性能。

③实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。

表面技术的分类：按照其作用原理，将其分为以下4种基本类型：①原子沉积。

沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积和化学气相沉积等。

②颗粒沉积。

沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂敷等。

③整体覆盖。

它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如堆焊、热浸涂、包箔、贴片和涂刷等。

④表面改性。

它是用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成和结构发生变化，从而改变性能，如等离子表面处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理和离子注入等。

2．电镀的基本原理，电极反应。

电镀的镀液的主要组成及作用。

什么是电化学极化，什么是浓差极化。

钢铁材料电镀镍、镀锌、镀铜、镀铬的主要作用。

化学镀和电镀的主要区别。

电镀的基本原理：电镀是一种表面加工工艺，它是利用电化学方法将金属离子还原为金属，并沉积在金属或非金属制品的表面上，形成符合要求的平滑致密的金属覆盖层。

电镀液组成：1.主盐：能够在阴极上沉积出所要求的镀层金属的盐。

2.络合剂：在溶液中能与金属离子生成络合离子的物质称为络合剂。

3.附加盐（导电盐）：主要用于提高溶液的电导率。

4.缓冲剂：稳定电镀液的酸碱度（PH值）。

5.阳极活化剂：提高阳极开始钝化的电流密度，保证阳极处于活化状态。

6.添加剂：改善镀层质量。

电极反应：1.电极电位2.极化阳极极化：（1）电化学极化：由于阳极表面金属氧化速度小于阳极电子通过导线流向阴极的速度，使得阳极电极电位往正的方向移动，称为电化学极化。

（2）浓差极化：由于阳极表面的金属离子向溶液中的扩散速度慢，导致阳极表面金属离子浓度升高，抑制了阳极表面金属氧化速度，使得阳极表面金属氧化速度小于阳极电子通过导线流向阴极的速度，导致阳极电极电位往正的方向移动。

无论电化学极化，还是浓差极化，都是使阳极电极电位向正方向偏移。

电镀金属：镀锌用途：装饰、耐腐蚀电镀锌是生产上应用最早的电镀工艺之一，工艺比较成熟，操作简便，投资少，在钢铁件的耐腐蚀镀层中成本最低，是防止钢铁腐蚀应用最广泛、最经济的措施。

锌镀层主要镀覆在钢铁制品的表面，作为防护性镀层。

在汽油或含二氧化碳的潮湿空气中也很稳定。

镀铜用途：中间层或底层、防渗碳层铜镀层一般不单独用作防护装饰性镀层，常常是作为其他镀层的中间层或底层（如镀镍层的底层）以提高表面镀层与基体金属的结合力。

铜的价格较低，再加上特种添加剂的开发应用，可以直接获得全光亮、整平性好、韧性高的铜镀层作为防护装饰性镀层的底层，可以减少昂贵的镍的用量。

铜镀层还可以用作特殊的装饰性镀层，如仿古镀层。

由于碳在铜中扩散很困难，因此对于局部需要渗碳处理的零件，常用铜镀层作为不渗碳部位的防渗碳镀层。

镀镍用途：装饰、耐腐蚀、耐磨为了节约镍并减少孔隙率，人们往往采用电镀两层或三层镍的方法，或将镍镀层与铜镀层、铬镀层等相复合，形成如铜／镍／铬、镍／铜／镍／铬等形式的组合镀层来达到防护和装饰的目的。

由于金属镍具有较高的硬度，故镍镀层常用于需要硬度和耐磨性的场合，如印刷业中将印刷用版（铅版、铜锌版）镀镍，在唱片生产中将阴模镀镍等。

镀铬用途：装饰、耐腐蚀、耐磨镀铬层经抛光后或在光亮基体上沉积的铬层呈银蓝色镜面光泽，具有极好的反光性能和装饰性能，在500C以下的大气中能长久保持其光泽的外观。

金属铬的硬度很高，一般镀铬层的硬度也相当高，而且通过调整镀液的组成和控制一定的工艺条件，还可以得到硬度更高的镀铬层，其硬度值超过最硬的淬火钢，因而耐磨性好。

化学镀与电镀相比，优点：（1）不管零件形状多么复杂，镀层厚度很均匀，镀层外观良好，晶粒细小，无孔，耐蚀性好；2）无需电解设备及附件；（3）可在金属、非金属、半导体材料沉积。

缺点：溶液稳定性差，使用温度高，寿命短，增加了溶液维护、调整、再生的成本。

3．铝合金阳极氧化膜的结构特点、相组成。

常用处理液。

阳极氧化膜的性能及应用。

铝合金阳极氧化膜的结构特点、相组成：从电子显徽镜观察证实，阳极氧化膜由阻挡层和多孔层所组成。

阻挡层是薄而无孔的，而多孔层则由许多六棱柱体的氧化物单元所组成，形似蜂窝状结构。

每个单元的中心有一小孔直通铝表面的阻挡层，孔壁为较致密的氧化物。

阻挡层主要由化学活性较大的非晶态A12O3和部分γ'-Al2O3晶体组成。

γ'-Al2O3是非晶态Al2O3和γ-Al2O3晶体之间的中间态。

γ'-Al2O3与γ-Al2O3具有相同的氧晶格，两者的区别在于晶体结构中阳离子的排布不同。

常用处理液：铝及铝合金阳极氧化液有酸性液、碱性液和非水液等三大类。

通常采用酸性液。

它可分为硫酸、铬酸、磷酸等无机酸体系，草酸、氨磺酸、丙二酸、磺基水杨酸等有机酸体系，以及无机酸加有机酸的混合酸体系。

工业生产中主要采用硫酸法、铬酸法、草酸法和混合酸法，其中硫酸法应用最为广泛。

阳极氧化膜的性能及应用：多孔氧化铝膜朝着功能化方向发展的研究主要从两方面着手。

一个是利用它的多孔结构，研制新型的超精密分离膜；另一个是通过在其纳米级微孔中沉积各种性质不同的物质，来制备新型的功能材料。

（1）近年来利用电解着色沉积磁性金属或磁性合金如铁、钴、镍及合金，这种电解着色膜具有磁性。

能够用于数据储存或其他磁记录。

在微电子工业得到广泛应用。

（2）电解沉积超硬质和自润滑的电解着色膜。

由于铝本身相当软，而阳极氧化提供了一个表面硬化的方法。

低剪应力的金属填充在阳极氧化铝的微孔中，就是一个提供自润滑性能的有效方法。

在机械工程上有十分重要的使用价值。

（3）抗菌性氧化铝膜：抗菌性氧化铝膜是将抗菌成分浸透到膜的孔中并在膜孔中析出，从而使之具有抗菌性作用。

人们早就知道，银、铜、锌等金属离子具有抗菌作用，通过用含有这些金属离子的热水进行封孔处理就能具有抗菌性。

4．热喷涂的基本原理。

热喷涂的涂层组织特点。

热喷涂层的结合性。

热喷涂的主要类型。

热喷涂的基本原理：热喷涂是采用不同的热源，将喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，用高压气流将其雾化，并以一定的速度喷射到经过预处理的工件表面，从而形成附着牢固的表面层的加工方法。

热喷涂的涂层组织特点：涂层的金相组织：层状结构，内有孔洞热喷涂层的结合性：涂层与基体的结合：结合力；涂层内部的结合：内聚力。

涂层与基体的结合： 1）机械结合；2）冶金-化学结合；3）物理结合涂层内部的结合：主要以机械结合为主。

热喷涂的主要类型：根据涂层加热和结合方式分：喷涂和喷熔。

根据加热喷涂材料的热源种类分：火焰、电弧、高频、等离子弧（超音速）、爆炸、激光（喷涂、重熔）、电子束。

5．表面淬火的目的。

钢表面淬火后从心部到表面的组织分布特点。

表面淬火的方式有哪些。

表面淬火的目的。

钢表面淬火后从心部到表面的组织分布特点：表面淬火是指采用快速加热，使钢件表层奥氏体化并立即快冷获得马氏体，而心部仍保持原始组织的一种淬火工艺。

表面淬火的方式有哪些：表面淬火的加热方法有多种，如感应加热、火焰加热、电接触加热、电解液加热等。

其中最常用的是火焰加热和感应加热两种。

6．喷丸强化的基本原理。

影响喷丸效果的主要工艺参数。

喷丸强化处理后基体表面组织及性能变化。

喷丸强化的基本原理：喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。

影响喷丸效果的主要工艺参数：影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹流速度、弹丸流量、喷丸时间等。

弹丸直径越大，速度越快，弹丸与工件碰撞的动量越大，喷丸的强度就越大。

喷丸形成的残余压应力可以达到零件材料抗拉强度的60％，残余压应力层的深度通常可达0.25mm，最大极限值为１mm左右。

喷丸强度需要一定的喷丸时间来保证，经过一定时间，喷丸强度达到饱和后，再延长喷丸时间，强度不再明显增加。

在喷丸强度的阿尔门试验中，喷丸强度的表征为试片变形的拱高。

喷丸强化处理后基体表面组织及性能变化：1）形成形变硬化层，在此层内产生两种变化：一是亚晶粒极大的细化，位错密度增高，晶格畸变增大；二是形成了高的宏观残余压应力。

2）表面粗糙度略有增大，但却使切削加工的尖锐刀痕圆滑。

可显著提高金属的抗疲劳，抗应力腐蚀破裂、抗腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀等的能力。

7．什么叫表面化学热处理。

钢表面渗硼、渗碳、渗氮、渗硫的主要目的及渗层组织。

化学热处理的主要方法。

什么叫表面化学热处理：将工件置于含有欲渗元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质分解出欲渗元素的活性原子，活性原子被工件表面吸附并向工件内部扩散，以改变工件表层的化学成分。

钢表面渗硼、渗碳、渗氮、渗硫的主要目的及渗层组织：钢经过渗硼以后、表面具有很高的硬度（1300 - 2300HV)和耐磨性、良好的抗蚀性、抗氧化性和热硬性。

钢件渗硼后，渗硼层由单一的Fe2B化合物层或由Fe2B+FeB构成的两相化合物。

Fe2B和FeB通常为指状(或梳齿状)，且垂直于表面楔入基体。

渗碳目的是在低碳钢或低碳合金钢零件的表面得到高的含碳量（高于0.8%)。

其后经淬火、低温回火得到高的硬度和耐磨性的渗碳层，而零件的内部具有高的强韧性。

由表及里：网状碳化物+珠光体------珠光体-----珠光体+铁素体------珠光体减少，铁素体增多。

渗碳层不允许出现过多的网状碳化物，防止渗碳层和零件变脆。

只要控制渗碳介质的活性或碳势（钢表面的含碳量），就可以加以控制。

组织：表面(层)为高碳回火马氏体组织、心部为低碳回火马氏体组织。

渗氮（又称氮化），是使氮原子向金属工件表层扩散的化学热处理工艺。

钢铁渗氮后，可形成以氮化物为主的表层。

当钢中含有铬、铝、钼等氮化物时，可获得比渗碳层更高的硬度、更高的耐磨、耐蚀和抗疲劳性能。

离子氮化层通常可能出现以下三种典型组织：(1)只有扩散层；(2) γ’ 化合物层+扩散层；(3) ε+γ’ 复相化合物层+扩散层。

ε相是以Fe2-3N为基的固溶体，氮浓度范围很宽（4.55％－11.0％）。

γ’相是以Fe4N为基的固溶体，氮浓度范围比较窄（5.30％－5.75％）。

纯扩散层为氮原子在α-Fe中的固溶体组织。

通过硫与金属工件表面反应而形成FeS薄膜的化学热处理工艺。

经过渗硫处理的工件，其硬度较低，但减摩作用良好，能防止摩擦副表面接触时因摩擦热和塑性变形而引起的擦伤和咬死。