1. 表面改质技术_
《表面改性技术》课件
表面改性技术的实 例分析
热处理：通过加热和冷却，改变金属材料的表面性能 涂层：在金属表面涂覆一层保护层，提高耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性 电化学处理：通过电化学反应，改变金属表面的化学成分和结构 激光处理：利用激光束照射金属表面，改变其表面性能和微观结构
实例：聚四氟乙烯（PTFE）表面改性 目的：提高耐磨性、耐腐蚀性和耐热性 方法：化学气相沉积（CVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等 应用：航空航天、汽车、电子等领域
原理：利用高能粒子轰 击材料表面，使其发生 化学反应或物理变化， 形成新的表面层
特点：可以在低温 下进行，对材料表 面无破坏，可形成 多种表面层
应用：广泛应用于 金属、陶瓷、塑料 等材料的表面改性
优点：可以提高材 料的耐磨性、耐腐 蚀性、导电性等性 能
原理：利用电化学反应，在表 面形成一层具有特定性质的薄 膜
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表面改性：通过改变复合材料表面的物理、化学性质， 提高其性能
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表面改性方法：化学气相沉积（CVD）、等离子体增强化 学气相沉积（PECVD）、激光表面处理等
表面改性技术的发 展趋势和未来展望
环保型表面改性技 术：减少有害物质 排放，提高环保性 能
纳米表面改性技术： 提高表面性能，增 强表面功能
改性目的：提高材料的耐磨性、 耐腐蚀性、抗老化性等性能
改性方法：化学改性、物理改 性、复合改性等
改性效果：提高材料的表面性 能，延长使用寿命
应用领域：汽车、电子、建筑、 医疗等行业
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复合材料：由两种或两种以上不同性质的材料组成的材 料
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实例：碳纤维增强复合材料（CFRP）
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表面改性效果：提高复合材料的耐磨性、耐腐蚀性、导 电性等性能
材料工程中的材料表面改性技术
材料工程中的材料表面改性技术材料工程是指通过对物质进行选择、设计及制备等一系列工艺技术的研究，以满足各种工程要求的学科。
随着现代工业、科学的不断发展，材料工程在我国的重要性越来越突出。
而材料表面改性技术作为材料工程领域的一个研究热点，尤为重要。
一、材料表面改性技术的定义材料表面改性技术是材料工程中的一个研究方向，是指通过物理、化学、机械等手段对材料表面进行改性的一种技术。
通过改变材料表面的物理、化学、机械等性质，可以改善材料性能，提高应用效果。
二、材料表面改性技术的分类材料表面改性技术可以分为物理改性、化学改性和机械改性三个方面。
1.物理改性物理改性是指通过物理手段对材料表面进行改变，其主要包括磨削、抛光、喷砂、离子注入、激光处理等方法。
其中，离子注入可使表面产生高度压应力，提高表面硬度；激光处理则可以在一定深度及表面上形成网状结构，进而提高材料表面的耐磨性、耐蚀性和耐氧化性。
2.化学改性化学改性是指通过化学手段对材料表面进行改变，其主要包括表面硬化、电解硬化、电沉积、化学蒸发沉积、喷涂等方法。
其中，喷涂是将高能量的流体材料喷射到材料表面上形成一层薄的保护膜，目的是提高材料表面的抗磨性、耐蚀性和耐高温性。
3.机械改性机械改性是指通过机械手段对材料表面进行改变，其中包括压缩、拉伸、机械合成等方法。
其中，机械合成是将材料在高温、高压、高速等条件下进行混合处理，形成新的复合材料，以达到增强材料硬度、韧度、塑性和耐磨性的目的。
三、材料表面改性技术的应用材料表面改性技术在各个领域都有着广泛的应用，如机械制造、电子、航空航天、汽车和医疗等行业。
1.机械制造机械制造行业对材料表面的硬度、韧度、磨损和腐蚀等性能要求较高，因此该行业广泛应用材料表面改性技术。
例如，机械制造行业中广泛使用的是喷涂技术，可以增强机械零件的耐磨性和耐蚀性。
2.电子电子行业应用材料表面改性技术主要是为降低材料表面的电阻和电噪声等。
例如，利用电沉积技术封闭材料表面的孔洞，可以提高材料的绝缘性和降低电噪声。
表面技术(第5讲 表面改性技术(Ⅰ))
南京航空航天大学
第五讲 表面改性技术(Ⅰ)
表面技术
• 形变层内形成很高的残余压应力，同时引起 组织结构变化，并使孔壁粗糙度降低。
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第五讲 表面改性技术(Ⅰ)
表面技术
孔挤压类型
• • • • 挤压棒挤压强化 衬套挤压强化 压印模挤压强化 旋压挤压强化
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第五讲 表面改性技术(Ⅰ)
•低温渗氮：渗氮温度低于600 ℃的各种 渗 氮方法，是把需渗氮的工件放入密封渗氮 炉内，通入氨气，加热至500～600℃，氨 气发生分解，产生活性氮原子，活性氮原 子渗入工件，形成一定深度的氮化层。主 要有气体渗氮、液体渗氦、离子渗氮等。 •低温渗氮主要用于结构钢和铸铁。 •渗氮工艺复杂，时间长，成本高，所以只 用于耐磨、耐蚀和精度要求高的耐磨件。
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第五讲 表面改性技术(Ⅰ)
表面技术
喷丸设备
• 1)气动式喷丸机：弹丸由压缩空气驱动 而获得高速运动，按弹丸运动方式主要 可分为吸入式、重力式、直接压入式。 • 2)机械离心式喷丸机：弹丸依靠高速旋 转的叶轮抛出而获得动能，离心叶轮的 转速控制弹丸的运动速度，弹丸的运动 速度控制在35～75m/s。
表面技术
碳氮共渗
•碳氮共渗（氰化） ：在一定温度下同时 将碳、氮渗入工件表面，并以渗碳为主 的化学热处理工艺。 •碳氮共渗层比渗碳有更高的耐磨性、疲 劳强度和耐蚀性，比渗氮有较高的抗压 强度和较低的表面脆性，且生产周期 短，渗速快，所用材料广泛。
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第五讲 表面改性技术(Ⅰ)
表面技术
3. 渗 氮
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第五讲 表面改性技术(Ⅰ)
表面技术
渗硼方法
玻璃工艺中的表面改性与涂层技术
玻璃工艺中的表面改性与涂层技术1. 前言玻璃作为一种传统的材料，因其优异的透明度、化学稳定性和机械性能，在许多领域有着广泛的应用。
随着科技的进步和工业的发展，对玻璃的性能要求也越来越高。
表面改性和涂层技术作为玻璃加工的重要手段，能够显著提升玻璃的性能，拓宽其应用范围。
本文将详细探讨玻璃工艺中的表面改性和涂层技术。
2. 表面改性技术表面改性技术是指通过物理或化学方法改变玻璃表面性质的技术。
常见的表面改性方法有：化学蚀刻、物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）等。
2.1 化学蚀刻化学蚀刻是利用化学反应去除玻璃表面一定厚度的物质，以改变其表面形貌和粗糙度的方法。
常用的蚀刻剂有氢氟酸、硫酸等。
化学蚀刻可以实现对玻璃表面的精细加工，用于制作微孔、微通道等结构。
2.2 物理气相沉积（PVD）PVD技术是通过真空条件下，将蒸发源的固体材料蒸发并沉积在玻璃表面，形成一层均匀、致密的薄膜。
常见的PVD方法有真空蒸发、磁控溅射等。
PVD技术可以用于制备各种功能性薄膜，如防指纹膜、抗反射膜等。
2.3 化学气相沉积（CVD）CVD技术是通过在真空条件下，将气体前驱体在加热或光照的条件下分解，在玻璃表面沉积一层薄膜。
CVD技术可以实现对玻璃表面进行纳米级加工，用于制备纳米结构薄膜。
3. 涂层技术涂层技术是在玻璃表面涂覆一层或多层涂层，以改善玻璃的性能和增加其功能。
常见的涂层方法有溶胶-凝胶法、喷涂法、 roll-to-roll 涂层等。
3.1 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是通过溶液中的金属盐或氧化物与醇或酸反应，形成溶胶，随后溶胶凝胶化形成涂层。
该方法可以实现对玻璃表面进行精细调控，制备出具有特定性能的涂层，如光学涂层、抗菌涂层等。
3.2 喷涂法喷涂法是将涂料通过喷枪喷涂在玻璃表面，形成均匀的涂层。
喷涂法适用于大面积涂层制备，效率高，成本低。
常见的喷涂方法有空气喷涂、高压喷涂等。
3.3 roll-to-roll 涂层roll-to-roll 涂层是一种连续涂层制备技术，通过滚轴将涂料均匀涂覆在玻璃表面。
表面改性技术
➢ 中频淬火常用在大直径工件和硬化层深度较深的 场合。
7.2 表面热处理
② 火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火是应用氧一乙炔或其他可燃气 体对零件表面加热，随后淬火冷却的工艺。
7.2 表面热处理
与感应加热表面淬火相比优点如下：
设备简单，操作灵活； 适用钢种广泛； 零件表面清洁、一般无氧化和脱碳、畸变小。
1. 在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶 格畸变度增大；
2. 形成了高的宏观残余压应力。
7.1 金属表面形变强化
表面压应力可防止裂纹在受压的表层萌生 和扩展。
经喷丸和滚压后，金属表面产生的残余压 应力的大小，不但与强化方法、工艺参数 有关，还与材料的晶体类型、强度水平以 及材料在拉伸时的硬化率有关。
➢ 集肤效应：感应电流 集中分布于工件表面， 使受热区迅速加热到 钢 的 相 变 临 界 温 度 Ac3 或Accm之上，然后在冷 却介质中快速冷却， 使工件表层获得马氏 体。
7.2 表面热处理
感应电流透入深度
➢ 感应电流透入深度，即从电流密度最大的工件表面 到电流值为表面的1/e(e＝2.718)处的距离，用Δ表 示。Δ的值(单位为mm)可根据下式求出：
喷丸表面形变强化工艺及应用
2. 喷丸强化用的设备
喷丸采用的专用设备，按驱动弹丸的方式可分 为机械离心式喷丸机和气动式喷丸机两大类。
喷丸机又有干喷和湿喷之分。干喷式工作条件 差，湿喷式是将弹丸混合在液态介质中形成悬 浮状混合物，然后喷丸，因此工作条件有所改 善。
7.1 金属表面形变强化
机械离心式喷丸机
具有高硬化率的面心立方晶体的镍基或铁 基奥氏体热强合金，表面产生的压应力高，
模具表面改质技术
末 端 ， 再 透 过 适 当 的 射 压 推 进 ，模
穴 内就 充 满 胶 料 。 运 用 纳 米 特 性 操 作 者 可 大 幅 降 低 射 出压 力 达 到 低 压 射 出的 目的 ，且 成 品 受压 平均 变 形 量
平均分布 ，
使 模 穴 表 面
产 生 荷 叶 效 应 而 出现抗 沾 性 ， 由 于 模 穴 内 的 抗
２０ ２ ０８ ６卷 第 １ ２期 一
升 至最 高 。注 塑 条 件 调 整 的 原理 阐述
如下：
嗣 舯
m0 工z 0 广 0 、 印 一 z o < ≯T 1 z ， z 0 0
模具表面改 质技术
■ 谢炳行
机 筒 温 度 ：机 管 温度 的定 义是 使
沾 性 使 熔 融 胶 料 很 轻 易 的 流 到 模 穴
技术简 介
随 着 航 天 工业 技 术 的发 展 ，对 金
属 材 料 性 能 的 要 求 越 来 越 高 ，一 般 的
树 脂可 流 动 （ ｏ２ ，色 母 （ ） 融合 的 Ｔ ） 粉 能
，
模具
粘 及 排 气 问题
都无 法 使 成 品将 纹 路
目 视 的 压 力 集 中 印痕 。
经 过 改 质 后 模 穴 内 由于
纳 米 陶 瓷 的
提 升 及 产 能提 升 的多 重功 效 。
模具改质后的效益评估
经 过 改 质 后 的模 具 ， 由于模 流 阻 力 减小 ，熔 体 流 动 方 式产 生 变化 。 注 塑条 件 必 须 做 适 当调 整方 能 将 效 益提
表面改性技术ppt课件
图 感应加热表面淬火示意
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二、 表面热处理强化
（二）火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火是应用氧－乙炔或其他可燃气体对零件表面加热，
随后淬火冷却的工艺。
优点：与感应加热表面淬火等方法相比，具有设备简单，操作灵活，适
用钢种广泛，零件表面清洁、一般无氧化和脱碳、形变小等优点。
缺点：加热温度不易控制，噪音大，劳动条件差，使用混合气体不够安
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三、 金属表面化学热处理
根据渗入元素的不同，化学热处理可分以下几类：
(1)渗碳、渗氮、碳氮共渗。可提高材料表面获得高的
硬度、耐磨性、耐侵蚀磨损性、接触疲劳强度和弯曲 疲劳强度，而心部具有一定强度、塑性、韧性的性能。
(2)渗硼。提高金属表面的硬度、耐磨性和耐蚀性。可
用于钢铁材料、金属陶瓷和某些有色金属材料，如钽 和镍基合金。这种方法成本较高。
在真空中采用连续气相沉积激光技术, 在软的基材表 面获得硬度达2000~4500HV的非晶BN薄层。
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五、 离子注入表面改性
离子注入：将所需的某种元素的原子电离成离 子，在电场中加速后高速轰击工件表面使之注入工 件表面一定深度的真空处理工艺，也属于PVD范围。
（一）离子注入的原理
1、入射离子工件材料与发生相互作用
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一、 金属表面形变强化
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一、 金属表面形变强化
2、表面形变强化原理
在形变硬化层中产生两种变化：
在组织结构上，亚晶粒极大地细 化，位错密度增加，晶格畸变度 增大
形成了高的宏观残余压应力
结果：反抗外力的能力增强，表面 强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强 度提高。
表面改性技术
表面改性技术班级：材料092姓名：朱光辉学号：109012042 课程: 现代表面技术表面改性技术概述：表面技术是指采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。
材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能（如耐磨，耐高温，合适的射线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等）表面改性技术可以掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命，节约稀、贵材料，节约能源，改善环境，并对各种高薪技术的发展具有重要作用。
表面改性技术的研究和应用已有多年。
70年代中期以来，国际上出现了表面改性热，表面改性技术越来越受到人们的重视。
表面改性的特点是：（1）不必整体改善材料，只需进行表面改性或强化，可以节约材料。
（2）可以获得特殊的表面层，如果超细晶粒、非晶态、过饱和固溶体，多层结构层等，其性能远非一般整体材料可比。
（3）表面层很薄，涂层用料少，为了保证涂层的性能、质量，可以采用贵重稀缺元素而不会显著增加成本。
（4）不但可以制造性能优异的零部件产品，而且可以用于修复已经损坏、失效的零件。
表面改性技术应用：表面改性技术广泛应用于机械工业、国防工业及航空航天领域，通过表面改性可以使材料性能提高，产品质量提高，降低企业成本。
表面技术的应用，在提高零部件的使用寿命和可靠性，提高产品质量，增加产品的竞争力，以及节约材料，节约能源，促进高科技技术的发展等方面都有着十分重要的意义。
表面改性技术方法：1、金属表面形变强化方法及其应用常用的金属材料表面形变强化方法主要有喷九、滚压和内孔挤压等强化工艺。
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。
已广泛用于弹簧、齿轮、链条、铀、叶片、火车轮等零部件，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。
喷丸强化原理：（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。
7-表面改性技术
3.表面形变强化的应用
喷丸强化的应用实例
(1) 20CrMnTi圆辊渗碳淬火回火后进行喷丸处理，残余 压应力为-880MPa，寿命从55万次提高到150-180万次。
(2)液体火箭推进剂容器的钛制零部件未喷丸强化时，在 40℃下使用14h就发生应力腐蚀破坏；容器内表面经玻璃 珠喷丸强化后，在同样条件下试验30天还没有产生破坏。
(五)化学热处理种类 根据渗入元素的介质所处状态不同，化学热 处理可分以下几类： (1)固体法：包括粉末填充法、膏剂涂覆法、电热 旋流法，覆盖层(电镀层、喷镀层等)扩散法等。 (2)液体法：包括盐浴法、电解盐浴法、水溶液电 解法等。 (3)气体法：包括固体气体法、间接气体法、流动 粒子炉法等。 (4)等离子法。
2．喷丸强化用的设备 喷丸采用的专用设备， 按驱动弹丸的方 式可分为机械离心式喷丸机和气动式喷丸机两 大类。 喷丸机又有干喷和湿喷之分。干喷式工作条件 差，湿喷式是将弹丸混合在液态中成悬浮状， 然后喷丸，因此工作条件有所改善。
(1)机械离心式喷丸机 机械离心式喷丸机又称 叶轮式喷丸机或抛丸机。
工作时，弹丸由高速旋 转的叶片和叶轮离心力 加速抛出。弹丸的速度 取决于叶轮转速和弹丸 的重量。
表面滚压强化示意图
2．内挤压 内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺措 施，效果明显。 3．喷丸 喷丸是国内外广泛应用的一种再结晶温度以下的 表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零部件表面， 使之产生形变硬化层并引进残余压应力。 喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、 火车轮等零部件；可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲 劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀(孔蚀)能 力。
二、渗硼 目的：
提高金属表面的硬度、耐磨性和耐蚀性。 可用于钢铁材料、金属陶瓷和某些有色金属材料，如钛、钽 和镍基合金。 这种方法成本较高。
表面改质及强化技术
可能最高的临界区域形成压应力。
表面改质及强化技术20084295 等离子熔射制备梯度功能MOLB式SOFC及其复阻抗分析/杨云珍…//焊接学报.22008, 29(1):13～16采用一种融合功能梯度材料设计思想与快速原型制造等离子熔射与机器人数字化成形技术于一体的新方法,借助自主研发的梯度功能送粉系统,多层连续熔射快速制造立体结构MOLB(mono-block layer built)式固体氧化物燃料电池SOFC(solid oxide f uel cell)三合一电极PEN(positive electrolyte nega2 tive)部件。
分析了P EN部件的成分、微观组织和阳极、阴极孔隙率的连续梯度变化规律,并利用复阻抗技术对其进行导电性能测试。
结果表明,采用该方法能够获得含有成分、组织呈连续梯度变化的功能涂层的SO FC核心部件PEN;与不含有梯度层的P EN相比,不仅提高电极与电解质间的匹配性,改善电极孔隙率及其分布;而且大幅度减小功能梯度P EN部件界面接触电阻,有助于提高SOFC的电性能。
图5表1参1220084296 等离子熔覆TiC/Ni超厚梯度熔覆层的组织与性能/曹 明…//焊接学报.22008,29(2):13～16利用等离子熔覆技术,选择适当的工艺参数,在Q235钢表面熔覆形成TiC/Ni超厚熔覆层。
采用扫描电镜、X射线衍射仪、金相显微镜、显微硬度计分析测试了涂层的相、组织、成分及性能。
结果表明,熔覆层厚度可达2.7mm,无裂纹、气孔等缺陷。
从熔覆层底部到表层,TiC颗粒的含量和粒径均呈梯度变化;熔覆层中的组织由界面到表层依次为:平面晶、胞状晶、树枝晶;从基体到熔覆层Fe元素含量逐渐减少,而Ni,Cr,Si元素含量则逐渐增加,TiC颗粒呈弥散分布。
熔覆层硬度最大可达800HV,平均硬度是基体的4～5倍。
图6表1参1020084297 稀土RE对激光熔覆Fe基非晶复合涂层的影响/朱庆军…//焊接学报.22008,29(2):57～60研究了稀土R E微合金化对激光熔覆Fe38Ni30 Si16B14V2(原子分数,%)非晶复合涂层的影响。