表面工程学 复习资料

1 第一章 绪论 1． 表面工程技术：为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能的化学、物理方法与工艺。 2． 表面工程技术内涵： （1） 表面改性技术。能够提高零部件表面的耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能，或使材料表面具有特殊功能（磁性能、光电性能）的有关技术。 （2） 表面加工技术。能在单晶硅表面制作大规模集成电路的光刻技术、离子刻蚀技术。 （3） 表面合成技术。借助各种手段在材料表面合成新材料的技术，离子注入制备或合成新材料。 （4） 表面加工三维合成技术将二维表面加工累积成三维零件的快速原型制造技术。 （5） 上述几个要点的组合或综合 3． 表面工程技术的分类： （1） 表面改性技术：表面组织转换技术、表面涂镀技术、表面合金化和掺杂技术 （2） 表面微细加工技术 （3） 表面加工三维成型技术——快速原型制造 ⑷ 表面合成新材料技术 4. 表面工程技术功能： ①提高耐腐蚀、耐磨性、耐疲劳、耐辐射性能，表面自润滑性； ②实现表面自修复性（自适应、自补偿、自愈合），生物相容性。 第二章 表面工程技术的物理化学基础 1. 理想表面：无限晶体中插进一个平面，将其分成两部分后所形成的表面，并认为半无限晶体中的原子位置和电子密度都和原来的无限晶体一样。 2. 洁净表面：尽管材料表层原子结构的周期性不同于体内，但如果其化学成分仍与体内相同，这种表面就成为洁净表面。 3. 清洁表面：指零件经过清洗（脱脂、浸蚀等）以后的表面，与洁净表面必须用特殊的方法才能得到不同。 4. 典型固体界面分类： （1） 基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面 （2） 基于固相组织或晶体结构差异形成的界面 （3） 基于固相宏观差异形成的界面：冶金结合界面、扩散结合界面、外延生长界面、化学键结合界面、分子键结合界面、机械结合界面 5. 物理吸附和化学吸附的区别：P12 表2-1 6. 摩擦分类（实际工作条件差别） 干摩擦，边界润滑摩擦、流体润滑摩擦、滚动摩擦 7. 固体润滑覆膜分类： （1） 粘结固体润滑膜 （2） 化学反应法固体润滑膜 2

（3） 电镀和气相沉积方法形成固体润滑膜 8. 影响固体材料粘着磨损性能的因素： （1） 润滑条件或环境。许多金属在经过切削或磨削后，洁净表面在5min内就产生了一层5~50分子的氧化膜，它在防止粘着方面有重大作用。良好的润滑条件更是降低你粘着磨损的重要保障。 （2） 硬度。材料的硬度越高，耐磨越好。 （3） 晶体结构和晶体的互溶性。其他条件相同时，密排六方的材料摩擦系数、磨损率最低，面心立方次之，体心最大。 （4） 温度。间接影响。T↑，硬度↓，摩擦副互溶性↑，磨损加剧 9. 磨粒磨损过程的影响因素： （1） 磨粒硬度。Ha（磨粒硬度）/Hm（材料硬度）<1.0，软磨粒磨损，磨损速率很低；Ha/Hm>1.2,硬磨粒磨损，增加Ha对速率影响不大；1.0随Ha/Hm线性增加，磨损速率很高。 （2） 磨粒形状和粒度。磨粒多角形>圆形磨粒（磨损速率） （3） 材料力学性能与微观组织。同硬度条件，A、B耐磨性优于P、M；夹杂、内部缺陷使磨损过程中更易产生剥落，大大降低耐磨性。 （4） 工况和环境条件。湿磨损由于能起到润滑、冷却作用，磨损率稍有下降；在腐蚀介质和高温条件下，磨损速率↑↑ 10. 腐蚀分类： （1） 按原理分：化学腐蚀（金属在干燥的气体介质中或不导电的液体介质中发生的腐蚀，无电流产生）和电化学腐蚀（金属在导电的液态介质中因电化学作用产生的腐蚀，有电流产生） （2） 按环境不同：湿蚀、干蚀和微生物腐蚀 （3） 按腐蚀形态不同：全面腐蚀和局部腐蚀 第三章 1．机械性清理：借助机械力出去材料表面上的腐蚀产物、油污及其他各种杂物，以获得清洁表面的过程，就称为机械性清理 2．喷砂或喷丸：以压缩空气或机械离心力为动力，将石英砂、铁砂、钢珠或其他硬质材料喷射或抛射材料表面，利用冲击力和摩擦力来清理材料表面的方法 3．脱脂方法：化学脱脂、有机溶剂脱脂、水剂脱脂、电化学脱脂 第四章 1．表面淬火技术：采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到AC3(亚共析钢)或者AC1（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，就称为表面淬火技术 2．表面淬火技术分类：感应加热淬火、火焰淬火、激光淬火、电子束淬火 3．表面淬火技术与常规淬火技术的区别： （1）提高加热速度将使钢的相变点温度Ac3与Accm大幅度提高，但使Ac1温度升高有3

限。快速加热还可以使A晶粒及其中的亚结构显著细化。材料经表面淬火后的硬度值比普通淬火后的要高 （2）快速加热下渗碳体难以充分溶解，形成的A成分也相当不均匀。它们包括未溶碳化物、高碳偏聚区、贫碳区。表面淬火处理之前需要经行预先热处理（调质、正火、球化退火处理），是碳化物或自由铁素体均匀、细小的分布，以便有利于快速加热时奥氏体的均匀化。 4． 受控喷丸对材料表面形貌与性能的影响： （1）对材料表面硬度影响 一般地，弹丸强度或者动能越大，则变形层深度越大，喷丸后零件的表面硬度也越大，弹丸的硬度越高，喷丸强化层深度越深；其他条件相同时，被喷丸零件的硬度越高，则喷丸强化层越浅 （2）对表面粗糙度影响 受控喷丸以后的零件表面痕迹不同于切削加工表面，痕迹没有方向性，有利于增加零件的疲劳强度 （3）对疲劳寿命与康应力腐蚀能力影响 可以提高材料的疲劳寿命和抗拉应力腐蚀能力；对纯铁、1Cr18Ni9Ti不锈钢、20、45钢、40Cr、60Si2Mn钢喷丸后，疲劳强度提高14%~47%，40Cr、60Si2Mn提高幅度最大。 第五章 热扩渗 1. 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，就称为热扩渗技术 2. 渗层形成机理： （1） 产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面 （2） 建立热扩渗所必需的浓度梯度 （3） 扩渗层生长 4． 影响气体渗碳工艺的主要因素： （1） 温度和时间 （2） 渗碳气氛 （3） 钢的化学成分 5． 气体渗碳的主要形式： （1） 滴注式气体渗碳 （2） 吸热式气氛渗碳 （3） 氮基气氛渗碳 6． 气体渗氮：将氮渗入钢件表面的过程称为气体渗氮 7． 碳氮共渗：520~580oc以渗碳为主 氮碳共渗：780~930oc以渗氮为主 8． 碳氮共渗是一种表面硬度高、耐磨损、抗疲劳、尺寸变形小的热扩渗工艺；与渗碳相比，碳氮共渗的疲劳强度、耐磨性、耐蚀性、抗回火稳定性等都更高。 9． 液体热扩渗：将工件浸渍在熔融液体中，使表面渗入一种或几种元素的热扩渗工艺方法称为液体热扩渗。 10． 液体热扩渗根据工艺特点可以分为盐浴法、热浸法、熔烧法。 11． 固体热扩渗：把工件放入固体渗剂中或用固体渗剂包裹工件加热到一定温度保温一4

段时间，使工件表面渗入某种元素或多种元素的工艺过程。 12． 固体热扩渗特点：设备简单，渗剂配置容易，可实现多种元素的热扩渗，适用于形状复杂的工件，并能实现局部热扩渗；但能耗大，热效率和生产销率低，工作环境差，工人劳动强度大，渗层组织和深度都难以控制。 13． 等离子体热扩渗：利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，形成热扩渗层的工艺过程。 14． 等离子体热扩渗的特点：热扩渗速度快、可控制热扩渗层组织、使易氧化或钝化的金属能进行有效热扩渗、易实现工艺过程的计算机控制。P86 第六章 热喷涂、喷焊与堆焊技术 1． 热喷涂：采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。 2． 热喷涂技术的特点：可在各种基体上制备各种材质的涂层；提提温度低；操作灵活；涂层厚度范围宽。 3． 热喷涂工艺方法：火焰喷涂工艺；电弧喷涂工艺；等离子喷涂工艺；爆炸喷涂和超音速火焰喷涂工艺。 4． 如何选择热喷涂工艺： a. 涂层结合力要求不高，喷涂材料熔点低于250oC时，选择火焰喷涂工艺； b. 工程量大的喷涂，采用电弧喷涂工艺； c. 涂层性能要求高，喷涂高熔点材料时，采用等离子喷涂工艺； d. 结合强度高、孔隙率低的金属以及金属陶瓷，采用超音速火焰喷涂工艺。 5． 常用热喷涂材料：金属热喷涂材料；陶瓷热喷涂材料；塑料热喷涂材料；热喷涂用复合粉末材料。 6． 热喷涂技术的应用 a． 喷涂耐蚀涂层。采用热喷涂技术可以喷涂耐各种介质腐蚀的保护涂层，如锌、铝、不锈钢、镍合金、蒙乃尔合金、青铜、氧化铬陶瓷涂层等； b． 喷涂耐磨涂层。热喷涂技术应用于喷涂机械零件表面的耐磨涂层，延长零件的使用寿命，或修复磨损失效的机械零件。如在汽轮机转子、活塞环、主动齿轮轴颈等滑动磨损部位，喷涂各种铁基或镍基耐磨和金涂层。 c． 喷涂耐高温涂层。热喷涂技术用于改善机械零件的抗高温氧化性能。如超音速火箭喷涂Cr3C2—NiCr涂层，在900以下是非常好的耐磨涂层；采用热障涂层隔离金属基体与高温环境，可以有效保持金属构件的力学性能。美国在“探险者”卫星表面喷涂氧化铝保护层； d． 喷涂功能涂层。热喷涂技术应用于电气工业中，如喷涂屏蔽涂层，用于消除电磁波和无线电波的干扰，同时清除静电放电火花； e．喷涂成型。采用热喷涂制造机械零件，如采用电弧喷涂制造冲压塑料和皮革制品件模具、等离子喷涂陶瓷或耐火金属喷嘴、雷达整流罩。 7． 热喷焊：采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙，这就是热喷焊技术。