材料科学与工程概论 作者 杜双明 全书 第10章

第 10章 材料表面处理技术1第 10章 材料表面处理技术10.1 概述10.2 表面淬火10.3 化学表面热处理10.4 电镀和化学镀10.5 气相沉积技术10.6 离子注入10.7 热喷涂10.8 堆焊10.9 熔覆技术10.10 表面技术选择与设计的一般原则第 10章 材料表面处理技术2在线教务辅导网： 教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187 或者直接输入下面地址：第 10章 材料表面处理技术310.1 概 述10.1.1 表面工程及其应用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。第 10章 材料表面处理技术410.1.2 表面工程技术的分类1表面改性 表面改性是指通过改变基质材料表面的化学成分，来达到改善表面结构和性能的目的。这一类表面工程技术包括化学热处理、离子注入和转化膜技术等。转化膜技术取材于基质中化学成分形成新的表面膜层，可归入表面改性类 (见图 10-1)。第 10章 材料表面处理技术5图 10-1 表面改性技术第 10章 材料表面处理技术62表面处理表面处理时不改变基质材料的化学成分，只通过改变表面组织结构及应力达到改变表面性能的目的。这一类表面工程技术包括表面变形处理、表面淬火热处理以及表面纳米化加工技术等 (见图 10-2)。第 10章 材料表面处理技术7图 10-2 表面处理技术第 10章 材料表面处理技术83表面涂覆表面涂覆是在基质表面上形成一种膜层。涂覆层的化学成分、组织结构可以和基质材料完全不同。涂覆层的厚度可以是几毫米，也可以是几微米。通常在基质零件表面留有加工余量，以实现表面具有工况需要的涂覆层厚度。 第 10章 材料表面处理技术94复合表面工程技术复合表面工程技术是对上述三类表面工程技术的综合应用。 第 10章 材料表面处理技术105纳米表面工程技术纳米表面工程技术是利用纳米材料、纳米结构的优异性能，将纳米材料、纳米技术与表面工程技术交叉、复合、综合，在基质材料表面制备出含纳米颗粒的复合涂层或具有纳米结构的表层。 第 10章 材料表面处理技术1110.2 表 面 淬 火10.2.1 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是用乙炔 氧或煤气 氧的混合气体燃烧的火焰，喷射在零件表面上，使它快速加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，从而获得预期的淬硬层深度和硬度的一种热处理方法，其示意图如图 10-3所示。第 10章 材料表面处理技术12图 10-3 火焰加热表面淬火示意图第 10章 材料表面处理技术1310.2.2 感应加热表面淬火感应加热表面淬火是将工件放在通有中频或高频交流电 (频率一般为 500 300 000 Hz)的感应器 (空心铜管绕成 )内，于是工件中就感应产生同频率的感应电流，将工件表面迅速加热，当达到淬火温度时立即喷水或浸油冷却，从而获得预期的淬硬层深度和硬度的一种表面淬火方法。 第 10章 材料表面处理技术14图 10-4 感应加热表面淬火示意图第 10章 材料表面处理技术1510.2.3 激光表面淬火激光表面淬火是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面 (激光加热速度一般为 103 104 /s)，使其发生相变，然后停止加热或移开激光束，形成马氏体淬硬层的过程。激光淬火的功率密度高，冷却速度快 (冷却速度可达104 /s，甚至 1010 /s)，可实现自冷淬火，即不需要水或油等冷却介质，是一种清洁、快速的淬火工艺。第 10章 材料表面处理技术16激光淬火的特点如下：(1) 激光淬火的热循环过程快，淬火零件不变形；(2) 采用防氧化保护薄涂层几乎不破坏表面粗糙度；(3) 淬火激光淬火不开裂；(4) 对局部、沟、槽可进行定位精确的数控淬火；(5) 激光淬火清洁、高效，不需要水或油等冷却介质；(6) 淬火硬度比常规方法高，淬火层组织细密、强韧性好。第 10章 材料表面处理技术17第 10章 材料表面处理技术1810.3 化学表面热处理化学表面热处理是通过原子扩散、化学反应等方法，使被处理材料表面成分、组织、形貌发生改变，从而使表面获得不同于基体材料性能的工艺方法。这一工艺方法已被广泛应用于金属材料以及无机非金属材料的表面改性处理。第 10章 材料表面处理技术19第 10章 材料表面处理技术2010.4 电镀和化学镀10.4.1 电镀1电镀及其应用电镀是用电化学的方法在镀件表面上沉积所需金属或合金覆层的工艺。它是以被镀件金属为阴极，在外电流作用下，使镀液中欲镀金属的阳离子沉积在被镀件金属的表面上，而形成镀层 (金属、合金或半导体等 )的表面加工方法。第 10章 材料表面处理技术212电镀层的种类电镀层的种类有多种，若根据镀层使用的目的来分，大致可分为八类： 防护性镀层，镀锌层和镀锡层属于此类镀层。 装饰性镀层，装饰性镀层多半都是由多层镀形成的组合镀层，例如，铜 /镍 /铬多层镀，现在汽车铝轮毂的电镀层数有的多达九层。 功能性镀层，为了满足工业生产和科技上的一些要求。 抗高温氧化镀层，例如，喷气发动机的转子叶片和转子发动机的内腔等，常需要镀镍、钴、铬及铬合金，以防止其在高温腐蚀介质中氧化或热疲劳而损坏。第 10章 材料表面处理技术22 导电镀层，在印制电路板、 IC元件等，需要大量使用提高表面导电性镀层，通常采用镀铜、银和金。 磁性镀层，在电子计算机和录音机等设备中，所使用的录音带、磁盘和磁鼓等储存装置均需要磁性材料。 焊接性镀层，有些电子元件器件进行组装时，常需要进行钎焊，为了改善和提高它们的焊接性能，在表面需要镀一层铜、锡、银以及锡 -铅合金等。 修复性镀层，有些大型和重要的机器部件经过使用磨损后，可以用电镀或刷镀法进行修补。 第 10章 材料表面处理技术23第 10章 材料表面处理技术2410.4.2 化学镀化学镀是利用合适的还原剂被氧化而释放自由电子，把溶解中的金属离子还原为金属原子，并沉积在工件表面的过程。 第 10章 材料表面处理技术2510.5 气相沉积技术气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程，在材料表面形成具有特殊性能的金属或化合物覆层的工艺方法。 第 10章 材料表面处理技术26图 10-5 气相沉积分类方法第 10章 材料表面处理技术2710.5.1 物理气相沉积物理气相沉积技术是在真空条件或充氩气 (Ar)的真空条件下，采用物理方法，将材料源 固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体 (或等离子体 )过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。第 10章 材料表面处理技术28第 10章 材料表面处理技术2910.5.2 化学气相沉积化学气