表面工程技术讲课

1、 “是将材料表面与基体一起作为一个系统进行设计， 利用表 面改性转化技术、薄膜技术和涂镀层技术， 使材料表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的 系统工程。它是近代技术与经典表面工艺相结合、繁 衍、发展起来的；它拥有坚实的科学理论基础，像表 面界面理论、表面失效理论、腐蚀科学、摩擦科学等； 它包括表面转化改性、薄膜、涂镀层材料与制备工艺、 施涂与检测技术、表面组成与结构分析技术、表面性 能测试技术、检验方法、标准、评价和质量保证与工 艺过程控制等为形成新型表面和表面层工程化生产的 成套技术。它可有效地改善和提高材料和产品的性能 (耐蚀、耐磨、装饰性能)，确保产品使用可靠和安全， 延长使用寿命，

2、或赋予材料和器件特殊的物理和化学 性能，例如声光磁电的转换和存储性能，使电子器件 多功能化和超小型化，有效地节约有限的资源和能源， 减少环境污染，维护可持续发展。” 引自引自国防科国防科 技名词大典技名词大典 表面形变强化表面形变强化 表面工程技术表面工程技术 表面表面转化技术转化技术 薄膜技术薄膜技术 涂层技术涂层技术 表面热流强化表面热流强化 表面合金化表面合金化 化学转化化学转化 电化学转化电化学转化 离子注入离子注入 光学薄光学薄 膜膜 电子学薄膜电子学薄膜 光电子学薄膜光电子学薄膜 集成光学薄膜集成光学薄膜 金刚石薄膜金刚石薄膜 防护用薄膜防护用薄膜 电化学沉积技术电化学沉积技术 有

3、机涂层技术有机涂层技术 无机涂层技术无机涂层技术 热浸镀技术热浸镀技术 防锈技术防锈技术 表面膜层功能特性手册表面膜层功能特性手册 表面（膜）层材料及加工技术表面（膜）层材料及加工技术 表面分析与检测技术、试验方法、标准表面分析与检测技术、试验方法、标准 表面质量与工艺过程控制表面质量与工艺过程控制 表面工程管理与经济分析表面工程管理与经济分析 腐蚀与防护理论腐蚀与防护理论 表面摩擦与磨损理论表面摩擦与磨损理论 表面完整性与界面理论表面完整性与界面理论 表面物理化学表面物理化学 表面化学物理表面化学物理 表面装饰与美学表面装饰与美学 表面功能材料及其应用表面功能材料及其应用 表面失效理论及其分

4、析理论表面失效理论及其分析理论 表面工程基础理论表面工程基础理论 表面工程技术表面工程技术 表面工程技术设计表面工程技术设计 表面工程应用表面工程应用 利用近代技术在零件(或衬底) 表面上沉积厚度为100nm至1m，或数微 米薄膜的形成技术，称为薄膜形成技术， 现在又有将厚度25m的形成技术称为 薄膜技术，25m为厚膜技术 化学或电化学转化技术化学或电化学转化技术 电镀、化学镀技术电镀、化学镀技术 热喷涂技热喷涂技 热浸镀技术热浸镀技术 物理气相沉积技术物理气相沉积技术 化学气相沉积技术化学气相沉积技术 包覆技术包覆技术 暂时性保护技术暂时性保护技术 金属材料金属材料锈蚀特征锈蚀特征锈蚀产物的

5、颜色锈蚀产物的颜色 钢及铸铁钢及铸铁 开始是金属表面发暗，轻锈呈暗灰色，进一步发展会变为褐色或棕黄色，严重 的呈棕色或褐色疤痕甚至锈坑，刮去锈蚀产物后底部呈暗灰色，边缘不规则， 钢铁的氧化皮是氧化物的多层组成，最内层feo，外层为feo+fe3o4，fe3o4，最 外层为fe2o3 fe(oh)fe(oh)3 3黄色；黄色；fefe3 3o o4 4黑色；黑色； feo(oh)feo(oh)棕色；棕色；fefe2 2o o3 3红色；红色；fesfes黑黑 色；色；feclfecl3 3暗褐色；暗褐色；feclfecl2 2暗绿色暗绿色 发蓝发蓝( (氧化氧化) )和和 磷化的钢件磷化的钢件

6、通常呈黄褐色的层锈，也有呈点状，斑状通常呈黄褐色的层锈，也有呈点状，斑状 同上，由于发蓝，磷化后钢铁表同上，由于发蓝，磷化后钢铁表 面呈黑或灰色，所以锈蚀产物的面呈黑或灰色，所以锈蚀产物的 颜色多加深颜色多加深 铜合金铜合金 铜的锈蚀呈绿色，也有呈橘红色或黑色薄层，铝青铜的锈蚀可呈白色，暗绿及铜的锈蚀呈绿色，也有呈橘红色或黑色薄层，铝青铜的锈蚀可呈白色，暗绿及 黑色薄层，严重时呈斑点或层状突起，除去绿色锈蚀产物后，底部有麻坑，铅黑色薄层，严重时呈斑点或层状突起，除去绿色锈蚀产物后，底部有麻坑，铅 青铜的锈铜有时呈白色。黄铜有脱锌腐蚀、锈蚀性破裂（即季裂）等青铜的锈铜有时呈白色。黄铜有脱锌腐蚀、

7、锈蚀性破裂（即季裂）等 cuocuo黑色；黑色； cucu2 2o o橘红色；橘红色；cuscus黑色；黑色； cuclcucl2 2绿色；绿色；cu(oh)cu(oh)2 2cuco3cuco3绿色绿色 铝合金铝合金 初期呈灰白色斑点，发展后出现灰白色锈蚀产物，刮去锈独产物后底部出现麻初期呈灰白色斑点，发展后出现灰白色锈蚀产物，刮去锈独产物后底部出现麻 孔，硬铝会出现局部腐蚀、剥蚀、晶间腐蚀孔，硬铝会出现局部腐蚀、剥蚀、晶间腐蚀 alal2 2o o3 3白色；白色；al(oh)al(oh)3 3白色；白色；alclalcl3 3 白色白色 锌、镉、锡及锌、镉、锡及 其镀层其镀层 初期呈灰白

8、色斑点，发展后生成黑色、灰白色点蚀，并有灰白色锈蚀产物，除初期呈灰白色斑点，发展后生成黑色、灰白色点蚀，并有灰白色锈蚀产物，除 去锈蚀产物后有坑，锌、镉在有机气氛下，腐蚀产物如白霜，俗称去锈蚀产物后有坑，锌、镉在有机气氛下，腐蚀产物如白霜，俗称“长白毛长白毛”， 锡、锌、镉在应力及湿度作用下会产生锡、锌、镉在应力及湿度作用下会产生“晶须晶须” znozno、zncoznco3 3、zn(oh)zn(oh)2 2、znszns、 cd(oh)cd(oh)2 2、cdcocdco3 3、sn(oh)sn(oh)2 2、 sn(oh)sn(oh)3 3均为白色；均为白色；cdocdo、cdscds为

9、黄为黄 色；色；snssns灰褐色灰褐色 银及其镀层银及其镀层 在空气中易氧化变暗，常见的锈蚀呈暗灰、黑色，也有呈黄或棕褐色，银有通在空气中易氧化变暗，常见的锈蚀呈暗灰、黑色，也有呈黄或棕褐色，银有通 过陶瓷、塑料、云母、玻璃迁移，并能向铜、金中扩散过陶瓷、塑料、云母、玻璃迁移，并能向铜、金中扩散 agoago褐色；褐色；agag2 2s s灰黑色；灰黑色； agclagcl白色白色 镍及其镀层镍及其镀层 初期呈暗灰斑点，发展后锈蚀产物为绿色粉末疏松物镍基高温合金在高温燃气初期呈暗灰斑点，发展后锈蚀产物为绿色粉末疏松物镍基高温合金在高温燃气 作用后，在大气条件下也会产生绿色锈点作用后，在大气条

10、件下也会产生绿色锈点 ni(oh)ni(oh)2 2、niclnicl2 2、niconico3 3均为浅绿均为浅绿 色色 镁合金镁合金 初期呈灰白色斑点，发展后在锈蚀处出现灰白色粉末，除去锈蚀产物后底部有初期呈灰白色斑点，发展后在锈蚀处出现灰白色粉末，除去锈蚀产物后底部有 黑坑。镁合金锈蚀一直沿阳极区伸入，呈深孔交错状黑坑。镁合金锈蚀一直沿阳极区伸入，呈深孔交错状 mgomgo白色；白色；mg(oh)mg(oh)2 2白色；白色； mgcomgco3 3白色白色 铅及其镀层铅及其镀层 一般呈白色或黑色薄层，也有呈红褐色或棕色。镀层腐蚀严重时，会露出基体一般呈白色或黑色薄层，也有呈红褐色或棕色

11、。镀层腐蚀严重时，会露出基体 金属金属 pb(oh)pb(oh)2 2、pbcopbco3 3、pbclpbcl2 2均为白色；均为白色； pbspbs黑色；黑色；pbopbo黄色；黄色；pbopbo2 2棕、褐棕、褐 色；色；pbpb3 3o o4 4鲜红色鲜红色 钴钨合金钴钨合金锈蚀产物一般呈橘红色锈蚀产物一般呈橘红色coclcocl2 26h6h2 2o o玫瑰红色玫瑰红色 工工 具具 或或 仪仪 器器适适 用用 范范 围围 放大镜放大镜放大放大520倍观察外形倍观察外形 双筒实体显微镜双筒实体显微镜放大放大20100倍后进一步观察腐蚀特征倍后进一步观察腐蚀特征 光导纤维内腔光导纤维内腔

12、 检查仪检查仪 用以检查内腔锈蚀情况。用以检查内腔锈蚀情况。 金相显微镜金相显微镜在低倍（在低倍（100倍）放大后，可加大倍数放大，并拍倍）放大后，可加大倍数放大，并拍 照照 电子探针电子探针对微量的腐蚀产物做定性分析，对微量的腐蚀产物做定性分析， x射线衍射仪射线衍射仪 x光结构仪光结构仪 对微量的腐蚀产物作定性分析，并可测出其结构对微量的腐蚀产物作定性分析，并可测出其结构 红外线光谱仪红外线光谱仪可对有机化合物作分析，以区别是否锈蚀产物可对有机化合物作分析，以区别是否锈蚀产物 激光微区分析仪激光微区分析仪难以刮取腐蚀产物的部件处，定性或半定量地测难以刮取腐蚀产物的部件处，定性或半定量地测

13、量量 椭圆仪椭圆仪可以测量几可以测量几m或或1m以下的氧化膜及其他膜的厚以下的氧化膜及其他膜的厚 度度 材材 料料 鉴鉴 别别 试试 剂剂使使 用用 说说 明明 钢铁钢铁 盐酸盐酸 1.52ml 亚铁氰化钾亚铁氰化钾 1g 亚砷酸钠亚砷酸钠 0.5g 蒸馏水蒸馏水 100ml 将试剂滴在预鉴别之处，一分钟左右，在锈蚀处将试剂滴在预鉴别之处，一分钟左右，在锈蚀处 便出现白色变蓝色，若无锈蚀，则无此反应。该便出现白色变蓝色，若无锈蚀，则无此反应。该 溶液对基体金属在溶液对基体金属在1020分钟内不反应分钟内不反应. 原理：原理： 4fe+3+3fe(cn)63蓝色蓝色 注：当有大量注：当有大量cu

14、+时，此方法不可靠，因为时，此方法不可靠，因为cu+ 与亚铁氰化钾生成化合物沉淀与亚铁氰化钾生成化合物沉淀cu2fe(cn)(玫瑰玫瑰 色胶体色胶体)，干扰结果，干扰结果 铜铜 硫酸硫酸 10%水溶水溶 液液 硫氰酸钾硫氰酸钾 5% 将试剂滴在鉴别处，在锈蚀处出现黑色（用新配将试剂滴在鉴别处，在锈蚀处出现黑色（用新配 的溶液）的溶液） 原理：原理：cu+2scn-cu(scn2)（黑色）（黑色） 镁合镁合 金金 1n苛性钠溶液苛性钠溶液 镁试剂镁试剂0.1% mgco3或或mgo与镁试剂反应生成蓝色沉淀与镁试剂反应生成蓝色沉淀 铝合铝合 金金 0.1%茜素的酒茜素的酒 精溶液精溶液 将溶液滴于

15、鉴定处，铝锈将溶液滴于鉴定处，铝锈al(oh)3或或al2o3与与 茜素酒精溶液生成难溶解的亮红色化合物茜素酒精溶液生成难溶解的亮红色化合物 注意：铜的干扰，铜盐溶液用氨处理时与茜素作注意：铜的干扰，铜盐溶液用氨处理时与茜素作 用生成玫瑰红色用生成玫瑰红色 northwest mettech corp northwest mettech corpnorthwest mettech corp 等离子喷涂工艺过程 电弧喷涂示意图 火焰喷涂示意图 空气空气 粉末粉末 燃气燃气 燃气和空气燃气和空气 二次进入二次进入 超音速火焰喷涂示意图超音速火焰喷涂示意图 爆炸喷涂示意图 金属熔点 500 1000

16、 1500 2000 200400600800 2500 arc flame plasma hvof-1 hvof-2 ac-hvaf 01000 粒子温度 粒子速度 米/秒 不同热喷涂工艺喷涂粒子特性比较不同热喷涂工艺喷涂粒子特性比较 detonation spraying 镀锌钢 板 （带） (1) 建筑业：屋顶板、墙壁、落水槽、落水管、下水道、隔壁龙骨架、 通风管道、空调设备等 (2) 车船制造业：汽车、火车等各种车辆的外壳及内部构件，船舶的顶 棚及隔墙等 (3) 容器制造业：石油贮运容器、各种化工原料盛装桶、工业用水箱及 水槽、军工用子弹箱、粮食桶仓、啤酒发酵缸、各种集装箱、民用 水桶

17、及各种器具等 (4) 机电工业：机械构件、马达外壳、机构制冷设备、冷库、配电柜、 电缆包皮、电缆桥架、电线软管等 (5) 家用电器及其他：洗衣机、电冰箱、吸尖器、空调器、火炉烟囟、 保险柜及家具等 镀锌钢 结构件 （1）广播电视塔及拉线桅杆等 （2）邮电通信用各种铁塔、微波塔等 （3）长距离输电铁塔 （4）各种用途的钢结构架（防雷、照明及广告宣传牌）等 （5）各种建筑用钢结构件 （6）交通设施用钢结构件（护栏、立柱及连接件标志杆、标志牌）等 （7）公路及铁路的桥梁等 镀 铝 钢 材 耐热汽车排气管、消音器、换热器、炉罩、反射板、燃烧 室内衬、烟囟、烟道、烘箱、食品烤箱等 耐蚀建筑物的屋顶板、面

18、板、瓦垅板、空调管道、通风管 道、电缆桥架、电缆铠装、卷帘门、各种水槽、粮仓、 集尘器、脱硫装置、标志牌、广告牌等 镀 铝 钢 管 耐热 与耐 蚀 石油加工设备管道、煤气管道、蒸气管道、热水管、 热交换器、锅炉水冷壁管、合成氨设备管道、油舱上 蒸气管道、石油加工热解炉管、电偶保护管、吹氧管、 烟囟等 x c x c dj )( 2 x c d xt c 2 2 x c d t c 流态床渗碳 离子渗碳 真空渗碳 高频加热渗碳 特殊渗碳 氮基气氛渗碳 吸热式气体渗碳 滴注式气体渗碳 气体渗碳 液体渗碳盐浴渗碳 膏剂渗碳 装箱渗碳 固体渗碳 类类 别别 钢钢 种种 主主 要要 用用 途途 典典 型

19、型 零零 件件 低低 强强 度度 渗渗 碳碳 钢钢 08,10,15,20,25,15m n,20mn,20mn2,20 mnv, 15cr,20cr等等 制造载荷不大，磨损制造载荷不大，磨损 轻微的小型零件轻微的小型零件 摩擦片、衬套、链条摩擦片、衬套、链条 片、工装、夹具、量片、工装、夹具、量 具等具等 中中 强强 度度 渗渗 碳碳 钢钢 12crni3a, 20crmnti, 20crmnmo,20mn tib, 20mnvb,20crmn, 15crmnmo等等 制造尺寸较大、中等制造尺寸较大、中等 负负荷、耐疲劳的零负负荷、耐疲劳的零 件件 变速齿轮、齿轮轴、变速齿轮、齿轮轴、 十字

20、销头、花键轴套、十字销头、花键轴套、 气门座、凸轮盘等气门座、凸轮盘等 高高 强强 度度 渗渗 碳碳 钢钢 12cr2ni4a, 18cr2ni4wa, 25mntib, 20simn2mov等等 制造高强度、重负荷制造高强度、重负荷 耐磨损、抗疲劳的零耐磨损、抗疲劳的零 件件 航空发动机主传动齿航空发动机主传动齿 轮、涡轮轴、内燃机轮、涡轮轴、内燃机 车主动牵引齿轮、柴车主动牵引齿轮、柴 油机曲轴、连杆及缸油机曲轴、连杆及缸 头精密螺栓等头精密螺栓等 高高 温温 渗渗 碳碳 钢钢 20mocr5,20mncr 5等等 用于高温渗碳零件用于高温渗碳零件 类类 别别 钢钢 号号 渗氮后的主要性能

21、渗氮后的主要性能 主主 要要 用用 途途 低碳钢低碳钢 08 ,08al ,10, 15, 20, a3,20crmo, 30, 35 抗大气与水的腐蚀抗大气与水的腐蚀螺栓、螺母、销钉，把手等零螺栓、螺母、销钉，把手等零 件件 中碳钢及中碳中碳钢及中碳 低合金钢低合金钢 40, 45, 50, 40cr, 50v 提高耐磨与疲劳性能或提高耐提高耐磨与疲劳性能或提高耐 大气及水的腐蚀性能大气及水的腐蚀性能 曲轴、阶梯轴、低档齿轮等零曲轴、阶梯轴、低档齿轮等零 件件 低碳合金钢低碳合金钢 18cr2ni4wa,18crniwa, 20cr,20crmnti,25crniwa, 25cr2mova

22、耐磨、抗疲劳性能优良，心部耐磨、抗疲劳性能优良，心部 韧性高，可在冲击载荷下工作韧性高，可在冲击载荷下工作 轻负荷齿、轮齿圈等中、高档轻负荷齿、轮齿圈等中、高档 精密零件精密零件 中碳合金钢中碳合金钢 38crmoala,35crnimoa, 35crmo,38cr2moala,42crmo, 25cr3mo,40crnimoa,30cr3wa,30cr mnsia, 30cr2ni2wva, 35cr3mo,50crva, 耐磨抗疲劳性能优良，心部强耐磨抗疲劳性能优良，心部强 韧性好，韧性好，38crmoala渗氮后表渗氮后表 面硬度很高，脆性较大，不宜面硬度很高，脆性较大，不宜 承受冲击载荷承受冲击载荷 制造气缸筒、轴套、轴承座、制造气缸筒、轴套、轴承座、 阀杆、发动机高、低压涡轮轴、阀杆、发动机高、低压涡轮轴、 联轴器等要求耐磨的承力构件联轴器等要求耐磨的承力构件 模具钢模具钢 cr12,cr12mov,3cr2w8v, 4cr5