《表面工程学》复习资料

1、表面工程学复习资料1 .表面工程技术：指为了满足特定的工程需求，是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。2 .表面工程技术分类：（1 ）表面改性技术（2）表面微细加工技术（3）表面加工三 维成型技术（4）表面合成新材料技术。表面：一般将固相和气相之间的分界面称为表面。 界面：把固相之间的分界面称为界面3 .典型的固相表面：（1 ）理想表面，（2）洁净表面与清洁表面（3）机械加 工表面 （4） 一般表面。4 .典型固体界面：界面指两个块体相之间的过渡区空间尺度一一原子间力作用影响 范围大小状态一一材料和环境条件特征。（1）基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的 界面（比尔比

2、层：离表面约5nm的区域内，点阵发生强烈畸变，形成的厚度约1-100nm 的晶粒极微小的微晶层。它具有粘性液体膜似的非晶态外观，不仅能将表面覆盖的很平滑， 而且能流入裂缝或划痕等表面不规则处；下面为塑性流变层）（2）基于固相组织或晶体结构 差异形成的界面（3）基于固相宏观或成分差异的界面。宏观成分差异形成的界面：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 .吸附对材料力学性能的影响一一莱宾杰效应：许多情况下，由于环境介质的作 用，材料的强度，塑性，耐性，耐磨性等力学性能大大降低，产程原因：（1 ）不可逆转物理 过程与物理化学过程引起的效应（2

3、）可逆物理过程和可逆物理化学过程引起的效应，这些 过程下降，固体表面自由能，并不同程度地改变材料本身的力学性能。这种因环境介质的 影响及表面自由能减少导致固体强度，塑性降低的现象，称为莱宾杰尔效应。特征：（1）环境介质的影响有很明显的化学特征。（2）只要很少的表面活性 物质就 可以产生莱宾杰尔效应。（3）表面活性熔融物的作用十分迅速（4）表面活性物质的影响可 逆（5）莱宾杰尔效应的产生需要拉应力和表面活性物质同时起作用。本质：是金属原子对活性介质的吸附，使表面原子的不饱和键得到补偿，使表面能降 低，改变表面原子间的相互作用，使金属表面的强度降低。实际意义：（1 ）此效应提高金属加工效率（2）应

4、注意避免因此效应所造成 的材料早期破坏。7 .磨粒磨损：一个凸起硬面和另一表面接触，或者在两个摩擦面之间存在或嵌有硬颗 粒，在相对运动中导致材料迁移。影响因素：（1 ）磨粒硬度，形状和粒度的影响（2）材料 力学性能与微观组织的影响（3）工况和环境条件的影响。8 .粘着磨损：摩擦面相对滑动时，固相焊合点撕裂，断裂导致材料迁移。9 .提高耐磨性的途径：（1 ）工程结构的合理设计产品内部设计必须合理，在满足条 件下，尽量降低对磨材料的交互作用力设计时应对零件的重要性、维修的难易程度、产品 成本、使用特点、环境特点等预先进行综合分析（2）零件磨损机理预测，分析和耐磨材料的选择（3）材料表面耐磨与减磨处

5、理使表面具有良好的力 学性能，如高硬度，高韧度。设法降低材料表面的摩擦系数。10 .电化学腐蚀：指金属在导电的液态介质中因电化学作用导致的腐蚀，在 腐蚀过程 中有电流的产生。保持氧化膜的必要条件是：新生成的氧化物摩尔体积v氧化物=m，/ （xd）必须大于氧化物消耗掉的金属的摩尔体积v金属=m/p11 .钝化：这种由于金属表面状态的改变引起金属表面活性的突然变化，使表面反应速 度急剧降低的现象。12 .两种理论：（1）成相膜理论（处于介质中的金属表面能生成一层致密的，覆盖良 好的保护膜）（2）吸附理论（不一定要形成完整的钝化膜才会引起金属表面钝化，只要金属 的部分表面上形成氧原子吸附层，就可以产

6、生钝化）两种理论区别：成像膜理论强调了钝化层的机械隔离作用，吸附理论认为主要是吸附 层改变了金属表面的能量状况，使金属不饱和键趋于饱和，降低了金属表面的化学活性，造 成钝化活化：钝化的相反过程，消除金属表面的钝化状态：金属表面净化、增加金属表面的化 学活性区。13 .化学脱脂：利用碱与油脂类起化学反应来去除材料表面的油污（操作简便、脱脂 能力强，安全可靠、易实现自动化）14 .化学浸蚀：采用酸与金属材料表面的绣，氧化皮及其他腐蚀产物起反应，使其溶 解度下降而除去的工艺（浸蚀速度快，生产效率高，不受工件形状限制，浸蚀彻底，劳动强度 低，操作方便，易于实现机械化，自动化生产）化学浸蚀的一般工艺工程

7、：脱脂-冷水洗 （2次）-化学浸蚀-水洗-中和-水洗15 .表面淬火技术：采用特定热源将钢铁表面快速加热到ac3或ac1之上，然后使 其快冷却并发生m相变，形成表面强化层的工艺过程。组织：淬硬区（温度高于ac3），过 渡区（ac3ac1），心部组织（原始组织，小于ac1）。性能：表面淬火层硬度比普通淬 火工艺的高25hrc，淬火后工件耐磨性更好。此外，表面淬火还可以再零件表面产生正压 力，抑制裂纹的萌生和扩展，提高轴类零件的疲劳强度并使其缺口敏感性下降。激光表面熔凝（液相淬火法）：采用激光束将基材表面加热到熔化温度以上，当激光束 移开后由于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的表面

8、处理工艺工件横截面沿深度方向的组织依次为：熔凝层、相变硬化层、热影响区、基材16.热渗透：形成扩散层的三个基本条件：（1 ）渗入元素必须能够与基体金属形成 固溶体或金属间化合物。（2）欲渗元素与基材之间必须有直接接触。（3）被渗元素在基体 金属中要有一定得渗入速度。17渗透层形成机理（1 ）产生渗剂的活性原子并提供给基体金属表面。（2）渗剂元 素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收，形成最初的表面固溶体或金 属间化合物，建立热扩散所必须的浓度梯度。（3）渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基 体金属原子也同时向渗层中扩散，使扩散层增厚，即扩散层成长过程，简称扩散过程。扩散 的机理有

9、三种：间隙式扩散机理，置换式扩散机理，空位式扩散机理。18.热浸ai ：是将钢材或工件浸入到熔融ai液中，使钢材或工件表面形成ai及ai合 金的方法。过程：铁基表面被溶解，并形成合金层合金层中的渗入原子向内扩散，形成固 溶体或化合物。合金层表面包络一层纯金属。19,等离子体热渗透：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。原理：在辉光放电时，电离出来的正离子，在电场作用下轰击阴极表面， 并使阴极材料的某些原子和电子逸出表面，在离子热扩渗中，开始阶段利用强阴极溅射清洁 工件表面，热扩渗时控制阴极溅射以保持工件表面的粗糙度和获得所需的渗层组织。20 .热喷涂的技术特

10、点：（1）可在各种基体上制备各种材质的涂层（2）基体温度低 （3）操作灵活（4）涂层厚度范围宽。影响因素：设备，材料，工艺，人员，称之为4m 因素。21 .等离子喷涂与喷焊之间的区别：（1）等离子喷涂时，等离子弧建立在喷枪内鸨阴 极与铜阳极喷嘴之间，称为非转移弧，而等离子喷则采用非转移弧和转移弧的联合弧。（2）等离子喷焊枪与等离子喷涂枪不同，区别在喷嘴中等离子弧通道的长度和直径比比较 小，通常在1-l4之间。22 .常用喷涂材料：（1 ）金属喷涂材料，有线材和粉末两种。（2）陶瓷热喷涂材料，主要集中在氧化物陶瓷材料上，主要形式是粉末。（3）塑料热喷涂材料，一般采用粉 末形式。（4）热喷涂用复合

11、粉末材料。为适应热喷涂工艺而制备的复合材料。通过增 强相增强涂层性能的复合材料。23 .电镀溶液的基本组成：（1 ）析出的金属易溶于水的盐类，称为主盐。（2）能与 析出的金属离子形成铭盐的成分（3）提高镀液导电性的盐类（4）能保持溶液的ph值在 要求范围内的缓冲剂（5）有利于阳极溶解的助溶阴离子（6）影响金属离子在阴极上析出的 成分一添加剂24 .转化膜及着色：转化膜技术：是通过化学或电化学方法，使金属表面形成稳定的化 合物膜层而不改变金属外观的技术。25 . p化：磷化膜由金属表面与稀磷酸及磷酸盐溶液接触而形成的。26 .格酸盐钝化膜：钝化膜式无定形膜，主要由不溶性的三价铭化合物和可溶性的六

12、价 铭化合物组成。不溶性部分具有足够的强度和稳定性，成为膜的骨架，可溶性部分充填在骨 架内部，当钝化膜受到轻度损伤时，露出的基体与膜中的可溶性部分相互作用，使膜自动修 复。即自愈作用。27 .发蓝：钢铁的化学氧化俗称蓝处理，膜的成分为fe3o4，根据制件的表面状态，材 料的成分和氧化处理工艺规范的不同，可获得蓝黑色和黑色的氧化膜。28 .铝阳极氧化物膜的组成与结构：多孔膜为细胞状结构，其形状在膜的形成过程中会 发生变化。氧化膜细胞状结构的大小在决定氧化膜的多孔性和它的性能是都很重要。keller 模型。29 .着色：铝和铝合金容易生成阳极氧化膜，阳极氧化膜是最理想的着色载体，所以铝 材是最用以

13、着色的。方法有：自然显色法，吸附着色法，电解着色法（二次电解法或浅田法）30.涂料的基本组成：成膜物质，颜料，溶剂，助剂。31 .阴极电泳涂料：阴极电泳涂料时在树脂分子链中引入含n，s，p的基团，用酸中 和形成盐，能电离成阳离子聚合物而增溶分散于水中。32 .电泳涂装：有阳极电泳和阴极电泳，特点：自动化流水线生产，机械化，工人劳 动强度低，生产效率高。33 . pvd,cvd定义：在真空条件下，以各种物理方法产生的原子或分子沉积 在基材 上，形成薄膜或涂层的过程称为pvd。cvd:把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物，单 质气体通入放置有基片的反应室，借助气相作用或在基片上的化学反应生成希望的

14、薄膜。34 .溅射：用高能粒子轰击固体表面，通过能量传送，使固体的院子或分子逸出表面并 沉积在基片或工件表面形成薄膜的方法。有离子束溅射，阴极溅射两种。原理：利用低压 气体的异常辉光放电产生的阳离子，在电极作用下高速冲向阴极。机理：（1）靶材原子脱离 晶格，克服表面势垒，直接发生溅射，并在基材上成膜。（2）靶材原子产生原位振动，并波 及周围原子使靶材温度升高（3）靶材原子出现反冲，使周围原子碰撞移位，并如此反复出 现多次反冲现象，称为级 联碰撞。35 .离子镀膜：特点：（1 ）膜层与基层结合力高（2）均镀能力强（3）基体材料与 镀膜材料可以广泛搭配。包括真空，反应，化学，交流，离子束离子镀等。

15、36 . cvd制备薄膜的主要参数：（1）温度（2）反应物供给配比（3）压力37 .外延：外延是一种单晶薄膜的技术，若外延层与衬底材料在结构和性质上相同，则 称为同质外延，若两者不同，则为异质外延。典型的外延有气相外延，液相外延，分子束外 延。38 .高能束：由高密度光子，电子，离子组成的激光束，电子束，离子束有一个共同 特点，就是通过特定装置可以聚焦到很小甚至非常细微的尺寸39 .激光器：二氧化碳激光器，yag激光器，和准分子激光器。yag激光器：由 工作物质，泵浦源，聚光腔，光学谐振腔，冷却滤光及激光电源组成。特点：结构紧凑，重量 轻，使用简便可靠，维修要求低。准分子激光器：指在激发态能够

16、暂时结合成不稳定分子， 而在基态又迅速离解成原子的缔合物，因而也称为受激准分子。特点：输出波长短，单光子 能量高，重复性好，波长可调谐运转。40 .离子注入：定义：是将从离子源中引出的低能离子束加速成具有几万到几十万伏 的高能离子束后注入到固体材料的表面，形成特殊物理，化学或者力学性能表面改性层的过 程，具有原子冶金特征。强化机理：（1）固熔强化效应。（2）晶粒细化效应。（3）晶 格损伤效应。（4）弥散强化效应。（5）晶格变换效应。（6）压应力效应。41 . piii原理：由于电子质量轻，在脉冲电场作用下其加速度远远大于离子 的加速度， 并迅速离开处于负偏压的试样，留下一个等离子体壳。壳内的离

17、子往试样方向加速并注入到 试样表面，同时等离子体往外扩展，直到高压断开或者达到稳定，当下一个高压脉冲加上 后，上衣过程再次发生，离子不断注入工件表面二、简答题1、表面工程技术的内涵（分类）；表面改性技术、表面合成材料技术、表面加工技术、表面加工三维合成技术2、表面工程技术的特点与意义；表面工程技术具有一般整体材料加工技术不具备的优点。1）主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大。因此，可以制备 表面性能与基材性能相差很大的复合材料。2）采用表面涂（镀）、表面合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材料表面具 有特殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐

18、磨性和耐蚀 性，提高劳动生产率，降低生产成本。3 ）可以兼有装饰和防护功能，有力推动了产品的更新换代。4）表面薄膜技术和表面微细加工技术具有微细加工功能，是制作大规模集成电路、光导 纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础技术。5）二维的表面处理技术已发展成为三维零件制造技术（生长型制造法），不仅大幅度 降低了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高。6）表面工程技术已成为制备新材料的重要方法，可以在材料表面制备整体合金化难以做 到的特殊性能合金等。3、表面工程技术中结合界面的类型及其结合强度的特点；1）冶金结合界面特点：结合强度很高，可以承受较大的外力或载荷，不易在服役过程中发生剥落

19、2）扩散结合界面特点：覆层与基材之间的成分梯度变化，并形成了原子级别的混合或合金化3）外延生长界面特点：理论上应有较好的结合强度。具体取决于所形成的单晶层与衬底的结合键类型，如分子键、共价键、离子键或金属键等。4）化学键结合界面特点：结合强度较高，界面的韧性较差，表面发生粘连、氧 化、腐蚀等化学作用也会产生化学键结合界面。5）分子键结合界面特点：覆层与基材（或衬底）之间未发生扩散或化学作用。 结合强度较低。6）机械结合界面特点：结合强度不高，但可起辅助作用。4、固体表面的吸咐的种类及特点；固体表面的吸附可分为物理吸附和化学吸附两类。5、写出young方程并说明“润湿”与“不润湿”：young方

20、程：young方程反映了润湿角的大小与三相界面张力之间的定量关系：5、表面粗糙度的两种常用表达方式；6、最常见的磨损种类；如何通过表面技术提高耐磨性？磨损分为七类：粘着磨损磨粒磨损 疲劳磨损 腐蚀 磨损（最基本的）微动磨损 冲蚀（包括气蚀）磨损 高温磨损 提高零件耐磨性的途径：1）工程结构的合理设计2）零件磨损机理预测、分析和耐磨材料的选择3）材料表面耐磨与减摩处理7、腐蚀按材料腐蚀原理可分为哪两类？化学腐蚀、电化学腐蚀8、金属腐蚀的主要形式；金属材料腐蚀控制及防护方法；金属腐蚀的主要形式：局部腐 蚀、全面腐蚀和在机械力作用下的腐蚀。金属材料腐蚀控制及防护方法：1.产品合理设计与正确选材2电化

21、学保护3表面 覆层及表面处理4加入缓蚀剂9、表面预处理的作用及主要工序；作用：清除材料表面杂质，露出材料（金属）本色 使并使其处于活化状态，获得“清洁表面”甚至“洁净表面”，以提高表面覆层的质量 以及覆层与基材的结合强度。表面预处理工序主要包括脱脂、除锈和获取一定程度粗 糙度的表面等几部分。10、形成热扩渗层的基本条件；4 ）渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。2）欲渗元素与基材之间必须有直接接触。3）被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度。4）（对靠化学反应提供活性原子的热扩渗工艺）该反应必须满足热力学条件。（产生活性原子；反应平衡常数1%。）11、热扩渗层的形成机理；1）产

22、生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面活，性原子的提供方式：热激活能法、化学反应法（常用方法）2）渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸 收，形成最初的表面固溶体或金属间化合物，建立热扩渗所必须的浓度梯度。3）渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩 散，使扩渗层增厚，即扩渗层成长过程（简称扩散过程）。扩散的机理：间隙式扩散、置换式扩散和空位式扩散机理。12、常用的热浸渗方法及其应用；热浸渗工艺种类:溶剂法（湿法和干法）、氧化还原法（森吉米尔法）。两种方法是按脱脂除锈、表面保洁方式来分类的。热扩渗锌层具有良好的耐腐蚀能力，更高的硬度和耐磨性。渗铝是一种

23、既可以保 持工件的基体韧性，又可以提高表面的抗氧化和耐腐蚀能力的方法。热浸锌层的耐腐蚀性能：保护膜保护，阴极保护作用。13、等离子体热扩渗的基本特点；特点（与普通气体热扩渗技术相比）：（1）表面 活性高，热扩渗速度快；（2）热扩渗层组织容易控制；（3）可去除氧化膜和钝化膜，能进行有效热扩渗；（4）易实现工艺过程的 自动控制。14、常用的热喷涂工艺方法及其基本特点；1）火焰喷涂工艺（优点）设备投资少，无电力要求，操作容易，沉积效率高等（缺点）涂层氧含量较高，孔隙较多，焰流温度较低，涂层种类较少，涂层结合强 度偏低，涂层质量不高。2 ）电弧喷涂工艺（优点）涂层密度及结合强度较高，喷涂速度和沉积效率

24、高，运行费用较低。（缺点）只能用于具有导电性能的金属线材。3）等离子喷涂工艺（优点）焰流温度高，喷涂材料适应面广，特别适合喷涂高熔点材料；涂层密度 及结合强度高。（缺点）热效率低、沉积效率较低，设备相对复杂、价格较贵，喷涂成本高15、电镀层的基本条件；1 ）与基体金属结合牢固，附着力好；2）镀层完整，结晶细致，孔隙少；3 ）镀层厚度分布均匀。16、镀层按其性能特点可分为哪三类？（1）防护性镀层：在大气或其它环境下，可延缓基体金属发生腐蚀的镀层。（2）防护装饰性镀层：在大气环境中，既可减缓基体金属的腐蚀，又起到装饰作用的镀层。（3）功能性镀层：能明显改善基体金属的某些特性的镀层，包括耐磨镀层，导

25、电镀层，导磁镀层，钎焊性镀层，其它功能性镀层（吸热镀层、反光镀层、防渗镀层、抗氧化镀层、耐酸镀层等）17、常见的电镀方式及其特点；1 ）挂镀（优点）是适合于各类零件的电镀；电镀时单件电流密度较高且不会随时间 而变化，槽电压低，镀液温升慢，带出量小，镀件的均匀性好；（缺点）劳动生产率 低，设备和辅助用具维修量大。2）滚镀（优点）节省劳动力，提高生产效率，设备维修费用少且占地面积小，镀件镀层的均匀性好。（缺点）镀件不宜太大和太轻；单件电流密度小，电流效率低，槽电压高，槽液温升快，镀液带出量大。其使用范围较小。3 ）刷镀（优点）不需要电镀槽，具有设备简单、工艺灵便、沉积速度快、镀层与基体 材料 的结

26、合力好、镀后不需要机加工、对环境污染小、节水省电等。（缺点）不适于面积大、尺寸大的零件修复，也不能用于大批量镀件的生产。4）连续电镀特点：生产效率高、工艺要求高。18、电镀的工艺过程；1 ）镀前处理：抛光（打磨）、脱脂、除锈、活化等2）电镀3）镀后处理：钝化、浸膜19、常用单金属电镀层的基本特点及主要用途；1）镀锌锌镀层为阳极性镀层，表层形成致密氧化物薄膜。白铁：镀锌铁，可用作日常用品 如箱子，水管等的材料。2）镀铜铜镀层为阴极性镀层。应用：电力、电子、仿古用品、其它镀层的底层或 中间层。3）镀银 银镀层为阴极性镀层。（银极易钝化）（fe2+ ： -0.44v ）4）镀铭铭镀层为阴极性镀层，硬

27、度高，极易钝化（cr2o3）。镀铭：装饰性镀 铭、功能性镀铭。5）镀锡对铁及铜而言，镀锡层分别为阴极性镀层和阳极性镀层。锡是无毒金属，质软，熔点低，钎焊性好。马口铁：镀锡铁，可用作食品罐头的包装材料。6）镀银镀银层为阴极性镀层。银镀层有功能性和装饰性两方面的用途。7 ）镀金镀金层为阴极性镀层。金镀层具有极好的耐蚀性、导电性和抗高温性。21、化学镀的原理与特点；化学镀是一个在催化条件下发生的氧化一还原反应过程。（有别于普通化学沉积）优点：镀层致密，孔隙少、硬度高，具有极好的化学和物理性能；可镀制形状复 杂的工件，且镀层厚度均匀；可镀基材广泛（对非金属等材料需经过适当的预处理）；设备简单（不需要外

28、加直流电源）。缺点：可镀制的金属（合金体系）有限；镀液昂贵，稳定性差，镀制成本高。22、复合镀层的种类及应用；弥散沉积法沉积共析法埋置沉积法-纤维强化复合镀复合镀的主要用途：提高镀层的耐蚀性、耐磨性、润 滑性，改进表面外观和提高其它功能特性。23、非金属电镀的基本工艺（前处理）流程；不同的非金属材料在电镀前的前处理步 骤基本相同：粗化、脱脂、敏化、活化和化学镀等。1 ）粗化方法：机械粗化：提高结合力的程度有限；化学粗化：能大幅度提高结合力。氧化、溶胀2） 脱脂处理：abs塑料用无水乙醇、丙酮等。3）敏化：将已经过粗化、脱脂等处理的非金属制品浸入一定浓度的易被氧化的化合物溶 液中，使其表面吸附一

29、些还原剂的过程。4）活化：将敏化处理后的制品浸入含有氧化剂的溶液中，使其表面形成胶体状微粒沉积 层的过程。5）还原处理：用一定浓度的化学镀时所用的还原剂溶液将制品表面残留的催渗剂还原干净，以免影响后面的化学镀溶液的过程。24、转化膜的主要用途；表面转化膜与着色技术的主要用途：防护、提高基体与涂层间 的结合力、表面装饰性、表面特殊性能。转化膜的性质和用途：（1）用于防护和装饰转（2）提高涂膜与基体的结 合力（3）耐磨减摩（4）适用于冷成形加工（5）电绝缘性25、阳极氧化的工艺流程；1）预处理（p164）：脱脂、碱蚀2 ）氧化增加电压及电流密度、降低溶液（槽液）温度及浓度，可增加膜的生 长速率（膜厚）。3 ）阳极氧化膜的封闭氧化膜多孔，活性高，吸附性很强（着色），容易被污 染或被腐蚀介质侵入，氧化后的膜层必须要通过封孔才能达到最好的耐蚀效果。26、真空在薄膜技术中的作用；1 ）减少杂质2）减少散射3）有利于蒸发等进行27、在蒸发镀膜中，为什么必须精确控制蒸发源的温度？28、对比pvd和cvd法中的薄膜生成过程（阶段）；cvd法中的薄膜生成过程（阶段）：反应气体向基片扩散；反应气体吸咐于基片的表面；反应气体在基片表面 发生化学反应；反应产生的气相副产物被排掉，产生的固体物质沉积下来成为不蒸发的固 体膜。29、简述cvd的沉积条件；1）在沉积温度下，反应物必须