中南大学粉冶院表面工程复习题

1、表面工程作业第一章作业1，何谓表面工程，简述它在国民经济中重要性。从广义上讲，表面技术是直接与各种表面现象或过程有关的，能为人类造福或被人们利用的技术表面技术主要包括：表面覆盖（在材料的表面施加各种覆盖层）、表面改性、表面加工以及表面湿润、表面催化、膜技术等。表面工程技术既可对材料表面改性，制备多功能（防腐、耐磨、耐热、耐高温、耐疲劳、耐辐射、抗氧化以及光、热、磁、电等特殊功能）的涂、镀、渗、覆层，成倍延长机件的寿命；又可对产品进行装饰；还可对废旧机件进行修复。采用表面工程措施的费用，一般虽然占产品价格的510，却可以大幅度地提高产品的性能及附加值，从而获得更高的利润，采用表面工程措施的平均效

2、益高达520倍以上。2，表面工程技术的发展趋势及其原因是什么？ 一、研究复合表面技术二、完善表面工程技术设计体系 三、开发多种功能涂层四、研究开发新型涂层材料五、深化表面工程基础理论和测试方法的研究六、扩展表面工程的应用领域七、积极为国家重大工程建设服务八、向自动化、智能化的方向迈进九、降低对环保的负面效应第二章作业1，洁净的表面结构有哪几种？各有什么特点？2，材料的实际表面结构通常具有什么特点？3，贝尔比层是怎样形成的？具有什么特点？固体材料经过切削加工后，在几个微米或者十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，既造成一定程度的晶格畸变。这种晶格的畸变随深度变化，而在最外的，约5nm-1

3、0nm厚度可能会形成一种非晶态层。这层非晶态称为贝尔比层。其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明显不同。4，大气环境下，金属和陶瓷粉体的表面通常是什么结构？含有什么成分？：结构：形成贝尔比层成分：一般为金属/过渡层/空气。 金属/空气极为少见。过渡层中常由氧化物、氮化物、硫化物、尘埃、油脂、吸附气体（氧、氮、二氧化碳和水汽等）所组成。过渡层为氧化物最常见，由于一些金属元素的氧化态可变，因此在氧化层中也包含不同氧化态的氧化物。 陶瓷粉体：纳米粉能够从空气中吸附大量的水,在表面形成羟基层和多层物理吸附水。5，大气环境下，纳米陶瓷粉团聚原因是什么？(1)粉体变细,其比表面积增加,表面能增大,表面效

4、应(如弛豫、偏析、吸附) 、量子尺寸效应(如能隙变宽等) 增强,熔点降低,使纳米粉的表面性质变得更加活跃,许多在加热条件下或高温下才发生的化学反应,在常温下已经很剧烈了 (2)大气环境下都有一层羟基,这是表面的悬键与空气中的O2 和水等反应形成的（lgd）。(3)表面羟基层的形成,一方面使表面结构发生变化,减少了表面因弛豫现象而出现的静电排斥作用;另一方面,导致羟基间的范德华力、氢键的产生,使粉体间的排斥力变为吸引力,导致团聚（lgd）6，磨损失效有哪些类型？提高耐磨性对材料的表面各有哪些性能要求？7，影响固体材料粘着磨损性能有哪些因素？ 1） 润滑条件或环境：在真空条件下大多数金属材料的磨损

5、十分严重。 （2） 硬度：对摩擦副材料的硬度而言，材料越硬，耐磨性越好。 （3） 晶体结构和晶体的互溶性：密排六方的材料摩擦系数最低，体心立方材料最高。冶金上互溶性好的一对金属摩擦副摩擦系数和磨损率都高。 （4） 温度：温度升高，磨损加剧。8. 什么是zeta电位。 Zeta电位又叫电动电位或电动电势（-电位或-电势），是指剪切面(Shear Plane)的电位，是表征胶体分散系稳定性的重要指标。9，银粉到哪个尺寸不导电？粒径小于1微米冷冻干燥法原理：在低温下将湿凝胶中的水冻结成冰，然后迅速抽真空降低压力，在低温低压下使冰直接升华成蒸汽，实现固液分离。 超声法基本原理：通过超声空化作用产生的冲

6、击波和微射流可以有效地使溶胶原有的絮状结构解体、粘度降低、流动性增强。10.大气环境下，不锈钢的表面结构成分与其基体成分有什么关系？第三章预习要点1， 物理气相沉积与化学气相沉积个有什么特点，它们的区别是什么？ 沉积过程中若沉积粒子来源于化合物的气相分解反应，则称为化学气相沉积（CVD）；否则称为物理气相沉积（PVD）。CVD（化学）的特点· （1）在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固体。· （2）可以在大气压（常压）或者低于大气压下（低压）进行沉积。一般来说低压效果要好些。· （3）采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积

7、可在较低的温度下进行。· （4）镀层的化学成分可以改变，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。· （5）可以控制镀层的密度和纯度。· （6）绕镀性好，可在复杂形状的基体上以及颗料材料上镀制。· （7）气流条件通常是层流的，在基体表面形成厚的边界层。· （8）沉积层通常具有柱状晶结构，不耐弯曲。但通过各种技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶粒的等轴沉积层。· （9）可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物镀层。工艺温度高低是CVD和PVD之间的主要区别 。CVD工艺对进入反应器工件的清洁要求比PVD工艺低一些，因为附着在工件表面的一些脏东

8、西很容易在高温下烧掉。此外，高温下得到的镀层结合强度要更好些· CVD镀层往往比各种PVD镀层略厚一些，· CVD镀层往往厚度在5-300m左右，· PVD镀层通常不到5m厚。· CVD镀层的表面略比基体的表面粗糙些。· 相反，PVD镀膜如实地反映材料的表面，不用研磨就具有很好的金属光泽，· CVD反应发生在低真空的气态环境中，具有很好的绕镀性，所以密封在CVD反应器中的所有工件，除去支承点之外，全部表面都能完全镀好，甚至深孔、内壁也可镀上。· 相对而论，所有的PVD技术由于气压较低，绕镀性较差，因此工件背面和侧面的镀制效果

9、不理想。· PVD的反应器必须减少装载密度以避免形成阴影，而且装卡、固定比较复杂。· 在PVD反应器中，通常工件要不停地转动，并且有时还需要边转边往复运动。2， 蒸镀的原理是什么？蒸镀铝膜，有哪些用途？1蒸镀原理和液体一样，固体在任何温度下也或多或少地气化（升华），形成该物质的蒸气。 在高真空中，将镀料加热到高温，相应温度下的饱和蒸气向上散发，蒸发原子在各个方向的通量并不相等。基片设在蒸气源的上方阻挡蒸气流，蒸气则在其上形成凝固膜。为了弥补凝固的蒸气，蒸发源要以一定的比例供给蒸气。用途；目前在制镜工业中已经广泛采用蒸镀，以铝代银，节约贵重金属。 集成电路是镀铝进行金属化，然

10、后再刻蚀出导线。 在聚酯薄膜上镀铝具有多种用途：制造小体积的电容器； 制作防止紫外线照射的食品软包装袋；经阳极氧化和着色后即得色彩鲜艳的装饰膜。双面蒸镀铝的薄钢板可代替镀锡的马口铁制造罐头盒。3，溅射镀膜的基本原理是什么？目前有哪些种类？· 溅射镀膜：是指在真空室中，利用荷能粒子轰击镀料表面，使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。· 溅射镀膜有两种：· 一种是在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射出的粒子在基片表面成膜，这称为离子束溅射。· 离子束要由特制的离子源产生，离子源结构较为复杂，价格较贵，只是在用于分析技术和制取特殊的薄膜时才采用离子束溅射。&

11、#183; 另一种是在真空室中，利用低压气体放电现象，使处于等离子状态下的离子轰击靶表面，并使溅射出的粒子堆积在基片上。 离子溅射（1）直流二极溅射（2）三极和四极溅射（3）射频溅射（4）磁控溅射（5）合金膜的镀制（6）化合物膜的镀制（7）离子束溅射第三章作业1)，溅射镀膜的基本原理是什么？目前有哪些种类？· 溅射镀膜：是指在真空室中，利用荷能粒子轰击镀料表面，使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。· 溅射镀膜有两种：· 一种是在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射出的粒子在基片表面成膜，这称为离子束溅射。· 离子束要由特制的离子源产生，离子源结构较为复

12、杂，价格较贵，只是在用于分析技术和制取特殊的薄膜时才采用离子束溅射。· 另一种是在真空室中，利用低压气体放电现象，使处于等离子状态下的离子轰击靶表面，并使溅射出的粒子堆积在基片上。 离子溅射（1）直流二极溅射（2）三极和四极溅射（3）射频溅射（4）磁控溅射（5）对象靶溅射（6）偏压溅射（7）离子束溅射 (8)反应溅射2)，薄膜/涂层的三种生长模式及其形成原因 岛状生长模式：(不存在任何对形核有促进作用的有利位置) 被沉积的物质与基底之间的润湿性差，倾向于自己相互键合 层状生长模式：被沉积的物质与基底之间的润湿性很好，没有明确的形核阶段，从形核阶段开始就采取二维扩展模式外延式 层状岛状

13、生长模式：开始1两个原子层层状生长后，生长模式由层状转化为岛状模式3) ，简述气相沉积陶瓷涂层/薄膜的四种组织形态特征及形成条件. Ts/Tm相对温度形态1型结构： Ts/Tm0.3，低温，气体压力较高；细纤维装组织，有许多纳米级孔隙，表面扩散能力低，临界核小，沉积速度大；疏松针状拱形形态T型结构：与形态1型相似，气体压力较低，纤维状均匀致密形态2型结构：Ts/Tm=0.30.5，中温，气体压力不高；细纤维装组织，有许多纳米级孔隙，表面扩散能力较高，体扩散能力有所提高，晶界完整，致密性好；均匀致密柱状形态3型结构： Ts/Tm0.5，高温，表面扩散能力、体扩散能力都较高，在沉积的同时，涂层内再

14、结晶，长大为粗大的等轴晶，晶体内缺陷密度低4），提高陶瓷涂层与基体力学相容性的方法与原理有哪些,举例说明.加入陶瓷梯度结合层之后, ZrO2-Y2O3陶瓷涂层与基体之间的结合力有较大的提高。陶瓷和金属的热膨胀系数及弹性模量等性能不匹配, 且基体与涂层间存在明显的界面, 因此, 表面具有陶瓷涂层的金属零部件在应用过程中常会发生涂层开裂或剥落损坏等现象第四章 预习与作业预习1、 热喷涂技术的原理，涂层形成过程，涂层组织结构，结合、应力，热喷涂方法，喷涂材料，热喷涂工艺流程和质量控制，热喷涂的应用。2、 热喷焊的原理、特点、喷焊方法、热喷焊材料、工艺、应用。3、 堆焊的原理、特点、堆焊方法、堆喷焊材

15、料、工艺、应用。作业1，热喷涂的技术特点和工艺原理是什么？ 利用热能将喷涂材料熔化，再借助高速气流将其雾化，并在高速气流的带动下粒子撞击基材表面，冷凝后形成具有某种功能的涂层。特点（1） 可在各种基材上制备各种涂层；（2） 基材温度低（30 200），热影响区浅，变形小；（3） 涂层厚度范围宽（0.5 5mm） ；（4） 操作灵活，可在不同尺寸和形状的工件上喷涂；（5） 加热效率低，喷涂材料利用率低，（6） 涂层与基体结合强度低。 2，超音速喷涂的原理和特点是什么？高速火焰喷涂是将助燃气体与燃烧气体在燃烧室中连续燃烧，燃烧的火焰在燃烧室内产生高压并通过与燃烧室出口联接的膨胀喷嘴产生高速焰流，喷

16、涂材料送入高速射流中被加热、加速喷射到经预处理的基体表面上形成涂层的方法。特点1） 焰流速度高但温度相对较低，适合喷涂含碳化物材料。 2） 涂层致密（99.9），表面粗糙度低。 3） 结合强度略低于爆炸喷涂，达70MPa以上。 4） 喷涂效率高，但燃料消耗大，喷涂成本比较高。； 5） 噪音大(>120dB)，需有隔音和防护装置。3，简述等离子喷涂的原理、设备、特点和应用领域。原理等离子喷涂是通过等离子喷枪来实现的，喷枪的喷嘴和电极分别接电源的正负极。喷嘴和电极之间通入工作气体，借助高频火花引燃电弧。电弧讲气体加热并使之电离，产生等离子弧，气体热膨胀由喷嘴喷出告诉等离子流。送粉气管将粉末送

17、入等离子射流中，被加热到熔融状态，并被等离子射流加速，以一定的速度喷射到经预处理基体表面形成涂层。等离子喷涂的设备 等离子喷涂设备主要有：整流电源、控制柜、喷枪、送粉器、循环水冷却系统、气体供给系统等。另外，等离子喷涂所需要的辅助设备有：空气压缩机、喷涂机械手、工作台和喷砂设备等。与其它涂层技术相比，等离子喷焊技术的主要特点：（1）生产效率高。（2）稀释率低(5)。（3）工艺稳定性好，易实现自动化。（4）喷焊层平整，成分均匀，可获得0.258mm任意厚度喷焊层。等离子喷涂技术在耐磨涂层、耐蚀涂层等传统领域的应用已经较为广泛，从上世纪50 年代至今，其应用领域由航空、航天扩展到了钢铁工业、汽车制

18、造、石油化工、纺织机械、船舶等领域。近年来等离子喷涂技术在高新技术领域如纳米涂层材料、梯度功能材料、超导涂层、生物功能涂层等方面的应用研究渐渐受到人们的重视。4，简述喷涂工艺的选择与设计原则。（1 ） 对涂层结合力要求不高，喷涂材料熔点<2500，可采用火焰喷涂。（2 ） 对涂层性能要求较高，喷涂高熔点材料时时，应采用等离子喷涂。（3） 工程量大的金属喷涂施工最好采用电弧喷涂。（4） 要求高结合力、低孔隙度的金属、合金及以某些金属陶瓷涂层可采用超音速火焰喷涂。（5 ） 对于批量大的工件，宜采用自动喷涂。5，简述纳米结构涂层的热喷涂原理、特点和应用优势 将合成的的纳米颗粒，重新构建成直径3

19、0微米左右的高流动性颗粒，作为喂料。因为，其主要特点有:( 1)涂层厚度可达数毫米、 致密、 孔隙率低、 残余应力低;( 2)基体热影响区小, 对喷涂粉末无氧化、 无污染、可制备高热传导率、 高电导率的涂层以及其他功能涂层;( 3)制备的涂层性质基本保持原始材料的性能,别适合纳米涂层的制备, 为制备纳米结构涂层提供了一种重要的工艺方法;( 4)喷涂效率高, 粉末利用率高 (喷涂粉末可以回收 );( 5)环境污染小, 喷涂噪声低 涂层特性 超级强度，高粘附性，高硬度，承受压力能力强，表面质量好竞争优势 与传统涂层相比在耐磨损，抗压力和冲击力，耐久使用和 对环境要求(盐性，生物附着)方面要优于传统

20、涂层第五章 预习与作业预习1. 电镀与化学镀的本质区别在什么地方？化学镀时候有电化学反应发生么？化学镀与电镀从原理上的区别就是电镀需要外加的电流和阳极，而化学镀是依靠在金属表面所发生的自催化反应。2. 电镀层厚度的均匀性（也被称为分散能力）跟什么有关？如何提高镀层厚度的均匀性？ 电流和镀层在镀件阴极表面的分布3. 电镀层表面粗糙和表面光滑主要由什么决定？为什么？4. 化学镀有那几个关键步骤组成？除油-离子水洗-活化（ 弱酸）-离子水洗-化学镀-镀后处理5. 请给镁合金表面镀层设计工艺。试样打磨去氢化学除油水洗酸洗水洗活化水洗浸锌水洗电镀锌水洗钝化水洗干燥作业1， 简述电镀溶液对电镀过程和镀层结

21、构的影响？ 电镀溶液的组成:溶液中的主盐(金属盐)、导电盐、pH值、络合剂、各种添加剂(表面活性物质)。（1）镀液中金属离子浓度(主盐或金属盐)的影响镀液中放电还原金属离子浓度越高，阴极极限电流密度越大；允许使用的电流密度也大，可供电镀选择的电流密度范围也越宽。镀液中金属离子浓度高，溶液导电性能好，有利于降低溶液电阻、电镀槽电压和电镀能耗。电镀生产中大多数采用放电还原金属离子浓度较高的镀液 。 （2）镀液中导电盐的影响导电盐(附加盐)的作用主要是提高镀液的导电性能和改善镀液的分散能力。电盐(附加盐)可增加镀液离子强度、降低被镀金属离子活度和增大阴极极化(理论依据不足)。导电盐(附加盐)一般采用

22、碱金属或碱土金属的盐类（3）镀液中络合剂的影响电镀生产中常用的络合剂主要： 氰化物、氢氧化物、铵盐、焦磷酸盐、柠檬酸盐、乙二胺、三乙醇胺、氨三乙酸盐、HETP和EDTA等 络盐镀液中的络合剂使金属离子以络合离子形式存在，金属离子放电还原的平衡电极电势负移、电化学极化增大，镀层晶粒细致光亮，均匀性好。 采用络盐镀液电镀时选择不稳定常数较小的络合溶液体系有利于增大阴极极化和得到高质量的镀层（4）镀液中pH值的影响Ø 酸性溶液pH值越低，电镀电流效率越低 Ø 析氢反应产物影响金属镀层质量(增加镀层内应力和脆性，产生裂纹和形成气泡，造成镀层氢脆、孔隙、针孔、凹坑) Ø 析

23、氢反应导致溶液pH值升高，影响电镀溶液的稳定性和镀层质量Ø 溶液pH值影响电镀溶液的导电性 Ø 确定电镀溶液的pH值或酸碱度时必须考虑上述四方面的影响（5）镀液中添加剂的影响电镀添加剂分为无机添加剂和有机添加剂 。 无机添加剂大多数为硫、硒、碲、铅、铋、锑等金属化合物。 有机添加剂主要有烷基化合物、芳烃基化合物、多聚化合物等。 镀液中加入少量添加剂能显著改变电沉积金属过程的动力学性质、镀液性质(如稳定性等)和镀层的结构与性质(耐蚀性、孔率、内应力、硬度、光亮性、均匀性、整平性),影响镀层质量。 大多数添加剂不参加电极反应属于“非消耗性”的，添加剂的消耗主要是镀层夹杂、溶液分

24、解和阳极氧化。 添加剂在镀层中的机械夹杂可改变镀层的物理和机械性能，有时可能导致电阻增加，显微硬度和内应力提高，使镀层的某些功能性质(可焊性、接触电阻等)变坏。2， 影响电镀镀层质量的主要因素有哪些？电解条件一般是指除镀液组成之外的电镀工艺条件(工艺规范)： 1）电镀电流密度 2）电镀温度 3) 镀液搅拌方式 4) 电解方式 Ø 电镀电流密度的影响电镀电流密度直接关系到金属在制品阴极上的电沉积速度和电流效率。电流密度太低，金属电沉积速度慢，镀层结晶为层形结构，电镀时间长，电镀效率低。电流密度增大，金属电沉积速度加快，形成的晶核数增加，镀层结晶较细致紧密，镀层结构好。电流密度太高，金属

25、电沉积速度很快，镀层结晶为树枝状结构(枝晶)，阴极副反应增加，电流效率低。每一种电镀体系都有一个得到合格镀层和合理镀速的允许电流密度的极限范围电镀体系的允许电流密度范围越宽越好 电镀温度的影响电镀温度一般是指电镀过程中镀液的温度 。 1） 镀液温度升高，阴极及阳极电流效率增大，金属盐的溶解度和溶液电导增加，其镀层内应力降低而镀层质量改善。 2） 镀液温度升高，阴极极化降低，容易形成粗晶和孔隙较多的镀层。 3）镀液温度升高可显著提高允许电流密度上限时就能抵消温度对镀层结构的 不良影响 镀液搅拌方式的影响n 对镀液进行搅拌可减小电极表面附近的扩散层厚度而降低其浓差极化，对电沉积致密镀层稍有不利 。

26、n 对镀液进行搅拌，金属电沉积的极限电流密度增大，允许电流密度上限和电流效率大大提高，可以抵消搅拌引起的晶粒粗大现象而得到紧密的细晶镀层 。n 阴极移动、压缩空气、循环过滤和超声波振动等方法都可达到搅拌溶液的作用 电解方式的影响电镀的电解方式分为稳态和非稳态两种。稳态方式：常规电镀采用直流电不变的方式(半波整流或全波整流)进行电解；非稳态电解方式：主要有换向电流电解、不同形式的周期性电流电解和脉冲电流电解 ，非稳态电解方式一般都有利于改善镀层性质和质量，提高电流效率。3， 化学镀镍溶液由哪几部分组成？各典型物质是什么？起什么作用？ 化学镀镍溶液由主盐-镍盐、还原剂、络合剂、稳定剂、缓冲剂、加速

27、剂、表面活性剂及光亮剂等组成 主盐：硫酸镍、醋酸镍、氨基磺酸镍、次磷酸镍目前使用的主盐主要是硫酸镍，提供Ni2+，作为氧化剂还原剂：次磷酸钠、硼氢化钠、烷基胺硼烷、肼。镀Ni-P合金用得最多的还原剂是次磷酸钠，镀Ni-B合金用得最多的还原剂是硼氢化钠，作为还原剂，还原出NI络合剂：酸浴中：丁二酸或盐 、柠檬酸或盐、乳酸或盐 、苹果酸或盐、甘氨酸或盐碱浴中：焦磷酸盐、柠檬酸盐及铵盐 络合剂的作用：避免自然分解，控制沉积速度形成络合物，控制游离镍离子含量，抑制NiPO3沉淀当H2PO3含量上升时，降低pH值或加入络合剂才能避免沉淀缓冲剂作用，加速剂作用一般的配方组成中除了有一个主络合剂之外，还配以

28、其他的辅助络合剂。不同种类的络合剂及络合剂的使用量不同，对化学镀镍的沉积速度影响很大随着化学镀镍液工作时间的延长，还原剂的分解产物亚磷酸根不断累积，很容易产生亚磷酸镍的白色沉淀(NiHPO3·7H2O)。络合剂可以抑制亚磷酸镍的沉淀，提高镀液对亚磷酸根的容忍量 缓冲剂： NH4Cl与氨水、硼酸、醋酸钠、硼砂与碳酸钠、乙二酸、琥珀酸等的盐类作用是：调节pH 、控制反应速度、防止镀液pH波动5 加速剂：丙二酸、丁二酸、戊二酸、已二酸、氨基乙酸、丙酸 等加速剂的作用：降低H2PO2-中H和P的化学键力，活化H2PO2- ，使H在催化表面易于移动和脱氢。 稳定剂：硫脲，Pb2+，钼酸盐等含氧

29、酸盐等稳定剂的作用就在于抑制镀液的自发分解，使施镀过程在控制下有序进行。但稳定剂不能使用过量，过量后轻则减低镀速，重则不再起镀。4， 如何得到高质量的化学镀镍涂层，简述化学镀镍的影响因素除油-离子水洗-活化（ 弱酸）-离子水洗-化学镀-镀后处理正确的化学镀镍的前处理非常关键 化学镀工艺参数控制pH值在一定范围内， pH增加，沉积速度加快。温度 而化学镀镍反应须超过一定的温度才能启动温度越高，沉积速度越快(见上右图)，但为避免温度过引起镀液的自发分解，任何化学镀镍的工作温度都必须限制在一个合理的范围之内。搅拌的影响 搅拌改变了工件溶液界面扩散层内的化学成分和pH值，因此，搅拌的影响是重要的。 搅拌镀浴不仅可防止漏镀、针空，提高镀层外观质量，而且可以防止局部过热，这有利于镀浴的稳定性。第六章预习与作业1， 纳米电刷镀的原理及其涂层结构和性能特点。 Al2O3/Ni复合电刷镀层的组织特征为：基体相为非晶纳米晶Ni，其中弥散分布着Al2O3纳米陶瓷颗粒，纳米颗粒与Ni基体间形成良好结合。 性能：（1） 具有高而稳定的显微硬度。（2） 纳米电刷镀层的疲劳寿命提高，纳米电刷镀层在高温时仍具有较高硬度和良好的耐磨性，有望用于高温模具的修复。 2，