工程材料第5章

1、第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理第第5 5章章 金属材料表面改性处理金属材料表面改性处理 表面改性处理指改变零件的表面质量或表面状态，表面改性处理指改变零件的表面质量或表面状态，使其达到耐磨、耐蚀、美观及精度要求的工艺。使其达到耐磨、耐蚀、美观及精度要求的工艺。 主要目的：提高零件的表面质量，减少其磨损和腐主要目的：提高零件的表面质量，减少其磨损和腐蚀，发挥零件材料的潜力，提高表面装饰效果。蚀，发挥零件材料的潜力，提高表面装饰效果。 近年来，金属材料表面处理新技术得到了迅速发展，近年来，金属材料表面处理新技术得到了迅速发展，开发出许多新的工艺方法，这里只介绍主要的几种。开发出

2、许多新的工艺方法，这里只介绍主要的几种。一、一、 概述概述第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理5.1 转化膜处理转化膜处理转化膜处理是将工件浸入某些溶液中，在一定条件转化膜处理是将工件浸入某些溶液中，在一定条件下使其表面产生一层致密的保护膜，提高工件防腐下使其表面产生一层致密的保护膜，提高工件防腐蚀的能力，增加装饰作用。蚀的能力，增加装饰作用。一、氧化处理一、氧化处理2.铝的氧化处理铝的氧化处理分为化学氧化法和电化学氧化法分为化学氧化法和电化学氧化法1.钢的氧化处理钢的氧化处理是将钢件在空气、水蒸气或化学药物中加热是将钢件在空气、水蒸气或化学药物中加热到适当温度，使其表面形成一层

3、蓝色或黑色氧化膜，到适当温度，使其表面形成一层蓝色或黑色氧化膜，以改善钢的耐蚀性和外观。又叫发蓝处理。以改善钢的耐蚀性和外观。又叫发蓝处理。第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理二、磷化处理二、磷化处理把钢件浸入磷酸盐为主的溶液中，使其表面沉积，形把钢件浸入磷酸盐为主的溶液中，使其表面沉积，形成不溶于水的结晶型磷酸盐转化膜的过程。成不溶于水的结晶型磷酸盐转化膜的过程。第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理5.2 电镀电镀电镀是在电解液中使零件表面镀上一层金属薄层，起电镀是在电解液中使零件表面镀上一层金属薄层，起到保护和装饰作用，有时也可用到零件的部分修复。到保护和装饰作

4、用，有时也可用到零件的部分修复。电镀的作用：电镀的作用：1.修复磨损零件、增大零件尺寸修复磨损零件、增大零件尺寸2.覆盖耐磨性镀层，提高耐磨性覆盖耐磨性镀层，提高耐磨性3.提高零件的耐腐蚀性提高零件的耐腐蚀性4.提高零件表面美观装饰性提高零件表面美观装饰性5.特殊用途。特殊用途。第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理5.3 5.3 离子沉积离子沉积 气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。新型镀膜技术。物理气相沉积物理气相沉积Ti

5、Al靶靶根据沉积过程的原理不根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术可分同，气相沉积技术可分为为 化学气相沉积化学气相沉积(CVD) 和物理气相沉积和物理气相沉积(PVD) 两大类。两大类。第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理1、化学气相沉积、化学气相沉积(CVD) (1)CVD法的一般原理：法的一般原理：是指在一定温度下，混合是指在一定温度下，混合气体与基体气体与基体表面相互作用表面相互作用而在基体表面形成金属或而在基体表面形成金属或化合物薄膜的方法。化合物薄膜的方法。CVD设备设备第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理经经CVD处理的模具处理的模具经经CVD处理处理的

6、活塞环的活塞环(2) CVD法的特点：法的特点：由于化学气相沉积膜由于化学气相沉积膜层具有良好的耐磨性、层具有良好的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电耐蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能，学、光学等特殊性能，已被广泛用于机械制已被广泛用于机械制造、航空航天等工业造、航空航天等工业领域。领域。第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理2、物理气相沉积（、物理气相沉积（PVD） 物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法，物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法，使材料汽化成原子、分使材料汽化成原子、分子或电离成离子，并通子或电离成离子，并通过气相过程，在材料表过气相过程，在材料表面沉积一层薄膜

7、的技术。面沉积一层薄膜的技术。l物理沉积技术主要包物理沉积技术主要包括真空蒸镀、溅射镀、括真空蒸镀、溅射镀、离子镀三种基本方法。离子镀三种基本方法。磁控溅射镀膜设备磁控溅射镀膜设备第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理 真空蒸镀是蒸发成膜材料使其真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件表面形汽化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法。成薄膜的方法。真空蒸镀真空蒸镀TiN活塞环活塞环真空蒸镀真空蒸镀Al膜的塑料制品膜的塑料制品第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理 溅射镀是在真空下通过溅射镀是在真空下通过辉光放电来电离氩气，氩辉光放电来电离氩气，氩离子在电场作用下加速轰

8、离子在电场作用下加速轰击阴极，溅射下来的粒子击阴极，溅射下来的粒子沉积到工件表面成膜的方沉积到工件表面成膜的方法法。溅射镀示意图溅射镀示意图磁控溅射镀膜机磁控溅射镀膜机磁控溅射镀磁控溅射镀AlAl的塑料制品的塑料制品第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理 离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒子一起沉积到工件表面成膜的方法。子一起沉积到工件表面成膜的方法。多弧离子镀膜机多弧离子镀膜机第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理 物理气相沉积

9、具有适用的基体材料和膜层材料广物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附泛；工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。 广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等离子镀产品离子镀产品领域制备耐磨、领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、电、绝缘、光学、磁性、压电、滑磁性、压电、滑润、超导等薄膜。润、超导等薄膜。 第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理 将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高

10、压气将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂。热喷涂。1.1.热喷涂方法分为：热喷涂方法分为：气体燃烧火焰、气体放电气体燃烧火焰、气体放电的电弧、电热热源、爆炸的电弧、电热热源、爆炸热源和激光束热源。热源和激光束热源。等离子热喷涂等离子热喷涂5.4 热喷涂热喷涂第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理2、热喷涂技术特点、热喷涂技术特点 工艺灵活：热喷涂的对象小到工艺灵活：热喷涂的对象小到10mm的内孔的内孔, 大到铁塔、桥梁大到铁塔、桥梁,可整体喷涂，也可局部喷涂可整体喷涂，也可局部喷涂

11、 基体及喷涂材料广泛：基体可以基体及喷涂材料广泛：基体可以是金属和非金属，涂层材料可以是是金属和非金属，涂层材料可以是金属、合金及塑料、陶瓷等金属、合金及塑料、陶瓷等l涂层可控涂层可控: 从几十从几十 m到几到几mml生产效率高生产效率高l工件变形小：基体材料温度不超过工件变形小：基体材料温度不超过250(冷工艺冷工艺)涡轮叶片的热障涂层涡轮叶片的热障涂层(热喷涂层热喷涂层)第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理3、常用热喷涂技术、常用热喷涂技术 火焰喷涂火焰喷涂: 多用氧多用氧 乙炔火焰作为热源。乙炔火焰作为热源。 电弧喷涂电弧喷涂: 丝状喷丝状喷涂材料作为自耗电极、电涂材料作为

12、自耗电极、电弧作为热源的喷涂方法弧作为热源的喷涂方法 等离子喷涂等离子喷涂: 是一是一种利用等离子弧作为热源种利用等离子弧作为热源进行喷涂的方法。进行喷涂的方法。 火焰热喷涂火焰热喷涂电弧热喷涂电弧热喷涂等离子喷涂等离子喷涂第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理 (1) (1) 涂层是层状结构涂层是层状结构 (2) (2) 涂层中有应力涂层中有应力 (3) (3) 涂层有着不均匀的涂层有着不均匀的 化学应力化学应力 (4) (4) 涂层的多孔性涂层的多孔性 4、涂层的结构特点、涂层的结构特点热喷涂层组织热喷涂层组织 (1) (1) 纯金属及其合金纯金属及其合金 (2) (2) 陶瓷

13、材料陶瓷材料 (3) (3) 复合材料复合材料5. 5. 热喷涂材料热喷涂材料第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理6. 6. 热喷涂工艺热喷涂工艺 (1) (1) 待喷涂工件表面预处理待喷涂工件表面预处理 (2) (2) 预热预热 (3) (3) 喷涂喷涂 (4) (4) 喷后处理喷后处理热喷涂热喷涂第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理5.5 激光束表面改性技术激光束表面改性技术 激光束能量密度高激光束能量密度高(106W/cm2)，可在短时间内将工，可在短时间内将工件表面快速加热或融化件表面快速加热或融化, 而心部温度基本不变而心部温度基本不变; 当激当激光辐射停

14、止后，由光辐射停止后，由于散热速度快，又于散热速度快，又会产生会产生“自激冷自激冷”。CO2激光器激光器第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理1. 激光淬火（激光相变硬化）激光淬火（激光相变硬化） 激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高1520%）、耐磨、耐）、耐磨、耐疲劳，变形极小，表面光亮。疲劳，变形极小，表面光亮。 已广泛用于发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、冷作模具已广泛用于发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、冷作模具等。等。激光表面淬火件激光表面淬火件激光表激光表面淬火面淬火激光表面改性技术主要应用于以下几方面激光表面改性技术主要应用于以下几方

15、面:第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理 2. 激光熔覆激光熔覆 预先用镀膜或喷涂等技术把所要求的合金元素涂敷到预先用镀膜或喷涂等技术把所要求的合金元素涂敷到工件表面，再用激光束照射涂敷表面，使表面膜与基工件表面，再用激光束照射涂敷表面，使表面膜与基激光合金化热剪断刀激光合金化热剪断刀体材料表层融合在一起并迅体材料表层融合在一起并迅速凝固，从而形成成分与结速凝固，从而形成成分与结构均不同于基体的、具有特构均不同于基体的、具有特殊性能的合金化表层。殊性能的合金化表层。也称激光熔化淬火也称激光熔化淬火第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理 电子束表面改性技术电子束表面改性

16、技术是以在电场中高速移动是以在电场中高速移动的电子作为载能体的电子作为载能体,电子电子束的能量密度最高可达束的能量密度最高可达109W/cm2。 除所使用的热源不同除所使用的热源不同 外，电子束表面改性技术与激光束表面改性技术的外，电子束表面改性技术与激光束表面改性技术的 原理和工艺基本类似。原理和工艺基本类似。l凡激光束可进行的处理，电子束也都可进行。凡激光束可进行的处理，电子束也都可进行。电子束表面改性装置电子束表面改性装置第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理5.7离子注入表面改性技术离子注入表面改性技术1. 离子注入原理：在真空下，将注入元素离子在几万至离子注入原理：在真空

17、下，将注入元素离子在几万至几十万电子伏特电场作用下高速注入材料表面，使材料几十万电子伏特电场作用下高速注入材料表面，使材料表面层的物理、化学和机械性能发生变化的方法。表面层的物理、化学和机械性能发生变化的方法。离子注入航空液压泵配流盘离子注入航空液压泵配流盘离子注入设备离子注入设备第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理2. 离子注入的特点是：离子注入的特点是： 可注入任何元素，不受固溶度和热平衡的限制；可注入任何元素，不受固溶度和热平衡的限制； 注入温度可控，不氧化、不变形；注入温度可控，不氧化、不变形； 注入层厚度可控，注入元素分布均匀；注入层厚度可控，注入元素分布均匀；l注入层与基体结合注入层与基体结合牢固，无明显界面；牢固，无明显界面；l可同时注入多种元可同时注入多种元素，也可获得两层或素，也可获得两层或两层以上性能不同的两层以上性能不同的复合层。复合层。离子注入机离子注入机第第5章金属材料表面改性处理章金属材料表面改性处理5.9 表面着色、染色表面着色、染色金属的着色指通过化学或电化学等处理方法，使金金属的着色指通过化学或电化学等处理方