现代表面技术复习重点

1、现代表面技术钱苗根，姚寿山，张少宗编著第一章表面技术概论表面技术的主要提高路径：施加各种覆盖层（电镀，化学镀，涂装，粘结，堆焊，熔结， 热喷涂，塑料粉末涂覆，热浸镀，真空蒸镀，溅射镀，离子镀，化学气相沉积，分子束 外延，离子束合成薄膜技术等）和表面改性技术（喷丸强化，表面热处理，化学热处理， 等离子扩渗处理，激光表面处理，电子束表面处理，高密度太阳能表面处理，离子注入 表面改性等）。第二章表面科学的某些基本概念和理论固体材料的界面有三种：表面（固体材料与气体或液体的分界面）；晶界，或亚晶界（多 晶材料内部成分、结构相同而取向不同晶粒或亚晶之间的界面）；相界（固体材料中成 分、结构不同的两相之间

2、的界面）表面的两种对象：清洁表面（是指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化 反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面）、实际表面（暴露在未加控制的大气 环境中的固体表面，或者经过一定加工处理保持在常温和常压下的表面）。清洁表面在几个原子层范围内的偏离三维周期性结构的主要特征有：表面弛豫、表面重 构和表面台阶结构。实际表面的一些重要情况：表面粗糙度，是指加工表面上具有较小间距的峰和谷所组 成的微观几何形状特征；贝尔比层和残余应力，具有较高的耐磨性和耐蚀性；表面 氧化和吸附、沾污，吸附有物理和化学吸附。第三章电镀和化学镀电镀是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解

3、作用使镀液 中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法。电镀液的组成及作用：主盐，提供金属离子；络合剂，形成络合物，提高阳极开始钝化 电流密度；附加盐，提高电镀液的导电性；缓冲剂，稳定溶液酸碱度的物质；阳极活化 剂，提高阳极开始钝化的电流密度，从而保证阳极处于活化状态而能正常的溶解；添加 剂，显著改善镀层的物质。电镀溶液的分散能力是指电镀液中所具有的使金属镀层厚度均匀分布的能力，也称均镀 能力；镀液的分散能力越好，在不同阴极部位所沉积出的金属层厚度就越均匀。电镀液的覆盖能力，亦称深镀能力，是指电镀液所具有的使镀件深凹处沉积上金属镀层 的能力。分散能力和覆盖能力不同，前

4、者说明金属在阴极表面均匀分布程度的问题，它 的前提是在阴极表面都有镀层；后者是指金属在阴极表面深凹处有无沉积层的问题。极化，是指有电流通过电极时，电极电位偏离平衡电极电位的现象；产生极化作用的原 因主要是电化学极化和浓差极化。金属的电沉积过程：液相传质，镀液中的水化金属离子或络离子从溶液内部向阴极界面 迁移到达另一侧；电化学反应，阴极上得到电子生成金属原子；电结晶，金属原子在金 属表面扩散到达结晶生长点，以金属原子态排列在晶格内，形成镀层。电镀的三个步骤 同时进行，但速度不同，速度最慢的一个被称为整体过程的控制性环节。电镀合金，在阴极上同时沉积出两种或两种以上金属，形成结构和性能符合要求的镀层

5、 的工艺过程。电镀合金的两个条件：两种金属中至少有一种金属能从其盐类的水溶液 中沉积出来；两种金属的析出电位要十分接近。合金共沉积的类型：正则共沉积（扩散控制）、非正则共沉积（阴极电位控制）、平衡共 沉积（化学平衡镀液）、异常共沉积（电位较负金属优先沉积）、诱导共沉积（铁诱导）。电刷镀优缺点：优点设备简单，携带方便，不需要镀槽设备工艺简单，操作方便， 适合不解体机件的现场维修和野外抢修镀层种类多，与基体材料的结合力强，力学性 能好，能保证满足各种维修性能的要求沉积速度快，但必须采取高电流密度操作。 缺点：劳动强度大，消耗镀液多，消耗阳极包缠材料。化学镀是指在没有外电流通过的情况下，利用化学方法

6、使溶液中的金属离子还原为金属 并沉积在基体表面，形成镀层的一种表面加工方法。第四章 金属的化学处理金属的化学处理是指通过化学或电化学手段，使金属表面形成稳定的化合物膜层的方 法。经过化学处理生成的膜层称之为化学转化膜。化学成膜的机理是金属与特定的腐蚀 液接触而在一定条件下发生化学反应，由于浓差极化作用和阴极极化作用等，使金属表 面生成一层附着力良好的，能使金属不易受水和其他腐蚀介质影响的化合物膜。钢铁的化学氧化是指钢铁在含有氧化剂的溶液中进行处理，使其表面生成一层均匀的蓝 黑到黑色膜层的过程，也称钢铁的发蓝或发黑。根据处理温度的高低，可分为高温化学氧化 和常温化学氧化。高温化学氧化得到的是以磁

7、性氧化铁（四氧化三铁）为主的氧化膜，一般只有0.51.5 以m，对尺寸精度基本无影响，因此在精密仪器、光学仪器、武器及机器制造业得到应用。铝及铝合金的化学氧化：可作为有机涂层的底层，但其耐磨性和耐蚀性均不如阳极氧化 膜好。优点：设备简单，操作方便，生产效率高，不消耗电能，成本低，该方法适用于不适 合阳极氧化的铝制品的表面处理。阳极氧化是指在适当的电解液中，以金属作为阳极，在外加电流作用下，使其表面生成 氧化膜的方法。铝及其合金的阳极氧化膜形成机理：电解液为中等溶解能力的酸性溶液，铅作为阴极仅 仅起到点作用。铝及其合金进行阳极氧化时，在阳极发生的反应：H2O-2eO+2H+2A1+3OA12O3

8、阴极发生反应：2H+2efH2f同时酸对铝和生成的氧化膜进行化学溶解，反应如下2A1+6H+2A13+3H2 f； A12O3+6H+2A13+3H2O氧化膜的生成与溶解同时进行，氧化初期，膜的生长速度大于溶解速度，膜的厚度不断增加； 随着厚度增加，其电阻增大，结果使膜的生长速度减缓，一直到与膜的溶解速度相等时，膜 的厚度才为一定值。把金属放入含有锰，铁，锌的磷酸盐溶液中进行化学处理，使金属表面生成一层难溶于 水的磷酸盐保护膜的方法，叫做金属的磷酸盐处理，简称磷化。磷化膜层为微孔结构，与基 体结合牢固，具有良好的吸附性、润滑性、耐蚀性、不粘附熔融金属性及较高的电绝缘性。 主要用作涂料的底层、金

9、属冷加工时的润滑层、金属表面保护层及用作电机硅钢片的绝缘处 理，压铸模具的防粘处理。第五章表面涂敷技术涂料主要由成膜物质，颜料，溶剂和助剂四部分组成。成膜物质一般是天然树脂，天然 油脂和合成树脂，在涂料组成中能形成涂膜的主要物质，是决定涂料性能的主要因素。 颜料能使涂膜呈现颜色和遮盖力，还可增强涂膜的耐老化和耐磨性以及增强膜的防蚀， 防污等能力。溶剂，使涂料保持溶解状态，可使涂膜具有均衡的挥发速度，以使膜平整 和光泽，还可消除膜的针孔，刷痕等缺陷。助剂，虽然在涂料中用量小，但对储存、施 工及涂膜的物理性质有明显的作用。C04-2胶黏剂可粘接各种材料，特别适合于粘结弹性模量与厚度相差较大，不宜采

10、用其他方法连接的材料，以及薄膜、薄片材料等，也可作为修补零部件的一种方法。优点：粘结工艺适用范围广，能粘涂各种不同的材料，粘涂层厚度可以从几十微米到几 十毫米，并且具有良好的结合强度。在修复应用方面，除一般零件外，粘涂对难于或无法焊 接的材料制成的零件，薄壁零件，复杂形状的零件，具有爆炸危险的零件以及需要现场修复 的零件等也可使用。粘涂是材料或零件表面的一种强化手段，也可使表面获得某种特殊 的功能。此外粘涂在修补方面有重要的应用，零件划伤、铸造缺陷、裂纹、磨损、腐蚀以及 许多特殊情况部件的修复或修补。堆焊，是在金属材料或零件表面熔焊上耐磨、耐蚀等特殊性能的金属层的一种工艺方法。 通过堆焊可以修

11、复外形不合格的金属部件及产品，或制造双金属零部件。所有堆焊材料可归 纳为铁基，镍基，钻基，碳化钨基和铜基等几种类型。5.表常用堆焊方法及其特点堆焊方法特点注意事项氧-乙炔焰堆焊设备简单，成本低，操作较复杂，劳动强度大。 火焰温度低，稀释率小，单层堆焊厚度可小于 1.0mm，堆焊层表面光滑。常用合金铸棒及镍 基、铜基的实芯焊丝。堆焊批量不大的零件。堆焊时可米用熔剂， 熔深越浅越好。尽量 采用小号焊炬和焊 嘴。焊条电弧堆焊设备简单，机动灵活，成本低。能堆焊几乎所 有实芯和药芯焊条，目前仍是一种主要的堆焊 方法。主要用于小型或复杂形状零件的全位置 堆焊修复和现场修复。采用小电流，快速焊， 窄道焊，摆

12、动小，防 止产生裂纹。大件焊 前预热，焊后缓冷。埋弧自动堆焊单丝埋弧堆 焊常用堆焊方法，堆焊层平整，质量稳定，熔敷 率高，劳动条件好。稀释率大，生产率不够理 想应用最广的高效堆焊 方法，用于具有大平 面和简单圆形表面的 零件，也可配通用焊 剂，也常用专用烧结 焊剂进行渗合金多丝埋弧堆 焊双丝、三丝及多丝并列接在电源的一个极上， 同时向堆焊区送进，各焊丝交替堆焊，熔敷率 大大增加带极埋弧堆 焊熔深浅，熔敷率高，堆焊层外形美观等离子弧堆焊稀释率低，熔敷率高，零件变形小，外形美观， 易实现机械化和自动化填丝法、粉末法两种热喷涂特点、形成机理以及涂层结构：使用范围广，工艺灵活，涂层厚度可调试范围大，

13、工件受热程度可控，生产率高；热喷涂材料被加热到融化或半融化状态，随后熔滴雾化被推 向前喷射飞行以一定的动能冲击基体表面产生强烈碰撞展平成扁平状涂层并瞬间凝固，每隔 0.1S涂层薄片相继形成，最后形成层状结构的涂层；热喷涂层是由无数变形粒子相互交错 呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构，涂层中伴有氧化物和夹杂。热喷涂预处理基体表面的粗话处理：基体表面的粗化处理时提高涂层与基体表面机械结 合强度的一个重要措施，常用的方法包括喷砂法，机械加工法，化学腐蚀法，电弧法。熔结。将涂层熔化，凝结于金属表面，可以是直接喷焊，也可以是先喷后熔，冷凝后形 成与基体具有冶金结合的表面层。通常把这种表面冶金强化方法简称为

14、熔结。熔结的方法有 氧-乙炔焰喷焊（最常用）、等离子堆焊、真空熔结、火焰喷涂后激光加热重熔等。热浸镀。镀层金属的熔点必须远远低于基体金属，如锡、锌、铅、铝、Al-Sn等。第六章表面改性技术表面形变强化，表面淬火，表面化学热处理的异同点：相同点，表面改变心部不变，前 两个成分不变；不同点：表面最后形成的组织变化不同，处理结束后表面成分不同，表面缺 陷密度不同，各自生产周期不同，生产成本不同，设备复杂简单不同。金属表面的形变强化。基本原理是通过机械手段（滚压，内挤压和喷丸等）在金属表面 产生压缩变形，使表面形成形变硬化层。表面热处理是指仅对零件表层加热、冷却，从而改变表层组织和性能而不改变成分的一

15、 种工艺；表面热处理工艺包括：感应加热淬火，火焰加热表面淬火，接触电阻加热表面淬火， 浴炉加热表面淬火，电解液加热表面淬火，高密度能量的表面淬火及表面保护热处理等。感应加热表面淬火，频率越高，淬火深度越浅，高频100-500K，超音频20-100K，中频 1.5-10K，X频 50Hz。金属表面化学热处理。基本工艺过程是：将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到 一定温度，使活性介质通过分解并释放出欲渗入元素的活性原子、活性原子被表面吸附并融 入表面、融入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层，从而改变表层的成分 和组织性能。金属表面化学热处理的目的：提高金属表面的强度、硬度和耐磨性

16、；提高材料 疲劳强度；使金属表面具有良好的抗粘着、抗咬合能力和降低摩擦系数；提高金属表面的耐 蚀性。6.渗入元素及作用。渗入元素适用于作用硼B钢铁材料，金属陶瓷和某些有色金属提高金属表面的硬度，耐磨性 和耐蚀性C、N、C&N 共渗钢材、高合金钢硬度、耐磨性，疲劳强度；强 度，红硬性（高合金钢渗碳）；Cr钢件硬度，红硬性，耐蚀性，抗氧化性（720以下）Ti钢耐磨蚀性，耐气蚀性Si耐蚀性，稳定性，硬度和耐磨 性S钢铁降低摩擦系数，提高抗咬合能 力Al钢，铸铁，难熔金属及其合 金提高材料热稳定性，耐磨性和 耐蚀性7.等离子体表面处理。等离子体是一种电离度超过0.1%的气体，是由离子，电子和中性粒 子

17、所组成的集合体。离子渗氮，又称为辉光离子渗氮，是一种在压力低于105Pa的渗氮气氛中利用工件和阳 极间稀薄含氮气体产生辉光放电进行渗氮的工艺。激光的特点：高方向性，高亮度性，高单色性。激光表面处理技术。激光处理前表面的预处理，磷化、黑化和涂覆红外能量吸收材料主 要目的是提高材料表面对激光的吸收率。离子注入表面改性。离子注入是将所需物质的离子在电场中加速后高速轰击工件表面使 之注入工件表面一定深度的真空处理工艺。离子注入产生沟道效应和辐照损伤。特征：可注 入任何元素且不受固溶度和扩散系数的影响；离子注入温度和注入后温度可以任意控制，且 在真空中进行，不氧化不变形不发生退火软化，表面粗糙度无变化，

18、可作为最终热处理；可 控性和重复性好；可获得两层或两层以上性能不同的复合材料；缺点包括:注入层薄，离子 只能直线行进不能绕行，对于复杂和有内孔的零件不能进行离子注入，设备造价高。第七章气相沉积技术薄膜生长模式：岛状生长（一般情况），层状生长，层状加岛状生长。真空的特点和应用（为什么需要真空条件）：排除了空气的不良影响，可防止金属氧化、 物体腐烂；除去或减少气体、杂质污染，提供清洁条件；减少气体分子之间的碰撞次数； 真空的绝热性强；可降低物质的沸点或气化点。溅射现象：用几十电子伏或更高动能的荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能 量而溅出进入气相，这种溅出的，复杂的粒子散射过程称为溅射。直流

19、辉光放电：辉光放电是在10-2Pa10Pa真空范围内，在两个电极之间加上高压时产 生的放电现象，它是离子溅射镀膜的基础。溅射镀膜是利用溅射现象来达到制取各种薄膜的目的，即在真空室中利用荷能粒子轰击 靶表面，使被轰击出的粒子在基底上沉积的技术；与真空蒸镀相比的特点：膜层质量好， 与基底结合牢固、应用范围广、膜层厚度均匀、沉积速率低设备复杂，价格较高，操作 单纯工艺重复性好，易实现工艺控制自动化。磁控溅射原理（低温高速）：在阴极靶表面上方形成一个正交电磁场，当溅射产生的二 次电子在阴极位降区被加速为高能电子后，在正交电磁场中来回振荡，不断与气体分子 碰撞使之电离，本身则转变为低能电子漂移到辅助阳极被吸收避免了高能粒子对基 底的强烈轰击，体现了磁控溅射基底“低温”特点；另外气体压力为10-1Pa量级时，电 子的平均自由程只有10cm量级，电离效率很高，利于