材料表面工程重点

1、金属表面处理技术:指通过一些物理、化学、机械或复合方法使金属表面具有与基体不同的 组织结构、化学成分和物理状态，从而使经过处理后的表面具有与基体不同的性能。经过表面处理后的金属材料，其基体的化学成分和力学性能并未发生变化（或未发生大的变 化），但其表面却拥有了一些特殊性能，如高的耐磨性、耐蚀性、耐热性、导电性、电磁特 性、光学性能等。典型的固体表面有：理想表面、洁净表面、清洁表面、机加工表面和一般表面。理想表面：将晶体切开后形成的表面洁净表面:在特殊条件下获得的固体表面，表面有极少量的吸附物。TLK模型平台（Terrace）:低晶面指数平台；台阶（Ledge）:单分子或单原子高度的平台；扭折（

2、Kink）:单分子或单原子尺度的扭折。台阶图2-3单晶表面的TLK模型固体表面上的能量是不均匀的，有的部位高，有的部位低，这将导致表面的吸附和化学反 应是不均匀的清洁表面:零件经过去油、除锈等预处理后的表面。毕氏层（Bilby层）：因机械加工力引起的晶格点阵强烈畸变而形成的非晶态层，具有粘性液体膜似的非晶 态外观，厚约510 nm。固体表面的吸附现象:由于物质表面原子或分子力场不饱和，所以有吸引周围其它物质（主要 是气体、液体）分子的能力。吸附可以减少物质表面某些过剩的自由能，物质表面因吸附物的存在而稳定，所以吸附是 自发进行。固体表面的吸附有物理吸附和化学吸附：物理吸附：固体表面与被吸附分子

3、之间不发生电子的转移，它们之间靠范德华力结合。物理吸附对温度很敏感，提高温度容易解吸，所以物理吸附是可逆的。化学吸附：吸附原子与固体表面原子之间有电子的转移，二者靠化学键力结合。从热力学角度讲，化学吸附的自由能减小要比物理吸附大得多，状态更稳定，而且是不可逆 的过程。润湿现象与机理液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿（1）亲水物质：能被水润湿的材料，如玻璃、石英等；（2）疏水材料：不能被水润湿的物质，如石蜡、石墨等液体在固体表面的铺展系数定义为S =o -a -a =a （cos。-1）当0=0时，SL/S = 0，液体L在固体S表面上会自动展开；当SL/S0时，液体在固体表面上不易铺展，负值

4、越大越难铺展。当固体表面粗a造度为cos。上个可修正为 L / SL-G所以粗糙表面的铺展系数远大于光滑表面。金属材料表面在环境介质的作用下所引起的破坏或变质称为腐蚀。化学腐蚀：化学腐蚀是金属和环境介质直接发生化学作用而产生的损坏，在腐蚀过程中只有电子的得 失，没有电流产生，引起金属化学腐蚀的环境介质不能导电。这种腐蚀的产物一般覆盖在金属的表面。例如金属的高温氧化、非电解质对金属的腐蚀等。 电化学腐蚀:是金属在电解质溶液中发生电化学作用而引起的损坏，在腐蚀过程中不仅有电 子的得失，而且有电流产生，引起电化学腐蚀的介质都能导电。电化学腐蚀产生的原因是不同金属之间或合金中的不同相之间电极电位不同，

5、存在电位差， 当存在电解质溶液时便在金属表面形成了原电池，电位低的部分（阳极）被腐蚀，电位高的 部分（阴极）被保护，不同金属之间或合金中的电位差越大、原电池效应越明显，腐蚀速度 越快。金属零件发生电化学腐蚀的基本条件是：零件是由二种不同金属组成，或使用的合金中不同区域或不同相的电极电位不同。不同电极电位的部分彼此是非绝缘的，可以有电子的流动。有电解质存在。金属腐蚀的防护正确选用金属材料，合理设计工件结构金属表面覆盖保护层牺牲阳极的阴极保护法表面预处理工艺包括机械清理、脱脂处理和浸蚀处理。机械清理:：去除被处理零件表面的固体杂物。脱脂处理:去除被处理零件表面的油污抛光:提高被处理零件表面光亮度浸

6、蚀:去除被处理零件表面较薄的锈或氧化膜。热喷涂的定义: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。热喷涂的基本过程（1）喷涂材料被加热到熔融状态。（2）喷涂材料被雾化成微小熔滴并高速撞击基体表面，撞击基体的颗粒动能越大和冲击变 形越大，形成的涂层结合越好。（3）熔融的高速粒子在冲击基材表面后发生变形，冷凝后形成涂层。涂层的结构:涂层是由无数变形粒子互相交错堆叠在一起，形成一层堆积而成的层状结构。 涂层性能具有方向性，垂直和平行涂层方向上的性能不一致。涂层中伴有氧化物等夹杂，存 在部分孔隙，孔隙率4%20%。涂层应力涂层冷

7、凝收缩时，涂层外层的拉应力、涂层内层的压应力、组织转变产生的微观应力，结果 使涂层产生残余张应力，应力大小与涂层厚度成正比，当张应力超过涂层与基材之间结合强 度时，涂层就会发生破坏。残余应力限制了涂层的厚度。减少涂层残余应力措施：（1）调整喷涂工艺参数；（2）致密涂层的残余应力要比疏松涂层大；（3）采用梯度过渡层缓和涂层内应力。包括涂层与基材之间、涂层中颗粒与颗粒之间的结合，结合形式有：（1）机械结合：撞成扁平状的颗粒和凸凹不平的基材表面互相嵌合（即抛锚效应）而结合在 一起。（2）物理结合：熔融粒子的原子与基材表面原子之间距离达到晶格常数范围时，产生范德 华力，形成物理结合。（3）冶金-化学结

8、合：熔融粒子撞击基材表面时释放出的能量使喷涂材料与基材之间发生 局部扩散和焊合，形成冶金结合。如喷涂镍包铝复合粉末时的放热反应。热喷涂的涂层与基材的结合主要以机械结合为主，结合强度较差（70MPa）。热喷涂工艺:热喷涂工艺流程包括基材表面预处理、热喷涂、后处理和精加工等过程。图6-7热喷涂工艺流程图工件喷涂前要进行预热，预热的作用有：（1）提高工件表面与熔粒的接触温度，有利于熔粒的变形和相互咬合以及提高沉积率；（2）使基体产生适当的热膨胀，在喷涂后随涂层一起冷却，减少两者收缩量的差别，降低涂 层的内应力；（3）去除工件表面的水分。预热温度不宜过高，对于普通钢材一般控制在100150C为宜。 可

9、直接用喷枪预热，但要使用中性焰或轻微碳化焰，也可采用电阻炉预热，工件温度均匀、 表面不产生水汽。等离子喷涂利用非转移等离子弧作为热源对喷涂材料进行加热、加速、涂敷。等离子焰流温度高、流速快，因此喷涂效率高、涂层致密、结合强度高、基材表面热影响区 小。由等离子弧电源、电器控制、喷枪、气源、送粉系统、水冷系统等组成。等离子气体的选择：氮气：热焓高，价格低廉，是等离子喷涂主要工作气体。氩气：易于引弧，等离子弧稳定，有很好的气体保护作用。氢气：可作为辅助气体起到提高热焓和防氧化的作用。等离子弧焰流温度高，适合喷涂高熔点材料。涂层密度可达8598%，结合强度高达3570Mpa，喷涂质量远优于火焰喷涂层。

10、主要用于：1）耐磨、减磨涂层；2）耐蚀涂层；3）抗高温氧化、抗高温气流冲刷、热障涂层；4）制造金属、陶瓷类高熔点复合材料。热喷焊工艺与热喷涂工艺的区别1）工件表面温度：喷涂时工件表面温度250。；喷焊要900C。2）结合状态：喷涂层以机械结合为主；喷焊层是冶金结合。3）粉末材料：喷焊用自熔性合金粉末，喷涂粉末不受限制。4）涂层结构：喷涂层有孔隙，喷焊层均匀致密无孔隙。5）承载能力：喷焊层可承受冲击载荷和较高的接触应力。堆焊的特点：1、堆焊层与基体金属的结合是冶金结合，结合强度高，抗冲击性能好。2、堆焊层金属的成分和性能调整方便，一般常用的焊条电弧焊堆焊焊条或药芯焊条调节配 方很方便，可以设计出

11、各种合金体系，以适应不同的工况要求。3、堆焊层厚度大，一般堆焊层厚度可在230mm内调节，更适合于严重磨损的工况。4、节省成本，经济性好。当工件的基体采用普通材料制造，表面用高合金堆焊层时，不仅 降低了制造成本，而且节约大量贵重金属。在工件维修过程中，合理选用堆焊合金，对受损 工件的表面加以堆焊修补，可以大大延长工件寿命，延长维修周期，降低生产成本。5、由于堆焊技术就是通过焊接的方法增加或恢复零部件尺寸，或使零部件表面获得具有特 殊性能的合金层，所以对于能够熟练掌握焊接技术的人员而言，其难度不大，可操作性强。 堆焊材料的类型：根据堆焊合金的主要成分可划分为堆焊材料分铁基、镍基、钻基、铜基和 碳

12、化钨基等。根据堆焊合金的形状可划分为丝状、铸条状、带状、粉粒状、块状堆焊合金。瑾珍玄 堆焊层中基体金属总量 稀g堆焊弟属总量为了最有效地发挥堆焊层的作用，希望采用的堆焊方法有较小的母材稀释、较高的熔敷速度 和优良的堆焊层性能，即优质、高效、低稀释率的堆焊技术。稀释率高，基体金属混入堆焊 层中的量多，改变了堆焊合金的化学成分，将直接影响堆焊层的固有性能。因此，堆焊时，常 希望获得较低的稀释率，以充分发挥堆焊合金性能，达到预期目的。电镀电镀是一种用电化学方法在镀件表面上沉积所需形态的金属覆层工艺。电镀定义：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，通过电解作用，使 镀液中欲镀金属的阳离

13、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。例如Zn2+ + 2eZn （金属离子还原反应）Ni 2+ + 2eNi电镀是以电化学过程为依据，所以电镀要有三个必要条件：电源、镀槽（镀液）、电极。电极反应机理1）平衡电极电位在没有外电流通过的情况下，当金属电极与溶液接触时，由于其具有自发腐蚀的倾 向，金属就会变成粒子进入溶液，留下相应的电子在金属表面上，结果使金属表面带负电， 而与金属表面接触的溶液带正电。这样就在金属/溶液两相界面间自发地形成双电层，使金 属与溶液之间产生了电位差，叫做电极电位。当体系达到动态平衡时，此时的电极电位称为平衡电极电位，简称平衡电位。当溶液温度为25C、金

14、属离子的浓度为1mol/L时（即活度为1），测得的平衡电位叫标准电 极电位。任意活度下的平衡电极电位可以表示为 厂 RT1E = E +ln a 平 ZF平衡电极电位的高低反应了金属的氧化还原能力，电极的平衡电位越负，电极上越容易发生 氧化反应，电极的平衡电位的正值越大，电极上越容易发生还原反应。2）电极极化与过电位当有电流通过电极时，电极电位偏离平衡电位的现象。阴极的电极电位向降低的方向偏移，叫做阴极极化；阳极的电极电位向升高的方向 偏移，叫做阳极极化。把某一定电流密度下，电极电位与平衡电位的差值称为过电位nn = E E 平阴极极化时，n 0电化学极化:是由于电极上的电化学反应速度小于电子

15、运动速度造成的。阴极上还原反应的速度小于外电源供给电子的速度，从而使电极电位向负方向移动而引 起的极化作用，称为阴极极化。阳极极化：金属离子进入溶液的速度小于电子由阳极进入外导线的速度，阳极上有过多 的正电荷的积累，因此引起电极双电层上负电荷的减少，于是阳极电位就向正方向移动，产 生阳极极化。浓差极化：由于溶液中离子扩散的速度小于电子运动速度造成的。电解过程当中，浓差极化是由于电极附近溶液的浓度与本体溶液（离电极较远，浓度均 匀的溶液）浓度发生差别产生的。例如，在阴极附近的金属离子沉积到电极上去，使该处的 金属离子浓度不断降低，而溶液本体中金属离子扩散到该处进行补充的速度赶不上沉积的速 度从而

16、使电极附近金属离子的浓度比本体溶液中金属离子的浓度要低，这样就形成了浓度梯 度，由此引起电位的移动。电流增大，引起的浓差极化越大。浓差极化也是使阴极电极电位 变得更负，阳极电位变得更正。阴极上的电镀过程包括三个步骤：（1）液相传质：金属的水合离子或络离子从溶液内部迁移到阴极表面（2）电化学反应：金属水合离子脱水或络离子解离，金属离子在阴极上得到电子发生还原 反应生成金属原子；（3）电结晶：还原的原子进入晶格结点。（1）液相传质步骤三种方式：电迁移、对流和扩散。电迁移 液相中带电粒子在电场作用下向电极迁移的一种传质过程。带电粒子可能是进行电 极反应的离子，也可能是不参加电极反应的离子。比如导电盐

17、、或是过剩的络合剂，它们解 离出大量带电粒子参与电迁移过程，而参加电极反应的带电粒子仅占其溶剂一小部分，因此， 电迁移的作用可以忽略不计。对流 物质的粒子随着液体的流动而传送，就是对流传质。镀液在不搅拌的情况下，镀液流 速很小，近似出于静止状态，这时对流的影响也可以忽略。扩散 溶液中的某一组分存在浓度差，该组分物质就会从高浓度区向低浓度区迁移，这个过 程叫扩散传质。电镀时，阴极表面附近的参加电极反应的金属离子，不断得电子而析出，使 参加电极反应的金属离子不断被消耗，这样阴极表面附近这种金属离子的浓度就会下降，在 阴极表面附近就出现了参加电极反应的金属离子浓度高低逐渐变化的溶液层，称为扩撒层，

18、扩散两端这种金属离子的浓度差推动金属离子不断通过扩散层扩散到阴极表面。溶液不需要 流动就可以发生传质过程，扩散总是存在的，它是液相传质的主要控制步骤。两种或两种以上的元素共沉积所形成的镀层为合金镀层。合金共沉积的条件两种金属离子共沉积除需具备单金属沉积的基本条件外，还应具备以下两个基本条件：两种金属中至少有一种金属能从其盐的水溶液中沉积出来。有些金属如W，Mo等不能从 其盐的水溶液中沉积出来，但它可以借助诱导沉积与铁族金属共沉积。共沉积的两种金属的沉积电位必须十分接近。如果相差太大，电位较正的金属优先沉积， 甚至完全排斥电位较负的金属析出。实现共沉积的方法（1）改变镀液中金属离子的浓度比。增大

19、较活泼金属离子的浓度，使其电位正移；或降低较贵金属离子浓度，使其 电位负移，使两者的电位接近。（2）采用适当的络合剂。这是使平衡电位相差大的金属离子实现共沉积的最有效方法。（3）采用特定的添加剂。某种添加剂可能对某些金属沉积起作用，使之实现共沉积。电刷镀是电镀的一种特殊方式，不用镀槽，只需在不断供应电解液的条件下，用一支镀笔在 工件表面上进行擦拭，从而获得电镀层。所以，刷镀又称无槽镀或涂镀。直流电源的正极通过导线与镀笔相联，负极通过导线和工件相联，当电流方向由镀笔流向工 件时为正向电流，正向电流接通时发生电沉积；电流方向从工件流向镀笔时为反向电流，反 向电流接通时工件表面发生溶解。刷镀溶液的特

20、性金属离子的含量较高。如镀Ni液中离子含量5355g/l镀液的温度范围比较宽镀液的性质比较稳定。在刷镀过程中虽然金属离子不断沉积，但由于电极上的电阻热使 溶液不断蒸发，综合结果使离子浓度下降并不大，因而pH值变化也不大均镀能力和深镀能力较好镀液的毒性与腐蚀性较小化学镀：是指在没有外电流通过的情况下，利用化学方法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。自催化镀、无电解镀表面形变强化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。此形变硬化层的深度可达0.5mm1.5mm。硬化层中产生两种变化：一是在组织结构上，亚晶粒

21、极大地细化，位错密度增加，晶格 畸变度增大；二是形成了高的宏观残余压应力。这两种变化使得金属表面的强度硬度得到了 很大的提高，疲劳寿命也有了很大的改观。激光束和离子束、电子束一起被称为“三束”。激光合金化与熔覆是同一种类型的工艺，它们的区别仅在于，激光合金化所形成的合金层的 成分是介于施加合金与基体金属之间的中间成分，即施加合金受到较大或一定的稀释。而激 光熔敷则是除较窄的结合层外，施加合金基本保持原成分很少受到稀释。这些区别可以由被施加材料、施加合金成分、施加形式及量和激光工艺参数的改变来达到 离子注入原理在真空中将注入元素电离，利用电场加速作用使它们形成具有数万至数百万电子伏特的离子 束流，并入射到工件基体材料中去，离子束与基体