表面工程章节样本

第四章表面淬火和变形强化1表面淬火技术原理和特点2感应加热表面淬火3火焰加热表面淬火4激光加热表面淬火4-1.表面淬火技术原理将钢表面迅速加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上，然后使之迅速冷却并转变为马氏体。将钢整体加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上，然后使其表面迅速冷却并转变为马氏体。2.表面淬火对材料规定凡是能进行整体淬火强化材料都可以进行表面淬火。低碳钢或低合金钢需进行表面渗碳或合金化（齿轮渗碳）。表面硬度规定越高，规定钢碳含量和合金含量越高；表面硬化层越深，规定钢淬透性越好。3.与常规淬火技术区别在一定加热速度范畴内，V加热↑，T临界↑V加热↑，奥氏体成分不均匀性↑a.C成分不均匀,从相图上看与F,K相邻浓度相差很大,C来不及扩散。b.合金元素不均匀预先热解决（调质、正火、球化退火）——表面淬火V加热↑，奥氏体晶粒细化明显a.过热度大,相变趋动力增大,晶粒形成位置增多,A在F和K相界上形成，A在F亚晶界上形成。b.加热时间短,如果加热速度107度/S,形成时间10-5S,在如此短时间内奥氏体晶粒来不及长大。V冷却↑，表面硬度高4.表面淬火技术特点生产效率高，能耗小。加热快，冷却快：组织细，硬度高；组织均匀性差（渗碳体来不及溶解和扩散）。表面组织细，硬度高，中部硬度低，韧性好。4.2感应加热表面淬火技术1感应加热淬火原理将工件紧靠在有足够功率输出感应圈附近,感应圈通电，在高频(中频)交流磁场作用下（如果工件与线圈间隙非常小）由于集肤效应,在工件表面产生很大涡流，大小与线圈电流相等，方向相反。涡流产生热量，将工件表面加热迅速加热到淬火温度，并用冷却介质迅速冷却，达到对工件表面淬火目。2感应加热淬火技术特点效率高；变形小；深度可控；需要制作特定线圈；电源功率大；“尖角”效应3感应加热淬火技术应用高频淬火：轴类零件，磨损量小，但精度规定高零件中频淬火：齿轮、活塞环槽，有明显磨损量，精度规定较高零件工频或双频：轧辊，磨损量大表面淬火在粗加工或半精加工后进行，最后只留磨量。4.3火焰加热表面淬火技术1火焰淬火（flamequenching）原理：用火焰迅速将工件表面加热到淬火温度，并迅速冷却，使工件表面得到淬火组织。控制参数：火焰大小、火焰与工件相对距离和相对移动速度淬火深度：钢淬透性、加热深度和冷却条件等2长处：设备简朴；操作灵活；操作简朴合用于各种形状小批量零件或大型零件局部淬火3缺陷：生产效率低；难以控制，需要丰富经验；淬火层均匀性差；变形大4合用范畴合用于各种形状小批量零件或大型零件局部淬火导槽、模具、凸轮轴（凸台）4.4激光加热淬火技术1激光加热原理:用激光束加热材料表面，使之迅速生高到相变温度以上。1.1激光加热特点：能量密度高，加热速度快、温度高，且容易控制。2激光淬火（LaserQuenching）原理:用激光束加热材料表面，使之迅速生到相变点温度以上但不熔化，当激光束移开后表层自行迅速冷却，并转变为马氏体。2.1特点能量密度高，加热速度快、温度高，不需要淬火冷却介质。3长处：☆工件变形小☆能量集中，热影响区小☆加热深度和轨迹容易控制☆合用于表面重熔，甚至可以熔化陶瓷。为了不使材料熔化，激光淬火时能量密度普通为1000~6000J/cm2。4缺陷：存在回火软化带，对规定大面积均匀硬化层工件不利5应用（1）高精度零件解决汽车大梁，汽车油泵，空压机、发动机汽缸，汽车凹轮轴，热锻模大型内齿圈（2）管材内表面改性例：管内机器人＋激光表面改性技术，对细长管材内表面硬化解决，提高耐磨性，延长寿命，减少管材使用量。外径60mm，壁厚8mm，长2300mm细长空心轴，淬火后振摆变形不大于0.2mm4.5变形强化1变形强化机理：塑性变形←位错运动→位错增殖→位错交结→强度提高塑性变形→马氏体相变→强度提高最惯用来表达金属材料变形强化公式是Hollomon公式：S=Ken式中：S为真应力；e为真应变；n为变形强化指数；K材料硬化系数。2（1）喷丸或抛丸强化:钢丸高速撞击工件表面，使表层材料产生大量塑性变形。（2）滚压强化：用钢球、辊轮或辊轴滚压工件表面，使工件表面产生大量位错。产生大量位错，如有奥氏体相，促使马氏体相变，提高材料表面强度。较大残存压应力。提高材料强度，特别是疲劳强度办法。4.5.1喷丸强化1喷丸强化：压缩空气带动钢丸高速撞击工件。2长处：撞击点集中，易于控制。4.5.2抛丸强化1特点抛丸强化撞击面大，生产效率高。用于弹簧钢板、圆弹簧、大型工件、车轮以及大批量生产零件等。4.5.3滚压强化1.原理在一定压力作用下，用钢球、辊轮或辊轴滚压工件表面，使工件表面产生大量位错和较大残存压应力，从而提高材料表面强度，特别是疲劳强度办法。表面滚压强化原理与喷丸和抛丸相似。2合用范畴滚压强化合用于轴类零件和沟槽类零件，不能用于复杂零件。滚压改性层深度可达5mm以上，球墨铸铁曲轴滚压疲劳强度可提高20~33%滚压强化使零件产生变形，必要进行矫正解决。第五章热扩渗定义：将工件放在特殊介质（气体、液体或固体）中，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成一定厚度扩散层（或掺杂层），从而变化材料成分、组织和性能办法。热扩渗技术机理：渗剂产生活性原子，并不断提供应基体金属表面。活性原子吸附在基体金属表面，并被基体金属吸取，形成固溶体或金属间化合物。活性原子不断向基体金属内部扩散，渗层厚度不断增长。热扩渗目：提高强度、硬度和耐磨性。渗氮表面硬度达950Hv~1200Hv，渗硼表面硬度达1400Hv~Hv。提高疲劳强度。渗碳、渗氮和渗铬使材料发生相变，表层体积膨胀，导致产生残存压应力。提高淬透性。低碳钢、低合金钢渗碳。提高抗咬合、抗粘着能力和减少摩擦系数，如渗硫、氮化。提高耐腐蚀性能，如渗铝、渗氮等气体渗碳氛围形成方式：滴注式气体渗碳：向炉内滴入含碳有机液体，如煤油。（设备简朴，规定经验）吸入式气体渗碳：吸入富碳氛围进行渗碳。（专用设备，大批量生产）氮基氛围渗碳：以纯氮为载体，加入碳氢化合物，一并注入炉内形成富碳氛围进行渗碳。（专用设备）氛围检测仪器（CO2、CH4、CO分析仪）长处：提高硬度和耐磨性同步，心部能保持相称高韧性，可承受冲击载荷，疲劳强度较高缺陷：解决温度高，工件畸变大应用渗碳工艺广泛应用于飞机、汽车、机床等设备重要零件中，如齿轮、轴和凸轮轴等。渗碳是应用最广、发展得最全面化学热解决工艺。渗氮长处：氮化层硬度高达950~1200Hv，耐磨性、疲劳强度、红硬性、抗咬合性能和减摩性能优于渗碳层。低温渗氮：500~600℃渗氮，工件变形小。缺陷：时间长，数十到上百小时。渗层薄（500μm），脆性高应用渗氮可以用于构造钢、高铬钢、工具钢和铸铁。产品有销、轴、缸套、活塞、齿轮和模具等等。渗氮层很薄，普通为0.1~0.15mm，渗氮解决后最佳不加工或少量精加工在520~580℃，以渗氮为主，称氮碳共渗，渗层硬度比渗氮层略低，俗称软氮化。氮碳共渗比渗氮时间大大缩短；渗层中不含ξ相，硬度略低，韧性好，裂纹敏感性小。氮碳共渗是一种表面硬度高，摩擦磨损性能和疲劳性能好，尺寸变形小热扩渗工艺。在780~930℃，以渗碳为主，称碳氮共渗。碳氮共渗比渗碳温度低，零件变形小，晶粒细，可以直接进行淬火，零件变形开裂倾向小。氮不但扩大了γ相区，并且提高奥氏体稳定性，提高了渗层淬透性和淬硬性。渗层存在较大残存压应力。更高疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回火稳定性。渗氮和氮碳共渗应用渗氮层很薄，普通为0.1~0.15mm，渗氮解决后最佳不加工或少量精加工。不但规定疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回火稳定性高，并且规定精度高产品，如销、轴、缸套、活塞、活塞销、模具等等。固体把工件埋入固体渗剂或用固体渗剂包裹工件，并加热达到一定温度，保持一定期间，使工件表面渗入一种或各种元素办法。固体渗剂包括：供渗剂（+还原剂）+催渗剂（或催化剂）+填充剂。供渗剂：作用是提供渗入工件表面活性原子，如供渗剂是稳定化合物，还要加还原剂。还原剂作用是使供渗剂产生活性原子。催渗剂（或催化剂）：增进活性原子渗入工件和增进还原反映。填充剂：减轻或防止渗剂板结，减少生产成本。渗剂原子活性越强，渗层就越厚液体将工件放入熔融液体中，使表面层渗入一种或几种元素办法称为液体热扩渗。盐浴法：（1）盐浴为渗剂，盐浴产生活性原子渗到工件表层。（2）渗剂浮于盐浴表面，盐浴作为载体传播活性原子。热浸法：熔融金属液，热浸锌、热浸铝等熔烧法：渗剂制成浆料涂敷在工件表面，在真空或保护氛围下加热至渗剂熔点以上，渗剂元素扩散到基体金属表面。热浸金属将工件浸入熔融金属液中，使工件表面形成金属防护层办法。热浸金属三个过程：（1）基体金属表面被溶解，形成合金层。（2）合金层内渗入原子向内扩散，形成固溶体或化合物。（3）合金层外面包覆一层纯金属。热浸铝和热浸锌是公认经济实用钢铁材料表面防护办法。热浸锌在大气、海洋环境下使用钢构造件已大量使用，如水管、高速公路护栏、铁搭、桥梁上大量使用。热浸铝还在汽车零部件上使用。渗铝是当前提高钢材耐硫化物腐蚀最有效办法。热浸铝原理：铝液与铁接触，在界面上形成Fe/Al合金层，并形成FeAl3化合物。铝原子向内部扩散，不断形成FeAl3化合物，FeAl3相厚度增长。随着铝原子继续向内扩散，还形成Fe2Al5相。取出工件时，表面形成一层纯铝。用常规办法对工件表面脱脂除锈用质量浓度为4%K2ZrF6溶剂在50~80℃清洗工件：1）进一步清除工件表面铁锈2）活化工件表面，提高浸入能力和镀层结合力。工件干燥后，浸入铝液。等离子体热扩渗等离子体热扩渗是运用低真空中气体辉光放电产生离子轰击工件表面，在工件表面产生热扩渗工艺。特点离子轰击工件表面，使表面活性提高，容易吸取被渗离子和活性原子。离子轰击能去除工件表面氧化膜或钝化膜，使易氧化金属（如不锈钢）也能进行热扩渗。调节电参数、渗剂气体成分和压力来控制热扩渗层组织性能。工艺过程易于控制。离子渗氮将工件放入离子渗氮炉,抽真空至1.33Pa.通入少量含氮气体,如氨,使炉压升到规定值.阴极(工件)和阳极加直流高压,使炉内气体放电.氮离子和氢离子在高压电场作用下冲击阴极,产生大量热量加热工件,同步氮离子和氢离子被工件吸附,渗入工件，形成渗层.保持一定期间，渗层达到规定厚度后停电、停气，降温到200℃后出炉。工艺辉光电压：保温阶段为500~700V电流密度：0.5~15 mA/cm2。电流密度大，升温快，但易浮现打弧。炉内真空度：266~533Pa。炉内压力太低，加热太慢；炉内压力太高，易浮现打弧。渗氮氛围：液氮或氮氢混合气。液氮使用简朴，但渗层脆性大；体积比为1:3氮氢混合气可改进渗层性能。调节氮氢混合气氮势，可控制渗层相构成。渗氮温度：450~650℃。不含铝钢普通采用500~550℃一段渗氮工艺，含铝钢采用520~530℃和560~580℃二段渗氮工艺；不锈钢采用600~650℃渗氮温度。渗氮时间τ：δ为0.2~0.6mm时，τ为6~30h。普通钢种8h左右，不锈钢要长得多。渗层深度计算公式：δ=k（Dτ）1/2计算。δ为渗层深度，k为常数，D为扩散系数，τ为渗氮时间。离子渗氮特点效率高：渗氮速度与普通气体渗氮3~5倍。（1）N离子轰击，使某些金属原子活化，使C、N、O等某些非金属元素还原出来。（2）表面清洗作用（3）高N浓度：轰击出来N，Fe原子形成FeN，吸附在工件表面，提高了表面浓度。（4）阴极溅射，某些原子脱离表面，位错密度增长，增长了N原子向内扩散系数。硬度：离子渗氮层硬度与气体渗氮层相称。厚度：离子渗氮层厚度可达0.3~0.5mm，比气体渗氮层厚得多。热效率高，节能；环保。第六章热喷涂、喷焊、堆焊技术原理：采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物以及它们复合材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，并喷射到通过预解决工件表面，形成附着牢固表面层加工办法。涂层质量影响因素结合强度：材料性质、熔化状态（热源温度、粒子飞行距离）、粒子飞行速度、基体表面粗糙度、涂层厚度等空隙率：材料性质、熔化状态、粒子飞行速度内应力：材料性质、涂层厚度、工件冷却条件、喷枪运动速度。涂层结合机理涂层结合涉及涂层与基体表面结合和涂层内部结合。结合力：涂层与基体表面结合强度。内聚力：涂层内部结合强度。（1）机械结合碰撞成扁平状，与凹凸不平表面互相嵌合，形成机械钉扎而结合。涂层与基体结合以机械结合为主。机械结合为主结合决定了热喷涂结合强度较低。（2）冶金---化学结合喷涂热量、撞击能量和放热反映，使表面局部产生高温，使涂层和基体表面局部浮现扩散和焊合，形成冶金结合。结合面上金属间化合物或固溶体为冶金结合产物。重熔或喷焊时，喷焊层与基体结合重要是冶金结合。3）物理结合颗粒对基体表面紧密结合，形成范德华力或次价键形成结合涂层形成机理材料溶化---加速—撞击基体—冷却凝固—形成涂层2.重要热喷涂办法和特性不同办法，合用于不同材料；不同材料，选取不同办法。重要取决于材料熔点和氧化特性。电喷涂：合用于金属材料或金属基复合材料。气喷涂：可以喷金属也可以喷陶瓷。火焰喷涂喷金属，HVOF喷金属陶瓷，等离子喷涂喷氧化物陶瓷。热喷涂特点：（1）合用范畴广涂层可以是金属、非金属以及复合材料。工件也可以是金属和非金属。（2）工艺灵活施工对象小到10mm内孔，大到铁塔、桥梁等大型构造。既可在整体表面，也可在指定区域内涂敷。既可在真空或控制氛围中喷涂活性材料，也可在野外现场作业。（3）工件受热少例如氧--乙炔焰喷涂、等离子喷涂或爆炸喷涂，工件受热限度均不超过250℃，工件不会发生畸变，不变化工件金相组织。（4）生产效率高大多数工艺办法生产率可达到每小时喷涂数公斤喷涂材料，有些工艺办法可高达50kg／h以上。（5）缺陷热效率等，能耗高。材料运用率低，挥霍大。涂层结合强度低。3表面解决为了提高涂层与基体结合强度，在喷涂前，对基体表面进行脱脂、清洗和粗糙化等预解决。碱洗法：将工件放到氢氧化钠或碳酸钠等碱性溶液中，待基体表面油脂溶解后，再用水冲洗干净。溶液洗涤法：采用挥发性溶液，如雨酮、汽油、三氯乙烯和过氯乙烷乙烯等，它们重要作用是把基体表面矿物油溶解掉，再加以清除。蒸气清洗法：采用三氯乙烯蒸气清洗，这种办法清洗效果较好，但对人体有一定危害。对疏松表面（如铸铁件）清洗：先脱脂、清洗后，将工件表面加热到250℃左右，尽量将油脂渗入到表面，然后再加以清洗。基体表面氧化膜解决机械办法去氧化膜，如切削加工办法和人工除锈法。直接喷砂去除氧化膜。也可以采用硫酸或盐酸进行酸洗。表面粗化解决提高结合强度一种重要办法。喷涂前4h～8h内必要对工件表面进行粗糙化解决。惯用办法有：（1）喷砂法：是最惯用粗糙化办法。砂粒有冷硬铁砂、氧化铝砂、碳化硅砂等各种，依照工件表面硬度选取（2）机械加工法对轴、套类零件表面粗化，可采用挑扣、开槽、滚花等简便切削加工办法，限制涂层收缩应力，增长涂层与基接触面。对强度规定不高工件，在喷涂区域内车螺纹和滚压，形成粗糙表面，普通每厘米10条纹左右。（3）化学腐蚀法基体表面进行化学腐蚀，由于晶粒上各个晶面腐蚀速度不同，可形成粗糙表面。（4）电弧法（又称电火花拉毛法）将细镍（或铝）丝作为电极，在电弧作用下，电极与基体表面局部熔合，产生粗糙表面。这种办法合用于硬度比较高基体表面，但不合用于比较薄零件。基体表面预热涂层与基体表面温度差使涂层产生拉应力，从而引起涂层开裂和剥落。基体表面预热可减少涂层残存应力。但预热温度不适当过高，以免基体表面氧化，减少基体表面活性，从而减少涂层与基体结合强度。预热温度普通在200℃－300℃之间非喷涂表面保护在喷砂和喷涂前，必要对非喷涂表面保护。保护办法可依照非喷涂表面形状，设计某些简易保护罩。保护罩可采用薄铜皮或铁皮、炭素物或石棉等。4.喷涂后解决封闭气孔普通采用有机涂料进行涂覆解决，涂层需封孔时,依照使用状态选取封孔剂.石蜡，树脂。自熔性合金镀层熔化解决将B,Si等元素加入到喷涂材料中，这些元素在喷涂过程中高温时发生氧化或与金属作用形成熔渣，涂覆在最表面；另一方面，发生反映是放热反映，使基体表面一薄层熔化，涂层与基体达到冶金结合。熔化解决采用加热热源普通为火焰加热和高频感应加热等。精加工通过喷涂表面普通厚度不均匀，表面粗糙度高，需要进行精加工，如车削或磨削等。5.热喷涂办法(1)火焰喷涂（Flamespray）火焰喷涂涉及丝材火焰喷涂和粉末火焰喷涂，普通不涉及超音速火焰喷涂（HVOF）。火焰喷涂热源是氧-乙炔气体，也可以是丙烷、氢气或天然气。喷涂材料熔化雾化并加速沉积到工件，形成涂层。火焰喷涂设备简朴，一枝喷枪。喷枪重要由两某些构成：产生火焰氧、乙炔供应系统和供料（粉末或丝材）系统线、棒材喷涂都是将材料从喷枪中心孔送出，由氧火焰将其熔化，通过压缩空气将熔化材料雾化成微粒，并将其喷射到基体表面沉积成为涂层。特点：操作简朴，设备运转费用低，可手持操作。材料：线材重要有Zn,Al,Cu，Mo，Ti等及其化合物，铝包镍，镍包铝，金属包碳化物等复合线材;棒材重要为Al2O3、Al2O3+TiO2及TiO2陶瓷材料。粉末火焰喷涂是将粉末加热到熔融或半熔融状态，同步将被加热粉粒以一定速度喷射到工件上形成涂层。特点：涂层致密度和结合强度不如线材火焰喷涂，但是该设备最简朴、轻便，投资少，成本低。并可喷涂后进行重熔以得到更致密涂层。材料：可制备塑料涂层爆炸喷涂技术产生于上世纪50年代中期，将燃气爆炸技术引入热喷涂领域。其重要特点是涂层与基体结合强度高，涂层孔隙率小（不大于0.5％），工件受热小，涂层在制作过程中受空气污染小。高速火焰喷涂是20世纪80年代初期由美国开发，由喷管出口处燃烧高温射流迅速膨胀，产生了超音速火焰，焰流速度高，颗粒熔化充分。该办法制备涂层与基体结合强度高，涂层致密，孔隙率不大于1％，并且涂层残存应力小。但是成本较高，限于应用于某些核心部位制作上。特点：所得涂层性能可与爆炸喷涂相媲美，但其工作效率，工作条件可变范畴更优越；成本较高。材料：最适当喷涂碳化物基粉末。HVOF是上世纪80年代初,由美国ＳＫＳ公司Ｂｒｏｗｎｉｎｇ.Ｊ.Ａ研制成功。HVOF系统使用气体燃料和氧气，产生3200℃高温高压火焰焰流速度高达1500m/s粒子撞击速度(1005～1200ｍ/ｓ)HVOF特别合用于喷涂WC-Co涂层。（1）VOF火焰温度低（2）颗粒飞行速度快，颗粒在空气暴露时间非常短。由于WC颗粒在高温下很容易发生脱碳反映:应用美国在航空发动机压缩机叶片、轴承套等。气轮机第一级静叶片上使用，取代昂贵低压等离子喷涂层和电子束物理气相沉积。修复退火炉辊，从80年代中期30%上升到90年代后期80%，带钢因结瘤等引起次品率则由85%下降到零。在冶金挤压辊轮、热浸镀锌槽中沉没辊。HVOF涂层结合强度高,可以喷2mm涂层.Fusion公司现已关闭电镀Cr生产线而转向超音速火焰喷涂,由于这种涂层具备高结合强度和韧性,完全可以适应部件服役时弯曲工况。HVOF火焰温度较低，适合于喷金属陶瓷，但不适合喷涂氧化物陶瓷。长处：设备简朴，操作以便，可携带到现场施工。沉积效率高，生产成本低。既可以喷粉末，也可以喷丝材（熔点高金属不能用丝材）。缺陷：涂层含氧量高。为了提高涂层与基体结合力，先喷涂后重熔。焰火温度低，不合用于喷陶瓷材料。电弧喷涂技术喷涂丝材通过两根彼此绝缘并加有18~40V线形电极，当两根丝材接近时产生电弧，并将丝材端部熔化。同步通入压缩空气使熔化金属液滴雾化，在压缩空气作用下高速撞击工件表面并在表面沉积，形成涂层。特点：电弧喷涂设备比较轻便，易于现场操作，生产效率高，能源运用率高。涂层质量重要取决于熔滴雾化后粒度。超音速电弧喷涂重要是对喷涂枪进行改进，开发出高速电弧喷枪，提高熔化粒子雾化限度和飞行速度，从而提高涂层与基体结合强度及减少涂层孔隙率。电弧喷涂特点普通只能喷具备导电性能金属丝材，用超音速电弧喷涂设备也可以喷金属基陶瓷复合材料。生产效率高，成本低。涂层比火焰喷涂致密，可达70%~90%理论密度。结合强度达10MPa~40MPa。电弧喷涂应用重要喷涂铝锌涂层、不锈钢涂层、高铬钢涂层，近期研究铝基陶瓷复合材料。重要金属零件防腐和强化，特别合用于大型零件防腐（闸门、桥梁、钢构造）和强化。电弧喷涂长效防腐涂层防腐寿命长：耐蚀寿命达50年以上，是防腐油漆4—5倍，热浸镀锌2—3倍，玻璃钢涂层2—3倍。。可修复性强：涂层被碰坏、划伤，可以进行修复，保证了防腐体系完整性和有效性；热浸涂层无法进行修补。普遍适应性好：可依照腐蚀环境选用相应耐蚀材料，灵活性强；热浸锌只能制备单一锌涂层。等离子喷涂原理运用等离子焰流，即非转移等离子弧作热源，将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态，在高速等离子焰流引导下高速撞击工件表面，并沉积在通过粗糙解决工件表面形成涂层。等离子喷涂特点长处：火焰温度高，几乎可以喷任何固体材料，特别合用于喷氧化物陶瓷。缺陷：喷低熔点材料不如其她办法应用防腐蚀喷涂铝：飞机表面用玻璃纤维强化塑料代替金属，为减少电荷累积导致静电和减少水对塑料腐蚀，喷涂一层铝。火焰或电弧大面积喷涂锌、铝及其合金涂层，代替老式油漆办法，实行阴极保护进行长效防腐涂层，防腐蚀年限可达到30年以上。长期暴露在户外大气大型钢铁构造件、地下电缆支架、桥梁、都市过街天桥、港口、船体等合用。如：长江三峡永久闸门、上海东方明珠电视塔。热喷涂塑料：葡萄酒厂低温发酵车间发酵罐内壁采用火焰喷涂聚乙烯涂层后，有效地防止了罐壁点蚀。耐磨持续锻造模持续锻造模表面由于金属凝固层摩擦而磨损，用镀铬提高其耐磨性，但在高温下，硬度↓快，防护效果不好；采用高温下硬度不明显下降自熔性合金涂层＋粘结底层，寿命↑。冷轧加工辊冷轧生产线中加工辊，表面规定耐磨、粗糙度变化小，镀铬，耐磨性不好；喷涂WC－Co涂层＋电镀，寿命↑，耐磨性提高5～10倍。耐高温卫星绕地球运动时，温度在－100～315℃之间变化，采用喷涂Al2O3层，可以隔热，保证内部温度10～30℃。涡轮叶片高温防护航空发动机高温热端部件重要是涡轮叶片，长期在高温、高速、高负荷条件下工作（超合金，空心加气膜冷却）——高温防护涂层M(Ni、Co)CrAlY（低压等离子喷涂）＋氧化物陶瓷（Al2O3,ZrO2-Y2O3），0.25mmZrO2-Y2O3，冷却空气流量↓50％，油耗改进1.3％，寿命↑4倍。模具制造与工件修复热喷涂迅速制作钢基模具工件模型——脱模剂——电弧喷涂熔点合金（中间模）——灌注石膏加固——取下工件模型——喷涂高熔点高强度涂层电弧喷涂对基材热影响小，母型可用金属、木材、石膏等；热变形小，收缩小，尺寸精度和复制性能优良，是忠于母型建议模具成型法。工件修复各种轴类机床，发电机轴，各种驱动轴，磨损后采用氧乙炔火焰粉喷、丝喷以及电弧丝材喷涂均可修复均能奏效，设备简朴，操作以便，可现场施工，经济效益好。功能性应用远红外辐射涂层节能应用复合氧化物TiO2-ZrO2具备较高热辐射系数和优良长波辐射特性，是远红外辐射材料，氧化物受热时辐射出远红外波，极易被高分子有机物、水、空气等物质分子吸取，而引起共振产生内热，从而加速加热过程，采用热喷涂技术在电加热元件上喷涂远红外辐射涂层，其节能效率普通平均在25％～40％。飞机表面防雷和抗干扰涂层为了减轻飞机重量、隐身规定，采用大量非金属复合材料，不导电，某些部位需涂覆导电层（铝）来屏蔽外来信号干扰和防止雷击。人工种植生物功能应用人工关节、义齿，采用不锈钢，表面状态与人体组织结合不紧密，且不锈钢中Cr、Ni在人体中逐渐释放，引起身体感染、发炎。Ti：与人体体液相容并与人体组织有较好结合能力羟基磷灰石（HA）：生物陶瓷材料，是成骨成分之一采用低压等离子喷涂方式在不锈钢表面进行喷涂。堆焊在金属材料或零件表面熔焊上耐磨、耐蚀等特殊性能金属层一种工艺办法。堆焊特点与应用：采用堆焊修复已失去精度或表面破损零件，可节约材料、费用、工时，延长零件使用寿命；堆焊层特殊性能可提高零件表面耐磨、耐热、耐蚀等性能，发挥材料综合性能和工作潜力；具备明显异种金属焊接特点，可制造双金属零部件，对焊接工艺及其参数规定较高。应用：机械产品制造和维修，在冶金机械、重型机械、汽车、动力机械、石油化工设备等领域有广泛应用。分类Fe基：韧性与耐磨性匹配好，价格低，应用广。Ni基、Co基：价高，但高温性好、耐磨蚀，重要用于耐高温磨损、腐蚀场合。WC基：价格较高，高耐磨性。Cu基：耐蚀性好，具备润滑性，可减少金属间磨损第七章电镀与化学镀1电镀概念P1222电镀目P1223电镀分类P122按镀层成分分：单一金属镀层，如Zn、Cu、Cr等合金镀层：如Cu-Sn，Cu／Ni／Cr镀层等；复合镀层：如Ni-Al2O3，Co-SiC等。依照镀层和基体金属之间电化学性质分为：1）阳极性镀层镀层电极电位低，相对与基体金属为负，镀层为阳极，称为阳极性镀层，例如钢上镀Zn层；2）阴极性镀层钢上Ni、Sn镀层4工艺特点电镀工艺设备较简朴，操作条件易于控制，镀层材料广泛，成本较低，因而在工业中广泛应用，是材料表面解决重要办法电镀最大问题是污染镀层特点（1）与基体结合牢固，附着力好；（2）完整，干净致密，孔隙少；（3）厚度分布均匀5电镀基本原理电镀是典型电解反映，在外加电场作用下，溶液中金属离子在阴极表面得到电子，被还原为金属并沉积在阴极表面。Men++ne→Me6电镀基本条件P1247可沉积金属种类及方式P122表7-1已发钞票属有70各种，能从水溶液中电沉积不到一半。若使用熔盐镀液，则几乎所有金属都可以实现电沉积。8电镀溶液P1259电镀工艺过程平P13010电镀金属镀锌－应用广泛，占60％以上EZn2+/Zn=-0.76<EFe2+/Fe，阳极性镀层，重要用于钢铁等黑色金属防腐易钝化：防腐＋装饰，防护能力提高5~8倍，不同钝化层可显示白色、蓝色、绿色等。两类电镀液：酸性和碱性。酸性电镀液价格便宜,电流效率高,电镀速度快，缺陷是镀层均匀性差;碱性电镀液价格高,但镀层均匀性好。镀铜用于钢铁表面防护（如防钢铁表面渗碳），装饰（如塑料表面），作为过渡层提高镀层与基体结合力。电镀溶液重要有：（1）硫酸盐镀铜液（2）氰化物镀铜液（3）焦磷酸盐镀铜液硫酸盐镀铜液：平滑光亮镀层，电流效率>95%，合用于大电流密度下厚镀层，镀层致密性比氰化亚铜镀液差。氰化物镀铜液：具有一价铜络离子，在钢铁基体上形成均匀、附着性较好镀层。缺陷：镀液毒性严重。焦磷酸盐镀铜镀液稳定性好，易于控制，适于大批量生产缺陷：（1）成本高（2）钢铁件不能直接电镀，需镀过渡层如：先用氰化盐镀铜或镀镍，也可用硫酸铜溶液先浸镀，然后再用焦磷酸盐镀铜。镀铬镀铬层光泽好、耐腐性能好、硬度高、摩擦系数小，重要用于装饰、耐磨损和耐腐蚀。镀铬液重要是具有少量硫酸铬酐（CrO3）溶液镀铬层分：防护装饰镀铬和镀硬铬防护装饰镀铬（1）美观光亮（2）电镀时间短（3~5min）（3）镀层薄（0.3~1.0µm）应用：家用电器，飞机，汽车、自行车镀硬铬（1）规定硬度高、耐磨、结合牢固。（2）镀层厚（20~300µm）（3）电镀时间长应用：测量、切削工具、轴松孔镀铬：镀层表面形成大量沟纹——减磨镀层。应用：活塞、环镀镍提高材料防护性能和美观作为其她镀层过渡层：提高结合强度镀金镀金具备耐蚀性、钎焊性、装饰性，价格较贵。例：1、异色电镀：18K黄金镀24K金2、奥运会奖牌制作11合金电镀1概念P1372电镀合金特点易获得高熔点与低熔点金属构成合金，如:Sn-Ni合金。可获得热熔相图没有合金,δ-铜锡合金易获得组织致密、性能优秀非晶态合金，如：Ni-P合金。在相似合金成分下，电镀合金与热熔合金比，硬度高，延展性差。3与单金属镀层相比合金镀层重要特点：合金镀层结晶更细致，镀层更平整、光亮。具备单金属所没有特殊物理性能，例如导磁性、减摩性（自润滑性）、钎焊性。具备比构成它们单金属层更耐磨、耐蚀、更耐高温，并有更高硬度和强度。但延展性和韧性普通有所减少。不能从水溶液中单独电沉积W，Mo，Ti，V等金属可与铁族元素（Fe，Co，Ni）共沉积形成合金。通过成分设计和工艺控制，可得到不同色调合金镀层，例如银合金、彩色镀镍及仿金合金等，具备更好装饰效果。4合金电镀原理共沉积中某些现象至今仍难以合理解释：共沉积时，两种以上金属离子在阴极上还原，会浮现竞争放电现象、电子之间互相影响以及电结晶过程中合金元素对成核规律影响等问题。当前还只能提供某些实验数据综合和某些定性解释，定量理论研究尚有待此后发展5合金共沉积条件P1386实现共沉积办法P1387合金镀层及其应用P139表7-8化学镀1概念P1412化学镀三种沉积方式P142工程上所讲化学镀重要是指这种还原沉积化学镀。3化学镀条件还原剂电位要明显低于沉积金属电位，金属有也许在基材上被还原沉积。镀液不产生自发分解，只有当与催化表面接触时，才发生金属沉积过程。被还原金属具备催化活性，氧化还原沉积过程才干持续进行，镀层持续增厚。溶液有足够使用寿命4化学镀特点：镀覆过程不需外加电源驱动均镀能力好形状复杂、有内孔、内腔镀件均可获得均匀镀层。例：聚氨酯泡沫化学镀镍工艺——制备泡沫Ni→制作电极质轻，比表面积大，化学活性好，减震器、过滤器、热互换器孔隙率低可在金属、非金属以及有机物上沉积镀层。缺陷：溶液稳定性较差，维护、调节和再生都比较麻烦，材料成本费较高5化学镀应用化学镀金属和合金种类较多，诸如:Ni-P，Ni-B，Cu，Ag，Pd，Sn，In，Pt，Cr及各种Co基合金等应用最广是化学镀镍和化学镀铜。化学镀层普通具备良好耐蚀性、耐磨性、钎焊性及其他特殊电学或磁学等性能。不同成分镀层，其性能变化很大。在电子、石油、化工、航空航天、核能、汽车、印刷、纺织、机械等工业中获得日益广泛应用。6化学镀镍还原沉积:还原剂将镍离子还原为镍原子并沉积在被镀工件上。还原剂有次磷酸盐、硼氢化物、胺基硼烷、肼及其衍生物等。最惯用是次磷酸盐。7化学镀镍溶液以次磷酸盐为还原剂化学镀镍溶液有两类：酸性镀液和碱性镀液。酸性镀液比较稳定，容易控制，沉积速度快，镀层中磷含量较高（2-11%）。碱性镀液镀层含磷量较低（3-7%），镀液对杂质比较敏感，稳定性差。应用较少。8镀镍特点耐腐蚀性强，表面为非晶态，抗腐蚀性特别优良，经硫酸、盐酸、烧碱、盐水同比实验，其腐蚀速率低于1Cr18Ni9不锈钢。耐磨性好：表面为非晶态，即处在基本平面状态，有自润滑性。磨擦系数小，非粘着性好，耐磨性能高，在润滑状况下，可代替硬铬使用。光泽度高：镀件表面光泽度高，可与不锈钢制品媲美，呈白亮不锈钢颜色。表面硬度高：在钢铁及铜表面可达570Hv。结合强度大：与金属基件结合强度可达350-400MPa，不起皮、不脱落、无气泡。仿型性好：在尖角或边沿突出某些，没有过份明显增厚，即有较好仿型性，沉积层厚度和成分均匀。工艺技术高适应性强：在盲孔、深孔、管件、拐角、缝隙内表面可得到均匀镀层，无论产品构造有多么复杂，绝无漏镀之处。低电阻，可焊性好。

9镀镍应用汽车工业：散热器、喷油嘴、球头螺栓、差速器行星齿轮轴、制动器活塞、同步齿轮、关节销、减震器、销紧零件、软管管接头。化学工业：压力容器、反映容器、搅拌器轴、泵和叶轮、热变换器、过滤器和零件、涡轮机叶轮转子、阀门。纺织工业：纺织刮板、送料导杆、锭子棘轮、纺织针、喷丝头罗拉等需增长光滑和耐磨零件。石油和天然气：管道、泵壳、抽油杆、球阀、柱塞泵、封隔器、泥浆泵、防喷装置。采矿工业：液压缸和轴、挤压机、传动带、离合器、液压系统、喷射泵头。食品工业：食品充气灌装机、螺杆送料机、搅拌锅、食品模具、烤盘、干燥箱、保温炉。电子工业：电容器、插头、散热器、导线框架晶体管封装，陶瓷和金属之间封接。其她工业：玻璃模型、注塑模、喷丝头、编织针、印刷辊筒、印刷平板、药丸分筛机、手术器械、五金工具等。10化学镀铜重要目：在非导体表面形成导电层，较好地解决了多层印制电路板间电路连接问题。化学镀铜层物理化学性能与电镀铜性能基本相似。还原沉积:还原剂将铜离子还原为铜原子并沉积在被镀工件上。化学镀铜主盐是硫酸铜，还原剂有甲醛、肼、次磷酸钠、硼氢化钠等。最惯用是甲醛。11复合镀P1471复合镀层基本条件：粒子在镀液中是稳定：不发生任何化学反映，不促使镀液分解。粒子在镀液中完全润湿，形成分散均匀悬浮液。粒子都需通过亲水解决，特别是那些疏水粒子，更应作充分亲水解决，并要减少镀液表面张力，形成悬浮性好镀液。镀液性质要有助于固体粒子带正电荷，即利于粒子吸附镀液阳离子和金属离子。粒子粒度恰当。粒子过粗，易于沉淀，且不易被沉积金属包覆，镀层粗糙；粒子过细，易于结团成块，不能均匀悬浮。普通使用0.1～10um粒子，以0.5～3um最佳。恰当搅拌。保持微粒均匀悬浮，使粒子高效率输送到阴极表面并与阴极碰撞。2复合镀层性能特点及应用复合镀层性能由镀层金属特性和粒子特性共同决定。1．耐磨复合镀层将硬质粒子加入到Ni，Co，Cr，Co-Ni，Ni-P，Ni-B等镀层中，可大幅度地提高金属或合金镀层耐磨性。Ni-P-SiC耐磨性随SiC含量增长而迅速升高牙科用磨削针镀层硬度随粒子含量及粒子硬度升高而升高。耐磨复合镀层中加人粒子大多选用金钢石，WC，Al2O3，ZrO2，TiC，SiC，Cr3C2等粒子。这种高耐磨性复合镀层在中、高温条件下更显示其独特耐磨性能。在航空、机械、汽车等工业中已被广泛应用。2．减摩复合镀层将剪切强度低，摩擦系数小固体粒子加入到某些金属和合金中，可形成具备自润滑功能减摩复合镀层。惯用基体金属Ni，Cu，Pb等，用石墨、石墨、聚四氟乙烯(PTFE)、MoS2和六方氮化硼等作减磨剂。PTFE摩擦系数仅为0.05，Ni-P-PTFE复合镀层与淬火钢配对摩擦时，干摩擦系数0.36～0.40，低于Ni-P镀层摩擦系数0.60～0.63；这种复合镀层互相对磨时，干摩擦系数仅为0.2。Ni-BN（氮化硼）在800℃高温下仍有很低摩擦系数，合用于高温轴承。在宇航、真空和无油润滑条件下，轴承、导轨等摩擦副是此类减摩复合镀层充分发挥自润滑功能地方。PTFE摩擦系数仅为0.05，Ni-P-PTFE复合镀层与淬火钢配对摩擦时，干摩擦系数0.36～0.40，低于Ni-P镀层摩擦系数0.60～0.63；这种复合镀层互相对磨时，干摩擦系数仅为0.2。Ni-BN（氮化硼）在800℃高温下仍有很低摩擦系数，合用于高温轴承。在宇航、真空和无油润滑条件下，轴承、导轨等摩擦副是此类减摩复合镀层充分发挥自润滑功能地方。12非金属电镀1非金属---塑料、陶瓷、玻璃、木材等非金属特点：质轻、价廉；不导电、不导热、不耐腐蚀、易变形，缺少金属光泽2前解决粗化→脱脂→敏化→活化粗化：表面微观粗糙，由憎水→亲水，提高结合力机械粗化，化学粗化（惯用），有机溶剂粗化敏化：工件表面吸附一层易氧化物质，以便在活化时（把催化金属还原出来）被氧化，在表面形成活化层或催化膜，缩短化学镀诱导期，保证化学镀顺利进行。活化：将敏化解决时生成物质氧化，在塑料表面产生有催化性贵金属薄层，作为化学镀时氧化还原反映催化剂。如：金、银、铂、钯等3几种非金属电镀塑料电镀ABS塑料电镀最为广泛，详细环节如上所示石膏、木材电镀封闭解决—喷涂ABS塑料——类似塑料电镀石蜡、树脂胶封闭玻璃电镀粗化（机械，化学HF）→烘烤→敏化→活化→化学镀→电镀4电铸特点长处高度逼真性，复制<0.5μm金属线可制造各种电铸产品工艺简朴，大批量生产缺陷加工时间长原模、芯模加工难度大脱模成本高5应用P15213电镀发展趋势P155第八章转化膜与着色技术1概念基体金属＋解决液——难溶性膜层（转化膜）2转化膜形成办法在一定条件下，金属与特定腐蚀液接触发生化学、电化学反映，由于浓差极化作用和阴极极化作用等，在金属表面生成一层性质稳定，附着力良好、能保护金属化合物膜。金属基体直接参加成膜反映生成，膜与基体结合力比电镀、化学镀和热喷涂等这些外加膜层大得多。成膜典型反映式：mM+nAz-→MmAn+nze直接化学反映、不需热解决－与化学热解决区别3分类氧化物膜：金属在具有氧化剂溶液中形成膜，其成膜过程叫氧化。磷酸盐膜：金属在磷酸盐溶液中形成膜，其成膜过程称磷化。铬酸盐膜：金属在具有铬酸或铬酸盐溶液中形成膜，其成膜过程称钝化。4用途防锈普通防锈规定，转化膜作为底层，很薄，外层涂防锈油等。规定较高防锈，转化膜要均匀致密，以厚者为佳。耐磨减磨减磨：磷酸盐膜具备很小摩擦系数，具备良好储油作用，在接触面间产生一缓冲层，从而减小磨损。耐磨：铝阳极氧化，形成Al2O3膜，硬度很高，具备较好耐磨性能。活塞、轴承着色不同化学膜有不同颜色；变化化学膜厚度，也可以变化颜色。例：不锈钢用铬酸-硫酸溶液解决后可得到不同颜色获得多孔构造化学膜，进行着色解决，得到需要颜色。例：铝合金阳极氧化、着色，有些铝合金氧化膜自身就有颜色塑性加工

金属表面进行磷化解决后进行塑性加工，如：钢管、钢丝等冷拔；可以减小拉拔力，延长模具寿命，减少拉拔次数。作为挤出工艺、深拉延长工艺前道工序电绝缘性磷酸盐膜和阳极氧化膜都是不良导体，可以用做绝缘体。磷化膜很早就用作硅钢板绝缘层。这种绝缘层特点是占空系数小，耐热性好。转化膜应用对象几乎在所有金属表面都能生成，应用较多是铁、铝、锌、铜及其合金。氧化：钢铁、铝合金、镁合金等。磷化：钢铁。钝化：不锈钢、铜合金、锌合金等。5转化膜应用对象几乎在所有金属表面都能生成，应用较多是铁、铝、锌、铜及其合金。氧化：钢铁、铝合金、镁合金等。磷化：钢铁。钝化：不锈钢、铜合金、锌合金等。6氧化解决(钢铁氧化)把钢铁在具有氧化剂溶液中进行解决，在表面形成一层均匀蓝黑到黑色膜层过程，也称为钢铁“发蓝”或“发黑”。钢铁化学氧化可分为：高温化学氧化和常温化学氧化。钢铁高温化学氧化（碱性化学氧化或发蓝）钢铁常温化学氧化（酸性化学氧化或发黑）80年代以来迅速发展新技术。具备氧化速度快,膜层抗蚀性好,节能、高效,成本低,操作简朴,环境污染小等长处。钢铁表面发黑解决,可得到均匀黑色或蓝黑色外观，其表面膜重要成分是CuSe，功能与Fe3o4相似。****特点发黑比发蓝时间短：由15~60min缩短到3~8min，生产成本减少一半。发黑对粗糙表面、未淬火表面特别有效发黑结合力和耐磨性能不如发蓝层；但CuSO4和NaCl点滴实验和盐雾实验表白其耐腐蚀性能优于发蓝层。7铝合金化学氧化这种氧化膜耐磨性能和耐腐蚀性能远不如阳极氧化膜好。铝合金阳极氧化特性曲线与氧化膜生长示意图P168图8-58铝合金着色吸附着色（化学着色）无机颜料着色：色调不鲜艳，与基体结合力差，但耐晒性好。有机颜料着色：色泽鲜艳，颜色范畴广，但耐晒性差。例：光盘制作自然发色法阳极氧化＋着色一步法 发色因素：膜层选取性吸取光线（七色光互补原理）发色位置：孔层夹壁中影响因素：材料成分、溶液种类、氧化膜厚度以及操作条件，热解决条件电解着色（电解着色二步法）具备良好耐磨性、耐晒性、耐热性、色泽稳定性；广泛用于建筑装饰用铝型材。显色因素：沉积金属颗粒直径不均匀，硫酸镍可以得到粉红色、绿色、紫色和蓝色。氧化膜封闭解决P171无论与否着色，氧化膜都应封孔解决，提高耐磨性、耐晒性、耐蚀性和绝缘性。封孔办法有：（1）热水封闭法（2）水蒸气封闭法水蒸气原理与热水封闭法相似，但效果要好得多。（3）重铬酸盐封闭法（4）水解封闭法（5）填充封闭法9钢铁磷化解决拍P158金属＋磷酸盐（Mn、Zn、Ca）—磷酸盐（难溶于水）磷化膜特点:多孔构造，与基体结合牢固，具备良好吸附性、润滑性。磷化膜厚度普通为5~20μm，黑色或灰黑色,重要用于普通规定金属防护和涂料底层。工艺特点:设备简朴，操作以便，成本低，生产效率高预解决：水洗－脱脂－碱洗－酸洗－表调（机械、化学法）分类高温磷化：90～98℃（Mn，Zn系）长处：膜层较厚（10～20μm），膜层结合力、硬度和耐热性都比较好，磷化速度快；缺陷：工作温度高，能耗大，溶液蒸发量大，成分变化化快，常需调节，且结晶粗细不匀。中温漆前打底，锌系、锰系、锌锰系磷化低锌磷化（锌含量在1.5g/l如下）：与电泳匹配好，易于涂装纯锰系磷化：应用不多，它重要用于防锈与润滑磷化：50～70℃，最为普遍一种磷化工艺，锌系、锰系、锌锰系磷化长处：膜层耐蚀性接近高温磷化膜，溶液稳定，磷化速度快，生产效率高；缺陷：溶液成分较复杂,调节麻烦。常温磷化：15～35轻铁系磷化、锌系磷化长处：不需要加热,节约能源，成本低,溶液稳定缺陷：膜层耐蚀性差，结合力欠佳，解决时间较长，效率低。10金属钝化P162铬酸盐膜构造致密，与基体结合力强，具备良好化学稳定性和耐腐蚀性。铬酸盐膜形成大体以为分三步P163铬酸盐膜重要是三价铬、六价铬化合物和基体金属、镀层金属构成铬酸盐。不同基体金属、不同铬酸盐溶液，得到不同颜色。第九章涂装技术1功能保护：汽车车身优质涂装，10～基本完好装饰：色彩、光泽、平滑、立体感标志：醒目的志牌、道路分离线特殊功能：电传导、示温、夜光等2涂料成膜物质P181颜料：金属氧化物、硫化物、有机物、钛白、锌钡白、炭黑、铁黄、铁蓝溶剂：松节油、石油溶剂、酯酮类助剂：P1833分类P183（表9-1）4命名P1845惯用涂料品种自干涂料（表9-3）：靠溶剂挥发，固化成膜。民用几乎所有，工业上低档涂装、修补烘烤型涂料:必要通过烘烤固化成膜。硬度、机械强度、耐久性、耐酸性碱性