材料表面工程重點

1、金屬表面處理技術(shù):指通過一些物理、化學(xué)、機械或復(fù)合方法使金屬表面具有與基體不同的 組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和物理狀態(tài)，從而使經(jīng)過處理后的表面具有與基體不同的性能。經(jīng)過表面處理后的金屬材料，其基體的化學(xué)成分和力學(xué)性能并未發(fā)生變化（或未發(fā)生大的變 化），但其表面卻擁有了一些特殊性能，如高的耐磨性、耐蝕性、耐熱性、導(dǎo)電性、電磁特 性、光學(xué)性能等。典型的固體表面有：理想表面、潔凈表面、清潔表面、機加工表面和一般表面。理想表面：將晶體切開后形成的表面潔凈表面:在特殊條件下獲得的固體表面，表面有極少量的吸附物。TLK模型平臺（Terrace）:低晶面指數(shù)平臺；臺階（Ledge）:單分子或單原子高度的平臺；扭折（

2、Kink）:單分子或單原子尺度的扭折。臺階圖2-3單晶表面的TLK模型固體表面上的能量是不均勻的，有的部位高，有的部位低，這將導(dǎo)致表面的吸附和化學(xué)反 應(yīng)是不均勻的清潔表面:零件經(jīng)過去油、除銹等預(yù)處理后的表面。畢氏層（Bilby層）：因機械加工力引起的晶格點陣強烈畸變而形成的非晶態(tài)層，具有粘性液體膜似的非晶 態(tài)外觀，厚約510 nm。固體表面的吸附現(xiàn)象:由于物質(zhì)表面原子或分子力場不飽和，所以有吸引周圍其它物質(zhì)（主要 是氣體、液體）分子的能力。吸附可以減少物質(zhì)表面某些過剩的自由能，物質(zhì)表面因吸附物的存在而穩(wěn)定，所以吸附是 自發(fā)進行。固體表面的吸附有物理吸附和化學(xué)吸附：物理吸附：固體表面與被吸附分子

3、之間不發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，它們之間靠范德華力結(jié)合。物理吸附對溫度很敏感，提高溫度容易解吸，所以物理吸附是可逆的。化學(xué)吸附：吸附原子與固體表面原子之間有電子的轉(zhuǎn)移，二者靠化學(xué)鍵力結(jié)合。從熱力學(xué)角度講，化學(xué)吸附的自由能減小要比物理吸附大得多，狀態(tài)更穩(wěn)定，而且是不可逆 的過程。潤濕現(xiàn)象與機理液體在固體表面上鋪展的現(xiàn)象，稱為潤濕（1）親水物質(zhì)：能被水潤濕的材料，如玻璃、石英等；（2）疏水材料：不能被水潤濕的物質(zhì)，如石蠟、石墨等液體在固體表面的鋪展系數(shù)定義為S =o -a -a =a （cos。-1）當(dāng)0=0時，SL/S = 0，液體L在固體S表面上會自動展開；當(dāng)SL/S0時，液體在固體表面上不易鋪展，負值

4、越大越難鋪展。當(dāng)固體表面粗a造度為cos。上個可修正為 L / SL-G所以粗糙表面的鋪展系數(shù)遠大于光滑表面。金屬材料表面在環(huán)境介質(zhì)的作用下所引起的破壞或變質(zhì)稱為腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕：化學(xué)腐蝕是金屬和環(huán)境介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)作用而產(chǎn)生的損壞，在腐蝕過程中只有電子的得 失，沒有電流產(chǎn)生，引起金屬化學(xué)腐蝕的環(huán)境介質(zhì)不能導(dǎo)電。這種腐蝕的產(chǎn)物一般覆蓋在金屬的表面。例如金屬的高溫氧化、非電解質(zhì)對金屬的腐蝕等。 電化學(xué)腐蝕:是金屬在電解質(zhì)溶液中發(fā)生電化學(xué)作用而引起的損壞，在腐蝕過程中不僅有電 子的得失，而且有電流產(chǎn)生，引起電化學(xué)腐蝕的介質(zhì)都能導(dǎo)電。電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的原因是不同金屬之間或合金中的不同相之間電極電位不同，

5、存在電位差， 當(dāng)存在電解質(zhì)溶液時便在金屬表面形成了原電池，電位低的部分（陽極）被腐蝕，電位高的 部分（陰極）被保護，不同金屬之間或合金中的電位差越大、原電池效應(yīng)越明顯，腐蝕速度 越快。金屬零件發(fā)生電化學(xué)腐蝕的基本條件是：零件是由二種不同金屬組成，或使用的合金中不同區(qū)域或不同相的電極電位不同。不同電極電位的部分彼此是非絕緣的，可以有電子的流動。有電解質(zhì)存在。金屬腐蝕的防護正確選用金屬材料，合理設(shè)計工件結(jié)構(gòu)金屬表面覆蓋保護層犧牲陽極的陰極保護法表面預(yù)處理工藝包括機械清理、脫脂處理和浸蝕處理。機械清理:：去除被處理零件表面的固體雜物。脫脂處理:去除被處理零件表面的油污拋光:提高被處理零件表面光亮度浸

6、蝕:去除被處理零件表面較薄的銹或氧化膜。熱噴涂的定義:利用熱能將噴涂材料熔化，再借助高速氣流將其霧化，并在高速氣流的帶動 下粒子撞擊基材表面，冷凝后形成具有某種功能的涂層。熱噴涂的基本過程（1）噴涂材料被加熱到熔融狀態(tài)。（2）噴涂材料被霧化成微小熔滴并高速撞擊基體表面，撞擊基體的顆粒動能越大和沖擊變 形越大，形成的涂層結(jié)合越好。（3）熔融的高速粒子在沖擊基材表面后發(fā)生變形，冷凝后形成涂層。涂層的結(jié)構(gòu):涂層是由無數(shù)變形粒子互相交錯堆疊在一起，形成一層堆積而成的層狀結(jié)構(gòu)。 涂層性能具有方向性，垂直和平行涂層方向上的性能不一致。涂層中伴有氧化物等夾雜，存 在部分孔隙，孔隙率4%20%。涂層應(yīng)力涂層冷

7、凝收縮時，涂層外層的拉應(yīng)力、涂層內(nèi)層的壓應(yīng)力、組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的微觀應(yīng)力，結(jié)果 使涂層產(chǎn)生殘余張應(yīng)力，應(yīng)力大小與涂層厚度成正比，當(dāng)張應(yīng)力超過涂層與基材之間結(jié)合強 度時，涂層就會發(fā)生破壞。殘余應(yīng)力限制了涂層的厚度。減少涂層殘余應(yīng)力措施：（1）調(diào)整噴涂工藝參數(shù)；（2）致密涂層的殘余應(yīng)力要比疏松涂層大；（3）采用梯度過渡層緩和涂層內(nèi)應(yīng)力。包括涂層與基材之間、涂層中顆粒與顆粒之間的結(jié)合，結(jié)合形式有：（1）機械結(jié)合：撞成扁平狀的顆粒和凸凹不平的基材表面互相嵌合（即拋錨效應(yīng)）而結(jié)合在 一起。（2）物理結(jié)合：熔融粒子的原子與基材表面原子之間距離達到晶格常數(shù)范圍時，產(chǎn)生范德 華力，形成物理結(jié)合。（3）冶金-化學(xué)結(jié)

8、合：熔融粒子撞擊基材表面時釋放出的能量使噴涂材料與基材之間發(fā)生 局部擴散和焊合，形成冶金結(jié)合。如噴涂鎳包鋁復(fù)合粉末時的放熱反應(yīng)。熱噴涂的涂層與基材的結(jié)合主要以機械結(jié)合為主，結(jié)合強度較差（70MPa）。熱噴涂工藝:熱噴涂工藝流程包括基材表面預(yù)處理、熱噴涂、后處理和精加工等過程。圖6-7熱噴涂工藝流程圖工件噴涂前要進行預(yù)熱，預(yù)熱的作用有：（1）提高工件表面與熔粒的接觸溫度，有利于熔粒的變形和相互咬合以及提高沉積率；（2）使基體產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臒崤蛎?，在噴涂后隨涂層一起冷卻，減少兩者收縮量的差別，降低涂 層的內(nèi)應(yīng)力；（3）去除工件表面的水分。預(yù)熱溫度不宜過高，對于普通鋼材一般控制在100150C為宜。 可

9、直接用噴槍預(yù)熱，但要使用中性焰或輕微碳化焰，也可采用電阻爐預(yù)熱，工件溫度均勻、 表面不產(chǎn)生水汽。等離子噴涂利用非轉(zhuǎn)移等離子弧作為熱源對噴涂材料進行加熱、加速、涂敷。等離子焰流溫度高、流速快，因此噴涂效率高、涂層致密、結(jié)合強度高、基材表面熱影響區(qū) 小。由等離子弧電源、電器控制、噴槍、氣源、送粉系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等組成。等離子氣體的選擇：氮氣：熱焓高，價格低廉，是等離子噴涂主要工作氣體。氬氣：易于引弧，等離子弧穩(wěn)定，有很好的氣體保護作用。氫氣：可作為輔助氣體起到提高熱焓和防氧化的作用。等離子弧焰流溫度高，適合噴涂高熔點材料。涂層密度可達8598%，結(jié)合強度高達3570Mpa，噴涂質(zhì)量遠優(yōu)于火焰噴涂層。

10、主要用于：1）耐磨、減磨涂層；2）耐蝕涂層；3）抗高溫氧化、抗高溫氣流沖刷、熱障涂層；4）制造金屬、陶瓷類高熔點復(fù)合材料。熱噴焊工藝與熱噴涂工藝的區(qū)別1）工件表面溫度：噴涂時工件表面溫度250。；噴焊要900C。2）結(jié)合狀態(tài)：噴涂層以機械結(jié)合為主；噴焊層是冶金結(jié)合。3）粉末材料：噴焊用自熔性合金粉末，噴涂粉末不受限制。4）涂層結(jié)構(gòu)：噴涂層有孔隙，噴焊層均勻致密無孔隙。5）承載能力：噴焊層可承受沖擊載荷和較高的接觸應(yīng)力。堆焊的特點：1、堆焊層與基體金屬的結(jié)合是冶金結(jié)合，結(jié)合強度高，抗沖擊性能好。2、堆焊層金屬的成分和性能調(diào)整方便，一般常用的焊條電弧焊堆焊焊條或藥芯焊條調(diào)節(jié)配 方很方便，可以設(shè)計出

11、各種合金體系，以適應(yīng)不同的工況要求。3、堆焊層厚度大，一般堆焊層厚度可在230mm內(nèi)調(diào)節(jié)，更適合于嚴(yán)重磨損的工況。4、節(jié)省成本，經(jīng)濟性好。當(dāng)工件的基體采用普通材料制造，表面用高合金堆焊層時，不僅 降低了制造成本，而且節(jié)約大量貴重金屬。在工件維修過程中，合理選用堆焊合金，對受損 工件的表面加以堆焊修補，可以大大延長工件壽命，延長維修周期，降低生產(chǎn)成本。5、由于堆焊技術(shù)就是通過焊接的方法增加或恢復(fù)零部件尺寸，或使零部件表面獲得具有特 殊性能的合金層，所以對于能夠熟練掌握焊接技術(shù)的人員而言，其難度不大，可操作性強。 堆焊材料的類型：根據(jù)堆焊合金的主要成分可劃分為堆焊材料分鐵基、鎳基、鉆基、銅基和 碳

12、化鎢基等。根據(jù)堆焊合金的形狀可劃分為絲狀、鑄條狀、帶狀、粉粒狀、塊狀堆焊合金。瑾珍玄 堆焊層中基體金屬總量 稀g堆焊弟屬總量為了最有效地發(fā)揮堆焊層的作用，希望采用的堆焊方法有較小的母材稀釋、較高的熔敷速度 和優(yōu)良的堆焊層性能，即優(yōu)質(zhì)、高效、低稀釋率的堆焊技術(shù)。稀釋率高，基體金屬混入堆焊 層中的量多，改變了堆焊合金的化學(xué)成分，將直接影響堆焊層的固有性能。因此，堆焊時，常 希望獲得較低的稀釋率，以充分發(fā)揮堆焊合金性能，達到預(yù)期目的。電鍍電鍍是一種用電化學(xué)方法在鍍件表面上沉積所需形態(tài)的金屬覆層工藝。電鍍定義：是指在含有欲鍍金屬的鹽類溶液中，以被鍍基體金屬為陰極，通過電解作用，使 鍍液中欲鍍金屬的陽離

13、子在基體金屬表面沉積出來，形成鍍層的一種表面加工方法。例如Zn2+ + 2eZn （金屬離子還原反應(yīng)）Ni 2+ + 2eNi電鍍是以電化學(xué)過程為依據(jù)，所以電鍍要有三個必要條件：電源、鍍槽（鍍液）、電極。電極反應(yīng)機理1）平衡電極電位在沒有外電流通過的情況下，當(dāng)金屬電極與溶液接觸時，由于其具有自發(fā)腐蝕的傾 向，金屬就會變成粒子進入溶液，留下相應(yīng)的電子在金屬表面上，結(jié)果使金屬表面帶負電， 而與金屬表面接觸的溶液帶正電。這樣就在金屬/溶液兩相界面間自發(fā)地形成雙電層，使金 屬與溶液之間產(chǎn)生了電位差，叫做電極電位。當(dāng)體系達到動態(tài)平衡時，此時的電極電位稱為平衡電極電位，簡稱平衡電位。當(dāng)溶液溫度為25C、金

14、屬離子的濃度為1mol/L時（即活度為1），測得的平衡電位叫標(biāo)準(zhǔn)電 極電位。任意活度下的平衡電極電位可以表示為 廠 RT1E = E +ln a 平 ZF平衡電極電位的高低反應(yīng)了金屬的氧化還原能力，電極的平衡電位越負，電極上越容易發(fā)生 氧化反應(yīng)，電極的平衡電位的正值越大，電極上越容易發(fā)生還原反應(yīng)。2）電極極化與過電位當(dāng)有電流通過電極時，電極電位偏離平衡電位的現(xiàn)象。陰極的電極電位向降低的方向偏移，叫做陰極極化；陽極的電極電位向升高的方向 偏移，叫做陽極極化。把某一定電流密度下，電極電位與平衡電位的差值稱為過電位nn = E E 平陰極極化時，n 0電化學(xué)極化:是由于電極上的電化學(xué)反應(yīng)速度小于電子

15、運動速度造成的。陰極上還原反應(yīng)的速度小于外電源供給電子的速度，從而使電極電位向負方向移動而引 起的極化作用，稱為陰極極化。陽極極化：金屬離子進入溶液的速度小于電子由陽極進入外導(dǎo)線的速度，陽極上有過多 的正電荷的積累，因此引起電極雙電層上負電荷的減少，于是陽極電位就向正方向移動，產(chǎn) 生陽極極化。濃差極化：由于溶液中離子擴散的速度小于電子運動速度造成的。電解過程當(dāng)中，濃差極化是由于電極附近溶液的濃度與本體溶液（離電極較遠，濃度均 勻的溶液）濃度發(fā)生差別產(chǎn)生的。例如，在陰極附近的金屬離子沉積到電極上去，使該處的 金屬離子濃度不斷降低，而溶液本體中金屬離子擴散到該處進行補充的速度趕不上沉積的速 度從而

16、使電極附近金屬離子的濃度比本體溶液中金屬離子的濃度要低，這樣就形成了濃度梯 度，由此引起電位的移動。電流增大，引起的濃差極化越大。濃差極化也是使陰極電極電位 變得更負，陽極電位變得更正。陰極上的電鍍過程包括三個步驟：（1）液相傳質(zhì)：金屬的水合離子或絡(luò)離子從溶液內(nèi)部遷移到陰極表面（2）電化學(xué)反應(yīng)：金屬水合離子脫水或絡(luò)離子解離，金屬離子在陰極上得到電子發(fā)生還原 反應(yīng)生成金屬原子；（3）電結(jié)晶：還原的原子進入晶格結(jié)點。（1）液相傳質(zhì)步驟三種方式：電遷移、對流和擴散。電遷移 液相中帶電粒子在電場作用下向電極遷移的一種傳質(zhì)過程。帶電粒子可能是進行電 極反應(yīng)的離子，也可能是不參加電極反應(yīng)的離子。比如導(dǎo)電鹽

17、、或是過剩的絡(luò)合劑，它們解 離出大量帶電粒子參與電遷移過程，而參加電極反應(yīng)的帶電粒子僅占其溶劑一小部分，因此， 電遷移的作用可以忽略不計。對流 物質(zhì)的粒子隨著液體的流動而傳送，就是對流傳質(zhì)。鍍液在不攪拌的情況下，鍍液流 速很小，近似出于靜止?fàn)顟B(tài)，這時對流的影響也可以忽略。擴散 溶液中的某一組分存在濃度差，該組分物質(zhì)就會從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)遷移，這個過 程叫擴散傳質(zhì)。電鍍時，陰極表面附近的參加電極反應(yīng)的金屬離子，不斷得電子而析出，使 參加電極反應(yīng)的金屬離子不斷被消耗，這樣陰極表面附近這種金屬離子的濃度就會下降，在 陰極表面附近就出現(xiàn)了參加電極反應(yīng)的金屬離子濃度高低逐漸變化的溶液層，稱為擴撒層，

18、擴散兩端這種金屬離子的濃度差推動金屬離子不斷通過擴散層擴散到陰極表面。溶液不需要 流動就可以發(fā)生傳質(zhì)過程，擴散總是存在的，它是液相傳質(zhì)的主要控制步驟。兩種或兩種以上的元素共沉積所形成的鍍層為合金鍍層。合金共沉積的條件兩種金屬離子共沉積除需具備單金屬沉積的基本條件外，還應(yīng)具備以下兩個基本條件：兩種金屬中至少有一種金屬能從其鹽的水溶液中沉積出來。有些金屬如W，Mo等不能從 其鹽的水溶液中沉積出來，但它可以借助誘導(dǎo)沉積與鐵族金屬共沉積。共沉積的兩種金屬的沉積電位必須十分接近。如果相差太大，電位較正的金屬優(yōu)先沉積， 甚至完全排斥電位較負的金屬析出。實現(xiàn)共沉積的方法（1）改變鍍液中金屬離子的濃度比。增大

19、較活潑金屬離子的濃度，使其電位正移；或降低較貴金屬離子濃度，使其 電位負移，使兩者的電位接近。（2）采用適當(dāng)?shù)慕j(luò)合劑。這是使平衡電位相差大的金屬離子實現(xiàn)共沉積的最有效方法。（3）采用特定的添加劑。某種添加劑可能對某些金屬沉積起作用，使之實現(xiàn)共沉積。電刷鍍是電鍍的一種特殊方式，不用鍍槽，只需在不斷供應(yīng)電解液的條件下，用一支鍍筆在 工件表面上進行擦拭，從而獲得電鍍層。所以，刷鍍又稱無槽鍍或涂鍍。直流電源的正極通過導(dǎo)線與鍍筆相聯(lián)，負極通過導(dǎo)線和工件相聯(lián)，當(dāng)電流方向由鍍筆流向工 件時為正向電流，正向電流接通時發(fā)生電沉積；電流方向從工件流向鍍筆時為反向電流，反 向電流接通時工件表面發(fā)生溶解。刷鍍?nèi)芤旱奶?/p>

20、性金屬離子的含量較高。如鍍Ni液中離子含量5355g/l鍍液的溫度范圍比較寬鍍液的性質(zhì)比較穩(wěn)定。在刷鍍過程中雖然金屬離子不斷沉積，但由于電極上的電阻熱使 溶液不斷蒸發(fā)，綜合結(jié)果使離子濃度下降并不大，因而pH值變化也不大均鍍能力和深鍍能力較好鍍液的毒性與腐蝕性較小化學(xué)鍍：是指在沒有外電流通過的情況下，利用化學(xué)方法使溶液中的金屬離子還原為金屬， 并沉積在基體表面，形成鍍層的一種表面加工方法。自催化鍍、無電解鍍表面形變強化原理是通過機械手段（滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等）在金屬表面產(chǎn)生壓縮變形，使表 面形成形變硬化層。此形變硬化層的深度可達0.5mm1.5mm。硬化層中產(chǎn)生兩種變化：一是在組織結(jié)構(gòu)上，亞晶粒

21、極大地細化，位錯密度增加，晶格 畸變度增大；二是形成了高的宏觀殘余壓應(yīng)力。這兩種變化使得金屬表面的強度硬度得到了 很大的提高，疲勞壽命也有了很大的改觀。激光束和離子束、電子束一起被稱為“三束”。激光合金化與熔覆是同一種類型的工藝，它們的區(qū)別僅在于，激光合金化所形成的合金層的 成分是介于施加合金與基體金屬之間的中間成分，即施加合金受到較大或一定的稀釋。而激 光熔敷則是除較窄的結(jié)合層外，施加合金基本保持原成分很少受到稀釋。這些區(qū)別可以由被施加材料、施加合金成分、施加形式及量和激光工藝參數(shù)的改變來達到 離子注入原理在真空中將注入元素電離，利用電場加速作用使它們形成具有數(shù)萬至數(shù)百萬電子伏特的離子 束流，并入射到工件基體材料中去，離子束與基體