材料成形技術(shù)基礎(chǔ) 第七章 表面技術(shù)

材料成形技術(shù)基礎(chǔ)第七章表面技術(shù)第1頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第八章表面技術(shù)采用合理的表面技術(shù)，可以有效提高材料的表面性能，加強(qiáng)材料的表面防護(hù)，延長(zhǎng)零件的使用壽命。表面技術(shù)的費(fèi)用一般只占產(chǎn)品價(jià)格的5%~10%，卻可以大幅度地提高產(chǎn)品的性能和附加值。第2頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一7.1表面技術(shù)的基本原理1．表面技術(shù)概述

2.材料的表面特性第3頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一7.1表面技術(shù)的基本原理表面技術(shù)(surfacetechnology)是應(yīng)用物理、化學(xué)、機(jī)械等方法，改變或控制材料表面的化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)，以獲得所需要的表面狀態(tài)和性能，提高產(chǎn)品可靠性或延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命的各種技術(shù)的總稱。7.1.1表面技術(shù)概述1.表面技術(shù)的含義第4頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一按照表面技術(shù)的方法和手段分類，可以將表面技術(shù)分為三個(gè)大類：表面涂鍍技術(shù)、表面改性技術(shù)和表面處理技術(shù)，如表7-1所示

2.表面技術(shù)的分類第5頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（1）表面涂鍍技術(shù)

表面涂鍍技術(shù)是通過(guò)涂覆或原子沉積等方式，在材料基體表面形成一層新的涂層或鍍層，統(tǒng)稱為覆蓋層。第6頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）表面改性技術(shù)

表面改性技術(shù)是通過(guò)原子滲入或離子注入等方式，改變材料基體表層的化學(xué)成分，從而達(dá)到改變材料表面性能的目的。表面改性包括：化學(xué)熱處理、離子注入、等離子擴(kuò)散、陽(yáng)極氧化、表面合金化等。第7頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（3）表面處理技術(shù)

常用的表面處理技術(shù)有表面熱處理、激光重熔、噴丸強(qiáng)化等。第8頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.表面技術(shù)的應(yīng)用（1）表面技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)材料

（2）表面技術(shù)應(yīng)用于功能材料

（3）表面技術(shù)應(yīng)用于新材料的研究與開(kāi)發(fā)第9頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、材料的表面特性

材料內(nèi)部向表面依次為金屬基體(metalsubstrate)、加工硬化層(work-hardenedlayer)、非晶態(tài)層(amorphouslayer)、氧化層(oxidelayer)、吸附氣體層(adsorbedgas)和污染層(contaminant)1.表面結(jié)構(gòu)第10頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一固體表面具有吸附其他物質(zhì)的能力。2.表面吸附（1）固體表面上氣體的吸附固體表面對(duì)氣體的吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩類。第11頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一6.1表面技術(shù)的基本原理第12頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）固體表面上液體的吸附固體表面對(duì)液體的吸附包括對(duì)電解質(zhì)的吸附和非電解質(zhì)的吸附。（3）固體表面之間的吸附當(dāng)兩個(gè)固體表面之間接近到表面力作用的范圍內(nèi)（即原子間距離范圍內(nèi)）時(shí)，固體表面之間的將產(chǎn)生吸附作用。固體表面的污染會(huì)使粘附力大大減小。

第13頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.表面擴(kuò)散表面擴(kuò)散是指原子、離子、分子等單個(gè)實(shí)體在物體表面上的運(yùn)動(dòng)，其基本原因是通過(guò)熱運(yùn)動(dòng)而活化的。固體表面上的擴(kuò)散包括兩個(gè)方向的擴(kuò)散：平行表面方向的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和垂直表面向內(nèi)部的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。第14頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.表面的鈍化與活化金屬表面鈍化是指由于金屬表面狀態(tài)的改變引起金屬表面活性變化，使表面反應(yīng)速度降低的現(xiàn)象。金屬在介質(zhì)中，當(dāng)在表面上生成一層致密的、覆蓋完整的保護(hù)膜時(shí)，可以把金屬與介質(zhì)隔開(kāi)，使表面反應(yīng)速度明顯下降，金屬表面即轉(zhuǎn)化為“鈍化態(tài)”，這層保護(hù)膜稱為“鈍化膜”。金屬的活化過(guò)程是鈍化的相反過(guò)程，能夠消除金屬表面鈍化狀態(tài)的因素都具有活化作用。第15頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一8.2表面成形的方法及設(shè)備1．熱噴涂2.電鍍第16頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一熱噴涂(thermalspraying)是一種采用專用設(shè)備，利用熱源將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，用高溫氣流將其吹成微小顆粒并噴射到零件表面，最終形成噴涂層的一種表面技術(shù)。1．熱噴涂

1.熱噴涂概述第17頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一從噴涂材料進(jìn)入熱源到形成涂層，噴涂過(guò)程一般經(jīng)過(guò)如下4個(gè)階段：（1）噴涂材料被加熱熔化；（2）熔化的噴涂材料被霧化；（3）微細(xì)顆粒的噴射飛行；（4）顆粒在基體材料表面發(fā)生碰撞、變形、凝固和沉積。第18頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一涂層(coating)的形成過(guò)程表明，涂層是由無(wú)數(shù)變形粒子相互交錯(cuò)呈波浪式堆疊在一起而形成的層狀組織結(jié)構(gòu)，如圖7-8所示。第19頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一涂層的結(jié)合包括涂層與基材表面的結(jié)合及涂層內(nèi)聚的結(jié)合。前者的結(jié)合強(qiáng)度稱為結(jié)合力，后者的結(jié)合強(qiáng)度稱為內(nèi)聚力。（1）機(jī)械結(jié)合（2）冶金-化學(xué)結(jié)合

(3)物理結(jié)合一般情況下，涂層與基材表面的結(jié)合以機(jī)械結(jié)合為主。第20頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.熱噴涂技術(shù)的分類和特點(diǎn)第21頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一熱噴涂技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）方法多樣。（2）基材不受限制。（3）可噴涂材料極為廣泛。（4）涂層廣泛（5）涂層厚度可以控制（6）工藝簡(jiǎn)便（7）操作環(huán)境差。第22頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3．熱噴涂技術(shù)的材料與設(shè)備熱噴涂材料按形狀分為：粉末、絲材、棒材三類；從成分上主要分為：金屬合金、陶瓷、復(fù)合、高分子四類；從使用性能上又可分為：耐磨、耐蝕、抗高溫、抗氧化、隔熱、密封、吸波、潤(rùn)滑、減磨、防滑、絕緣和導(dǎo)電等類別。工藝操作上又有底層材料、面層材料之分。第23頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第24頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一典型的線材火焰噴涂設(shè)備如圖7-12所示，包括氧乙炔供給系統(tǒng)、壓縮空氣供給系統(tǒng)、氣噴槍、控制裝置等。

第25頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4．熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用（1）對(duì)于承載低的耐磨涂層和提高機(jī)件抗腐蝕性的耐蝕涂層，當(dāng)噴涂材料的熔點(diǎn)不超過(guò)2500C時(shí)，可采用設(shè)備簡(jiǎn)單、成本較低的火焰噴涂。（2）對(duì)于涂層性能要求較高或較為貴重的機(jī)件，特別是噴涂高熔點(diǎn)涂層材料時(shí)，宜采用等離子噴涂。（3）工程量大的耐蝕、耐磨金屬涂層，宜采用電弧噴涂。（4）要求高結(jié)合力、低孔隙率的金屬或合金涂層可采用氣體火焰超音速噴涂，要求結(jié)合強(qiáng)度高、孔隙率低的金屬和陶瓷涂層可采用超音速等離子噴涂。第26頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一熱噴涂黃銅制作仿匯豐銅獅

供應(yīng)噴鋅加工、噴鋁加工熱噴涂加工第27頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、電鍍

電鍍(electroplating)是金屬電沉積技術(shù)之一，是通過(guò)電化學(xué)方法在固體表面上獲得金屬沉積層的過(guò)程。1.電鍍概述第28頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.電鍍的分類及特點(diǎn)（1）外加電流的電鍍方法（2）化學(xué)鍍（3）表面轉(zhuǎn)化

廣義的電鍍可以分為三大類，有外加電流的電鍍、化學(xué)鍍以及基體材料表面的轉(zhuǎn)化。

第29頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(1)電鍍過(guò)程發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程存在電子交換。（2）設(shè)備簡(jiǎn)單、投資小。（3）可以制備出種類和性能各異的多種鍍層，應(yīng)用廣泛。（4）電鍍過(guò)程的影響因素較多，特別是各類添加劑對(duì)電鍍過(guò)程影響復(fù)雜。（5）存在一定的環(huán)境污染，如廢液、廢氣等。電鍍技術(shù)具有以下特點(diǎn)：第30頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.電鍍材料與設(shè)備電鍍過(guò)程中的主要材料為電鍍?nèi)芤汉碗姌O。電鍍?cè)O(shè)備主要包括鍍槽和直流電源等，企業(yè)一般采用電鍍生產(chǎn)線，以提高效率第31頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.電鍍技術(shù)的應(yīng)用（1）電鍍電鍍廣泛應(yīng)用于各種金屬和非金屬的防護(hù)和裝飾，賦予這些基體材料各種所需的性能或功能（2）化學(xué)鍍化學(xué)鍍層厚度均勻，可以在金屬、非金屬以及半導(dǎo)體處理上施鍍，能夠在復(fù)雜鍍件上獲得均勻的鍍層?；瘜W(xué)鍍既可以鍍較大的基體，又可以鍍覆細(xì)小的粉末基體。（3）轉(zhuǎn)化膜轉(zhuǎn)化膜幾乎在所有金屬表面都能生成第32頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一電鍍產(chǎn)品第33頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一8.3表面成形工藝設(shè)計(jì)1．基體表面的預(yù)處理2.熱噴涂表面成形工藝

第34頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一6.3表面成形工藝設(shè)計(jì)表面成形過(guò)程劃分為三個(gè)階段：表面預(yù)處理、表面成形和成形后處理。表面預(yù)處理是在表面成形之前對(duì)基體材料進(jìn)行機(jī)械、化學(xué)或電化學(xué)等方式的處理，使基體材料表面凈化、粗化或鈍化。成形后處理通常是為了增強(qiáng)表面覆蓋層的性能，彌補(bǔ)表面覆蓋層的缺陷。第35頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、基體表面的預(yù)處理

1.除油常用的除油方法有：堿液除油、有機(jī)溶液除油、電化學(xué)除油等。2.除銹除銹的主要目的在于去掉工件表面的銹跡、氧化皮以及各種腐蝕產(chǎn)物。除銹的方法有化學(xué)法、手工法、機(jī)械法等。3.表面精整表面精整通過(guò)對(duì)基體材料進(jìn)行處理，獲得具有一定表面紋理和粗糙度要求的表面，以提高覆蓋層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，獲得優(yōu)質(zhì)的涂層。常用的基體表面精整方法有：磨光、拋光、滾光、噴丸等。

第36頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、熱噴涂表面成形工藝

1.工件表面預(yù)處理

基體表面預(yù)處理十分重要，具體包括表面預(yù)加、表面凈化表面粗化三個(gè)表面處理工序。

2.預(yù)熱

預(yù)熱的作用主要是：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；降低熔粒的冷凝速度，降低晶格內(nèi)應(yīng)力；使基材產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臒崤蛎洠趪娡亢箅S涂層一起冷卻時(shí)，減少兩者收縮量的差別，降低涂層的內(nèi)應(yīng)力：去除工件表面的水分。第37頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.噴涂噴涂材料的供給速度取決于熱源功率和噴涂材料的性質(zhì)，供給速度直接影響沉積效率和涂層質(zhì)量。

4.后處理后處理包括封孔處理、特種后處理和涂層的機(jī)械加工三個(gè)部分。第38頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一6.4表面工程新技術(shù)1．氣相沉積技術(shù)2.高能束表面改性技術(shù)第39頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一6.4表面工程新技術(shù)1．氣相沉積技術(shù)

氣相沉積(vapordeposition)是利用氣相中發(fā)生物理、化學(xué)過(guò)程，在材料表面形成具有一定性能的金屬、非金屬或化合物覆蓋層的工藝方法。第40頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

2.氣相沉積技術(shù)的分類（1）物理氣相沉積（physicalvapordeposition，PVD）物理氣相沉積是在真空條件下，采用各種物理方法將固態(tài)的鍍料轉(zhuǎn)化為原子、分子或離子態(tài)的氣相物質(zhì)后再沉積于基體表面，從而形成固體薄膜的一類薄膜制備方法。

1）真空蒸鍍

2）濺射鍍膜

3）離子鍍膜（2）化學(xué)氣相沉積（chemicalvapordeposition，CVD）化學(xué)氣相沉積是將含有組成膜的一種或幾種化合物氣體導(dǎo)入反應(yīng)室，使其在基體上通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成所需要薄膜的一類薄膜制備方法。第41頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第42頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

3.真空蒸鍍真空蒸鍍是將待鍍材料和工件置于真空室內(nèi)，采用一定的方法加熱待鍍材料，使其蒸發(fā)汽化，以分子或原子狀態(tài)，沉積到工件表面，從而凝聚成膜的工藝。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能在