9.3 表面改性技术
表面改性技术-表面热处理
提高工件的耐磨性。
氧化层的形成
在表面热处理过程中，材料表面 会形成一层致密的氧化层，有助
于提高耐磨性。
抗疲劳性能的改善
通过表面热处理，工件的抗疲劳 性能得到显著改善，从而延长工
件的使用寿命。
表面热处理对工件疲劳强度的影响
表面质量的改善
01
表面热处理可以改善工件表面的粗糙度，降低应力集中效应，
表面改性技术的发展趋势
01
02
03
高能束表面改性
利用激光、等离子体等高 能束技术进行表面改性， 具有高效、环保等优点。
复合表面改性
结合多种表面改性技术进 行复合处理，以提高材料 表面的综合性能。
智能化表面改性
利用计算机技术实现表面 改性的智能化控制和优化， 提高表面改性的效率和效 果。
02
表面热处理技术
目的
表面改性的目的在于提高材料的耐腐蚀性、耐磨性、装饰性和使用寿命，以满 足各种工程应用的需求。
表面改性技术的分类
物理表面改性
利用物理方法改变材料表面的结 构和性质，如离子注入、激光熔
覆等。
化学表面改性
通过化学反应改变材料表面的组成 和性质，如氧化、还原、化学镀等。
机械表面改性
利用机械力对材料表面进行加工处 理，如喷丸强化、滚压加工等。
• 处理过程简单，成本较低。
表面热处理技术的优缺点
01
缺点
02
可能引起材料内部结构变化，影响材料整体性能。
03
对处理设备和环境要求较高，需要严格控制加热温 度和时间。
03
表面热处理技术的方法
火焰喷涂
火焰喷涂是一种传统的表面处理技术， 通过将熔融的金属雾化成微粒，并利 用火焰将微粒喷射到基材表面形成涂 层。
《表面改性技术》课件
表面改性技术的实 例分析
热处理：通过加热和冷却，改变金属材料的表面性能 涂层：在金属表面涂覆一层保护层，提高耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性 电化学处理：通过电化学反应，改变金属表面的化学成分和结构 激光处理：利用激光束照射金属表面，改变其表面性能和微观结构
实例：聚四氟乙烯（PTFE）表面改性 目的：提高耐磨性、耐腐蚀性和耐热性 方法：化学气相沉积（CVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等 应用：航空航天、汽车、电子等领域
原理：利用高能粒子轰 击材料表面，使其发生 化学反应或物理变化， 形成新的表面层
特点：可以在低温 下进行，对材料表 面无破坏，可形成 多种表面层
应用：广泛应用于 金属、陶瓷、塑料 等材料的表面改性
优点：可以提高材 料的耐磨性、耐腐 蚀性、导电性等性 能
原理：利用电化学反应，在表 面形成一层具有特定性质的薄 膜
添加标题
表面改性：通过改变复合材料表面的物理、化学性质， 提高其性能
添加标题
表面改性方法：化学气相沉积（CVD）、等离子体增强化 学气相沉积（PECVD）、激光表面处理等
表面改性技术的发 展趋势和未来展望
环保型表面改性技 术：减少有害物质 排放，提高环保性 能
纳米表面改性技术： 提高表面性能，增 强表面功能
改性目的：提高材料的耐磨性、 耐腐蚀性、抗老化性等性能
改性方法：化学改性、物理改 性、复合改性等
改性效果：提高材料的表面性 能，延长使用寿命
应用领域：汽车、电子、建筑、 医疗等行业
添加标题
复合材料：由两种或两种以上不同性质的材料组成的材 料
添加标题
实例：碳纤维增强复合材料（CFRP）
添加标题
表面改性效果：提高复合材料的耐磨性、耐腐蚀性、导 电性等性能
表面改性技术在催化剂制备中的应用
表面改性技术在催化剂制备中的应用催化剂是化学反应中不可或缺的因素，它能够促进反应，在较低的温度下实现高效的转化。
如今，催化剂已成为工业生产中不可或缺的重要组成部分，被广泛应用于各种化学反应中。
表面改性技术则是一种催化剂制备的关键技术之一，它可以通过改变催化剂表面的性质，改善催化剂的活性和选择性。
本文将着重探讨表面改性技术在催化剂制备中的应用。
一、表面改性技术的原理表面改性技术是指通过一系列化学或物理手段，改变催化剂表面的一些性质，如结构、形貌、成分等，以提高催化剂的活性和选择性。
常见的表面改性技术包括浸渍法、沉淀法、焙烧法、离子交换法、原子沉积法、煅烧还原法等。
这些技术中，浸渍法和沉淀法是最为常用的两种技术。
浸渍法是指将一种水溶性盐类或气溶性化合物溶解在适量的溶剂中，然后将催化剂浸泡在溶液中，使溶液中的活性物质沉积于催化剂表面而形成新的催化剂。
浸渍技术具有溶液浓度易控、操作简单等特点，因此常被用于制备微孔催化剂。
沉淀法是指将一种水溶液沉淀在催化剂的表面上，使催化剂表面形成一些新的化合物，从而提高催化剂的活性和选择性。
与浸渍技术相比，沉淀技术具有操作简单、可控性强等优势，因此常被用于制备大孔径催化剂。
二、1. 贵金属催化剂的制备贵金属催化剂是一种常见的催化剂，其制备需要使用贵金属和一些助催化剂。
而表面改性技术可以通过改变贵金属颗粒的大小、分布等，从而改善催化剂的活性和选择性。
例如，浸渍法可以制备出高分散性贵金属催化剂，而沉淀法可以获得低分散性贵金属催化剂。
2. 大孔径催化剂的制备大孔径催化剂具有孔径较大、活性面积较小、承载能力较强等特点，因此在一些反应中具有较大的优势。
而沉淀法和焙烧还原法可以制备出大孔径催化剂。
这些技术可以在不影响催化剂活性的前提下，提高催化剂的承载能力，从而提高催化剂的空间利用率。
3. 多相反应催化剂的制备多相反应催化剂是一种常见的催化剂，其内部结构复杂，由多个不同组分组成。
而表面改性技术可以改变催化剂表面的性质，从而控制催化剂内部的反应。
材料科学中的表面改性技术
材料科学中的表面改性技术表面改性技术是材料科学中一项重要的技术。
它通过改变材料表面的化学、物理特性来改变其性能。
目前，表面改性技术在国家经济、环保、卫生、医疗、能源和其他应用领域中发挥着越来越重要的作用。
表面改性技术可以分为化学表面改性和物理表面改性两类。
化学表面改性是指通过在表面上化学反应形成一层分子膜，改变其化学性质，从而改变其表面特性和性能的方法。
物理表面改性则是指通过物理方法如激光处理，电子束处理等来改变表面的形态和结构。
在实际应用中，表面改性技术的方法有很多种。
其中最常见的有等离子体表面改性、复合离子束表面改性、离子交换等技术。
等离子体表面改性技术是通过等离子体的作用使表面产生化学反应，形成一层分子膜以改善材料的表面性质。
等离子体表面改性技术在橡胶、塑料、陶瓷、金属等材料的加工过程中，并能有效改善表面的性能。
复合离子束表面改性技术是指将合适的离子束等方法在材料表面强制打入一些异质原子，从而改变其表面的结构、相位和化学性质，改善其特性和性能。
该技术可广泛应用于新材料的开发，在纳米材料、催化材料、涂料和涂层领域中具有广泛的应用前景。
离子交换技术是指通过离子交换树脂或石墨等材料在表面吸附与离子交换，改变材料表面离子分解的能力和酸碱性质，改善其性能的方法。
离子交换技术被广泛应用于环保、通讯和新能源等领域的新型材料的开发和生产过程中。
表面改性技术不仅可以改善材料本身的特性和性能，从而改善其应用的关键技术，而且还有利于新型材料的开发。
同时，表面改性技术在环保、卫生和医疗等领域应用也日益增多。
通过表面改性技术，材料的应用范围将会更加广泛，为社会和人类的发展做出更大的贡献。
总之，表面改性技术作为一项重要技术，不仅在材料科学领域有着广泛的应用前景，还对人类的工业生产和社会发展具有极其重要的意义。
随着新型材料的不断涌现，我们相信表面改性技术在未来的发展中将会有更广泛的应用和发展前景。
表面改性技术
例如，对发动机气缸内壁进行表 面改性，可以提高其硬度和耐磨 损性，减少摩擦和磨损，降低油 耗和排放。
电子工业领域
电子工业中，表面改性技术主要用于 提高电子元件的导电、导热和抗氧化 性能，从而提高电子产品的性能和可 靠性。
例如，对铜基板进行表面改性，可以 提高其抗氧化性和耐腐蚀性，延长电 子元件的使用寿命。
表面改性技术
目 录
• 表面改性技术概述 • 表面改性技术的方法 • 表面改性技术的应用领域 • 表面改性技术的挑战与前景
01
表面改性技术概述
定义与分类
定义
表面改性技术是指通过物理、化学或 机械手段对材料表面进行改性，以改 变其表面性质和功能的一种技术。
分类
表面改性技术可以根据改性手段的不 同分为物理表面改性、化学表面改性 和机械表面改性等。
表面涂层技术
01
02
03
电镀
通过电解的方法在材料表 面沉积金属或合金，提高 表面的硬度和耐腐蚀性。
喷涂
利用喷枪将涂层材料喷涂 到材料表面，形成均匀的 涂层，提高表面的装饰性 和功能性。
热喷涂
通过加热将涂层材料熔化 或软化，然后喷射到材料 表面，形成耐磨损和耐腐 蚀的涂层。
03
表面改性技术的应用领 域
挑战1
表面改性技术的稳定性不足。
挑战2
表面改性技术的成本较高。
挑战3
表面改性技术的环保性能有待提 高。
解决方案3
研发环保型表面改性技术，减少 对环境的负面影响。
解决方案2
通过技术创新和规模化生产，降 低表面改性技术的成本。
解决方案1
加强科研投入，提高表面改性技 术的稳定性。
市场前景与发展趋势
市场前景
表面改性技术
二、 表面热处理强化
表面热处理:
指仅对零部件表层加热、冷却，从而改变 表层组织和性能而不改变成分的一种工艺，
是最基本、应用最广泛的材料表面改性技术之一。（包括表 面化学热处理是一个专业——热处理）
集肤效应：零件表面的电流密度最大，电阻的热效应使工件表面被迅速
加热。并，频率f越大，被加热的表面厚度越小。
二、 表面热处理强化
2、 感应加热方式 方式：同时加热和连续加热方式。
同时加热方式淬火时，零件需要淬火 的区域整个被感应器包围，通电加热到淬 火温度后迅速冷却淬火。此法适用于大批 量生产。 连续加热方式淬火时，零件与感应器 相对移动，使加热和冷却连续进行。适用 于淬硬区较长，设备功率又达不到同时加 热要求的情况。
四、三束表面改性处理
金属表面非晶态处理 纺纱机钢令跑道表面硬度低，易生锈，造成钢令使用 寿命低，纺纱断头率高。用激光非晶化处理后，钢令 跑道表面的硬度提高至1000HV以上，耐磨性提高1.3倍， 纺纱断头率下降75％，经济效益显著。 汽车凸轮轴和柴油机铸钢套外壁经激光表面非晶态 处理后，强度和耐腐蚀性均明显提高。 在真空中采用连续气相沉积激光技术, 在软的基材表 面获得硬度达2000~4500HV的非晶BN薄层。
二 、 表面热处理强化
强化基本思想:
当工件表面层快速加热时，工件截面上 的温度分布是不均匀的，工件表层温度高 且由表及里逐渐降低。 如果表面的温度超过相变点以上达到奥 氏体状态时，随后的快冷可获得马氏体组 织，而心部仍保留原组织状态。
结果: 得到硬化的表面层，即通过表面层
的相变达到强化工件表面的目的。
9.3表面改性技术
三束表面改性技术
是指将激光束、电子束和离子束(合称“三束”)等具有高能 量密度的能源(一般大于103W/cm2)施加到材料表面，使之 发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。
9.3.1 激光表面改性
激光表面强化是用聚焦的激光束射向钢件表面，在极短 时 间内将工件表层极薄的材料加热到相变温度或熔点以上 的温度，又在极短时间内冷却，使工件表面淬硬强化。
激光表面强化可分为激光相变强化处理、激光表面合 金化处理和激光熔覆处理等。
激光的特点：
① 材料表面改性层厚度足以适应某些机械零件的要求， 而镀覆沉积技术就难达到这一点。
1987年，UC Berkeley 研制 的硅静电马达( 转子直径120微 米，电容间隙2 微米) 问世，引 起轰动。专家预言，它的意义 可与当年晶体管的发明相比。
目前，微机械微细加工得到的埃菲尔铁塔 的微模型，旁边摆放了一枚曲别针以示对 照。
图3-46 三维微细加工得到的铁塔微模型
微细车削
④ 激光工艺参数随意可调，工艺操作灵活方便，劳动条 件好，利于建立自动化生产线。
激光表面强化的热影响区小，变形小，操作方便，主要 用于局部强化的零件，如冲裁模、曲轴、凸轮、凸轮轴、花 键轴、精密仪器导轨、高速钢刀具、齿轮及内燃机缸套等。
高精准的硬化表面
表面选择性的硬化
1.激光淬火及应用
激光相变硬化也称激光热处理或激光淬火，是工艺最成 熟、应用最广泛的表面强化技术。 原理：以聚焦激光束瞬间扫描加热钢铁件的表面，随即撤离， 使局部金属由珠光体急速相变为奥氏体，借助工件自身导热 激冷（比通常的水淬冷却速度要快1000倍以上）使扫描区域 得到极细密的高硬度的马氏体组织。 优点：硬度高，耐磨性好且变形极小，抗疲劳性能好； 缺点：不适于大工件大面积区域的表面强化，成套设备投资 较大等。
材料科学中的表面改性技术研究
材料科学中的表面改性技术研究近年来，随着科学技术的不断进步，表面改性技术在材料科学领域中引起了广泛关注。
表面改性技术是一种通过改变材料表面结构和性质来增强其性能的方法。
这项技术在工业生产与学术研究中都发挥着重要作用，并为人类社会的发展带来了巨大贡献。
在材料科学领域，表面改性技术被广泛应用于各种材料类型，如金属、陶瓷、塑料等。
其中，最常见的应用领域之一是金属材料。
金属材料的表面改性可以通过多种方法来实现，如电化学表面改性、离子注入、熔融浸渍等。
通过这些方法，可以改变金属材料表面的化学和物理性质，从而提高材料的耐腐蚀性、机械强度和疲劳寿命等重要性能。
在材料科学领域，发展出了许多表面改性技术，如等离子体表面改性技术、激光表面改性技术和化学气相沉积技术等。
等离子体表面改性技术是一种通过将材料表面暴露于等离子体中，将气体离子注入到材料表面从而改变其性质的方法。
激光表面改性技术则是应用强烈的激光束来改变材料表面的结构和性质。
化学气相沉积技术则是一种将气体分子沉积在材料表面形成覆盖层的方法。
这些技术的发展为材料表面改性提供了重要的手段和途径。
表面改性技术在材料科学中具有广泛的应用前景。
例如，在电子行业中，表面改性技术被用于制备高品质的电子元件，提高其导电性和光学性能。
在医疗领域，表面改性技术被用于制备人工关节材料，增加其生物相容性和耐用寿命。
在能源领域，表面改性技术被用于改进太阳能电池和燃料电池的性能，提高能量转换效率。
在汽车制造领域，表面改性技术被用于制备高强度、低摩擦材料，提高汽车的安全性和燃油利用率。
然而，表面改性技术研究仍然面临着一些挑战。
首先，目前的研究主要集中在实验室规模，缺乏大规模生产的经济性和可行性研究。
其次，表面改性技术中使用的材料和设备成本较高，限制了其广泛应用。
此外，表面改性技术对材料的热稳定性和机械强度有一定要求，因此需要更多的研究来解决这些问题。
为了克服这些挑战，我们需要加强材料科学领域的研究和开发，推动表面改性技术的创新和应用。
表面改性技术
7.1 金属表面形变强化
一、表面形变强化原理 表面形变强化是提高金属材料疲劳强度 的重要工艺措施之一。
基本原理: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0.5mm—1.5mm。
表面淬火 在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利 用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化 零件表面的热处理方法。
表面热处理工艺包括： 感应加热表面淬火 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 表面保护热处理等
火焰加热
感应加热
表面淬火目的： ① 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限; ② 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的 塑性和韧性。即表硬里韧。 适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。
第七章 表面改性技术
表面改性是指采用某种工艺手段使 材料表面获得与其基体材料的组织结构、 性能不同的一种技术。
表面改性处理目的： 既能发挥基体材料的力学性能； 又能使材料表面获得各种特殊性能 如耐磨，耐腐蚀，耐高温，合适的射线 吸收、辐射和反射能力，超导性能，润 滑，绝缘，储氢等。
表面改性技术的作用：
四、高密度能量的表面淬火 高密度能量包括激光、电子束、等离子体和
电火花等。
7.3 金属表面化学热处理
一、概述 (一)金属表面化学热处理过程
金属表面化学热处理是利用元素扩散性能， 使合金元素渗入金属表层的一种热处理工艺。
基本工艺过程是：首先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(包括活性组分向工件表面扩散以及界面反 应产物向介质内部扩散)井释放出欲渗入元素的 活性原子、活性原子被表面吸附并溶入表面、溶 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、组织和性能。
表面改性技术
表面改性技术班级：材料092姓名：朱光辉学号：109012042 课程: 现代表面技术表面改性技术概述：表面技术是指采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。
材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能（如耐磨，耐高温，合适的射线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等）表面改性技术可以掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命，节约稀、贵材料，节约能源，改善环境，并对各种高薪技术的发展具有重要作用。
表面改性技术的研究和应用已有多年。
70年代中期以来，国际上出现了表面改性热，表面改性技术越来越受到人们的重视。
表面改性的特点是：（1）不必整体改善材料，只需进行表面改性或强化，可以节约材料。
（2）可以获得特殊的表面层，如果超细晶粒、非晶态、过饱和固溶体，多层结构层等，其性能远非一般整体材料可比。
（3）表面层很薄，涂层用料少，为了保证涂层的性能、质量，可以采用贵重稀缺元素而不会显著增加成本。
（4）不但可以制造性能优异的零部件产品，而且可以用于修复已经损坏、失效的零件。
表面改性技术应用：表面改性技术广泛应用于机械工业、国防工业及航空航天领域，通过表面改性可以使材料性能提高，产品质量提高，降低企业成本。
表面技术的应用，在提高零部件的使用寿命和可靠性，提高产品质量，增加产品的竞争力，以及节约材料，节约能源，促进高科技技术的发展等方面都有着十分重要的意义。
表面改性技术方法：1、金属表面形变强化方法及其应用常用的金属材料表面形变强化方法主要有喷九、滚压和内孔挤压等强化工艺。
喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。
已广泛用于弹簧、齿轮、链条、铀、叶片、火车轮等零部件，可显著提高金属的抗疲劳，抗应力腐蚀破裂、抗腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀等的能力。
喷丸强化原理：（1）形成形变硬化层，在此层内产生两种变化：一是亚晶粒极大的细化，位错密度增高，晶格畸变增大；二是形成了高的宏观残余压应力。
工程材料表面改性技术的研究与应用
工程材料表面改性技术的研究与应用随着科技的不断发展，工程材料表面改性技术也得到了不断的突破和发展。
表面改性技术是指通过各种先进手段对于工程材料表面进行改性，以提升其性能以及综合利用价值。
本文将从表面改性技术的基本概念开始，对于技术的研究现状、应用前景和影响进行探讨。
一、表面改性技术的基本概念表面改性技术是一种对于工程材料表面进行改性的先进技术手段。
表面改性技术可以通过各种手段，例如化学改性、物理改性、生物改性以及高能改性等方式对于工程材料表面进行处理，改变其表面性质以提高其性能和使用效果。
表面改性技术是一种综合性较强的技术，其中包括了化学、物理、材料科学以及生物学等各个学科领域的知识。
目前，表面改性技术在工程材料行业所得到的应用较为广泛，涉及到了高速列车、汽车、飞机、船舶、电子器件以及生命医学等多个领域。
二、表面改性技术的研究现状目前，表面改性技术的研究已经取得了很大的突破，在工程材料领域得到了广泛的应用。
其中，工程材料表面化学改性技术是表面改性技术的核心领域之一。
这种技术通常是通过表面化学反应来改变工程材料表面性质以提高其应用性能。
表面化学改性技术主要涉及到材料化学、表面分析、材料微结构等多个方面的研究内容。
针对不同的工程材料类型和应用场景，科学家们开展了大量的相关研究，并且取得了不错的成果。
除了表面化学改性技术之外，还有物理改性技术、高能改性技术等多个方向的研究内容。
例如，物理改性技术是以光、电、磁等各种物理手段对于工程材料表面进行改性的一种技术手段。
高能改性技术通常是对于工程材料表面进行等离子体处理，以提高材料表面的特性。
这些技术领域的深入研究，将会为工程材料的表面改性和应用提供更多的技术支持。
三、表面改性技术的应用前景表面改性技术的应用前景十分广泛，涉及到了众多行业和领域。
比如，在船舶、汽车、高速列车等交通领域，表面改性技术可以改善其表面润滑性能，从而达到提高行驶效率和降低能耗的目的。
在生命医学领域，表面改性技术可以应用于生物医学材料的改性和开发。
材料学中的材料表面改性技术
材料学中的材料表面改性技术引言材料表面改性技术是材料学中的重要研究领域，它涉及到对材料表面性能的调控和改善，从而提高材料的功能和应用范围。
本文将以材料学中的材料表面改性技术为主题，探讨其原理、分类和应用，并介绍一些典型的表面改性技术。
一、表面改性技术的原理材料的性能往往受到其表面的影响，因此改善材料表面的性能是提高整体材料性能的有效途径。
表面改性技术的原理主要包括两个方面：一是通过改变表面化学成分实现性能的改善，二是通过改变表面形貌和结构实现性能的改善。
1. 改变表面化学成分表面化学成分的改变是表面改性技术中常用的手段之一。
通过在材料表面引入新的元素或化合物，可以改变表面的化学性质，从而改善材料的耐腐蚀性、抗氧化性等性能。
例如，通过在金属表面形成氧化膜或硝化层，可以提高材料的耐腐蚀性能；通过在聚合物表面引入亲水基团，可以提高材料的润湿性能。
2. 改变表面形貌和结构表面形貌和结构的改变是表面改性技术中另一个重要的手段。
通过改变表面的形貌和结构，可以调控材料的摩擦性能、光学性能等。
例如，通过表面微纳米结构的设计和制备，可以实现超疏水表面或超亲水表面的构建，从而具有自清洁、自润湿等特殊性能。
二、表面改性技术的分类表面改性技术根据其作用机制和实现方式的不同，可以分为物理方法和化学方法两大类。
1. 物理方法物理方法是通过物理手段对材料表面进行改性的技术。
常见的物理方法包括激光处理、等离子体处理、溅射沉积等。
这些方法主要通过改变表面形貌和结构来实现性能的改善。
例如，激光处理可以通过局部加热和熔融来改变材料的表面形貌和结构，从而提高材料的硬度和耐磨性。
2. 化学方法化学方法是通过在材料表面引入新的化学成分来改性的技术。
常见的化学方法包括化学气相沉积、溶胶-凝胶法、离子注入等。
这些方法主要通过改变表面化学成分来实现性能的改善。
例如，化学气相沉积可以在材料表面形成薄膜，从而改变材料的表面化学性质和光学性能。
三、表面改性技术的应用表面改性技术在材料学中有着广泛的应用。
材料表面改性的技术及其应用
材料表面改性的技术及其应用材料表面改性的技术以及其应用随着现代科技的飞速发展，人们对于材料的性质要求越来越高。
而表面改性技术由此应运而生。
表面改性技术可以增加材料的表面活性，增强材料的机械性能、热性能、耐磨性、耐腐蚀性等，使其具有更广泛的应用价值。
本文将从表面改性技术的定义、分类、原理、以及应用领域等几个方面进行逐一探究。
一、表面改性技术的定义和分类表面改性技术是指利用化学、物理、机械等手段对材料表面进行改善，使其在某些方面具有更好的性能。
根据处理方式，表面改性技术可以分为化学处理、物理处理、机械处理以及生物处理等。
1. 化学处理：化学处理的方式是在材料表面使用一些化学试剂，以改善材料的表面结构和性质。
例如，通过表面化学改性可在表面形成各种功能性分子，如疏水分子、亲水分子、生物活性分子等。
2. 物理处理：物理处理的方式包括电弧喷涂、喷砂、等离子体喷涂、电火花加工、电子束治理等。
这类处理将能量传递到材料表面，使材料表面重组或者摆脱，从而达到提高材料表面性能的目的。
3. 机械处理：机械处理的方式通过磨削、抛光等方法对材料表面进行处理。
例如，通过针对金属件进行拉伸，可增加材料的表面硬度和抗拉强度。
4. 生物处理：生物处理利用生物体内部的酶和接纳体来改善材料表面的性质，例如蛋白质吸附，细胞培养，生物组织培养等。
当然，这种方式主要基于生物材料的表面改性。
二、表面改性的原理表面改性主要通过对材料表面的原子、分子、电子结构的改变来实现的。
通俗地说，表面改性就是要改变原有的材料表面结构，使其更符合实际应用需要，进而获得更佳的物理、机械性能和化学性能。
表面结构的改变可以从以下几个方面进行：表面成分、表面结合能、表面形貌等。
1. 表面成分：表面成分的改变可以使材料表面形成更有机、更适合使用要求的形貌和功能。
例如通过表面氧化处理，可在材料表面形成光滑平整的氧化膜，从而提高耐蚀、耐热性等。
2. 表面结合能：表面结合能的改变在材料表面对光、水、空气等因素的抵制力上有十分重要的作用。
材料科学中的表面改性技术研究
材料科学中的表面改性技术研究近年来，随着科技的不断进步和社会的不断发展，材料科学研究取得了巨大的突破。
在这个领域中，表面改性技术成为了研究的热点之一。
表面改性技术可以改变材料表面的性质和功能，使其具备更优异的性能和更广泛的应用领域。
1. 表面改性技术的意义材料的性能往往受制于其表面的特性。
通过表面改性技术，我们可以改变材料的表面化学组成、形貌和结构，从而改善材料的性能。
例如，将铁表面进行镀铬处理，可以增加其抗腐蚀性能，延长其使用寿命；将聚合物表面进行离子束抛光，可以增加其表面硬度，提高耐磨性能。
因此，表面改性技术在材料科学中的研究具有重要的意义和广阔的应用前景。
2. 表面改性技术的分类表面改性技术可以分为物理方法和化学方法两大类。
物理方法主要包括磨削、抛光、电解抛光、喷砂、溅射等，通过机械或物理力学的方式来改变材料表面的形貌和结构。
化学方法则包括电化学法、溶胶-凝胶法、电镀、电化学氧化等，通过改变材料表面的化学组成和反应性来实现表面改性。
不同的方法适用于不同的材料和需要改善的性能，因此选择适合的表面改性技术非常重要。
3. 表面改性技术的应用表面改性技术在许多领域都有着广泛的应用。
在航空航天领域，表面改性技术可以提高材料的耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性，从而提高飞机的安全性和使用寿命。
在能源储存领域，表面改性技术可以提高电极材料的导电性和电化学性能，提高锂离子电池和燃料电池的能量密度和循环寿命。
在医疗器械领域，表面改性技术可以使材料具有生物相容性和抗菌性，提高医疗器械的安全性和可靠性。
在汽车制造领域，表面改性技术可以提高汽车零部件的耐磨性和耐腐蚀性，降低整车的能耗和维护成本。
当然，表面改性技术在应用中也面临着一些挑战和难题。
例如，表面改性过程中会产生被排入环境中的废液和废气，对环境造成污染。
此外，表面改性技术的控制和精度也是一个难点，需要开展更加深入的研究。
总之，材料科学中的表面改性技术研究具有重要的意义和广阔的应用前景。
材料工程中的表面改性技术
材料工程中的表面改性技术
材料工程是一门应用科学，它研究的对象是材料在不同条件下的力学性能、化
学性质、物理性质与其结构、形貌等方面的关系，表面改性技术则是材料工程中一个非常重要的分支，它主要针对材料表面进行改性，以提高其性能。
表面改性技术从技术角度上来讲主要分为两种，一种是物理改性，一种是化学
改性。
物理改性主要是利用物理手段对材料表面进行处理，比如说电子束辐射、等离子体诱导、离子注入等，这些技术的共性就是不会改变材料本身的化学成分，而是对材料表面或者其近表面进行表面改性，从而实现不同功能的目的。
例如，运用电子束辐照技术可以改善材料的机械性能，而等离子体诱导则可以增加材料的粘附性。
化学改性则是通过化学反应来改变材料表面的化学成分，从而得到不同的性能
改变。
例如，在金属合金表面进行沉积涂层可以增强材料表面的防腐性能，提高其化学稳定性。
在具体的应用上，表面改性技术的应用非常广泛，可以应用到各种材料上。
例如，多晶硅加工过程中，使用离子注入技术可以很好地改善单晶硅提取过程中的杂质问题；在纳米材料研究中，利用等离子体技术可以增强材料的绿色环保特性；在金属制品加工中，使用热处理技术可以增加材料的硬度、强度和耐腐蚀性等。
此外，表面改性技术的应用还广泛涉及到生物医学领域。
如在生物医学领域中，可以通过生物表面改性技术来产生适合人体的人工关节、人工心脏等生物医学器械，同时还可以应用到生物材料治疗、药物包装等方面。
总之，表面改性技术可以大大提高材料的性能和应用价值，是材料工程中非常
重要的一个分支。
在未来，随着技术不断进步和优化，表面改性技术的发展将不断创新和完善，为人类的社会发展和进步带来更多的贡献。
试述表面改性技术
表面改性技术概述与应用表面工程是指通过对材料表面进行涂覆或改性，改变材料表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等,以使表面获得所需特殊性能的系统工程。
它包括表面改性、表面处理、表面涂覆、复合表面技术和纳米表面工程技术。
而表面改性最为一种重要的表面工程技术通过改变基体材料成分，达到改善性能的目的，不附加膜层。
表面改性的方法有很多，这里主要介绍电子束表面改性和等离子体表面处理。
1 电子束表面改性高速运动的电子具有波的性质。
当高速的电子照射到金属表面时，电子能深入金属表面一定深度，与基体金属的原子核和电子发生作用。
电子与原子核弹性碰撞，能量的传递主要是通过电子束的电子与金属表层电子碰撞而完成的。
所传递的能量立即以热的形式传与金属表层原子，从而使表层温度迅速升高。
图1 电子束表面改性工作原理图1.1 电子束表面相变强化处理用散焦方式的电子束轰击金属工件表面，控制加热速度，使金属表面加热到相变点以上，随后高速冷却产生马氏体等相变强化。
此方法使用于碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化处理。
1.2 电子束表面重熔处理利用电子束轰击工件表面使表面产生局部熔化并快速凝固，从而细化组织，达到硬度和韧性的最佳配和。
对某些合金，电子束重熔可以使各组成相间重新分布，降低某些元素的显微偏析程度，改善工件表面的性能。
目前，电子束重熔主要用于工模具的表面处理上，以便在保持或改善工模具韧性的同时，提高工模具的表面强度、耐磨性和热稳定性。
由于电子束重熔是在真空条件下进行的，表面重熔时有利于去除表层的气泡，因此可有效地提高铝合金和钛合金表面处理质量。
1.3 电子束表面合金化处理先将具有特殊性能的合金粉末涂覆在金属表面上，再用电子束轰击加热融化，或在电子束作用的同时加入所需合金粉末使其熔化在工件表面上，在工件表面上形成一层新的具有耐磨、耐蚀、耐热等性能的合金表层。
电子束表面合金化所需电子束功率密度约为相变强化的3倍以上，或增加电子束辐照时间，使基体表层的一定深度内发生熔化。
表面改性技术在表面分析中的应用
表面改性技术在表面分析中的应用随着科技的发展，表面改性技术已经被广泛应用于各个领域，尤其是在表面分析的领域中。
表面改性技术可以通过改变材料表面的物理和化学性质来达到一定的表面改性效果，从而提高材料的性能和应用价值。
本文将介绍表面改性技术的基本原理和常用方法，并探讨其在表面分析中的应用。
一、表面改性技术的基本原理和常用方法表面改性技术可以通过改变材料的表面结构和组成来实现不同的表面改性效果，从而达到提高材料性能的目的。
表面改性技术的原理主要包括物理和化学两个方面。
1. 物理表面改性技术物理表面改性技术主要是通过机械方式改变材料表面的物理状态，从而实现表面改性效果。
其中包括以下几种常用方法：（1）轧制通过轧制可以改变材料表面的形态与结构，进而改变其物理和化学性质。
轧制可以使材料表面的晶体结构产生微观改变，从而提高材料的硬度、韧性和强度等性能。
（2）打磨打磨可以通过切削、抛光等方式改变材料表面的形态和结构，产生不同的表面改性效果。
打磨可以使材料表面变得光滑，从而提高其耐磨性、耐腐蚀性和导电性等性能。
（3）喷砂喷砂可以通过高速喷射砂粒对材料表面进行加工，从而改变其表面形态和结构。
喷砂可以使材料表面产生不同程度的粗糙度，从而改变其摩擦系数、润滑性和防滑性等性能。
2. 化学表面改性技术化学表面改性技术主要是通过化学反应改变材料表面的化学性质，进而实现表面改性效果。
其中包括以下几种常用方法：（1）离子注入离子注入是一种将离子束注入材料表面的方法，它可以在材料表面形成一定厚度的改性层，从而改变材料表面的化学组成和结构，实现表面改性效果。
离子注入可以实现不同种类和能量的离子注入，从而改变材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。
（2）溅射溅射是一种通过高速离子撞击材料表面来实现表面改性的方法，其原理类似于离子注入。
溅射可以改变材料表面的化学成分和结构，从而提高其硬度、耐磨性和导电性等性能。
（3）电化学氧化电化学氧化是一种通过电化学反应在材料表面形成氧化层的方法，其可以改变材料表面的化学组成和结构，实现表面改性效果。
材料的表面改性技术
激光参数（如功率、扫描速度等）可精确控制， 实现不同深度和宽度的表面改性。
离子束表面改性
01
02
03
离子注入
利用离子束将特定元素注 入材料表面，改变其化学 组成和物理性能。
剂量和能量可控
通过调整离子束的剂量和 能量，可实现不同深度和 分布的表面改性。
适用范围广
离子束表面改性适用于多 种材料，包括金属、陶瓷 和聚合物等。
污水处理
利用表面改性技术，可 以开发高效、低成本的 污水处理材料，提高污 水处理的效率和质量， 保护水资源和环境。
表面改性技术的发展趋势和前景
绿色环保
随着环保意识的提高，未来 表面改性技术的发展将更加 注重环保和可持续性，推动 绿色制造和清洁生产。
多功能化
表面改性技术将向多功能化 方向发展，实现材料表面的 多种功能集成，满足复杂应 用场景的需求。
03
高级阶段
近年来，随着纳米技术和生物技术的飞速发展，表面改性技术不断取得
新的突破，如纳米涂层、生物仿生等技术的出现，为材料表面改性提供
了更多的可能性和选择。
03
物理表面改性技术
激光表面改性
高能量密度
激光束能量密度高，可在材料表面产生瞬间高温， 实现局部快速加热和冷却。
无接触加工
激光加工为非接触式，可避免对材料表面的机械 损伤和污染。
镀层厚度控制
通过调整反应条件，如温度、浓度和时间，可精确控制镀层厚度。
镀层均匀性
化学镀层技术可实现复杂形状工件表面的均匀镀层。
化学气相沉积技术
气相反应
在气态环境中，通过化学反应在材料表面沉积固态物质。
沉积温度
化学气相沉积通常在较高温度下进行，以获得良好的沉积效果。
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System)
微机械外型特征尺寸范围为1nm~10nm，具有高精度、微 型化、集成化、高效低耗等特点，广泛应用于生物医学、 航空航天、国防、工农业、交通、信息、家庭等，其应用 前景不可估量。
微细加工（Fabrication)起源于半导体制造工艺,原来指加
工尺寸在微米级范围内的加工方式，曾广泛应用于大规模 集成电路的加工制作并由此涉及更广泛的领域。
表面处理概念
利用现代物理、化学、金属学和热处理等学科的边缘性新技术来 改变零件表面的状况和性质，使之与心部材料作优化组合，以达到预 定性能要求的工艺方法，称为表面处理。
表面处理技术的分类（按工艺特点）
①表面改性技术（金属、非金属）
通过物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、相组成、微观 结构、缺陷状态、应力状态。材料表面化学组成不变。
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微细电火花微细孔
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微细超声微细孔
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微细电火花-超声
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微细电火花-超声
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生物加工
58
微型弹 簧
(b)
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微涡轮
(a)
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微型飞行器
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微型飞行器
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微型飞行器
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微型飞行器
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掌上飞机
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掌上飞机
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微型直升机
67
扑翼式微飞行器
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微型机器人
69
微型机器人
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钻头制作 钻头 电极
钻削
工作液
微细钻削
线电极
工件 工作台
42
微细铣削
微细零件
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微汽车模型
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微细电解孔
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微细电解微结构
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微细电解微电极
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微细激光
在人的头发丝上用ArF激光微细加工的40μm的方孔
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激光加工的微涡轮转子
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激光加工的微齿轮
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激光加工的微结构
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微细电火花微细轴
得到极细密的高硬度的马氏体组织。 优点：硬度高，耐磨性好且变形极小，抗疲劳性能好；
缺点：不适于大工件大面积区域的表面强化，成套设备投资
较大等。
齿轮激光表面强化
2.激光表面熔覆及应用
激光表面熔覆(LSC)又称为激光涂敷。根据熔覆材料添加 方式的不同，分为预置涂层LSC和同步送粉LSC两种工艺方法.
曲轴激光熔覆
浆叶激光熔覆强化
3.激光表面合金化
激光表面合金化(LSA)是指在基材表面预置一层待合金化 的粉体、然后象LSC法一样用高能激光束扫描加热预置层，使 其中的合金元素与基材迅速熔合而形成新的表面合金层的一种 激光表面强化新工艺。 LSA与LSC的区别：
① LSA要求粉末与基材达到充分熔合，基材熔区表层应有成分的改变； ② LSC是“堆焊”一层合金粉末，成分基本不改变；
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微型机器人
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微型机器人
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微细加工技术典型应用实例
集成电路的制造过程
与集成电路有关的微细加工技术主要有：
（1）外延生长工艺
（2）氧化工艺
（3）光刻工艺
（4）掺杂扩散工艺
（5）真空镀膜工艺
原子操控加工技术
原子操纵技术或分子操纵技术，是一种纳米级微细加工 技术，是一种从物质的微观入手并以此为基础构造微结构、 制作微机械的方法。
三束表面改性技术 是指将激光束、电子束和离子束(合称“三束”)等具有高能 量密度的能源(一般大于103W/cm2)施加到材料表面，使之 发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。
激 光 束 加 工
电 子 束 加 工
等 离 子 束 加 工
由于这些束流具有极高的能量密度，可对材料表面
进行快速加热和快速冷却， 使表层的结构和成分发生大 幅度改变（如形成微晶、纳 米晶、非晶、亚稳成分固溶
体和化合物等），从而获得
所需要的特殊性能。
束流技术还具有能量利用率高 、工件变形小、生产效率高等 特点。
离子束溅射系统
9.3.1 激光表面改性
激光表面强化是用聚焦的激光束射向钢件表面，在极短 时 间内将工件表层极薄的材料加热到相变温度或熔点以上 的温度，又在极短时间内冷却，使工件表面淬硬强化。 激光表面强化可分为激光相变强化处理、激光表面合 金化处理和激光熔覆处理等。
20世纪80年代,出现了一门新兴学科—微机械。 微机械是指可以批量制作的，集微型机械、微传感器、微 能源、微制动器、微控制器、微执行器、信号处理、智能 控制等于一体的微型装置或系统
美国称其为MEMS（Micro Eechanical 日本称其为(Micromachine,MM) 欧洲叫做微系统（Microsystem,MS)。
激光熔覆系统
图9.3.1 预置涂层LSC示意图
图9.3.2 同步送粉LSC示意图
（2）熔覆的特点及应用： ① 可获得各种所需性能的涂层，厚度可达6～7mm；工艺 易控制；粉末消耗小； ② 适用的基材金属广； ③ 工件变形小，热影响区小，稀释率低； ④ 涂层组织细密，但易产生气孔和裂纹，不适于在较大面 积的工件上进行强化或修复。
9.3.4 化学热处理
化学热处理是将金属或合金工件置于一定温度的活性介
质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化 学成分、组织和性能的热处理工艺。按渗入的元素可分为 渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼和渗金属等。渗入元素介质 可以是固体、液体和气体，但都要经过介质中化学反应、 外扩散、相界面化学反应和工件中扩散四个过程，具体方 法有许多种。
激光表面合金化
9.3.2 喷丸强化
喷丸强化的优点：
喷丸强化的缺点：
① 球面变形趋势；
② 变形有限；
③ 限制条件苛刻；
④ 影响因素繁多。
9.3.3 表面热处理
表面热处理是指仅对工件表层进行热处理，以
改变其组织和性能的工艺。主要方法有感应加热淬
火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热淬火、电解 液淬火、脉冲加热淬火、激光热处理和电子束加热 处理。
在微机械研究领域中，微细加工技术已经成为其前沿关键
技术之一，它是微米级、亚微米级微细加工的通称。
微细加工具备精密和超精密加工的特征。广义上的微细加
工，其方式十分丰富，几乎涉及了各种现代特种加工、高 能束加工方式。
从基本加工类型看，微细加工可大致分为四类：
分离加工 接合加工 变形加工 材料处理或改性。
②表面合金化技术（金属）
通过物理方法，使添加材料进入基体，形成合金化层。
③表面转化膜技术（金属）
通过化学方法，使添加材料与基体发生化学反应，形成转化膜。
④表面涂（镀）层技术（金属、非金属）
通过物理、化学方法，使添加材料在基体表面形成镀、涂层。 基材不参与涂层的形成。
表面改性技术
通过物理、化学等方法，改变材料表面 的形貌、相组成、微观结构、缺陷状态、 应力状态。材料表面化学组成不变。 9.3.1 激光表面改性 9.3.2 喷丸强化 9.3.3 表面热处理 9.3.4 化学热处理 9.3.5 等离子扩渗处理
9.3
表面改性技术
不粘锅有毒吗?
不粘锅涂层主要原料是聚四氟乙烯, 该材料可以耐400度高温，但是在200度 以上时化学性质开始变的不稳定，释放出氟化氢气体，氟化氢溶解于水后的 溶液叫氢氟酸，不但强腐蚀（玻璃蚀刻工艺大量应用氢氟酸），而且有剧毒。 全氟辛酸铵是美国杜邦公司用用来合成含氟聚合物的一种分散剂。05年美 国环保署指出杜邦特富龙不沾锅中可能存在残留，该残留可能随着食品和 食品烹饪过程而进入人体，造成身体健康危害。目前国内没有相关检测报 告，没有监管。
高精准的硬化表面 表面选择性的硬化
1.激光淬火及应用
激光相变硬化也称激光热处理或激光淬火，是工艺最成 熟、应用最广泛的表面强化技术。 原理：以聚焦激光束瞬间扫描加热钢铁件的表面，随即撤离， 使局部金属由珠光体急速相变为奥氏体，借助工件自身导热
激冷（比通常的水淬冷却速度要快1000倍以上）使扫描区域
LSA技术特点: ① 能准确控制功率密度和加热深度；
② 能在廉价基材上的获得有某种特殊性能的合金层；
③ 可在不规则零件上得到较均匀的合金层；
④ 所需激光能量密度比LSC技术更高；
⑤ 残余内应力较大，易出现热裂纹；
⑥ 合金化表层(一般为10～1000μ m)成分均匀性和表
面粗糙度(熔凝波纹)待于改进 。
激光的特点：
① 材料表面改性层厚度足以适应某些机械零件的要求， 而镀覆沉积技术就难达到这一点。 ② 改性层组织、性能优良，且与基材之间呈致密牢固的 冶金结合状态。
③ 光束能量准确集中，与工件作用时间极短，对工件整
体热影响小，变形极微，尤其适于细长杆件、薄小零 件的局部表面强化处理。
激光器发射出来的光束非常强，通过聚焦集中到一个极小的范围之
9.3.5
等离子扩渗处理
等离子扩渗处理又称离子轰击热处理，是指在通常大气压 力下的特定气氛中利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉光放 电进行热处理工艺。常见的处理方法有离子渗氮、离子渗碳、 离子碳氮共渗等。 优点：渗剂简单、无公害，深层较深，脆性较小，工件变形小，
对钢铁材料适用面广，工作周期短。
9.4 表面加工技术
内，可以获得极高的能量密度或功率密度，聚集后的功率密度可达 1014 W／cm2，焦斑中心温度可达几千度到几万度，只有电子束的功 率密度才能和激光相比拟。
④ 激光工艺参数随意可调，工艺操作灵活方便，劳动条 件好，利于建立自动化生产线。
激光表面强化的热影响区小，变形小，操作方便，主要 用于局部强化的零件，如冲裁模、曲轴、凸轮、凸轮轴、花 键轴、精密仪器导轨、高速钢刀具、齿轮及内燃机缸套等。