6第六章表面改性技术1
《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
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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
表面改性技术培训课件(ppt 39页)
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
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丸、滚压和内孔
挤压等强化工艺。
表面滚压强化示意图。对于圆角、沟槽等皆可通过该方法获
得表层形变强化，并引进残余压应力。
内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果显
著。
表面滚压
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
一般来说，黑色金属制件可以用铸铁丸、钢丸和玻璃丸。 有色金属和不锈钢制件则需采用不锈钢丸或玻璃丸。
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化 喷丸强化设备主要有两类： （1）机械离心式喷丸机，适用于要求喷丸强度高、 品种少、批量大、形状简单、尺寸较大的零件。
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
3）表面粗糙度的影响因素：零件材料的强度和硬度、弹丸直径、喷射 角度及速度、零件的原始表面粗糙度。
在其他条件相同的情况下，零件材料的强度和表面硬度值越高，塑 性变形越困难，弹坑越浅，表面粗糙度值越小；
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化 阿尔门试验
弧高度测试时采用标准化的弧高度试片，也称 Almen试片。试片 分N、A、C三种 ，其材料和硬度都有规定，长度和宽度也固定，只是厚 度不同。其中应用较多的为A试片(厚1．27mm)，适用于中等喷丸强度。
试片在专用的夹具中，接受在一组选定的工艺参数条件下进行的喷 射，然后测量其变形后凸弧的高度作为喷丸强度的量度。弧高度单位用 mm表示。例如，30A表示 A试片弧高度为0．3mm。
弹丸直径越大，速度越快，弹丸与工件碰撞的动量越大，喷丸的强 度就越大。
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。
材料表面改性技术简介
材料表面改性技术简介作为材料科学领域的一项重要技术手段，表面改性技术旨在通过改变材料表面的组成、结构和性能，从而使其能够满足特定的应用需求。
材料表面改性技术可以广泛应用于电子、光电、生物、医药、环保等领域，例如：防腐、耐磨、抗氧化、润滑、防晒等，同时也可以改善材料的光学、电学、磁学、热学等性能。
本文将从表面改性技术的基础原理、应用范围及实现方法进行阐述。
表面改性技术的基础原理材料的表面改性是一种通过改变材料表面的化学成分、微观结构、形貌和尺寸分布等方式，来改变材料表面性质的技术。
基于不同的目的，常用的表面改性技术包括：物理方法、化学方法、生物方法和化学物理方法等。
物理方法主要包括物理气相沉积、物理溅射、电子束熔化、激光熔化、爆炸喷涂、电化学沉积等；化学方法主要包括化学气相沉积、化学溅射、化学还原、化学水解、电化学氧化等；生物方法主要是指利用生物体系合成和表征蛋白质、DNA、RNA等物质的方法；而化学物理方法主要是通过物理和化学相互作用来改变材料表面的性质。
不同的表面改性方法可以实现不同的表面改性效果，例如，物理气相沉积可以制备出薄膜和纳米结构，化学溅射可以制备出纳米材料及其复合材料，并且这些制备方法也可以相互结合使用。
表面改性技术的应用范围表面改性技术可以广泛应用于各种材料，如金属、陶瓷、复合材料、涂料、塑料和橡胶等。
在电子、光电、生物、医药、环保等领域中，表面改性技术有着各自独特的应用。
例如，在医疗领域，通过表面改性可以制备出具有生物相容性和生物活性的医疗材料，提高医疗器械的性能和安全性。
在环保领域，表面改性技术可以制备出具有高稳定性和高选择性的环境污染控制材料，如水处理材料、气体膜材料等。
在光电领域，通过表面改性可以制备出具有纳米结构的光电材料，如太阳能电池、光触媒、SPR传感器等。
表面改性技术的实现方法表面改性技术的实现方法可以根据不同的应用目标和材料特性选择不同的技术路线。
在表面改性前，需要对材料的表面性质进行详细的分析，确定表面改性的目标和方法。
第6章 生物材料表面改性
材料表面改性方法包括化学和物理方 法，通常化学方法较为繁琐，应用大量有 毒化学试剂，对环境造成污染，对人体也 有极大危害。物理方法具有工艺简单、操 作方便、对环境无污染等优点，日益受到 重视。
UHMWPE接枝丙烯酸的红外光谱图
XPS分析
a: PE，C的XPS峰
b: PE-AA，C的XPS峰
聚乙烯的C1s主要由两个峰组成，分别归属于C1和C2峰，其结合能分别为285ev 和289ev。结合图和表可以看出，未接枝聚乙烯表面有C2电子峰，但是含量很少， 可能是聚乙烯表面的杂质，可忽略，接枝聚乙烯表面碳原子的结合形式发生了变化 ，即C1含量降低，C2含量增加，C2/C1由0.068增加到0.297，增加了337％，说 明接枝聚乙烯表面碳元素产生了新的官能团。光敏剂二苯甲酮受紫外光引发，从 PE大分子链上夺取氢，产生大分子自由基，从而引发丙烯酸（AA）单体的接枝聚 合，因此，接枝链末端应有－COOH存在，而O=C-O的结合能为289ev，从而证明 了丙烯酸已经被成功接枝到聚乙烯表面。
通常辐射接枝的接枝率正比于吸收剂量，但超过某一剂量 范围时接枝率的增加趋于缓慢。
单体浓度过高会阻碍单体的接枝，。
反应温度对接枝共聚的影响是复杂的，多方面的，如反应 在高粘度介质中进行时常产生凝胶效应、能量转移与链转 移、侧链长度变化、单体扩散速度改变以及相分离等，对 辐射接枝来说提高反应温度通常对提高接枝率有利。
上述方法现已发展为可控自由基聚合(CRP)，又 称为活性自由基聚合。
第六章 表面改性技术-表面热处理
缺点： 缺点： 设备投资大，只适用于外形简单的零件， 设备投资大，只适用于外形简单的零件， 形状复杂的零件，感应器不易制造。 形状复杂的零件，感应器不易制造。 （5）表面淬火的预热处理 ） 为了保证淬火质量，改善零件心部机械性能， 为了保证淬火质量，改善零件心部机械性能， 表面淬火前，可进行正火或调质预热处理。 表面淬火前，可进行正火或调质预热处理。 正火 预热处理
4、化学热处理的基本过程 、
a、将钢材和介质加热到高温，以提高对活性 、将钢材和介质加热到高温， 原子的溶解度，提高活性原子扩散能力； 原子的溶解度，提高活性原子扩散能力； 同时介质在高温下分解，产生活性原子。 同时介质在高温下分解，产生活性原子。 b、活性原子被钢吸收，并由表及里扩散，在 、活性原子被钢吸收，并由表及里扩散， 表层（扩散层）形成固溶体 固溶体或 表层（扩散层）形成固溶体或化合物
c、渗碳后的热处理 、
零件渗碳后，应进行热处理“淬火 低温回火 低温回火” 零件渗碳后，应进行热处理“淬火+低温回火”
6、固体渗碳 、
采用固体渗碳剂：碳粒 碳酸盐 采用固体渗碳剂：碳粒+碳酸盐
原理： 原理： 900～950℃ ～ ℃ BaCO3 BaO+CO2 C（碳粒）+CO2 （碳粒） 2CO 2CO [C]+CO2
二、钢的渗碳
1、渗碳：是向钢表层渗入碳原子的过程。 、渗碳：是向钢表层渗入碳原子的过程。 2、渗碳目的： 、渗碳目的： 提高钢表层的含碳量， 热处理后 提高钢表层的含碳量，经热处理后， 使表层具有高硬度，高耐磨性， 使表层具有高硬度，高耐磨性，而心部 仍保持一定的强度，较高的塑、韧性。 仍保持一定的强度，较高的塑、韧性。
要解决这一问题， 要解决这一问题，可以采用化学热处理的 方法。 方法。 化学热处理与物理热处理最大的区别是前 改变了钢的化学成分。 者改变了钢的化学成分。
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。
表面工程 考点汇总
表面工程葵花宝典第一章：表面工程技术概论考点1：表面工程的概念：从材料的表面特性出发，利用表面改性技术、涂镀层技术和薄膜技术，使材料表面获得原来没有的新性能的系统工程。
考点2：润湿：固体表面与液体接触时原来的固相-气相界面消失，形成新的固相-液相界面的现象。
润湿是液体与固体表面接触时产生的一种表面现象，液体对固体表面的润湿程度可以用液滴在固体表面的散开程度来说明考点3：表面技术按作用原理分类：原子沉积、颗粒沉积、整体覆盖、表面改性。
第二章：材料表面工程技术基本理论考点4：在几个原子范围内的清洁表面其偏离三维周期性结构的主要特征是表面弛豫、表面重构和表面台阶结构、表面偏析、化合物、化学吸附考点5：表面粗糙度是指加工表面上具有的较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度考点6：吸附、吸收和化学反应是固体与气体发生作用的三种表现考点7：按几何特征，晶体表面缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类考点8：表面平整一般采用磨光、滚光、抛光及刷光和振动磨光(1)磨光是借助粘有磨料的特制磨光轮(或带)的旋转，以磨削金属零件表面的过程(2)滚光是将成批零件与磨削介质一起在滚筒中作低速旋转，靠零件和磨料的相对运动进行光饰处理的过程(3)抛光是用抛光轮和抛光膏或抛光液对零件表面进一步轻微磨削以降低粗糙度，也可用于镀后的精加工(4)刷光是把刷光轮装在抛光机上，用刷光轮上的金属丝(钢丝、黄铜丝等)刷，同时用水或含某种盐类，表面活性剂的水溶液连续冲洗去除零件表面锈斑、毛刺、氧化皮及其他杂物(5)振动磨光是将零件与大量磨料和适量抛磨液置入容器中，在容器振动过程中使零件表面平整光洁考点9：基体表面清洁的目的是：(1)作为前序处理工艺的一部分，为下一涂装或其他表面加工(如电镀、热喷涂等)打基础(2)作为一项单独表面处理技术，可提高工件寿命或恢复工件原状态或节能需要(锅炉清除水垢，提高热效率)；(3)消除工件(设备)隐患，提高安全性(如传热设备局部过热可通过清洗来解决)，消毒、灭菌，除放射性污染，有利于人体健康考点10：喷砂是用机械或净化的压缩空气，将砂流强烈地喷向金属制品表面，利用磨料强力的撞击作用，打掉其上的污垢物，达到清理或修饰目的的过程考点11：喷丸的原理和设备与喷砂相似，只是采用的磨料不同。
第六章 表面改性
表面张力 18↗50 mN/m
污染问题
2.气体热氧化法
PO 经空气、O2 O3氧化后，引入了-OH、 -C=O、-COOH→↗印染性、粘结性、涂饰性
要求：设备与材料形状匹配，使用受到限 制
3.火焰处理法
机理： a 驱赶低分子物，清洁表面，清除弱边界
层 b 高温火焰下，引入-C=O、-COOH、-COOR ↗表面张力 应用：大而厚制品的表面处理，T高达
3.分类
是否发生化学反应：
表面机械改性 表面物理改性： 表面涂覆改性
表面真空镀、溅射、喷射 表面物理沉积
表面火焰改性 表面溶液处理 表面放电、射线辐射 表面化学改性：表面电镀、离子镀 表面接枝 表面渗氮 表面化学气相沉积 ……
按改性过程体系的存在形态
按表面是否增加化学物质
未增加其它物质： 机械、放电、溅射、射线辐射
2800℃
4.电晕处理
电晕处理，也称火花处理，是将2—— 100kV，2——10kHz的高频高压施加于 放电电极上，以产生大量的等离子气体 及臭氧，与聚烯烃表面分子直接或间接 作用，使其表面分子链上产生碳基和含 氮基团等极性基团，表面张力明显提高， 加之糙化其表面，从而改善表面的粘附 性，达到表面预处理的目的。
②非极性高分子—印墨、粘合剂吸附在表面
③结晶度高。化学稳定性好，溶胀溶解困难， 溶剂很难使高分子链成链或扩散、缠结
④表面存在弱边界层：杂质、助剂、污染等 外因
改性方法
表面改性的设计思路
①提高材料的表面能; ②在聚烯烃等难粘高分子材料表面的分子
链上引入极性基团; ③提高制品表面的粗糙度; ④消除制品表面的弱边界层。
③表面元素
生物医用材料系列6-生物医用材料表面改性
目录
• 生物医用材料表面改性的重要性 • 生物医用材料表面改性的方法 • 生物医用材料表面改性的应用 • 生物医用材料表面改性的未来发展
01
生物医用材料表面改性的重要性
改善生物相容性
生物相容性是指材料与生物体之间相互作用后产生的适应性 反应。通过表面改性，可以改善生物医用材料与人体组织和 细胞的相容性，降低排异反应和炎症反应，提高材料的生物 安全性。
经过表面改性的牙科种植体可以缩短骨结合时间，提高种植体的稳定性和长期成功 率。
药物载体
药物载体是一种用于输送药物到病变部位的医疗器械。表面改性技术可 以提高药物载体的靶向性和释药性能。
常用的表面改性方法包括化学偶联、物理吸附、涂层技术等，这些技术 可以改变药物载体表面的性质，使其更易于与药物结合并输送到病变部
03
生物医用材料表面改性的应用
人工关节
人工关节置换是一种常见的手术，用于治疗严重的关节疾 病。表面改性技术可以提高人工关节的耐磨性和生物相容 性，减少植入后并发症的发生。
常用的表面改性方法包括涂层技术、离子注入、等离子喷 涂等，这些技术可以改变人工关节表面的物理和化学性质， 提高其与人体组织的相容性。
表面氧化还原反应
通过氧化或还原反应改变 材料表面的化学状态和性 质。
生物化学方法
生物固定化
利用生物分子的特异性结合，将 生物分子或细胞固定在材料表面，
提高材料的生物相容性和功能。
酶固定化
将酶固定在材料表面，利用酶的生 物催化作用改善材料的性能。
生长因子固定化
将生长因子固定在材料表面，促进 细胞生长和组织再生。
新型涂层材料
采用新型涂层材料可以提高表面改性的持久性和稳定性，如采用具有优异耐久性和稳定性的生物活性 涂层材料，这些涂层能够与生物医用材料紧密结合，提高材料的耐久性和稳定性。
第六章 表面改性技术解读
（二）中、高频感应加热表面热处理
是一种用途极广的热处理加热方法，可用于退火、
正火、淬火、各种温度范围的回火以及各种化学热
处理。
加热方式有同时加热和连续加热。 用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，冷却淬火时可直接从感应器的喷水 孔中喷水冷却，也可将工件移出感应器迅速浸入淬 火槽中冷却。
高碳钢的表面硬度和耐磨性。
1、气体渗钛
（1）气相渗钛
工业纯铁在TiCl4蒸气和纯氩气中发生置换反应，产 生活性钛原子，高温下向工件表面吸附与扩散：
却速度。
（四）双频感应加热淬火和超音频感应加热淬火
1、双频感应加热淬火
对于凹凸不平的工件如齿轮等，当间距较小时，无
论用什么形状的感应器，都不能保持工件与感应器 的施感导体之间的间隙一致，因而难获得均匀的硬 化层。 双频感应加热淬火就是采用两种频率交替加热，较 高频率加热时，凸出部温度较高；较低频率加热时， 则低凹处温度较高。
优点。
（一）渗金属方法 1、气相渗金属法
（ 1 ）在适当温度下，从可挥发的金属化合物中析出
活性原子，并沉积在金属表面上与碳形成化合物。
一般使用金属卤化物作为活性原子的来源。
工艺过程：将工件置于含有渗入金属卤化物的容器 中，通入 H 2 或 Cl 2 进行置换还原反应，使之析出活 性原子，然后进行渗金属操作。
2、超音频感应加热淬火
频率大于20KHz的波称为超音频波。
对于低淬透性钢，高、中频淬火都难以获得凹
凸零部件均匀分布的硬化层。 采用的20KHz~50KHz频率可实现中小模数齿轮 表面的均匀硬化层。
（五）表面淬火用材料
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。
表面改性技术综述
表面改性技术综述表面改性是指采用某种工艺和手段使材料获得与其基体材料的组织结构性能不同的一种技术。
材料经过改性处理之后，既能发挥材料基体的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能，如耐磨，耐腐蚀，耐高温，合适的射线吸收等。
金属表面改性技术在冶金、机械、电子、建筑、轻工、仪表等各个工业部门乃至农业和人们日常生活中都有着广泛的用途, 其种类繁多。
除常用的喷丸强化、表面热处理等传统技术外, 近些年还快速发展了激光、电子和离子等高能束表面处理技术。
今后, 随着物理学、材料学等相关学科的迅速发展, 还将不断涌现出新的表面改性技术。
尤其是复合表面技术的发展, 有可能获得意想不到的效果。
金属表面改性技术的飞速发展和不断创新, 将进一步推动其在工农业生产中的应用, 带来显著的经济效益。
传统的表面改性技术有：表面形变强化、表面热处理、表面化学热处理、离子束表面扩渗处理、高能束表面处理、离子注入表面改性等。
1、喷丸强化喷丸处理是在受喷材料再结晶温度以下进行的一种冷加工方法, 是将弹丸在很高速度下撞击受喷工件表面而完成的。
喷丸可应用于表面清理、光整加工、喷丸成型、喷丸校正、喷丸强化等方面。
喷丸强化又称受控喷丸, 不同于一般的喷丸工艺, 要求喷丸过程中严格控制工艺参数, 使工件在受喷后具有预期的表面形貌、表层组织结构和残余应力场, 从而大幅度提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。
实施喷丸时, 弹丸由专用的喷丸机籍助压缩空气、高压水流或叶轮, 高速射向零件受喷部位。
常用弹丸有球形铸铁丸、铸钢丸和其它非金属材料制成的弹丸。
喷丸强化的效果用喷丸强度来表示, 与弹丸种类和形状、碰撞速度和密度、喷射方位和距离、喷丸时间等因素有关。
表面喷丸提高金属材料疲劳强度的机理比较复杂, 涉及到塑性变形层(通常为011～018mm 厚) 的组织结构变化(如位错密度、亚晶粒尺寸) 和残余应力的变化。
因此, 只有合理控制表面变形层内的变化, 才可能获得预期的喷丸强化效果。
技能培训 材料表面工程学 表面改性方法原始(一)
技能培训材料表面工程学表面改性方法原始(一)随着科技的不断发展，表面工程技术的应用范围越来越广泛。
其在化工、机械、材料等领域中的应用，促进了工业的发展，提高了产品的质量和表现。
作为表面工程学专业的学生，学习材料表面工程学和表面改性方法原理是非常必要的。
在本文中，我将分步介绍技能培训、材料表面工程学以及表面改性方法原理。
一、技能培训首先，技能培训是学习材料表面工程学和表面改性方法原理的基础。
这是因为学习这两方面需要学生具备一定的基本技能。
比如，如何锯割、磨削和调度表面等基本技能。
这些技能不但有助于掌握表面工程学和表面改性方法原理，还能够在实际操作和实践中发挥作用。
二、材料表面工程学其次，材料表面工程学是表面工程学的关键。
学习表面工程学，需要掌握表面物理、表面化学和表面热力学相关基础知识，了解表面物理、表面化学和表面热力学的基本概念、表面电化学性质、表面渗透性质等。
掌握这些知识，有利于理解材料表面工程学的原理，进一步透视表面材料的形成机制和特性。
三、表面改性方法原理最后，学习表面改性方法原理至关重要。
对于表面工程学专业的学生来说，表面改性方法指的是为了改变材料表面的性质而采用的一系列方法。
如化学改性、物理改性、电化学改性、热力学改性等。
此外，还有增强表面活性的方法、增强表面粘附能的方法等。
学生需要了解表面改性的基本原理、方法和影响等方面的知识，以为应用作出贡献。
总之，学习技能培训、材料表面工程学和表面改性方法原理，不仅能够掌握表面工程学和表面改性技术，还能为未来的工作中发挥重要作用。
对于表面工程的广泛应用，也需要学生们提高相关知识和技能。
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第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
零件在服役过程中往往由于表面强度不足， 或者耐腐蚀性能差，而疲劳破损失效。因此，改 善和提高材料的表面性能，就成为提高疲劳强度、 延长使用寿命的重要工艺措施。表面形变强化就 是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一，金属 表面喷丸强化工程就是其代表性技术。
弹丸直径越大，速度越快，弹丸与工件碰撞的动量越大，喷丸的强 度就越大。
喷丸形成的残余压应力可以达到零件材料抗拉强度的60％，残余压 应力层的深度通常可达0.25mm，最大极限值为１mm左右。
喷丸强度需要一定的喷丸时间来保证，经过一定时间，喷丸强度达 到饱和后，再延长喷丸时间，强度不再明显增加。
在喷丸强度的阿尔门试验中，喷丸强度的表征为试片变形的拱高。
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
透入深度就愈小，硬化层 深度越厚薄。因此应根据 零件所要求的淬火层深度 来选择频率，从而选定设 备。
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
一、感应加热表面淬火
淬火后工件断面组织
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化 阿尔门试验
弧高度测试时采用标准化的弧高度试片，也称 Almen试片。试片 分N、A、C三种 ，其材料和硬度都有规定，长度和宽度也固定，只是厚 度不同。其中应用较多的为A试片(厚1．27mm)，适用于中等喷丸强度。
试片在专用的夹具中，接受在一组选定的工艺参数条件下进行的喷 射，然后测量其变形后凸弧的高度作为喷丸强度的量度。弧高度单位用 mm表示。例如，30A表示 A试片弧高度为0．3mm。
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
直接加压式喷丸 机
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
表示喷丸强化质量的三个参数：喷丸强度、覆盖率、 表面粗糙度。
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
1）影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹流速度、弹丸流量、 喷丸时间等。
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。
2）表面粗糙度略有增大， 但却使切削加工的尖锐刀痕 圆滑。
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
表面强化层的组织 变化：
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
一、感应加热表面淬火
感应淬火类型：
根据频率不同，分为中频感应淬火，高频感应 淬火，此外还有超音频感应淬火、双频感应淬火。 表6-9.
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
根据交变电流的频率高低，可将感应加热热处理分为超高频、高频、超音 频、中频、工频 5类。
①超高频感应加热热处理所用的电流频率高达27兆赫，加热层极薄，仅约 0.15毫米，可用于圆盘锯等形状复杂工件的薄层表面淬火。
一、感应加热表面淬火
感应淬火后零件的表面性能 ①高额感应淬火时，在零件表层 中产生较大的压应力，抗疲劳性能 增强； ②感应淬火时马氏体组织细小， 碳化物弥散细小，硬度高。 ③感应淬火时零件经受激烈的喷 水冷却，使残余奥氏体量较少，故 硬度较高。 ④氧化、脱碳小，组织性能稳 定。
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
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。
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
三、接触电阻加热表面淬火
利用触头(铜或石墨材质)和工 件的接触电阻，低电压、大电 流，使触点温度迅速上升。将 触点以一定速度移过工件表面， 即可将表层加热至淬火温度， 并在工件自身的冷却下淬硬。 本法简易可行，适于大件的局 部表面淬火，如机床导轨、气 缸套等。
在规定的喷丸强度条件下，零件的硬度低于或等于标准试片硬度时， 覆盖率能达到100％；反之，覆盖率会下降。
在相同的弹丸流量下，喷嘴与工件的距离越长、喷射的角度越小、 弹丸直径越小，达到覆盖率要求的时间就越短。
喷丸强化时，应选择大小合适的弹丸、喷射角度及距离，使喷丸 强度和覆盖率同时达到要求值。
通常覆盖率要求在100% - 200%，有些零件，如曲轴应用可能要求覆 盖率高于200%。
汽车板簧的工艺路线：扁钢间断-加热压弯成型-淬火中 文回火-喷丸-装配
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
表面淬火是指采用快速加热，使钢件表层奥氏 体化并立即快冷获得马氏体，而心部仍保持原始组 织的一种淬火工艺。
表面淬火的加热方法有多种，如感应加热、火 焰加热、电接触加热、电解液加热等。其中最常用 的是火焰加热和感应加热两种。
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
喷丸强化工艺适应性较广；工艺简单、操作方便；生产 成本低，经济效益好，强化效果明显。近年来，随着计算机 技术发展，带有信息反馈监控的喷丸技术已在实际生产中得 到应用，使强化的质量得到了进一步提高。
喷丸强化在汽车上的应用
凡是承受交变载荷的零件都用喷丸强化工艺。如螺旋 弹簧、板簧、扭杆、齿轮、传动元件、轴承、连杆、凸轮轴、 曲轴等。
一般来说，黑色金属制件可以用铸铁丸、钢丸和玻璃丸。 有色金属和不锈钢制件则需采用不锈钢丸或玻璃丸。
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化 喷丸强化设备主要有两类： （1）机械离心式喷丸机，适用于要求喷丸强度高、 品种少、批量大、形状简单、尺寸较大的零件。
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
表面强化层的组织：
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
强化后残余应力的分布规律 表面为残余压应力，心部为残余拉应力，最表 面层由于应力松驰，其残余应力稍有降低，故曲 线上有“抬头”现象。
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
疲劳强度随表面残余压应力的增加而增加
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
四、电解液加热表面淬火
以工件作阴极，置于电解液中(常用5％～20％碳酸钠水 溶液)，以电解槽为阳极，通入200～300V直流电。由于 电解作用使阴极(工件)表面形成一层氢气膜。氢气膜具有 大的电阻，温度迅速升高，并将工件表面加热到淬火温度。 停电后电解液将工件淬冷。本法适用于大批量生产工件的 局部表面淬火。
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喷丸强化用的弹丸，常用的有三种：
1) 铸铁弹丸 碳质量分数物为2.75-3.60％，硬度约为 HRC58-65,退火后硬度为HRC30-57 。铸铁弹丸的价格低廉。
2) 钢弹丸 当前使用的钢弹丸一般是将含碳量为0.7％的 弹簧钢丝(或不锈钢丝)，切制成段，经磨圆加工制成，直径 为0.4-1.2mm。硬度HRC45-50为最适宜。钢弹丸的组织最 好为回火马氏体或贝氏体。
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
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丸、滚压和内孔
挤压等强化工艺。
表面滚压强化示意图。对于圆角、沟槽等皆可通过该方法获
得表层形变强化，并引进残余压应力。
内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果显
著。
表面滚压
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
3）表面粗糙度的影响因素：零件材料的强度和硬度、弹丸直径、喷射 角度及速度、零件的原始表面粗糙度。
在其他条件相同的情况下，零件材料的强度和表面硬度值越高，塑 性变形越困难，弹坑越浅，表面粗糙度值越小；
弹丸的直径越小，速度越慢，弹坑就越浅，表面粗糙度值就变小； 喷射的角度大，弹丸速度的法向分量越小，冲击力越小，弹坑越浅， 弹丸的切向速度越大，弹丸对表面的研磨作用就越大，表面粗糙度值就 越小； 零件的原始表面粗糙度也是影响因素之一，原始表面越粗糙，喷丸 后表面粗糙度值降低越小；相反，表面越光滑，喷丸后表面变得粗糙。 当对零件进行高强度的喷丸后，深的弹坑不但加大表面粗糙度值， 还会形成较大的应力集中，严重削弱喷丸强化的效果。
②高频感应加热热处理所用的电流频率通常为200～300千赫,加热层深度为 0.5～2毫米,可用于齿轮、汽缸套、凸轮、轴等零件的表面淬火。
③超音频感应加热热处理所用的电流频率一般为20～30千赫，用超音频感 应电流对小模数齿轮加热，加热层大致沿齿廓分布。
④中频感应加热热处理所用的电流频率一般为2.5～10千赫,加热层深度为 2～8毫米，多用于大模数齿轮、直径较大的轴类和冷轧辊等工件的表面淬火。
⑤工频感应加热热处理所用的电流频率为50～60赫，加热层深度为10～15 毫米，可用于大型工件的表面淬火。
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
600mm冷轧辊工频淬火
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
大型铸钢件工频淬火
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
各种感应加热器
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
集肤效应(skin effect)又叫趋肤效应，当交变电流通过导 体时，电流将集中在导体表面流过，这种现象叫集肤效应。电 流或电压以频率较高的电子在导体中传导时，会聚集于导体表 层，而非平均分布于整个导体的截面积中。频率越高，趋肤效 用越显著。
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
一、感应加热表面淬火
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
五、高密度能量加热表面淬火