表面工程学各章要点
表面工程学--涂装技术ppt课件
特点：由于转化成膜物质具有能起化学反应的官能团，在 热氧或其他物质作用下能够聚合成与原有结构不同的不溶， 不熔的网状高聚物，即热固性高聚物，因而形成的涂膜是 热固性的，通常具有网状结构。比如干性油和半干型油， 漆酚，多异氰酸酯的加成物和聚合物。
标志作用功能
利用色彩的明度和反差强烈的特性，引起人们警觉，避免危 险事故发生，保障人们的安全。有些公共设施，如医院、消防 车、救护车、邮局等，也常用色彩来标示，方便人们辨别。
特殊作用功能
涂装能使物体获得力学性能（耐磨、润滑）、热功能（耐 高温、阻燃）电磁学功能（导电、防静电涂料）、声波、雷达 波的反射和吸收、夜光作用等。
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3.3 涂膜防护原理 涂膜对金属的保护作用主要体现在：
涂膜
金属与腐蚀 介质隔离， 阻碍电化学 腐蚀的发生
阻碍阳极与 溶液间离子 的移动，减 小了腐蚀速
率
涂料中的颜 料对金属表 面起钝化作 用，减缓了
腐蚀速度
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第四节 涂装材料
涂装用材料主要包括：预处理材料、涂料、后处理材料。
4.1 预处理材料
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链锁聚合反应(加聚反应)成膜：有三种形式 a) 氧化聚合形式：以天然油脂为成膜物质的油脂涂料以及 含有油脂组分的天然树脂涂料、酚醛树脂涂料、醇酸树脂 涂料和环氧酯涂料等都是依靠环氧聚合成膜的。 b) 引发剂引发聚合形式：不饱和聚酯涂料是典型的依靠引 发剂引发聚合成膜的。 c) 能量引发聚合形式：一些以含共价键的化合物或聚合物 为成膜物质的涂料可以通过能量引发聚合形式而成膜。
第九章 涂装技术
本章主要内容
• 第一节 涂装技术的概述 • 第二节 涂料的基本组成及其作用 • 第三节 涂料成膜机理 • 第四节 涂装材料 • 第五节 涂装工艺与设备 • 第六节 几种典型产品涂装 • 第七节 涂膜质量评价及涂装技术发展趋势
0现代表面工程学导论-表面基本理论
5、典型固体界面
固相之间的分界面， 通常指两个块体相之间的过渡区， 其空间尺度决定于原子间力作用影响范围的大小， 其状态决定于材料和环境条件特性。
按照界面的形成过程与特点，最常见的界面类型为如 下几种： （1）基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面
贝尔比层 (Bilby层)
抛光金属的表层组织形貌
表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。通常可以分 为以下五类： 固—气 液---气 固---液 液---液 固---固
气体和气体之间总是均相体系，不存在表界面。习惯上把固--气、液---气的过渡区域称为表面，而把固--液、液--液、固-固的过渡区域称为界面。
▪固体表面通常指固-气界面或固-液界面，一般由凝聚态
在离表面约5nm的区域内，点阵发生强烈畸变，形成 厚度约1-100nm的晶粒极微小的微晶层，亦称为贝尔 比层(Beilby层)，
它具有粘性液体膜似的非晶态外观，不仅能将表面覆 盖得很平滑，而且能流入裂缝或划痕等表面不规则处 。
在贝尔比层的下面为塑性流变(简称塑变)层，塑变程 度与深度有关。例如用600号SiC砂纸研磨黄铜时，其 塑变层一般可达1-10μ m。
材料的表面粗糙度是表面工程技术中最重要的概念之 一。它与表面工程技术的特征及实施前的预备工艺紧 密联系，并严重影响材料的摩擦磨损、腐蚀性能、表 面磁性能和电性能等。
粗糙表面对表面特性的影响
▪粗糙表面的原子比正常的原子具有更高的表面能！ ▪粗糙表面影响实际表面的接触面积和接触性质！ ▪实际比表面积大于表观比表面积！ ▪粗糙的表面具有与内部不同的成分和组织！
过共析钢 400x
珠光体 P ，1800×
⑶基于固相宏观成分差异形成的界面
①冶金结合界面
第二章表面工程技术的物理化学基础
第一节 固体的表面和界面 表面：气相和固相之间分界面。 界面：固相之间分界面。 一、表面 1.理想表面：无限晶体中插入一个平面，分成两部分后形成
的表面。特点：表面原子近邻原子数少，表面原子能量升 高，表面能，引起吸附。 2.洁净表面与清洁表面 洁净表面：表面化学成分和体内相同。表面吸附物的覆盖几 率很低。得到方法：离子轰击、场致蒸发、真空沉积。
3.润湿理论的应用 表面重熔、表面合金化、涂装技术中，都希望得到 大的铺展系数。可以通过改变三个相界面上的σ值 来调整润湿角。加入使σS-L和σL-G减小的元素或 合金。可以得到均匀、平滑的表面。通常低熔点的 合金润湿性好。 自熔合金，就是在常规合金成分基础上加入，硼、硅元素使
熔点降低，提高流动性。
Ar=nπr2 n为接触点的数量。 Ar=W/σ, n=W/(σπr2)
对直径2r的接触点来说，运动2r就可以把n接触点分离，这样的 话，滑动单位距离分离的接触点为：
Nu=n*1/2r=w/(2σπr3) 因为并不是每个接触点都可以得到一个磨屑，因此，给出了几 率为K, 滑动距离S,所产生总的磨损量（磨屑体积）V, V/S=K* Nu*Vf
所以在粘着磨损过程中，摩擦阻力就是使粘着点破 坏的剪切力。
摩擦力 Fr=Aτb ， A是剪切的微凸体的总面积, τb是材料的剪切强度。
正压力 FN=A σsb ， σsb是压缩屈服强度。
μ=Fr/ FN=τb/σsb， 就是说摩擦系数取决于τb/σsb的比值。
1953年Archard提出了一个普遍接受的定律，这篇文章发表在 J. Applied physics上，给出了磨损量与载荷、硬度和滑动距离之 间的关系。 他认为磨损碎块（磨屑）是半球状的，直径为2r。
表面工程学
名词解释：1、表面工程学：为满足特定的工程要求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能的化学、物理方法与工艺。
2、理想表面:是一种想象的平面，在无限晶体中插进一个平面，将其分为两部分后所形成的平面，并认为半无限晶体中的原子位置和电子密度都和原来的无线晶体一样。
3、洁净表面：虽然材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与体内相同。
4、清洁表面：一般指零件经过清洗（脱脂、浸蚀等）以后的表面。
5、TLK模型：基本思想是在温度相当于0K时，表面原子结构呈静态。
表面原子层可以认为是理想的平面，其中的原子作完整二维周期性排列，且不存在缺陷和杂质。
当温度从0K升到T时，由于原子的热运动，晶体表面将产生低晶面指数的平台、一定密度的单分子或原子高度的台阶、单分子或原子尺度的扭折以及表面吸附的单原子及表面空位等。
6、固体表面的吸附包括物理吸附和化学吸附。
吸附是固体表面最重要的性质之一。
7、莱宾杰尔效应：因环境介质的影响及表面自由能减少导致固体强度、塑性降低的现象。
8、润湿：液体在固体表面铺展的现象。
9、脱脂的方法：化学脱脂、有机溶剂脱脂、水剂脱脂、电化学脱脂。
10、表面淬火技术：采用特定的热源将钢铁材料表面快速加热到AC3（对亚共析钢）或者AC1（对过共析钢）之上，然后使其快速冷却并发生马氏体变化，形成表面强化层的工艺过程。
11、受控喷丸：是利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料在再结晶温度下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。
12、热扩渗：将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层（或掺杂层）的工艺。
13、电镀：是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以被镀基体金属为阴极，以欲镀金属或其他惰性导体为阳极，通过电解作用，在基体表面上获得结合牢固的金属膜的表面工程技术。
14、化学镀：在无外加电流的状态下，借助合适的还原剂，使镀液中的金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。
表面工程学-第四章
表面淬火和表面形变强化技术
在表面工程技术中，不需要外加其它材料，主要依靠材料自身组 织与结构转变来进行表面改性的工艺主要有两类： 一、表面淬火与退火技术 二、表面形变强化技术 特点：工艺简单、效果显著、应用广泛
一
（一）原理：
表面淬火技术
定义： 采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3（对亚共析钢）或者Ac1（对 过共析钢）之上，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的 工艺过程。 注意：凡是能通过整体淬火强化的金属材料，原则上都可以进行表面淬火。
注：P/(Dv)称为比能量，物理意义为单位面积激光作用区注入的激光能量
(3)表面预处理状态 • 表面组织准备：
通过调制处理等手段，获得较 细的材料表面组织(细片状珠光体、 回火马氏体或奥氏体)
•
表面“黑化”处理：
磷化法、氧化法、喷刷涂料法、 镀膜法
二、激光表面熔凝技术原理
定义：
采用激光束将基材表面加热到熔化温度以上，当激光束移开后由于基材 内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的表面处理工艺。(液相淬
2．受控喷丸对材料表面形貌与性能的影响 (1)对材料表面硬度的影响：
表面硬度可大幅度提高，且硬化层深度最高 可达0.8mm
(2)对表面粗糙度的影响：
表面粗糙度对其疲劳寿命影响很大， 降低表面粗糙度可以增加零件的疲劳强度。 受控喷丸以后的表面痕迹没有方向性， 有利于增加零件的疲劳强度。
(3)对疲劳寿命与抗应力腐蚀能力的影响：
三、适用范围：
主要用于单件、小批量生产及大型齿轮、轴、轧辊、导轨等
四、组织特征：过渡区较宽
第三节
激光淬火与电子束淬火技术
一、激光淬火技术的原理及应用：
表面工程学
表面工程技术的特点与意义
• 早在20世纪后期，美国就将表面工程技术 列入影响21世纪人类生活的七大关键技术 之一，与计算机科学、生命科学、新能源 技术、新材料技术、信息技术和先进制造 技术并列。 • 我国也非常重视表面工程技术的发展、创 新与应用。
表面工程技术的分类
按照表面工程技术的特点，可以将其分为 • 表面改性、 • 表面加工、 • 表面加工三维成型、 • 表面合成新材料等。
1. 表面改性技术
• 指赋予材料表面以特定的物理、化学性 能的表面工程技术。 • 材料的表面性能包括高强度、高硬度、 耐蚀性、导电性、磁性能、光敏、压敏、 气敏特性等。 • 按照工艺特点的不同，表面改性技术又 可分为①表面组织转化技术， ②表面涂 层、镀层及堆焊技术和③表面合金化技 术等三大类。
表面组织转化技术
表面工程学的内涵
3. 表面合成材料技术：即借助各种手段在材 料表面合成新材料的技术，如纳米粒子制 备过程中的表面工程技术、离子注入制备 或合成新材料等。 4. 表面加工三维合成技术：即将二维表面加 工累积成三维零件的快速原型制造技术等。 5. 上述几个要点的组合或综合。
表面工程学的定义和内涵
• 表面工程技术的定义，由单纯表面改性 (surface modification) 扩展到表面加工和合 成新材料， • 实施对象由“结构材料”扩展到“功能材 料”， • 涵盖材料学、材料加工工程、物理、化学、 冶金、机械、电子与生物领域的有关技术 与科学，交叉学科的特征。
不改变材料的表面成分，只是通过改 变表面组织结构特征或应力状况来改 变材料性能， 如激光表面淬火和退火技术，感应加 热淬火技术和喷丸、滚压等表面加工 硬化技术等。
表面涂镀技术
利用外加涂层或镀层的性能使基材表面性 能优化，基材不参与或者很少参与涂层的 反应。 典型的表面涂镀技术包括：气相沉积技术 (如物理气相沉积和化学气相沉积等)、化学 溶液沉积法(如电镀、化学镀、电刷镀)、化 学转化膜技术 (如磷化、阳极氧化、金属表 面彩色化技术、溶胶－凝胶法等)、各种现 代涂装技术、热喷涂和喷焊技术、堆焊技 术等。
(无水印)《飞机维修表面工程学》辅导提纲解析
《飞机维修表面工程学》课程辅导提纲军区空军自考办第一章航空装备零部件失效分析概述一、内容提要：（一）、航空装备零部件失效的类型1. 航空装备或系统的失效类型分为:运动或动力故障型：空中停车、失速、乏力、失控等失效结果模式型：撞坏、坠毁、爆炸、起伏、泄露等2. 航空装备零部件失效类型分为：为了便于诊断和处理失效事件，可按以下三个方面：1、按失效机理模式的失效类型见《航空维修表面工程学》P1表1-1（下同）2、按产品质量控制状态的失效类型P2表1-2。
3、按因果关系划分的失效类型P2表1-3。
3. 航空装备零部件失效的基本影响因素无论是航空装备或其零部件，影响其失效的基本因素总可以归结为设计制造过程因素（原始因素）和运转维修过程因素（工况使用因素）两大方面。
主要有：设计因素、制造（工艺）因素、装配调试因素、材质因素、运转维修因素。
（二）、航空装备零部件失效分析的基本内容与基本思路1失效分析的对象与作用：对象：针对一个航空机械系统、一台航空机械设备中零部件的失效。
目的：提高军事、经济和社会效益。
作用：1、可反馈到设计与制造部门。
以便能提高今后的质量。
2、是修复与强化的依据。
3、提供事故仲裁、案件侦破。
失效保险等的技术依据。
4、有助于防止事故重复发生。
2. 失效分析的基本思路及步骤通常，对于某一失效或故障的本质影响因素较为简单的情况，可以通过具体失效模式的分析，由现象到本质，顺藤摸瓜，不难抓住要害。
复杂的情形应根据定位工程的方法找出根源。
思路： g σ ( 广义应力)>〔g σ〕(许用应力) （可能发生失效）航空装备零部件失效分析的一般过程与步骤：1、失效分析对象现场调查。
现场调查的一般内容有：P62、现场初步分析。
3、检测试验，查清失效原因4、提出结论与报告二、基本要求理解航空装备零部件失效的类型。
了解失效分析的基本内容和影响失效的基本因素。
了解失效分析的基本思路及步骤。
重点内容：理解航空装备零部件失效的类型。
表面工程学复习
表面工程学复习名词解释表面能：材料表面的内能，包括原子的动能，原子间的势能以及原子中原子核和电子的动能和势能。
表面扩散：是指原子、离子、分子以及原子团在固体表面沿表面方向的运动。
当固体表面存在化学势梯度场，扩散物质的浓度变化或样品表面的形貌变化时，就会发生表面扩散。
洁净表面：尽管材料表面原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与体内相同的表面。
清洁表面：一般之零件经过清洗（脱脂、侵蚀）以后的表面。
滚光：将零件放入盛有磨料和化学溶液的滚筒中，借滚筒的旋转使零件与磨料、零件与零件表面相互摩擦，以达到清理零件表面的过程。
电化学抛光：电解抛光是以被抛工件为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选择性的阳极溶解，从而达到工件表面光亮度增大的效果。
表面淬火：采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到AC3或AC1之上，然后使其快速冷却，形成表面强化层的工艺过程。
表面形变强化：在金属的表面形变过程中当外力超过屈服强度后，要塑性变形继续进行必须不断增加外力，从而在真实的应力-应变曲线上表现为应力不断上升。
等离子体热扩渗: 利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，形成热扩渗层的工艺过程。
液体热扩渗：将工件浸渍在熔融的液体中，使表面渗入一种或几种元素的热扩渗工艺方法。
化学镀:：在无外加电流的状态下，借助合适的还原剂，使镀液中的金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。
复合镀：在电镀或化学镀溶液中加入非溶性的固体微粒，并使其与主体金属共沉积在基体表面，或把长纤维迈入或卷缠于基体表面后沉积金属，形成一层金属基的表面复合材料的过程。
合金镀：在一种溶液中，两种或两种以上金属离子在阴极上共沉积，形成均匀细致镀层的过程。
堆焊：在零件表面熔覆一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金属的技术。
热喷焊:采用热源使涂层料在机基体表面重新融化或部分熔化，实现涂层与基体之间，涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙。
表面工程学---教学大纲
《表面工程学》课程教学大纲课程代码：050241025课程英文名称：Surface engineering课程总学时：40 讲课：40 实验：0 上机：0适用专业：金属材料工程大纲编写（修订）时间：2017.11一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标1．课程地位：表面工程学是必修、专业学位课。
2．教学目标：通过本课程的学习使学生了解现代表面技术基本知识。
掌握有关材料表面的基本概念和某些重要理论，对现代表面技术的形成、分类、涵义和内容有一定深度的了解。
通过一些典型的表面技术来掌握其主要设备、技术路线、工艺实施、分析检验和具体应用等，从而使学生对现代表面技术的形成、现状和发展有基本的了解。
积极培养学生理论联系实际以及开拓创新的能力，为学习其它有关专业课程和将来从事生产技术工作奠定必要的理论基础。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.知识方面的基本要求：掌握表面工程学的定义和内涵、表面工程技术的特点与意义、表面工程技术的分类。
掌握典型固体表面与界面；掌握金属腐蚀原理和防护技术，材料磨损原理及其耐磨性。
掌握表面工程技术的预处理工艺。
掌握表面淬火技术的原理与特点；掌握感应加热淬火技术、火焰加热表面淬火技术、激光淬火、电阻加热表面淬火技术、表面形变强化技术的原理。
掌握热扩渗技术的基本原理；掌握热扩渗工艺的分类、等离子体热扩渗。
掌握电镀、化学镀的基本原理与工艺；掌握常用单金属电镀、合金电镀、复合镀技术。
掌握磷化、铬酸盐钝化膜；掌握转化膜的基本特性及用途、化学氧化、草酸盐钝化、电化学氧化、着色技术。
掌握涂料的基本组成及其作用、涂料成膜机理、涂装材料；掌握涂装工艺。
掌握物理气相沉积方法中蒸发镀、溅射镀和离子镀的原理及特点；掌握各类化学气相沉积方法的原理及特点，分子束外延制膜方法。
了解常用工业激光器及激光加工系统，掌握激光表面改性技术；掌握离子束表面改性技术、电子束表面改性技术的特点及应用。
掌握常用微细加工技术、纳米工艺、生物芯片技术。
表面工程-第2章-表面工程技术的物理、化学基础
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重构—表面原子在水平方向的周期性不同于体内的晶面，表面重构能使表面结构发生质的变化。 台阶化—指实际晶体的外表面由许多密排面的台阶构成。 偏析—指化学组分在表面区的变化。
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2.1 固体表面外层四个原子层 的重构示意图（b）
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(4)吸附对材料力学性能的影响 －莱宾杰尔效应
莱宾杰尔效应是指因环境介质的影响及表面自由能减少导致固体表面强度降低的现象。 莱宾杰尔效应的本质：是金属表面对活性介质的吸附，使表面原子的不饱和键得到补偿，表面能降低，改变了表面原子间的相互作用，使金属的表面强度降低。
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TLK模型的物理意义：
当温度从0K升到TK时，由于原子的热运动，在晶体表面将产生低晶面指数的平台、一定密度的单分子或原子高度的台阶、单分子或原子尺度的扭折以及表面吸附的单原子和表面空位。
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2.1.4 表面扩散
平行表面的运动—得到均质的、理想的表面强化层； 垂直表面向内部的运动—得到一定厚度的合金强化层。
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晶体表面是原子排列面，有一侧无固体原子的键合，形成了附加的表面能。从热力学来看，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定态。达到这个稳定态的方式有两种： 一是自行调整，使表面原子排列情况与材料内部明显不同； 二是依靠表面的成分偏析、表面对外来原子（或分子）的吸附以及这两者的相互作用而趋于稳定态，因而使表面组分与材料内部不同。
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化学键结合界面－是指覆层材料与基材之间发生化学反应、形成成分固定的化合物时，两种材料之间的界面。 特点：结合强度较高，缺点是界面的韧性较差，在冲击载荷或热冲击下，容易发生脆断或剥落。 处理方法：物理和化学气相沉积、离子注入、热扩渗、化学转化膜、阳极氧化和化学氧化技术等
表面工程学六、喷涂(09)
四、热喷涂工艺流程和质量控制 质 量 控 制 要 素 （ 4M ） ： 设 备 （ Machine ） 、 材 料 （Materials）、工艺（Methods）和人员（Man）。 热喷涂工艺流程包括基材表面预处理、热喷涂、后处理和 精加工等过程。
热喷涂工艺流程
1 基材表面预处理 （1） 净化处理：清除表面污垢。 （2） 粗化处理：提高涂层与基体之间的结合牢度。 粗化处理可提高涂层结合强度的理由是：
3 涂层结构（1） 涂层是由无数变形粒子互相交错堆叠 在一起，形成一层堆积而成的层状结构。 涂层性能具有方向性，垂直和 平行涂层方向上的性能不一致。 涂层中伴有氧化物等夹杂，存 在部分孔隙，孔隙率4％－20％。
涂层结构（4） 涂层内有一定比例的孔隙，产生原因是： （1） 喷涂角度不同造成的遮蔽效应；
热喷涂材料分类（非金属类，表1-3）
非金属类 分 类 品 种 (1)A1 系：A12O3、A12O3·SiO2、Al2O3·MgO 金属氧化物 (2)Ti 系：TiO2 (3)Zr 系：ZrO2、ZrO2·SiO2、CaO-Zr02、MgO- ZrO2 (4)Cr 系：Cr2O3 金属碳化物 (1)WC、W2C；(2)TiC； 及硼化物 (3)Cr3O2、Cr23C6；(4))B4C、SiC 包覆粉 Ni 包 Al、Ni 包金属及合金、Ni 包陶瓷 团聚料 熔炼粉及 烧结粉 塑 料 金属+合金、WC 或 WC-Co+金属及合金、氧化物+金 属及合金、氧化物+氧化物 碳化物+自熔性合金、WC+Co (1)热塑性粉末：聚乙烯、尼龙、聚苯硫醚 (2)热固性粉末：环氧树脂
2 热喷涂材料的选材原则
（1） 要把实用性、工艺性和经济性结合起来考虑，尽量选择 合理的喷涂材料。 （2） 对于重要的部件以获得最优涂层性能为准则；不十分重 要的部件则以获得最大的经济效益为准则。 （3） 根据工件的工作环境选择合适的工作涂层。
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。
第五章 热渗镀讲解
第五章热渗镀第一节概述及方法定义：用加热扩散的方法把一种或几种元素渗入基体金属的表面，形成一扩散合金层，这种方法叫渗镀。
所形成的镀层叫做渗镀层（简称渗层）或扩散渗镀层。
热渗镀材料的选择范围很宽，渗入不同元素可得到不同组织和性能的表面（如耐蚀，耐磨，耐氧化等）。
热渗镀的特点：镀层的形成主要依靠加热扩散的作用，所得镀层（渗层）与基体金属之间是靠形成合金来结合的，即形成冶金结合，因而结合非常牢固，镀层不宜脱落。
热渗镀方法很多，以与工件相接触的介质来分：有固渗、液渗和气渗，它们都属于直接渗镀方法；也可以联用其他涂层方法，可分为：电泳渗、膏剂渗、喷镀渗、电镀渗、化学镀渗和真空渗等。
一、固渗法（一）粉末包渗法粉末包渗法是固渗中最普通的方法，也是历史最为悠久的渗镀法，至今国内外仍以此法的应用为最多。
这种方法很简单，就是把工件埋入装有欲渗金属粉末、防粘结粉末和活性剂的混合物（粉末渗剂）的容器中，然后密封容器高温加热即可。
图5－1 粉末包渗示意图在粉末包渗法中，一般都要在粉末中加入防粘结剂（如Al2O3）和活化剂，这主要是为了避免烧结使得表面难以清理。
活化剂一般为卤化物，如NH4Cl，NH4Br等。
我们以NH4Cl为例来看看其原理：设A表示二价基体金属，b－欲渗二价金属，则在加热时容器中会发生下列反应：NH4Cl ---> NH3 ＋HCl2NH3 ---> N2 ＋3H22HCl + B ---> BCl2 + H2卤化物分解生成的N2和H2会排除容器内的空气，造成还原气氛，HCl和B反应生成BCl2。
随着加热的进行，BCl2气化，与基体金属Ａ反应，生成活性原子[B] BCl2 + A ---> ACl2 + [B]活性金属原子[B]随后扩散进入基体金属的表面，与基体形成表面合金镀层。
优点：设备简单，操作容易，适用于形状复杂的工件的渗镀。
缺点是：尺寸和数量受限制，效率低，处理温度高，时间长，基体强度有所降低，并且粉尘使得劳动条件恶化。
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问题和对策
由于阴极还原反应的平衡电位降 低，副反应速度比较大，故电流效 率比单盐电解液低。 络合剂带来各种问题，如氰化物 巨毒，氨造成废水处理困难，等。 开发高效的无毒络合剂，开发新 的废水处理技术，减轻环境污染， 是络盐电镀的重大课题。
主盐浓度的影响
单 盐 电 解 液 增加主盐浓度的影响
热喷涂技术的特点
1.
2. 3.
4. 5. 6.
可在各种基体上制备各种材质的涂层：金属、陶瓷、金属陶瓷以及 工程塑料等都可用作热喷涂的材料；几乎所有固体材料都可以作为 热喷涂的基材。 基体温度低：基材温度一般在30~200℃之间，因此变形小。 操作灵活：可喷涂各种规格和形状的物体，特别适合于大面积涂层， 并可在野外作业。 涂层厚度范围宽：从几十微米到几毫米的涂层都能制备。 喷涂效率高、成本低：生产效率为每小时数公斤到数十公斤。 局限性：主要体现在热效率低，材料利用率低、浪费大和涂层与基 材结合强度较低三个方面。 尽管如此，热喷涂技术仍然热
喷涂
封孔
常用热喷涂的工艺分类
热 喷 涂 工 艺
燃 烧 法
电 加 热 法
火 焰 喷 涂
爆 炸 喷 涂
电 弧 喷 涂
等 离 子 喷 涂
线 材 火 焰 喷 涂
粉 末 火 焰 喷 涂 超 音 速 火 焰 喷 涂 大 气 等 离 子 喷 涂 低 压 等 离 子 喷 涂 感 应 等 离 子 喷 涂 水 稳 等 离 子 喷 涂
(1) 使用扩散系数D 较大的盐类 (2) 增大金属离子浓度 (3) 升高温度 (4) 电解液和阴极高速相对运动 如电解液流动，强制搅拌，阴极移动等，使扩散层厚度δ减小，从 而增大 id (5) 使用高频间歇电流（脉冲电镀） 不过此法对高速电镀并无实用意义，主要用于改善镀层质量。
上述各条途径中，以“高速相对运动”最为有效。
性能比较
单盐电解液 优点
成分简单，成本较低； 阴极电流效率很高； 废水处理方便； 可以使用较大的阴极电流密度。
络盐电解液 优点
阴极极化性能强，而且主要表现 为电化学极化，所以镀层结晶细致， 镀液分散能力好，氰化物电镀液是 典型的例子。
问题和对策
简单金属离子还原反应的交换电 流密度较大，阴极极化性能一般比 较小(镍，铁，钴例外)，因此，镀 层结晶较粗，镀液分散能力和覆盖 能力也较差，仅适用于形状比较简 单的工件。 选择适当的添加剂，可以使镀层 结晶得到明显细化，还可获取光亮 镀层。镀液分散能力和覆盖能力可 以改善。
注意： 添加剂的作用有选择性，同一种添加剂，在一种镀液中可能很有效，
而在另一种镀液中却可能起坏的作用。 添加剂也可能会产生不利的影响(夹在镀层中)。 在电镀过程中对添加剂的选择和用量要严格控制，使用组合添加剂 时要使各组分配比适当。
特种电镀工艺
高速电镀 电刷镀 复合电镀 脉冲电镀 非晶态合金电镀 塑料电镀
降低主盐浓度可以使阴极极化性能增强，分散能力和覆盖能力较好， 适用于电镀形状较复杂的工件和进行预镀。 主盐浓度低使电解液导电性差，允许使用的阴极电流密度上限小， 沉积速度低；这样做对改善镀层结晶组织的效果并不十分显著。
络 盐 电 解 液
络盐电解液的阴极极化主要为电化学极化，而且络离子浓度允 许变化范围较大，因此，多数络盐电解液的性能受主盐浓度的 影响不甚显著。
附加盐的作用
增加溶液的导电性
如：硫酸盐镀镍电解液（主盐为 NiSO4）中加入Na2SO4 或 MgSO4， 酸性镀铜电解液（主盐为 CuSO4）中加入 H2SO4。
提高阴极极化作用
多数附加盐都有较小的提高阴极极化作用，从而使镀层结晶细化。对 此作用的解释是：由于金属离子（如上面所说的Na+离子）的存在及向阴 极的迁移，使阴极附近放电金属离子的浓度降低。
添加剂的作用
光亮剂
能使镀层光亮，如镀光亮镍电解液中的糖精，丁炔二醇。
整平剂
能减小镀层微观不平，如镀镍电解液中的香豆素。
润湿剂
能减少镀层孔隙，如镀镍电解液中的十二烷基硫酸钠。
应力消减剂
能降低镀层内应力，如镀光亮镍电解液中的糖精。
晶粒细化剂
能使镀层结晶细致，如碱性锌酸盐镀锌电解液中的DE，DPE 添加剂。
表面工程学
第一章：绪论 第二章：热喷涂技术 第三章：电镀和化学镀 第四章：高能束表面改性技术 第五章：气相沉积技术 第六章：化学转化膜
第一章 绪论
一、表面工程技术的定义及作用
1. 定义： 表面工程是指利用各种表面处理、表面涂层和表面改性 技术作 用于材料或工件的表面以获得预想的性能。 表面工程包含了从设计、选材、表面处理工艺、表层质量控制与检测、 工程应用以及失效分析等，是一个系统工程。 2. 表面工程应用。
第三章 电镀与化学镀
电镀的基本原理和特点
电镀设备及基本原理
一、设备简介 电镀槽—电镀液—直流电源— 阳极—阴极（工件）
阳极可分为可溶性阳极和不可 溶性阳极两种。 不可溶—镀液提供Me+ 可溶------镀液传导Me+
典型的电镀槽及离子运动方向
电镀的基本过程
1. 阳极金属溶解 Me－2e→Me2+ 金属在阳极氧化失去电子，形成金属离子。 注意：防止阳极钝化→ Me2+形成量↓ ↘加阳极活化剂→活化阳极 2. 金属的电结晶 Me2+ +2e→ Me 金属在接受电子还原沉积，形成金属镀层。 外电场使阴极产生过电位，否则， Me－2e→Me2+ 氧化，阴极不 沉积反而会溶解。 3. 离子液相传质 金属离子在阴极沉积，消耗阴极附近的Me2+ →失去平衡→离子液 相传质→阳极附近失衡→阳极氧化→放出Me2+ →恢复平衡→如此循 环。 支撑点：液相的传质（ Me2+ ）能力。 4. 镀层晶粒大小控制 W=Kexp(－k/ψk) 过电位(ψk) ↑↑，形核率（W）↑↑，晶粒细化。
高速 电镀
镀层沉积速度比普通电镀高数倍到数百倍。普通 电镀的沉积速度最大为 1微米/分，高速电镀可达 到几十微米/分，因此可以大大提高生产率。 提高电镀速度的途径
欲提高沉积速度必须增大阴极电流密度ic，但 ic的提高受极限电流密度 id 的限制。所以要提高 ic，必须使 id增大。 nFDCb id
络合剂有：
络盐电解液
被镀金属以络 离子形式存在 于电解液中
氰化物（NaCN或KCN），如氰化物镀铜、 银、锌、铜锌合金、铜锡合金。 焦磷酸盐（如Na4P2O7），如焦磷酸盐镀铜， 镀镍。 氨（NH4Cl），如氯化铵—氨三乙酸镀锌， 镀镉。 有机酸盐，如柠檬酸(Cit)盐镀镍。 氢氧根离子（NaOH），如锌酸盐镀锌。 羟基乙叉二磷酸（HEDP），如HEDP镀铜。 其它，如乙二胺四乙酸(EDTA)，三乙醇胺。
扩大阴极电流密度范围
促进阳极溶解
如：焦磷酸盐镀铜电解液中加入的硝酸盐(起作用的是NO3-) 如：普通镀镍电解液（主盐为NiSO4）中加入NaCl可以防止镍阳极钝化。
防止金属盐水解 缓冲作用
如：酸性镀铜电解液中加入硫酸，防止CuSO4 水解生成Cu2O 。
如：普通镀镍电解液，氯化钾镀锌电解液中都要加入硼酸以维持pH值 在正常操作范围。
热喷涂材料的基本成分与特点
热喷涂材料应具有的工艺性能
一、热稳定性，否则 氧化烧损----如木材 蒸发升华----如乙醚 二、热膨胀系数匹配 结合强度↑ 矛盾 使用性能↓ 三、良好的固态流动性----顺利送粉，涂层均匀 四、良好的湿润性 结合强度↓，孔隙率↑ 结合强度↑，孔隙率↓
热喷涂材料的分类
一、按形态分类-----线、棒、粉末 二、按功能分类 耐磨损----陶瓷，铁基，Co基，Ni基合金和难熔金属 耐腐蚀----Zn、Al、Ni基合金和Al2O3类陶瓷 抗高温----氧化物类陶瓷、Ni-Cr合金和Co基合金 三、按成分分类 金属材料 陶瓷材料 塑料材料 复合材料
1.3 电镀的工艺过程及影响因素
一、电镀的工艺过程 除油→水洗→去锈→水洗→电镀→酸洗→碱洗→清洗→出槽 清洗表面 后清洗→电镀液有毒 二、影响镀层质量的因素 ⑴ 主盐：简单盐镀液→镀层的结晶较粗 络合物镀液→镀层结晶细致紧密 ⑵ PH值： 影响H（氢）的放电电位，过高过低都不好，→需实测→技术 ⑶ 电流密度：电流密度↑→沉积速率↑ 电流密度↑↑→会结瘤，烧焦→特别是尖角部位 ⑷基体金属 ：基体金属的化学性质与其和镀层之间结合力密切相关。 在某些电解液中，如果基体金属的电位负于镀层金属，若不用其它镀 层过渡，就不容易获得结合力良好的镀层。
实现高速电镀的方法
阴极表面电解 液强制流动 平 行 流 动 法 喷 流 法 在电解液中移 动阴极 在电解液中摩 擦电极表面
电 极 振 动 法
电 极 高 速 旋 转 法
电刷镀（简称刷镀）亦叫做无槽电镀， (Brush electroplating) 涂镀，笔镀。其工作原理和普通槽镀 是一样的。
电解液加入 涤纶棉花包套 阳极 阴极 镀笔
电镀液组成
1. 单盐溶液→SnSO4 ↘CuSO4 溶液中是简单金属离子Sn2+和Cu2+ 。 问题：→需要高的过电位，镀层质量不好→粗糙 2. 络和物溶液→金属离子与络和剂形成络和离子，如[Zn(NH3)4]2+ 络和后溶液的平衡电位向负方向移动，有利于电沉积进行。 如：ψZn2+/Zn=－0.736v ψ [Zn(NH3)4]2+ /Zn=－0.1.26v 但是，关于络和离子的本质与沉积机理至今仍不清楚 白猫黑猫→技术 3. 导电盐→不参加反应，↑溶液导电能力，↓槽端电压。如Na2SO4。 4. 缓冲剂→在弱酸、弱碱溶液中加入，可自行调节PH值，↑溶液稳定性。 5. 阳极活化剂→活化阳极，提高离子供给能力。 6. 添加剂→各种各样，视目的而定。 如：光亮剂、整平剂、润湿剂、细化晶粒剂等等。