第六章 表面改性技术-print
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第6章 生物材料表面改性
第6章 生物材料表面改性
精选2021版课件
1
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。
本章主要介绍了材料表面接枝聚合物刷改 性、等离子体技术、离子束技术的表面改 性、电化学沉积技术、材料表面肝素化、 微相分离结构的形成、 材料表面生物化、
➢ 缺点：难于精确控制接枝链的结构和分子量，同
时体系中单体往往会发生均聚。
精选2021版课件
7
活性自由基聚合方法：引发转移终止剂法 (iniferters)、氮氧自由基法(TEMPO)、可逆加 成-裂解链转移聚合(RAFT)、原子转移自由基聚 合(ATRP)等，其中尤以原子转移自由基聚合的研 究最为活跃。
1462 1168 1720 1557 1253
720
0
4000
3000
2000
1000
Wave number/cm-1
接枝后的聚乙烯最重要的一个 基团是来自于丙烯酸的羧基。 羧酸中的羰基在缔合状态时由 于形成氢键而出现在1720cm1附近。接枝后的聚乙烯在 1720cm-1处有很强的吸收峰 ，该峰为羰基（C＝O）伸缩 振动的特征吸收峰。在 1253cm-1和1168cm-1处的弱 吸收峰则为羧基中的C-O单键 伸缩振动吸收峰，。而未接枝 的聚乙烯（a）没有这些峰。 说明光接枝后的聚乙烯上含有 羧基，进而说明聚乙烯接枝上 了AA链节。
自然关节软骨浅表层的刷状结构示意图：
关节软骨表面近视图（SCIENCE, 2009, 323 (2): 47-48 ）
Ø 自然关节摩擦表面软骨，刷状结构, 吸附滑液形成挤压液膜润滑
精选2021版课件
1
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。
本章主要介绍了材料表面接枝聚合物刷改 性、等离子体技术、离子束技术的表面改 性、电化学沉积技术、材料表面肝素化、 微相分离结构的形成、 材料表面生物化、
➢ 缺点：难于精确控制接枝链的结构和分子量，同
时体系中单体往往会发生均聚。
精选2021版课件
7
活性自由基聚合方法：引发转移终止剂法 (iniferters)、氮氧自由基法(TEMPO)、可逆加 成-裂解链转移聚合(RAFT)、原子转移自由基聚 合(ATRP)等，其中尤以原子转移自由基聚合的研 究最为活跃。
1462 1168 1720 1557 1253
720
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4000
3000
2000
1000
Wave number/cm-1
接枝后的聚乙烯最重要的一个 基团是来自于丙烯酸的羧基。 羧酸中的羰基在缔合状态时由 于形成氢键而出现在1720cm1附近。接枝后的聚乙烯在 1720cm-1处有很强的吸收峰 ，该峰为羰基（C＝O）伸缩 振动的特征吸收峰。在 1253cm-1和1168cm-1处的弱 吸收峰则为羧基中的C-O单键 伸缩振动吸收峰，。而未接枝 的聚乙烯（a）没有这些峰。 说明光接枝后的聚乙烯上含有 羧基，进而说明聚乙烯接枝上 了AA链节。
自然关节软骨浅表层的刷状结构示意图：
关节软骨表面近视图（SCIENCE, 2009, 323 (2): 47-48 ）
Ø 自然关节摩擦表面软骨，刷状结构, 吸附滑液形成挤压液膜润滑
《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
金属表面改性技术
来自第二节 表面热处理
火焰表面淬火应用实例
火焰表面淬火工艺可以在模具淬硬之前完成全部的装配工 作，火焰表面淬火后模具即可投入使用，不必再拆卸。因为 除刃口部位表面淬硬以外，其余部位并未淬硬，仍可进行钻 孔等加工。这些优点对于像汽车覆盖件一类的大型模具的制 造是非常有利的，既节省了工时，又保证了模具的精度。 近年来， 7CrSiMnMoV专用火焰淬火模具钢的研制成功， 使火焰表面淬火工艺在汽车覆盖件的制造中占据了主导地 位。
一、感应加热表面淬火
（一）感应加热基本原理
利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并使之 迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的淬火方法。
第二节 表面热处理
当感应圈中通过一定频率交流电时， 在其内外将产生与电流变化频率相同 的交变磁场。将工件放入感应圈内， 在交变磁场作用下，工件内就会产生 与感应圈频率相同而方向相反的感应 电流。感应电流沿工件表面形成封闭 回路，通常称之为涡流。 此涡流能将电能变成热能，使工件加 热。涡流在被加热工件中的分布由表 面至心部呈指数规律衰减。因此涡流 主要分布在工件表面，工件内部几乎 没有电流通过。这种现象叫做表面效 应或集肤效应。 感应加热就是利用集肤效应，依靠电 流热效应把工件表面迅速加热到淬火 温度的。当工件表面在感应圈内加热 到相变温度时，立即喷水或浸水冷却， 实现表面淬火工艺。
化学热处理渗层的基本组织类型：单相固溶体；化合物；同时存在固溶 体、化合物的多相深层
第三节 金属表面化学热处理
形成扩渗层的3个基本条件：
（1）渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。要满足 这一要求，溶质原子与基体金属原子相对直径的大小、晶体结构的差 异、电负性的强弱等因素必须符合一定的条件 （2）欲使渗入元素与金属之间直接接触，必须创造相应的工艺条件来实 现
火焰表面淬火应用实例
火焰表面淬火工艺可以在模具淬硬之前完成全部的装配工 作，火焰表面淬火后模具即可投入使用，不必再拆卸。因为 除刃口部位表面淬硬以外，其余部位并未淬硬，仍可进行钻 孔等加工。这些优点对于像汽车覆盖件一类的大型模具的制 造是非常有利的，既节省了工时，又保证了模具的精度。 近年来， 7CrSiMnMoV专用火焰淬火模具钢的研制成功， 使火焰表面淬火工艺在汽车覆盖件的制造中占据了主导地 位。
一、感应加热表面淬火
（一）感应加热基本原理
利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并使之 迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的淬火方法。
第二节 表面热处理
当感应圈中通过一定频率交流电时， 在其内外将产生与电流变化频率相同 的交变磁场。将工件放入感应圈内， 在交变磁场作用下，工件内就会产生 与感应圈频率相同而方向相反的感应 电流。感应电流沿工件表面形成封闭 回路，通常称之为涡流。 此涡流能将电能变成热能，使工件加 热。涡流在被加热工件中的分布由表 面至心部呈指数规律衰减。因此涡流 主要分布在工件表面，工件内部几乎 没有电流通过。这种现象叫做表面效 应或集肤效应。 感应加热就是利用集肤效应，依靠电 流热效应把工件表面迅速加热到淬火 温度的。当工件表面在感应圈内加热 到相变温度时，立即喷水或浸水冷却， 实现表面淬火工艺。
化学热处理渗层的基本组织类型：单相固溶体；化合物；同时存在固溶 体、化合物的多相深层
第三节 金属表面化学热处理
形成扩渗层的3个基本条件：
（1）渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。要满足 这一要求，溶质原子与基体金属原子相对直径的大小、晶体结构的差 异、电负性的强弱等因素必须符合一定的条件 （2）欲使渗入元素与金属之间直接接触，必须创造相应的工艺条件来实 现
第六章 表面改性技术(新)
点蚀（孔蚀）能力。
铸铁弹丸 铸钢弹丸 玻璃弹丸 钢丝切割弹丸 陶瓷弹丸 聚合塑料弹丸 液态喷丸介质
1．滚压 目前，滚压强化用的滚轮、滚压力大小等尚无标准 对于圆角、沟槽等可通过滚压获得表层形变强化，并能 在表面产生约5mm深的残余压应力。
表面滚压强化示意图
2．内挤压 内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺措
③承受冲击载荷的零件，如齿轮、花键轴，既要求表面硬度，也要求足够的 韧性，因此硬度应适当降低，常采用HRC40～48。
④对于灰铁件，硬度可达HRC38或更高；球铁硬度在HRC45～55。 感应淬火后钢表面的硬度主要取决于碳质量分数。当wc=0.15%~0.75%时，淬 火硬度可由下式计算
HRC＝20＋60(2wc－1.3（wc）2) 式中wc为钢的含碳量
感应加热表面淬火的特点
（1）加热速度范围宽，可在3～1000℃/s，加热时间短，一般几秒至 几十秒就可以完成，晶粒更细。奥氏体晶粒最高可达14～15级，因为 晶粒细小，淬火后可以获得隐晶马氏体，硬度很高。比一般淬火硬度 高出2~4HRC，因此耐磨性较高。
（2）工艺参数容易调节和控制。比如通过调整输出功率、频率和加 热时间来准确地控制淬火层深度、硬度。对于同一批工件来说，一旦 工艺参数确定，则可以稳定下来，不必再进行调整。因而工效很高， 可以实现机械化作业，特别适合大批量生产。
感应加热表面淬火的工艺流程和技 术要点
2．表面硬度的选择
零件的硬度应根据零件的使用性能确定。
①用于摩擦部分，如曲轴轴颈、凸轮表面，硬度越高，耐磨性越好，曲轴颈 常用HRC55～62，凸轮轴常用HRC56～64。
②用于压碎、扭转及剪切部分的零件，硬度应高一些，如锻锤锤头表面、汽 车半轴、钢板弹簧等，常用HRC50～64。
铸铁弹丸 铸钢弹丸 玻璃弹丸 钢丝切割弹丸 陶瓷弹丸 聚合塑料弹丸 液态喷丸介质
1．滚压 目前，滚压强化用的滚轮、滚压力大小等尚无标准 对于圆角、沟槽等可通过滚压获得表层形变强化，并能 在表面产生约5mm深的残余压应力。
表面滚压强化示意图
2．内挤压 内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺措
③承受冲击载荷的零件，如齿轮、花键轴，既要求表面硬度，也要求足够的 韧性，因此硬度应适当降低，常采用HRC40～48。
④对于灰铁件，硬度可达HRC38或更高；球铁硬度在HRC45～55。 感应淬火后钢表面的硬度主要取决于碳质量分数。当wc=0.15%~0.75%时，淬 火硬度可由下式计算
HRC＝20＋60(2wc－1.3（wc）2) 式中wc为钢的含碳量
感应加热表面淬火的特点
（1）加热速度范围宽，可在3～1000℃/s，加热时间短，一般几秒至 几十秒就可以完成，晶粒更细。奥氏体晶粒最高可达14～15级，因为 晶粒细小，淬火后可以获得隐晶马氏体，硬度很高。比一般淬火硬度 高出2~4HRC，因此耐磨性较高。
（2）工艺参数容易调节和控制。比如通过调整输出功率、频率和加 热时间来准确地控制淬火层深度、硬度。对于同一批工件来说，一旦 工艺参数确定，则可以稳定下来，不必再进行调整。因而工效很高， 可以实现机械化作业，特别适合大批量生产。
感应加热表面淬火的工艺流程和技 术要点
2．表面硬度的选择
零件的硬度应根据零件的使用性能确定。
①用于摩擦部分，如曲轴轴颈、凸轮表面，硬度越高，耐磨性越好，曲轴颈 常用HRC55～62，凸轮轴常用HRC56～64。
②用于压碎、扭转及剪切部分的零件，硬度应高一些，如锻锤锤头表面、汽 车半轴、钢板弹簧等，常用HRC50～64。
第6章-高分子材料的表面改性方法
瞬间：0.01-0.1s内；高温：1000-2700 ℃； 氧化过程按自由基机理进行，表面可被氧化引入 含氧基团，并随着发生断链反应。
12
火焰处理和热处理
● 火焰处理的原理：火焰中含有许多激活的自由基 、离子、电子和中子，如处于激发态的O、NO、 OH和NH等。这些基团能从夺取聚合物表面的氢 ，随后按自由基机理进行表面氧化反应，使聚合 物表面生成羰基、羧基、羟基等含氧活性基团和 不饱和双键，从而提高聚合物的表面活性。
• 火焰氧化是由存在于火焰中的自由基引发的，由于火焰中 的自由基快速产生，大量存在，聚合物自由基的产生已不 是速度决定步骤，所以抗氧剂对火焰氧化没有影响。
16
6.3 等离子体表面改性
● 等离子体被称为是物质的第四态，其实质是电离的 气体。与普通气体不同，它是由电子、原子、分子、自
由基、光子等粒子组成的集合体，正负电荷数相等，体 系为电中性。 ● 等离子体中的电离气体都是发光，电中性的，由电晕放 电、高频电磁振荡、激光、高能辐射以及其他方法产生 出来的。 ● 地球电离层外的整个宇宙中，绝大部分物质以天然等离 子体态存在，如太阳和所有恒星、星云都是等离子体。
• 表面张力与分子结构的关系 • 表面张力与内聚能密度
• 共聚、共混对表面张力的影响
2
• Good-Girifalco方程
• 固体的临界表面张力等于与该固体上接触角恰好为零的液体的表面张力 • 由Young方程，Good-Girifalco方程和Zisman的临界表面张力可导出
状态方程：
3
引言
• 聚合物表面：表面能低、化学惰性、表面被污染以 及存在弱边界层等问题。
一些化学键的键能为：（eV）
C-H 4.3
C=O 8.0 C-N 2.9
12
火焰处理和热处理
● 火焰处理的原理：火焰中含有许多激活的自由基 、离子、电子和中子，如处于激发态的O、NO、 OH和NH等。这些基团能从夺取聚合物表面的氢 ，随后按自由基机理进行表面氧化反应，使聚合 物表面生成羰基、羧基、羟基等含氧活性基团和 不饱和双键，从而提高聚合物的表面活性。
• 火焰氧化是由存在于火焰中的自由基引发的，由于火焰中 的自由基快速产生，大量存在，聚合物自由基的产生已不 是速度决定步骤，所以抗氧剂对火焰氧化没有影响。
16
6.3 等离子体表面改性
● 等离子体被称为是物质的第四态，其实质是电离的 气体。与普通气体不同，它是由电子、原子、分子、自
由基、光子等粒子组成的集合体，正负电荷数相等，体 系为电中性。 ● 等离子体中的电离气体都是发光，电中性的，由电晕放 电、高频电磁振荡、激光、高能辐射以及其他方法产生 出来的。 ● 地球电离层外的整个宇宙中，绝大部分物质以天然等离 子体态存在，如太阳和所有恒星、星云都是等离子体。
• 表面张力与分子结构的关系 • 表面张力与内聚能密度
• 共聚、共混对表面张力的影响
2
• Good-Girifalco方程
• 固体的临界表面张力等于与该固体上接触角恰好为零的液体的表面张力 • 由Young方程，Good-Girifalco方程和Zisman的临界表面张力可导出
状态方程：
3
引言
• 聚合物表面：表面能低、化学惰性、表面被污染以 及存在弱边界层等问题。
一些化学键的键能为：（eV）
C-H 4.3
C=O 8.0 C-N 2.9
表面改性技术
02
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
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
第六章 聚合物表面改性
对天然橡胶，用刷子轻轻研磨，吹去细粒，再用甲苯或丙酮擦拭。 对合成橡胶，先用甲醇洗净表面，随后用细砂皮研磨，再以甲醇洗净，干燥。
对天然橡胶，在浓硫酸中浸渍10-15min，待硬的表面生成后，用蒸馏水洗净（或先 以5-10%的氨水浸渍5min后再洗净），在室温下干燥。再把橡胶弯折，使表面产生细裂 缝，经增加表面积，提高胶接强度。 对合成橡胶，先用甲醇擦拭，再在浓硫酸中浸渍10-15min，然后用蒸馏水洗净。再 用28%的氨溶液，于室温下浸渍5-10min，再用蒸馏水洗净。并且反复弯折，使表面产 生细裂缝。
4.5 在纤维、纺织品加工中的应用 在纤维、纺织品加工中,等离子体技术是一种符合环保 要求的新型工艺,越来越受到人们的重视。等离子体处 理织物可以改善其表面性能、机械性能、印染性能等。 如等离子体处理可使PP、PET、PBT纤维织物具有高 亲水性;等离子体的部分净化和激活作用可提高涂层剂 粘合力;常压等离子体处理不会影响织物的原有色泽和 表面粗糙度等。 4.6 在微电子工业应用 主要用作集成电路制备中硅片表面高分子覆层的刻蚀, 去除;改善聚合物电子元件表面电性能;增加高分子绝 缘膜与线路板的黏结性能等
1.2 自由基链转移法 安息香类引发剂在UV照射下发生均裂,产生两种自由基:
该体系的缺点是小分子自由基,如(I)能引发均 聚合,故表面接枝链和均聚链能同时生成。在 特定条件下,如单体浓度很低,表面自由基浓度 很大时,也是一种有效的表面接枝体系。
经木锉适当粗化表面后，在下述溶液中于室温下浸渍数分钟： 乙炔钠（或乙炔锂） 6 氢氧化铵 1000 取出水洗、晾干。或者，涂一层丙烯基三乙氧基硅烷后干燥30min。
其它材料表面处理方法 一、玻璃表面处理法 1、溶剂洗涤法 先用丙酮洗涤，再用三氯乙烯蒸气脱脂，然后用喷砂器轻喷 一些微粉，在真空下将微粉吸净，最后用干净空气吹干。 2、脱脂与溶剂处理法 先脱脂，然后在以铬酸1份，蒸馏水4份配成的溶液中， 于室温下浸渍15-20min，再用蒸馏水洗净，在82-93°C干燥20-30min。 3、超声波洗涤法 先在超声波洗涤槽中处理，然后用蒸馏水洗净，室温下干 燥。 4、洗涤剂处理法 先用金刚砂皮沾中性洗涤剂轻轻擦拭，再用蒸馏水洗净， 室温下干燥。 二、陶瓷表面处理法 1、研磨法 用细砂纸轻轻打磨，再用干燥空气吹净细粉。 2、酸处理法 先在用重铬酸钠3.5份、浓硫酸200份（或铬酸1份，水4份）配 成的处理溶液中，于室温下浸渍10-15min，再用水洗净，65°C下干燥。 三、混凝土表面处理法 主要采用酸洗法，有以下两种： （1）先用硬毛刷沾高效洗涤剂，将表面污物除去，并用冷水冲洗；再进行 喷砂或打磨，除去1-2mm厚的表层，并用干净空气吹去细粉；然后将15份盐酸、 85份水配成的溶液涂于表面（用量约为1.13L/m2），在室温下放置20min；最后 用泵打高压冷水冲洗至中性，干燥。 （2）先用硬毛刷配以洗涤剂刷洗表面，用有压力的冷水冲洗； 再用1份盐酸、 2份水配成的溶液在室温下涂敷， 放置15min，然后用冷水冲 洗，再用氨3份，水97份配成的氨水中和至中性；最后用有压力的冷水冲洗干净， 在室温下干燥。 四、木材表面处理法 适当刨光，并以木砂纸适当粗化，并控制含水量低于6-12%。对软木，可涂 敷一层底胶以增加胶接强度。
对天然橡胶，在浓硫酸中浸渍10-15min，待硬的表面生成后，用蒸馏水洗净（或先 以5-10%的氨水浸渍5min后再洗净），在室温下干燥。再把橡胶弯折，使表面产生细裂 缝，经增加表面积，提高胶接强度。 对合成橡胶，先用甲醇擦拭，再在浓硫酸中浸渍10-15min，然后用蒸馏水洗净。再 用28%的氨溶液，于室温下浸渍5-10min，再用蒸馏水洗净。并且反复弯折，使表面产 生细裂缝。
4.5 在纤维、纺织品加工中的应用 在纤维、纺织品加工中,等离子体技术是一种符合环保 要求的新型工艺,越来越受到人们的重视。等离子体处 理织物可以改善其表面性能、机械性能、印染性能等。 如等离子体处理可使PP、PET、PBT纤维织物具有高 亲水性;等离子体的部分净化和激活作用可提高涂层剂 粘合力;常压等离子体处理不会影响织物的原有色泽和 表面粗糙度等。 4.6 在微电子工业应用 主要用作集成电路制备中硅片表面高分子覆层的刻蚀, 去除;改善聚合物电子元件表面电性能;增加高分子绝 缘膜与线路板的黏结性能等
1.2 自由基链转移法 安息香类引发剂在UV照射下发生均裂,产生两种自由基:
该体系的缺点是小分子自由基,如(I)能引发均 聚合,故表面接枝链和均聚链能同时生成。在 特定条件下,如单体浓度很低,表面自由基浓度 很大时,也是一种有效的表面接枝体系。
经木锉适当粗化表面后，在下述溶液中于室温下浸渍数分钟： 乙炔钠（或乙炔锂） 6 氢氧化铵 1000 取出水洗、晾干。或者，涂一层丙烯基三乙氧基硅烷后干燥30min。
其它材料表面处理方法 一、玻璃表面处理法 1、溶剂洗涤法 先用丙酮洗涤，再用三氯乙烯蒸气脱脂，然后用喷砂器轻喷 一些微粉，在真空下将微粉吸净，最后用干净空气吹干。 2、脱脂与溶剂处理法 先脱脂，然后在以铬酸1份，蒸馏水4份配成的溶液中， 于室温下浸渍15-20min，再用蒸馏水洗净，在82-93°C干燥20-30min。 3、超声波洗涤法 先在超声波洗涤槽中处理，然后用蒸馏水洗净，室温下干 燥。 4、洗涤剂处理法 先用金刚砂皮沾中性洗涤剂轻轻擦拭，再用蒸馏水洗净， 室温下干燥。 二、陶瓷表面处理法 1、研磨法 用细砂纸轻轻打磨，再用干燥空气吹净细粉。 2、酸处理法 先在用重铬酸钠3.5份、浓硫酸200份（或铬酸1份，水4份）配 成的处理溶液中，于室温下浸渍10-15min，再用水洗净，65°C下干燥。 三、混凝土表面处理法 主要采用酸洗法，有以下两种： （1）先用硬毛刷沾高效洗涤剂，将表面污物除去，并用冷水冲洗；再进行 喷砂或打磨，除去1-2mm厚的表层，并用干净空气吹去细粉；然后将15份盐酸、 85份水配成的溶液涂于表面（用量约为1.13L/m2），在室温下放置20min；最后 用泵打高压冷水冲洗至中性，干燥。 （2）先用硬毛刷配以洗涤剂刷洗表面，用有压力的冷水冲洗； 再用1份盐酸、 2份水配成的溶液在室温下涂敷， 放置15min，然后用冷水冲 洗，再用氨3份，水97份配成的氨水中和至中性；最后用有压力的冷水冲洗干净， 在室温下干燥。 四、木材表面处理法 适当刨光，并以木砂纸适当粗化，并控制含水量低于6-12%。对软木，可涂 敷一层底胶以增加胶接强度。
6第六章表面改性技术1
第29页，共40页。
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 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30页，共40页。
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。
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
感应加热表面淬火是利用电磁感应的原理，使零件在交变磁 场中切割磁力线，在表面产生感应电流，又根据交流电集肤效应 ，以涡流形式将零件表面快速加热，而后急冷的淬火方法。
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。
四、电解液加热表面淬火
第25页，共40页。
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26页，共40页。
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
电流频率愈高，电流透 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27页，共40页。
表面强化层的组织变 化：
第6页，共40页。
第六章 表面改性技术
表面强化层的组织：
6.1 金属表面形变强化
第7页，共40页。
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3
第四节 电子束表面处理 二. 电子束改性的特点
a) 加热、冷却速度快。金属材料表面经电子来加热，从室温加热到 奥氏体化温暖或熔化温度仅需几分之一秒到下分之一秒，其冷却 速度可达到108℃/s。 b) 成本低。电子束表面处理设备的一次性投资约为激光表面处理设 备的1／3，其实际使用成本也只有激光表面处理的1／2。 c) 设备结构简单。电子束靠磁偏转动、扫描，无需工件转动和光传 输机构。 d) 能量控制简便。电子束的能量控制比激光束方便。 e) 电子束与金属表面作用耦合性好，能量利用率高。电子束的能量 利用率可达95％，其与金属工件表面的耦合作用，电子束所射的 表面角除3o一4o特小角外，不受反射的影响，而且在电子束处理 前无需像激光束处理那样对工件表面涂吸收涂层。 f) 处理中工件不被污染，质量好。这是因电子束在真空条件下工 作，可保证被处理的工件不被氧化。 g) 电子束加热的深度和尺寸范围比激光束大。电于束加热熔化层的 厚度至少有数微米，而且加热时能量沉积的范围较宽，约有一半 的电子作用区几乎同时熔化。 电子束因易激发x射线，在使用中应注意防护。 24
16
第四节 激光束表面改性技术
2.激光束与金属作用的类型 激光束直接作用在金属材料表面时，可产生热作用、力作用及光作用。 <1>热作用 激光光子的能量向固体金属的传输的过程就是固体金属对激光光子的吸 收的过程。激光与金属材料交互作用而产生的加热效应取决于材料对激 光光子的吸收。 <2>力作用 当激光束强度远低于熔化门坎值时，由于金属表面高的温度梯度，在亚 表层区会产生严重的不均匀应变。当内应力超过屈服应力时，材料会发 生塑性变形。用激光照射金属表面，表面温度的迅速增加会使材料发生 膨胀，平行于表面的位移受到周围材料的约束，会产生很大的压应力。 如果超过了材料的弹性极限，就会发生塑性变形，使材料挤出自由表 面。在冷却时，材料发生收缩。如果拉应力超过屈服应力，冷至初始温 度时就会发生拉伸塑变。 (3)光作用 激光与金属材料的交互作用也可以通过光作用而实现，不过这种作用是 一种间接的作用。由于这种作用主要用来制备特殊的非金属材料和无机 材料，如金刚石薄膜、类金刚石薄膜等。 17
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。
第六章聚合物表面改性
HV（a.c.)
介质阻挡放电
形成条件: 1. 二电极间有绝缘介质
存在 2. 交变电场
特点： 1. 高气压 (105-106 Pa) 2. 高电压降 (103-105 V) 3. 低电流密度
(10-2-10-3A/cm2)
4. Te >> Ti Tg
102 °K
大气压辉光放电 (APGD) Masuhoro Kogoma et al. 1987 年世界上首次获得
辐射源：能产生高能射线的物质和装置
二.辐射接枝改性 表7-3 各种接枝方法的比较
1.辐射接枝改性原理 （1）共辐射法
图7-5 共辐射接枝聚合过程
（2）预辐射法
图7-6 预辐射接枝机理 2.共辐射接枝的应用 （1）聚合物表面性能的改进 利用辐射可以在聚合物表面接枝一些单体或低聚物，从而达到 改性的目的，通过辐射接枝可以改善聚合物的亲水性，耐油性， 染色性，抗静电能力，抗溶剂性，生物相容性等。
橡胶
SBR 氟橡胶 NBR
硅烷偶联剂
氨烃基、异氰酸烃基 氨烃基、丙烯酰氧烃基、阳离子烃基
氨烃基、丙烯酰氧烃基 链烯基、氯烃基、氨烃基、环氧烃基、 丙烯酰氧烃基、阳离子烃基、过氧化烃基
环氧烃基、多硫烃基 氨烃基、阳离子烃基 多硫烃基、丙烯酰氧烃基
近年来相对分子质量较大和具有特种官能团的硅烷偶联剂发展很快。
利用等离子体对高分子材料表面接枝改性，是制备生物用高分 子材料的一个重要方面。
第四节 辐射改性
一.辐射化学定义 辐射化学主要研究电离辐射与物质相互作用所产生的化学效应。 辐射诱导化学变化主要有：辐射聚合、辐射合成、辐射分解、 辐射降解等。 聚合物表面改性主要涉及辐照接枝表面改性，聚合物利用电离 辐射（直接或间接地导致分子的激发和电离）来诱发一些物理 化学变化。
第六章 表面改性
糙疏松θ109° ～ 93° ↘52°～16°
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
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
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。
第六章-表面改性技术-表面热处理ppt课件
承受交变载荷、冲击载荷的零件，表面比心 部承受较高的应力，且表面由于受到磨损、腐蚀 等，故零件表面失效较快，需进行表面强化，使 零件表面具有较高的强度、硬度、耐磨性、疲劳 极限、耐腐蚀性；而心部仍保持足够的塑性、韧 性，防止脆断，即具有“外硬内韧”组织。
一、表面淬火的概念
表面淬火是通过对钢件表面快速加热与立 即冷却相结合，在零件表面获得淬火马氏体层 的热处理方法。
b、活性原子被钢吸收，并由表及里扩散，在 表层（扩散层）形成固溶体或化合物
二、钢的渗碳
1、渗碳：是向钢表层渗入碳原子的过程。
2、渗碳目的：
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，而心部 仍保持一定的强度，较高的塑、韧性。
Hale Waihona Puke 3、渗碳钢材：采用低碳钢，低碳合金钢 （零件心部塑、韧性很好）
3、化学热处理进行的必要条件
a、材料本身对欲渗的活性原子具有一定的溶解 度，或具有与活性原子形成化合物的能力。
b、渗入的原子必须具有化学活性和较大的扩散 能力。
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 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。
疲劳强度、耐腐蚀性。
3、氮化用钢：含有Al、Mo、V、Ti 等合金元素
的钢。
最典型的: 38 CrMoAl ，35 CrMo ，18 CrNiW 4、氮化组织：钢件表面形成一层陶瓷层 AlN、
MoN 、VN、 TiN 。
5、气体氮化
①原理：
400～600℃
2NH3
3H2+ 2[N]
活性[N]原子被钢吸收后，在表层形成氮化物。
（1） 感应加热的原理
一、表面淬火的概念
表面淬火是通过对钢件表面快速加热与立 即冷却相结合，在零件表面获得淬火马氏体层 的热处理方法。
b、活性原子被钢吸收，并由表及里扩散，在 表层（扩散层）形成固溶体或化合物
二、钢的渗碳
1、渗碳：是向钢表层渗入碳原子的过程。
2、渗碳目的：
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，而心部 仍保持一定的强度，较高的塑、韧性。
Hale Waihona Puke 3、渗碳钢材：采用低碳钢，低碳合金钢 （零件心部塑、韧性很好）
3、化学热处理进行的必要条件
a、材料本身对欲渗的活性原子具有一定的溶解 度，或具有与活性原子形成化合物的能力。
b、渗入的原子必须具有化学活性和较大的扩散 能力。
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 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。
疲劳强度、耐腐蚀性。
3、氮化用钢：含有Al、Mo、V、Ti 等合金元素
的钢。
最典型的: 38 CrMoAl ，35 CrMo ，18 CrNiW 4、氮化组织：钢件表面形成一层陶瓷层 AlN、
MoN 、VN、 TiN 。
5、气体氮化
①原理：
400～600℃
2NH3
3H2+ 2[N]
活性[N]原子被钢吸收后，在表层形成氮化物。
（1） 感应加热的原理
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(MPa) SP
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___________________________________________________________________________________________________
10
第一节 金属表面形变强化
② 喷丸材料
常用的有铸铁弹丸、铸钢弹丸、钢弹丸、玻璃弹丸、硬 质合金弹丸等。 目前使用最多的是用弹簧钢(直径0.6mm－1.2mm)做成的 钢丸，成本较高，钢丸的硬度HRC一般为45—50，它的 使用寿命大约是铸铁弹丸的20倍。钢丝切割丸，使用前 需磨去棱角。 铸铁丸：价格便宜，韧性较低，喷丸过程中易于破碎， 耗损量大，目前已很少应用。 玻璃丸：直径为0.05－0.40mm。适用于有色金属及不锈 钢零件(铝合金、镁合金、钛合金、镍基合金等)。成本较 高，只在航空工业应用，玻璃弹丸的硬度HRC＞48。
28
第一节 金属表面形变强化
残余应力与疲劳的关系
1. 一般认为残余应力起平均应力的作用， 通过 Goodman关系可估算残余应力对疲劳极限的影响 (需考虑残余应力的取值和松驰)。 2. 用断裂力学的研究方法，把残余应力和描述 疲劳裂纹扩展的有关参量联系起来。
29
第一节 金属表面形变强化
21
第一节 金属表面形变强化 喷丸引入的残余压应力均与零件承受的交变应力中的拉 应力在同一截面叠加后，使零件承受的最大拉应力由表 面移至次(亚)表面。处在这种应力状态的零件中，疲劳裂 纹将萌生于内层的次表面区，而不再萌生于表面。未喷 丸试样的疲劳裂纹萌生于外表面，由此获得的传统的疲 劳极限称为表面疲劳极限，而喷丸强化后的疲劳裂纹萌 生于次表面，获得的疲劳极限称为内部疲劳极限。
5
第一节 金属表面形变强化 喷丸后表层的变化： a，强化层内形成较 高的残余压应 力。 b，强化层内形成密 度很高的位错。 c，表面光洁度的变 化。
6
第一节 金属表面形变强化 经受喷丸循环塑性变形的表层，随材料性质的不同将发 生以下各种变化：
a) 表层组织结构与相结构的变化：喷丸循环塑变可使材料
7
第一节 金属表面形变强化
b) 表面应力状态：喷丸塑变使材料外表层引入残余压应
力，而次表层为与之相平衡的残余拉应力。
被喷靶材料的硬度(强度)、弹丸硬度与喷丸强度等是影响表层残余 应力剖面的主要因素。五个特征参量(-σrs，-σr, max，+σr, max，δc，δ0)
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第一节 金属表面形变强化 材料和喷丸参数对σr−δ曲线上的五个特征参量的影响
应力集中部位： a.零件上的内圆角(孔)和外圆角根部； b.键槽c.螺纹根部；d.凹槽等。 表面缺陷及损伤(类缺口)部位： a.车加工或磨削加工纹路，电笔或冲压标记；b.辊轧、锻压折叠(露 出表面或位于次表面)，c.紧配合过程中引起的磨粒划伤痕迹：d.腐 蚀或磨蚀痕迹；e.焊接过程出现的未焊透、气孔、咬边等；f.表面机 械划伤，g.位于表面或近表面的各种铸造缺陷；h.位于表面的非金 属加杂物或第二相硬质点；i.表面脱碳层以及脱碳后存在于表层的 δ—铁索体；j.其他类型的表面缺陷。
G
640 730 14
525 645 23
430 515 19
310 350 13
____________________________________________________________________________________________________________________________________________
表面形变强化有效性
1，高周疲劳比低周疲劳有效； 2，高强度材料比低强度材料有效； 3，缺口或有裂纹倾向表面（脱碳或镀铬）比光滑表面有 效得多，喷丸能克服缺口效应，缺口零件喷丸后和光滑零 件的疲劳相当。
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第一节 金属表面形变强化
___________________________________ HRC 55 HRC 28 光滑 缺口 光滑 缺口
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第一节 金属表面形变强化 2)应采用喷丸强化的零件
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第一节 金属表面形变强化
喷丸后疲劳性能提高的原因
1,提高了疲劳裂纹扩展的闭合力，降低裂纹的扩展速率 2,形成非扩展裂纹， 3,将疲劳源转移至表下
对裂纹萌生影响不大
表下的残余压应力峰值可使 疲劳裂纹停止扩展
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第一节 金属表面形变强化
一定的残余压应力 (与加载应力相比) 可使疲劳源转移至表下萌生
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第一节 金属表面形变强化
④ 喷丸工艺
1) 喷丸强度：用弧高度试片测定。薄板试片单面喷丸， 由于表层产生残余拉伸变形，使喷丸面呈球面弯曲。
3a 2 (1 − ν )σd f = 2 4 Eh
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三种弧高度试片的规格及要求
试 片 代 号 规格 I 厚度（毫米） 平直度（毫米） 宽×长（毫米） 平面光洁度 使用范围 0.79±0.025 ±0.025 19−0.1×76 ± 0.2 ∇7 低喷丸强度 II 1.3±0.025 ±0.025 19−0.1×76 ± 0.2 ∇7 中喷丸强度 III 2.4±0.025 ±0.025 19−0.1×76 ± 0.2 ∇7 高喷丸强度
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第一节 金属表面形变强化 二. 表面形变强化的主要方法及应用： 1. 表面形变强化的主要方法
滚
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第一节 金属表面形变强化
2. 喷丸表面强化工艺及应用 ① 喷丸表面强化原理
喷丸强化是将大量的高速运动的弹丸(铸铁丸、钢丸、玻 璃丸、硬质合金丸等)喷射到零件表面，犹如无数的小锤 反复锤击金属表面，使零件表层和次表层金属发生一定 的塑性变形、从而在塑性变形层中产生金属特有的冷作 硬化，还产生一层残余压应力。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。这个 技术的关键是要根据零件的材料和形状特点控制弹丸流 的速度和控制零件表面与弹丸流之间的相对运动。
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第一节 金属表面形变强化
强化与损伤
追求过高的残余应力不仅没必要而且有害 1. 在高载作用下，残余应力会发生松弛 2. 强塑变造成组织损伤 3. 高强度材料在丸坑底部萌生裂纹。
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第一节 金属表面形变强化
滚压强化
1，适用于轴类零件如曲轴园角滚压、滚丝轮加工重要的螺丝 和对缺口部位进行局部滚压。喷丸对零件形状的适应性更 强。 2，滚压后表层残余压应力层深大、应力值高，强化效果比喷 丸明显。 3，滚压生产率低，使用不如喷丸广泛。
试片I的硬度为RA＝73～76，试片II、III的硬度为HRC＝44～50
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第一节 金属表面形变强化 表面覆盖率:指喷丸后表面弹丸坑占据 的面积与总面积的比值。要求大于100％。
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第一节 金属表面形变强化
⑤ 喷丸强化的应用
1) 易产生断裂的部位：发生于实际零件上的开裂通常都 处在刚度变化的应力集中部位以及表面缺陷部位。
的亚结构(亚晶粒)尺寸D大小与点阵畸变Δa/a(a为点阵常 数)发生数量级的变化。对于循环软化的淬硬钢，喷丸塑 变能使表层材料的D值变大，而Δa/a值变小。对于绝大部 分的循环硬化高温合金，喷丸塑变可使其D值细化至l－2 个数量级，使点阵畸变Δa/a增高一个数量级。喷丸残余 应力在高温下基本发生松弛的条件下细化的亚晶粒和高 的点阵畸变是改善和提高材料高温疲劳强度的重要机 制。
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第一节 金属表面形变强化
③ 喷丸设备
喷丸用的喷丸机有气动式喷丸机和离心式喷丸机。气动 式喷丸机是由空气压缩机供给压缩空气，压缩空气通过 喷枪时造成负压将弹丸吸人并高速喷出喷嘴，形成弹丸 流喷射到零件表面。喷丸机中还有一个使零件运动的机 构，能保证喷丸的均匀性和有一定的覆盖范围。 1，气动式喷丸机 优点：灵活性高，可对不同尺寸和形状的零件进行喷丸。 缺点：功率大，生产效率低。 2，离心式喷丸机 (抛丸机) 优点：功率低，生产效率高。 缺点：制造成本高，灵活性差。
________________________________________________________________________________________________________________________________劳强度
疲劳限 %
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第一节 金属表面形变强化
一. 表面形变强化原理： 表面形变强化基本原理是通过机械手段(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。 硬化层中产生两种变化：一是在组织结构上，亚晶粒极大地 细化，位错密度增加，晶格畸变度增大；二是形成了高的宏 观残余压应力。
形变硬化层的深度可达0.5mm-1.5mm。多数材料中两种机制并存。软 质材料第一种机制占优；而在硬质材料中第二种机制起主导作用。经喷 丸和滚压后，金属表面产生的残余压应力的大小和分布，不但与强化方 法、工艺参数有关，还与材料的晶体类型、强度水平以及材料的硬化率 有关。 被改变的材料表面性质包括：表面粗糙度，表层的组织结构与相结构， 表层的残余应力状态以及表层的密度等。
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第一节 金属表面形变强化
c) 表层密度提高：一般情况下，粉末烧结材料尤其是表面
涂层材料，其密度均低于同一成分的变形材料的密度。 FGH95镍基粉末高温等静压材料系由γ与γ'两相组成，经 高温等静压及标准热处理后其密度为8.2628g/cm3，而喷 丸塑变处理后密度增至8.3363 g/cm3，提高0.89%。
高/低硬度材料喷丸残余应力的不同 残余压应力值相差很大 残余应力分布形式不同 松弛量不同