表面工程技术

表面工程技术：为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法与工艺。它的实施对象是固体材料的表面。

洁净表面：尽管材料表层原子结构的周期性不同于体内，但如果其化学成分仍与体内相同，这种表面成为洁净表面。清洁表面：零件经过清洗（脱脂、浸蚀等）以后的表面，与洁净表面必须用特殊的方法才能得到不同；洁净表面的清洁程度比清洁表面高。

材料表面的粗糙度与加工方法密切相关。表面的不平整性包括波纹度和粗糙度。粗糙度指在较短距离内（2~800μm）出现的凹凸不平（0.03~400μm）。表面粗糙度的表达式：i=Ai / Al Ai为真实面积，Al为Ai的投影面积，即理想的几何学面积。显然i≥1。材料的表面粗糙度是表面工程技术中最重要的概念之一。Eg：在气相沉淀技术：要求加工材料表面有很低的粗糙度；热喷涂工艺施工前要求表面有一定的粗糙度。

固体表面的物理吸附无选择性，化学吸附有选择性。吸附是固体表面最重要的性质之一。固体表面的吸附分为物理吸附和化学吸附两类。任何气体在其临界温度以下，都会被吸附于固体表面，即发生物理吸附。并不是任何气体在任何表面上都可以发生化学吸附，有时也会出现化学吸附和物理吸附同时存在的现象。

润湿现象：液体在固体表面上铺展的现象。能被水润湿的物质叫亲水物质。不能被水润湿的物质叫疏水物质。润湿角：固、液、气三相接触达到平衡时，从三相接触的公共点沿液、气界面所引切线与固、液界面的夹角。润湿程度与润湿角θ的关系：当θ﹤90°时称为润湿。θ角越小，润湿性越好；当θ﹥90°时称为不润湿。θ角越大，润湿性越不好；当θ=0°和180°时，则相应的称为完全润湿和完全不润湿。θ角的大小，与界面张力有关。

相互接触的物体相对运动时产生的阻力，称为摩擦。材料的磨损指相对运动的物质摩擦过程中不断产生损失或残余变形的现象。摩擦与磨损是因果关系。按照磨损机理不同，可以将磨损分为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损、冲蚀（包括气蚀）磨损和高温磨损七大类。

腐蚀：材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。分类：按材料腐蚀原理不同，分为化学腐蚀（腐蚀过程中无电流产生）和电化学腐蚀（腐蚀过程中有电流产生）按腐蚀形态不同，分为全面腐蚀和局部腐蚀。腐蚀分布在整个金属表面上（包括较均匀的和不均匀的）称为全面腐蚀；腐蚀局限在金属的某一部位则称为局部腐蚀（危险性大）

极化：腐蚀电池工作时，阴、阳极之间有电流通过，使得其电极电位值与初始电位值（没有电流通过时的平衡电位值）有一定的偏离，使阴、阳极之间的电位差比初始电位差要小得多，这种现象就称为极化现象或极化作用。钝化：由于金属表面状态的改变引起金属表面活性的突然变化，使表面反应速度急剧降低的现象，称为钝化。活化与其相反，能消除金属表面钝化状态的因素都有活化作用。

表面预处理的目的：获取一定粗糙度和清洁度的表面。对涂装与热喷涂工艺而言，零件或制品表面需要有一定程度的粗糙度；对电镀，要求金属表面平整光滑，因为电镀层较薄且透明，粗糙的表面影响制品的美观；气相沉积要求粗糙度低。

机械性清理：借助机械力除去材料表面的腐蚀产物、油污及其它各种杂物，以获得清洁表面的过程。称为机械性清理。分类：机械磨光和抛光、滚光和刷光、喷砂或喷丸。化学性清理：脱脂（化学脱脂、有机溶剂脱脂、水剂脱脂、电化学脱脂）；化学浸蚀、抛光和电化学抛光。热扩渗技术的特点：渗层与基体金属是冶金结合，结合强度很高，渗层不易脱落或剥落。热扩渗层形成的基本条件：①渗入元素与基体形成固溶体或金属间化合物②渗入元素与基体直接接触③有一定的渗入速度④满足热力学条件

渗层的形成机理：①产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面；②渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收；③渗层元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩散，使扩渗层增厚。

影响热扩渗层的因素：扩渗的初始阶段：溶入元素原子的扩渗速度受产生并供给渗剂活性原子的化学反应速度控制[化学反应速度（反应物浓度、反应温度、活化剂）]；扩渗的后续阶段：当渗层达到一定厚度后，扩渗速度主要取决于扩散的速度[扩散速度（温度、时间）]影响扩散速度的主要因素为热扩渗温度与时间，并且，扩渗过程中升高温度较延长时间更为有效。

热扩渗的分类：根据热扩渗的温度可分为高温、中温和低温热扩渗；按渗入元素化学成分的特点，分为非金属元素热扩渗、金属元素热扩渗、金属-非金属元素多元共渗和通过扩散减少或消除某些杂质的扩散退火，即均匀化退火；按渗剂在工作温度下渗剂的物质状态，分为气体热扩渗、液体热扩渗、固体热扩渗、等离子热扩渗和复合热扩渗

气体热扩渗：把工件置于含有渗剂原子的气体介质中加热到渗剂原子能在基体中产生显著扩散的温度，使工件表面获得该渗剂元素的工艺

气体渗碳：在增碳的活性气氛中，将低碳钢或低碳合金钢加热到高温（一般为900-950℃），使活性碳原子进入钢的表面，以获得高碳渗层的工艺方法称为气体渗碳。钢件渗碳后，表面为高碳钢，内部仍保持低碳状态。渗碳件的性能是渗层和心部组织及渗层深度与工件直径相对比例等因素的综合反映。表面到心部碳含量下降，缓冷组织为过共析钢、共析钢、亚共析钢；淬火组织为渗碳体+马氏体和低碳马氏体。渗层深度取决于零件的工作条件及心部材料的强度。零件所受负荷越大，渗碳层应越深。零件的心部硬度高，支撑渗层的强度高，渗层可以相应浅一些。

气体渗碳：渗碳温度900-950℃，气体渗碳渗前无需处理，渗后淬火+低温回火，得到渗碳体+马氏体,处理时间2-3h[浅层渗碳约2-3h，常规渗碳约5-8h，深层渗碳约16-30h]；影响气体渗碳的主要因素：a.温度和时间 b.渗碳气氛 c.钢的化学成分

气体渗氮：钢的渗氮温度低（480-570℃），周期长，渗氮层薄。渗氮渗前调质处理，渗后无需热处理。处理时间20-50h

氮碳共渗渗层比渗氮层低，表面硬度高，耐磨损，抗疲劳，尺寸变形小；碳氮共渗：疲劳强度、耐磨性、耐蚀性、抗回火稳定性高

20CrMnTi钢是我国用量最大的渗碳钢种，简述渗碳工艺，渗碳后钢的成分、组织、性能如何？渗后是否需要进行热处理？若需要，目的何在？

工艺：加热到900～950℃（增碳的活性气氛），活性碳原子进入钢的表面，得到高碳渗层，

表面：硬度高，耐磨，P+Fe

3C

Ⅱ

；心部：硬度低，韧性高，F + P

少

。需要，淬火+低温回火，

得到渗碳体马氏体

液体热扩渗：将工件浸渍在熔融液体中，使表面渗入一种或几种元素的热扩渗工艺。液体热扩渗根据工艺特点分为盐浴法、热浸法（是将工件直接浸入液态金属中，经较短时间保温即形成合金层）、熔烧法。

钢铁件的热浸渗（镀）的过程分为：1）铁基表面被溶解，形成合金层；2）合金层中的渗入原子进一步向基体扩散，形成固溶体或化合物；3）工件离开镀槽时带出纯的熔融金属，覆盖在合金层上，形成纯金属层。

钢铁件在热浸锌后由内向外的渗层组织依次：γ相、δ

1

相、ζ相、η相

根据工艺特点，热浸渗工艺分为溶剂法和氧化还原法。溶剂法分为湿法和干法，多用于钢丝及钢制零部件的热浸渗。氧化还原法：用于钢板、钢带的连续热浸渗。这两种方法的主要区别在于脱脂除锈、保持工件或钢材表面清洁的方式不同。

干法热浸渗就是先将经常规方法脱脂除锈清洗后的清洁工件或钢材进行溶剂处理，干燥后再将工件浸入欲渗金属熔液中，保温数分钟后抽出，水冷。与干法热浸渗相比，氧化还原法热浸渗的工件或钢材进入欲渗金属液前具有足够的热量，使金属熔液能保持稳定，减少了热浸渗锅本身的热应力，提高了其使用寿命。

决定工件或钢材浸锌质量的主要工艺参数锌液温度、浸锌时间及从锌液中抽出的速度