表面工程学
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
表面工程学科体系
（7）表面工程促进(cùjìn)了机械维修创新-再制造
1984年美国“技术评论”提倡旧品翻新或再生并称为“重新制 造”， 2005年美国再制造产值已超过1000亿美元，100万人 就业。
德国大众从1941年开始再制造，到2004年已再制造发动机748万 台，变速器240万台。
再制造成本节约50%，节能60%，节材70%。 再制造目前已在我国得到了广泛的重视。2009年11月，工业与信
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二.表面工程技术(jìshù)的目的及其意义 1.表面工程技术(jìshù)的 目的
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表2-1：表面(biǎomiàn)工程有关的表
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2.表面工程技术(jìshù)的 意（义1）满足社会生产及人民生活的需要
表面工程技术应用在钟表、手饰、灯具、餐具、 家具及仿古建筑等方面。
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几种常见的金属表面处理(chǔlǐ)技 术
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2. 现代(xiàndài)表面工程的发 展历程
—1983 年英国T. Bell(英国伯明翰大学教授)在伯明翰 大学建立沃福森表面工程研究所
— Surface Engineering（1984） — 1985年，英国第一届表面工程国际会议 — 1986年，国际热处理与表面工程联合会 — 1987年，英国第二届国际会议 — 1987年12月在北京成立表面工程研究所，徐滨士
电刷镀方面，研究出摩擦电喷镀及复合 电刷镀技术
高能束应用方面，发展了激光或电子束 表面淬火、表面熔覆等技术
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2.发展(fāzhǎn)复合表面工程技术
单一的表面工程技术，由于(yóuyú)其固有的局限性，不能 满足日益苛刻工况条件的要求，通过最佳协同效应获得了 1+1>2 的效果，解决了一系列高新技术发展中特殊的工程技 术难题
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。
《表面工程学》课件
通过本课件，您将了解表面工程学的定义、应用领域、基本原理、常见表面 处理技术以及发展前景，希望能为您带来启发和新的知识。
课程介绍
本课程将深入探讨表面工程学的重要性和应用，为您揭示其在不同行业中的 巨大潜力。
表面工程学的定义
表面工程学是研究对材料表面进行改性和处理的学科，旨在改善材料的功能性、性能和外观。
表面工程学的应用领域
表面工程学广泛应用于汽车制造、航空航天、电子设备、医疗器械等行业， 在提升产品质量和性能方面发挥着关键作用。
表面工程学的基本原理
1 材料相互作用
通过控制表面与环境的相 互作用，实现材料性能的 优化。
2 界面工程
通过调整材料与界面之间 的相互作用，改变材料表 面的性质。
3 涂层技术
Байду номын сангаас结
通过本课程，您对表面工程学的重要性和应用领域有了更深刻的了解。继续探索和学习，将为您的事业带来无 限可能。
利用各种涂层技术，增强 材料的抗腐蚀性、耐磨性 和导热性。
常见表面处理技术
等离子体表面处理
利用等离子体反应，对材料表面 进行清洁和改性。
电镀工艺
通过电解过程，在材料表面形成 金属或合金涂层。
激光刻蚀
利用激光束对材料表面进行精确 刻蚀，实现图形和文字的印刻。
表面工程学的发展前景
随着科技的不断进步和工业需求的增长，表面工程学将继续发展，为各行各 业带来更多创新和突破。
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。
材料表面工程学
材料表面工程学
材料表面工程学是一门研究如何改变和优化材料表面性质的学科，旨在改善材料的功能和性能。
它涉及到对材料表面进行物理、化学和机械处理，以改变其化学组成、晶体结构、形貌和表面能等方面的特性。
材料表面工程学的研究内容包括表面修饰、涂层技术、薄膜制备、层析技术、电化学表面处理等。
通过这些方法，可以实现对材料表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性、防腐性、生物相容性、光学性能等的改善。
材料表面工程学应用广泛，可以用于改善金属材料的耐蚀性和耐磨性，提高陶瓷材料的密封性和耐热性，增强玻璃材料的光学透明度和耐冲击性，改善塑料材料的润湿性和粘附性等。
此外，材料表面工程学还应用于生物医学领域，用于制备生物材料和医用器械，提高其生物相容性和组织相容性。
总之，材料表面工程学通过对材料表面进行工艺处理，可以改善材料的性能和功能，拓展材料在各个应用领域的应用范围。
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。
表面工程学的基础理论-2
轮廓算术平均偏差：Ra 微观不平度+点高度：Rz 轮廓最大高度：Ry
b.贝尔比层和残余应力
固体材料经过切削加工后，在几个微米或者 十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧 烈变化，即造成一定程度的晶格畸变。
这种晶格的畸变随深度变化，在最外约5nm10nm厚度可能会形成一种非晶态层，称为贝 尔比层。 其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内 明显不同 贝尔比层具有较高的耐磨性和耐蚀性
3.液-液界面
一、 界面和表面
表面和界面(surface and interface)
4.液-固界面
一、 界面和表面
表面和界面(surface and interface)
5.固-固界面
严格讲表面应是 液体和固体与其饱 和蒸气之间的界面， 但习惯上把液体或 固体与空气的界面 称为液体或固体的 表面。
3．二维倒易格子
理想表面结构示意图
二、 固体材料及其表面
表面技术研究的对象是固体表面。 对于固体材料与气体界面，又有两种不同的对象： （1）清洁表面 （2）实际表面
二、 固体材料及其表面
清洁表面 不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、
催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的 表面。 清洁表面的获得：
2.3 固体表面化学吸附
具有如下特点的吸附称为化学吸附：
1.吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生的 化学键力，一般较强。 2.吸附热较高，接近于化学反应热，一般在 40kJ/mol 以上。
3.吸附有选择性，固体表面的活性位只吸附与 之可发生反应的气体分子，如酸位吸附碱性 分子，反之亦 然。
4.吸附很稳定，一旦吸附，就不易解吸。
三、固体表面的结构
1 、清洁表面结构
表面工程学课程小结
表面工程学课程小结1.表面工程技术：是赋予材料或零部件表面以特殊的成分、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。
基材涉及几乎所有的工程材料，如金属、陶瓷、半导体材料、高分子材料、混凝土、木材、各类复合材料。
表面改性技术：主要指赋予材料表面以特定的物理、化学性能的表面工程技术。
按照工艺特点的不同，表面改性技术可分为：表面组织转化技术，表面涂层、镀层及堆焊技术，表面合金化技术等三大类。
2.表面、磨损与腐蚀典型固体表面有：理想表面、洁净表面与清洁表面、机械加工过的表面、一般表面。
最基本的磨损形式：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损。
这些磨损过程的特点。
影响磨粒磨损过程的因素有：磨粒的硬度、磨粒形状和粒度、工况和环境条件。
影响固体材料粘着磨损性能的因素有：润滑条件或环境、硬度、晶体结构和晶体的互溶性、温度。
腐蚀：按腐蚀机理分为化学腐蚀和电化学腐蚀。
按腐蚀形态不同分为：全面腐蚀、局部腐蚀。
按环境不同，可将腐蚀分为：湿蚀，干蚀，微生物腐蚀。
电化学腐蚀：指金属在导电的液态介质中因电化学作用导致的腐蚀，在腐蚀中有电流产生。
如：电偶腐蚀：在腐蚀介质中，金属与另一种电位更正的金属或非金属导体发生电连接而引起的加速腐蚀。
大气腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀属于电化学腐蚀。
化学腐蚀：是金属在干燥的气体介质中或不导电的液体介质中（如酒精、石油等）发生的腐蚀，腐蚀过程中无电流产生。
高温氧化属于化学腐蚀。
电化学保护方法分为阴极保护和阳极保护两大类。
3.电镀与化学镀（1）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。
合金电镀：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叫做合金电镀。
电镀过程中，被镀工件接电源的负极。
电镀液分为简单盐镀液和络合物镀液。
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5.1.3 电镀的实施方式
电刷镀的设备特点： 电刷镀设备简单， 一套设备可以完成多个镀种的刷镀。 电刷镀设备的用电量、用水量比槽镀少很多，可以节约能源、
资源。
电刷镀的工艺特点： 镀笔与工件有相对运动，散热条件好，在使用大电流密度刷
镀时，不易使工件产生过热现象。 镀层的形成是一个断续结晶过程，镀笔的移动限制了晶粒的
－
4 2- -
5.1.1 电镀过程及反应
阴极上的电镀过程包括三个步骤： （1） 金属的水合离子或络离子从溶液内部迁移到阴
极表面; （2） 金属水合离子脱水或络离子解离，金属离子在
阴极上得到电子发生还原反应生成金属原子; （3） 还原的原子进入晶格结点。
＋ ＋ ＋
＋
5.1.1 电镀过程及反应
电镀是指在直流电的作用下，电解液中的金属离子还原，并沉 积到零件表面形成有一定性能的金属镀层的过程。
长大和排列，因而镀层中存在大量的超细晶粒和高密度 的位错，镀层得到强化。 镀液能随镀笔及时供送到工件表面，大大缩短了金属离子扩 散过程，不易产生金属离子贫乏现象。加上镀液中金属 离子含量很高，允许使用比槽镀大得多的电流密度，因 而镀层的沉积速度快。 使用手工操作，方便灵活，尤其对于复杂型面，凡是镀笔能
第五章：表面工程技术
5.1 电镀，化学镀 5.2 热喷涂 5.3 堆焊 5.4 高能束表面改性 5.5 气相沉积
5.1 电镀、化学镀
-
-
’s
5.1 电镀、化学镀
5.1 电镀、化学镀
5.1.1 电镀过程及其反应
阴极反应： Men++ ne = Me 2H+ + 2e = H2
＋
阳极反应： =。 - 4e = 2H22
5.1.1 电镀过程及反应
金属离子还原析出的可能性是获得镀层的首要条件，要获 得质量优良的镀层，还要有合理的镀液组成和合理的工艺控制。
5.1.1 电镀过程及反应
法拉第定律：
第一定律： k×I× t = k × Q
式中， W ：电极上形成的产物； I ： 电流； t: 通电时间； Q : 电量 k : 电化当量，表示通过单位电量时电极上形成的产物量
将零件悬挂于用导 电性能良好的 材料制成的挂 具上, 然后浸没 于欲镀金属的 电镀溶液中作 为阴极，在两
5.1.3 电镀的实施方式
2) 滚镀 滚镀是将欲镀零件置于多 角形的滚筒中，依靠零件 自身的重量来接通阴极， 在滚简转动的过程中实现 金属电沉积。 滚镀最大的优点是节省劳 动力，提高生产效率。设 备维修费用少且占地面积 小，镀件镀层的均匀性好。 但是，滚镀的使用范围受 到限制：
5.1.3 电镀的实施方式
4)连续电镀
主要用于薄板、金属丝、带的 电镀
（镀锡钢板，镀锌薄板，钢带， 电子元器件引线，镀锌铁 丝等）
垂直浸入式 水平运动式 盘绕式.
电镀时间较短； 镀液电流密度高； 导电性好； 沉积速度快； 镀液各成分变化不显著对杂质不敏感等。
5.1.3 电镀的工艺过程
电镀工艺过程包括前处理、电镀、后处理三大步： 镀前处理 包括抛光或打磨、脱脂、除锈、活化等多 道工序，镀前处理质量直接影响到镀层与基体间的 结合力和镀层的完整性； 镀后处理 则关系到镀层的防护性和装饰性效果；镀 后处理包括钝化和浸膜： 钝化是在新镀出的镀层人为地形成一层致密的氧化 物膜，使镀层金属与空气隔绝，以提高镀层的防护 性和装饰性。浸膜是在镀后的零件表面浸涂一层有 机或无机高分子膜，以提高镀层的防护性和装饰性
生产过程易对镀液成分产生影响，
5.1.4 影响电镀层质量的因素
2. 电镀规范的影响
镀液温度升高离子的扩散速度提高镀层晶粒变粗；
电流密度提高阴极极化作用增大镀层致密沉积速 度加快，
但过高的浓差极化会导致边角部位镀层变粗乃致 烧焦。
a
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5.1.1 电镀过程及反应
电解液主要是水溶液，也有有机溶液和熔融盐。
湿法电镀 熔融盐电镀
金属离子在水溶液中能否还原，不仅决定于其本身的电化学性质 ，还决定于金属的还原电位与氢还原电位的相对大小。若金属离 子还原电位比氢离子还原电位更负，则电极上大量析氢，金属沉 积极少。
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5.1.4 影响电镀层质量的因素
1. 镀液的影响
金属离子等 简单离子为主的镀液 镀层的结晶 较粗； 络合物镀液 镀层结晶细致紧密；
主盐浓度高浓差极化小晶核形成速度降低镀层 晶较粗；
5.1.2 电镀液组成
电镀溶液有固定的成分和含量要求，使之达到一定的化学平衡，具有所要求的电化学性能。 镀液构成：
1. 主盐和络盐：主盐即沉积金属的盐类，如硫酸铜、硫酸镍等，络盐如锌酸钠、氰锌酸钠等；
2. 配合剂：配合剂与沉积金属离子形成配合物，改变镀液的电化学性质和金属离子沉积的电极过程，对镀层质 量有很大影响，是镀液的重要成分。常用配合剂有氰化物、氢氧化物、焦磷酸盐、酒石酸盐、氨三乙酸、柠檬 酸等。
第二定律： C1×
式中， C1： 比例常数； 化学当量
当电极上通过1 法拉第电量时 （126.8 A*h），电极反应的产物为 1 摩尔。
5.1.1 电镀过程及反应
电流效率
η = 实际镀层质量/理论值
如：镀镍时，阴极上的副反应消耗部分电量： 2 +2 2
氰化镀铜和氰化镀锌时的效率： 60-70% 电镀硬铬效率：8-16%
5.1.3 电镀的实施方式
3）刷镀 电刷镀技术采用一专用的直流 电源设备，电源的正极接镀笔， 作为刷镀时的阳极，电源的负 极接工件，作为刷读镀时的阴 极。 镀笔通常采用高纯细石墨块极 材料，石墨块外面包裹上棉花 和耐磨的涤棉套。刷镀时使浸 满镀液的镀笔以一定的相对运 动速度在工件表面上移动，并 保持适当的压力。随着刷镀时 间的增长，镀层逐渐增厚。
3. 导电盐：其作用是提高镀液的导电能力，降低槽端电压提高工艺电流密度.例如镀镍液中加人24。导电盐不 参加电极反应，酸或碱类也可作为导电物质。
4. 添加剂：包括络合物，平整剂，光亮剂等，在电解液中加入后，能明显地改善镀层的组织，使之平整，光亮 ，致密等。
5.1.3 电镀的实施方式
1)挂镀
最常用的一种电镀 方式。