现代表面技术
【材料课件】表面技术
现代表面技术第一章表面技术概论第一节表面技术的涵义19世纪工业革命以来,材料品种日益繁多,为了适应高强度、高硬度和耐磨、耐高温、耐酸碱腐蚀等不同特殊要求,人们需要不断开发各种特殊的合金材料,但这些合金材料往往价格昂贵。
因此,人们试图采用各种表面技术对普通钢材表面进行加工,以改变其表面性能,使其适应复杂的工作环境。
另外,磨损、腐蚀等失效都是首先发生在材料表面,通过对材料表面进行有效处理,可以极大地提高材料寿命。
因此,迫切需要开发出各种行之有效的表面技术,正是基于这样的背景,逐步形成了一门新兴学科——表面工程学。
表面工程技术的发展始于20世纪60年代末,近30年来发展尤为迅速。
在传统的表面处理技术不断改进、不断完善的同时,又有科学技术逐渐渗透到该领域,各种表面技术相互融合,从而使现代表面技术进入了一个新的发展时期。
表面技术是一门博大精深、实用价值极高的技术。
材料科学所面临的若干艰巨任务,如要求材料硬而不脆、耐磨而易车削、质高而价廉等间题,通过表面技术在相当程度上都可迎刃而解。
除本文所提及的巨大作用外,用表面技术合成人工结构材料、复合材料及沉积非晶态涂层及制取复合涂层方面都显示了巨大的应用潜力。
表面技术是一项能使产品获得高附加值的技术。
英国产品每年靠表面技术估计增值100亿英镑,如果对表面技术进行全开发,有可能节省200。
万到400亿埃居(约200亿英镑),可见表面技术对国民经济的巨大作用。
我国在湿法镀覆等方面取得了令人瞩目的成就,但在PVD和表面改性方面还有许多工作要做。
这一方面要靠广大科技人员的才智与努力,同时有关领导部门在设备资金投入上给予有力的支持也至关重要。
只有这样,我国的表面技术才能以新的面貌进入21世纪,全方位赶上和领先世界水平。
一、什么是表面技术从广义上讲,表面技术是直接与各种表面现象或过程有关的,能为人类造福或被人们利用的技术。
任何表面在通常情况下实际上都是界面。
两种不同相之间的交界,称为界面,在任何两相界面上都可以发生复杂的物理或化学现象,总称为表面现象。
01第一章--现代表面工程技术PPT课件
2021/6/4
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表面工程有关的表面性能
分类
一般机械性能
可加工性
项
目
韧性、强度、塑性、抗疲劳性、硬度、疏松度(空 隙度)、残余应力
精密加工性、可修补性、可焊接性、冷作硬化性
抗磨性 保护性 热特性 电特性
抗磨料磨损性、抗粘着磨损性、抗腐蚀磨损性、抗 冲蚀磨损性、抗微动磨损性、润滑性
姿/轨控发动机推力室
2021/6/4
来源:西北有色金属研2究0 院
具体应用实例-高温抗氧化涂层
难熔金属 Nb 在高温下易发生氧化,其高 温氧化物不具备保护作用,使材料的力学 性能急剧下降,严重影响性能。
铌在180℃开始发生缓慢氧化,450 ℃以下的氧化物具有保护 作用,450 ℃ ~600 ℃ 氧化膜的晶体体积发生变化(从4.36变 到5.17),开始出现粉化,600 ℃ ~700 ℃ 其氧化速度与氧压成 正比关系,700 ℃ ~850 ℃内层氧化膜起控制作用,850 ℃以 上氧化产物完全为Nb2O5
5.1 电镀、化学镀 5.2 表面涂敷 5.3 表面改性 5.4 气相沉积 5.5 复合表面处理技术
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教材及参考资料
教材:现代表面工程技术,姜银方主编, 北京:机械工业出版社
参考书目:
现代表面技术,钱苗根等编著,北京:机械工业出版社 金属材料表面新技术,赵文珍,西安:西安交通大学出版 社 面向二十一世纪的表面工程,徐滨士,北京:机械工业出 版社 表面工程手册,李国英主编,北京:机械工业出版社 表面涂层技术,陈学定,韩文政,北京:机械工业出版社 表面工程与维修,徐滨士,朱绍华等,北京:机械工业出 版社
现代表面技术分类应用
• 渗入元素介质可以是固体、液体和气体,但都要经过 介质中化学反应、外扩散、相界面化学反应(或表面 反应)和工件中扩散四个过程,具体方法有许多种。
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4.等离子扩渗处理(PDT)
• 又称离子轰击热处理,是指在通常大气压力 下的特定气氛中利用工件(阴极)和阳极之 间产生的辉光放电进行热处理的工艺。
表面物理和表面化学
• 微观理论:在原子、分子水平上研究表面的 组成,原子结构及输运现象、电子结构与运 动及其对表面宏观性质的影响;
• 宏观理论:在宏观尺度上,从能量的角度研 究各种表面现象。
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表面技术的应用理论
• 表面失效分析 • 摩擦与磨损理论 • 表面腐蚀与防护理论 • 表面结合与复合理论
铜。
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4.涂装
• 将涂料涂覆于工件表面而形成涂膜的全过程。 • 涂料(或称漆)为有机混合物,一般由成膜
物质、颜料、溶剂和助剂组成,可以涂装在 各种金属、陶瓷、塑料、木材、水泥、玻璃 等制品上。 • 涂膜具有保护、装饰或特殊性能(如绝缘、 防腐标志等),应用十分广泛。
• 塑料粉末是依靠熔融或静电引力等方式附着在被涂工件表 面,然后依靠热熔融、流平、湿润和反应固化成膜。
• 涂膜方法有喷涂、熔射、流化床浸渍、静电粉末喷涂、静电粉 末云雾室、静电流化床浸渍、静电振荡法等等。
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10.电火花涂敷
• 利用电能的高密度能量对金属表面进行涂敷 处理的工艺,即通过电极材料与金属零部件 表面的火花放电作用,把作为火花放电极的 导电材料(如 WC. TiC)熔渗于表面层, 从而形成含电极材料的合金化涂层,提高工 件表层的性能,而工件内部组织和性能不改 变。
现代表面技术-表面
通过表面技术如化学气相沉积、物理气相沉积等, 可对电子元件的表面进行改性处理,提高其性能 和稳定性。
防静电保护
表面技术如导电涂层可用于电子元件的防静电保 护,防止静电对电子设备造成损害。
05 未来表面技术的发展趋势 与挑战
总结词
新材料表面技术的研发是未来表面 技术发展的关键,将推动表面技术 的不断创新和应用领域的拓展。
详细描述
随着环保意识的日益增强,表面技术的环保与可持续发展已成 为行业关注的焦点。表面处理过程中产生的废液、废气和废渣 等污染物对环境造成了严重的影响。因此,研发环保型的表面 技术,如水基表面处理技术、无铬表面处理技术等,能够有效 减少环境污染和资源消耗,同时降低生产成本,提高经济效益。
总结词
表面技术的智能化与自动化是未来发展的重要趋势,将提高表面处理的效率和质量,降低人工成本和操作风险。
02 现代表面技术简介
物理表面技术
离子束刻蚀
利用离子束轰击材料表面,通过 物理撞击和能量沉积改变表面形 貌和性质,实现表面纳米级加工。
激光表面处理
利用高能激光束对材料表面进行快 速加热和冷却,实现表面熔化、凝 固、相变等,改变表面结构和性能。
电子束蒸发镀膜
利用电子束蒸发源产生的高能电子 束将材料加热至熔融状态,并快速 冷却形成薄膜,实现表面镀膜和涂 层。
表面技术在环境能源领域的应用,如高效 催化剂、太阳能电池和燃料电池等方面, 为解决能源和环境问题提供了有效途径。
表面技术未来的发展前景
新材料和新技术的研发
随着科技的不断进步,表面技术将不断涌现出新的材料和 技术,如纳米材料、生物材料和复合材料等,为表面技术 的应用和发展提供更多可能性。
绿色环保
随着环保意识的不断提高,表面技术将更加注重绿色环保 ,发展低污染、低能耗的表面处理技术和绿色材料,减少 对环境的负面影响。
现代表面技术(机械工业)知识点整理
一、电镀(1)定义:电镀是指在含有欲镀金属的盐类溶液中,以被镀基体为阴极,通过电解作用,使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来,形成镀层的一种表面加工方法。
(2)镀液组成:主盐:是指镀液中能在阴极上沉积出来所要求镀层金属的盐,用于提供金属离子。
络合剂:作用在于获得络合离子,起到阴极极化作用。
附加盐:用于提高电镀液的导电性。
缓冲剂:用来稳定溶液酸碱度的物质。
阳极活化剂:提高阳极开始钝化的电流密度,保证阳极处于活化状态而能正常地溶解。
添加剂:用以改善镀层性能性质的物质。
(3)电流效率:是指实际析出物质的质量与理论计算析出物质的质量之比。
(4)分散能力:是指电镀液所具有的使金属镀层厚度均匀分布的能力。
(5)改善分散能力方法:1在电镀液中加入一定量的强电解质,2采用络合物电解液,3加入适量的添加剂,4合理安排电极的位置及距离,5使用异形电极。
(6)覆盖能力:是指电镀液所具有的使镀件的深凹处沉积上金属镀层的能力。
(7)极化:指的是有电流通过电极时,电极电位偏离平衡电极电位的现象。
(8)电沉积过程:液相传质,电化学反应和电结晶。
液相传质的三种方式:电迁移、对流和扩散。
(9)金属共沉积的条件:两种金属中至少有一种金属能从其盐类的水溶液中沉积出来;两种金属的析出电位要十分接近。
(10)改变电位的方法:1改变镀液中金属离子的浓度;2采用络合剂;3采用适当的添加剂。
二、电刷镀(1)定义:是在被镀零件表面局部快速电沉积金属镀层的技术,其本质上是依靠一个与阳极接触的垫或刷提供电镀需要的电解液的电镀。
(2)优缺点:与常规电镀比,优点:1设备简单,携带方便;2工艺简单,操作简单;镀层种类多,与基材结合力强,力学性能好;4沉积速度快。
缺点:劳动强度大,消耗镀液较多,消耗阳极包缠材料。
(3)设备:直流电源、镀笔及供液、集液装置。
(4)阳极包裹的作用:1贮存刷镀用的溶液,2防止阳极与被镀件直接接触,3过滤阳极表面所溶下的石墨粒子。
现代表面技术
现代表面技术现代表面技术表面工程技术是表面处理表面涂镀层及表面改性的总称表面工程技术是运用各种物理化学和机械工艺过程来改变基材表面的形态化学成分组织结构或应力状态而使其具有某种特殊性能,从而满足特定的使用要求[3]徐晋勇,张健全,高清.现代先进表面技术的发展及应用[N].电子工艺技术.2006,27(3)表面技术的应用所包含的内容十分广泛,可以用于耐蚀、耐磨、修复、强化、装饰等。
也可以是在光、电、磁、声、热、化学、生物等方面的应用。
表面处理技术是用以改变材料表面特性,达到预防腐蚀目的的技术。
按具体表面技术方法分类:表面热处理、化学热处理、物理气相沉积、化学气相沉积、高能束强化、涂料与涂装、热喷涂与堆焊、电镀、化学镀、热浸镀、转化膜等表面工程技术的任务:1.提高金属材料抵御环境作用的能力2.根据需要,赋予材料及其制品表面力学性能、物理功能和多种特殊功能、声光磁电转换及存储记忆的功能;制造特殊新型材料及复层金属板材。
3.赋予金属或非金属制品表面光泽的色彩、图纹、优美外观。
4.实现特定的表面加工来制造构件、零件和元器件等。
5.修复磨损或腐蚀损坏的零件;挽救加工超差的产品,实现再制造工程。
6.开发新的表面工程技术,技术概念电镀:利用电解作用,使具有导电性能的工件表面作为阴极与电解质溶液接触,通过外电流作用,在工件表面沉积与基体牢固结合的镀覆层。
该镀覆层主要是各种金属和合金。
化学镀:是在无外电流通过的情况下,利用还原剂将电解质溶液中的金属离子化学还原在呈活性催化的工件表面,沉积出与基体牢固结合的镀覆层。
工件可以是金属也可以是非金属。
镀覆层主要是金属和合金。
涂装:用一定的方法将涂料涂覆于工件表面而形成涂膜的全过程。
涂料为有机混合物,可涂装在各种金属、陶瓷、塑料、木材、水泥、玻璃制品上。
气相沉积:在金属或非金属材料基体表面牢固沉积同类或异类金属或非金属及其化合物,以改善原材料基体的物理和化学性能或获得新材料的方法。
现代表面技术
作用:
装饰作用—— 给人以美感
保护作用—— 具有一定的耐水性、耐溶性、耐油性、耐化学腐蚀性
标志作用—— 由醒目涂料颜色制成标志牌、道路分离线、不同颜色
涂料区分管道、设备、槽车、容器等的作用及所装物质
1.材料表面技术为什么得到社会的重视而迅速发展?
1) 社会生产、生活的需要
2) 通过表面处理大幅度提高产品质量
3) 节约贵重材料
4) 实现材料表面复合化,解决单一材料无法解决的问题
5) 良好的节能、节材效果
6) 促进了新兴工业的发展
2.表面技术的目的和作用?
(1) 提高材料抵御环境作用能力。
4.磨损的定义和分类?
定义:物体相对运动时,相对运动表面的物质不断损失或产生残余变形称为磨损。
分类:按照磨损机理的分类方法为基础分为:
(a)粘着磨损:由于固相焊合作用使材料从一个表面转移到另外一个表面造成的磨损。
(b)磨粒磨损:由于硬颗粒或硬突起物体,使其中一个面的材料产生迁移而造成的磨损。
(2).前置化学步骤:研究表明,直接参加阴极电化学还原反应的金属离子往往不是金属离子在电解液中的主要存在形式。在还原之前,离子在阴极附近或表面发生化学转化,然后才能放电还原为金属。
(3).电荷转移步骤:反应粒子在阴极表面得到电子形成吸附原子或吸附离子的过程称为电荷转移步骤,又称为电化学步骤,这里主要发生电荷从阴极表面转移到反应粒子的过程,这是电沉积过程的重要步骤。
(4).结晶步骤: 吸附原子通过表面扩散到达生长点而进入晶格,或吸附原子相互碰撞形成新的晶核并长大成晶体。
9.电镀的基本原理?
现代表面技术
一、关于表面基础1.弛豫:表面上的原子相对于正常位置的上、下位移来降低体系能量,尤其是表面第一层原子与第二层之间位移(压缩或膨胀)最明显,越深入体内,此种位移迅速消失。
重构:在平行基底的表面上,原子的平移对称性与体内显著不同,原子位置作了较大幅度的调整。
2.表面能的产生表面能是因物质表面原子和内部原子排列差别引起的一种物理表现。
面心立方晶体的(111)面是密排面,体心立方晶体的(110)面是密排面,密排面的表面能最低(密排面原子的断键数最少)。
3.固体表面的吸附力(1)固体表面对气体的吸附分物理吸附和化学吸附。
区别:物理吸附无电子转移、无化学键的生成与破坏,无原子重排。
物理吸附不需要活化能,其吸附速率也不随温度升高而变快;化学吸附相当于吸附剂表面分子与吸附质发生化学反应。
化学吸附需要活化能,其吸附速率随温度升高而变快。
(2)固体表面对溶液的吸附分为电解质吸附和非电解质吸附;溶液有溶质和溶剂,都可能被固体吸附,但被吸附的程度不同分为正吸附、负吸附。
(3)固体表面对液体的吸附力粘结力与液体表面张力计接触角的关系γs=γLcosθ+γsL当θ<90°时,为润湿。
θ越小,润湿性越大,液体在表面的展开能力越强。
当θ=0 °时,为完全润湿。
液体在表面完全铺展开来当θ>90 °时,为不润湿。
θ越大,润湿性越小,液体越不易铺展开,易收缩为球状。
当θ=180 °时,完全不润湿,为球状。
ISL=γL+γs-γsL=γL(1+cosθ)粘结力大小与液体表面张力γL及接触角θ有关。
θ愈小,则ISL越大,粘结越牢。
(钢与环氧树脂)4.实际晶体表面缺陷方式固体的实际表面是不规则和粗糙的,最重要的表现为表面粗糙度和微裂纹。
表面粗糙度:(1)使表面力场变得不均匀,其活性及其它表面性质也随之发生变化。
(2)直接影响固体表面积,内、外表面积比值以及相关的属性。
(3)与两种材料间的封接和结合界面间的啮合和结合强度有关。
现代表面技术复习题.概要
硬质阳极氧化膜电阻率大,经封闭处理(浸绝缘漆或石腊),击穿电压可达 2000V。 耐蚀性 耐大气腐蚀。 结合强度 膜与基体结合强度高。
瓷质阳极氧化:以钛盐(或铬酐)为基础的溶液,可使抛光后的硬铝工件上获得均匀、光滑、
4)硬质氧化膜性质 硬度
铝合金上可达 HV 400~600,在纯铝上可达 HVl500 以上。在铝合金 中,LC4 合金最 易获得硬质氧化膜。 耐磨件
硬质阳极氧化膜,硬度高,耐磨性好。 疲劳性能
工件经硬质阳极氧化后、疲劳性能要下降。 耐热件
硬质阳极氧化膜熔点达 2050℃,导热系数低至 67kw/(m·K),耐热性极好。在短时 间内经受 1500~2000℃ 高温没问题。 电绝缘性
G
m M
n
mj ,T ,P
M
n ( p)
nF(P)
_
M
n ( p)
_
仿照化学位μ的定义,将
位。
M
n ( p)
称为电化学位。
就是离子 Mn+在相 P 中的电化学
定义了电化学位后,就可以象化_学反应式的平衡条件一样,用下式来表达一个电极反应达到
平衡的条件:
j j 0
j
2、什么是绝对电位? 写出数学表达式;简要说明为什么绝对电位无法测量?
物质的化学当量 C(即原子量 A 与原子价 Z 之比值,C=A/Z)成正比。W= kIt=kQ =k’C。
现代表面技术重点
第一章表面技术概论1.表面技术:通过对材料基体表面加涂层或改变表面形貌、化学组成、相组成、微观结构、缺陷状态,达到提高材料抵御环境作用能力或赋予材料表面某种功能特性的工艺技术。
2.使用表面技术的目的:(1)提高材料抵御环境作用能力。
(2)赋予材料表面某种功能特性。
(3)实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。
3.理想表面:没有杂质的单晶,作为零级近似可将表面看作一个理想表面,从理论上看,它是结构完整的二位点阵平面。
(实际不存在)清洁界面:经过注入粒子轰击、高温脱附等特殊处理后保持在6-10Pa超高10~9-真空下外来沾污少到不能用一般表面分析方法探测的表面。
实际表面:暴露在未加控制的大气环境中的固体表面,或经过一定加工处理,保持在常温常压下的表面。
4.①弛豫:表面最外层与次外层原子之间的距离不用于体内原子间距。
②重构:表面原子的平移对称性与体内显著不同,位置变动大。
③偏析:表面原子从体内分凝出来。
④化学吸附:外来原子以化学键结合吸附于表面。
⑤化合物:外来原子进入表面,并与表面原子键合成化合物。
⑥台阶:表面不是原子结构的平坦,形成了台阶。
5.物理/化学吸附:第三章电镀与化学镀1.电镀:指在含有预镀金属的盐类溶液中,以被镀金属为阴极,经电解作用,使镀液中预镀金属阳离子在基体表面沉积出来,形成镀层的一种表面加工方法。
2.镀层分类:①使用性能:防护性镀层、防护-装饰性镀层、装饰性镀层、耐磨和减磨镀层、电性能镀层。
②电化学性质:阳极性镀层、阴极性镀层。
③镀层组合:单层、多层、复合层镀层。
④镀层成分:单一金属、合金、复合。
3.金属电镀基本步骤:①液相传质: 镀液中的水化金属离子或络离子从溶液内部向阴极界面迁移,到达阴极的双电层溶液一侧。
②电化学反应:水化金属离子或络离子通过双电层,并去掉它周围的水化分子或配位体层,从阴极上得到电子生成金属原子(吸附原子)。
③电结晶:金属原子沿金属表面扩散到达结晶生长点,以金属原子态排列在晶格内,形成镀层。
现代表面技术3 PPT
课堂小实验: 课堂小实验: 相变强化表面,强化层用锯条代表, 淬火+低温回火处理 强化层用锯条代表 相变强化表面 强化层用锯条代表 淬火 低温回火处理 ; 测定硬度与韧性 原因分析: 方法? 原因分析 方法 断口粗细实质反映马氏体粗细; 断口粗细实质反映马氏体粗细 问题1:决定马氏体粗细因素? 问题 :决定马氏体粗细因素?
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二 .组织应力 组织应力
产生原因: 产生原因 奥氏体转变为马氏体时体积要膨胀, 奥氏体转变为马氏体时体积要膨胀,冷却时表面与心部 不同时膨胀引起应力. 热应力 热胀冷缩”不同时引起 热应力“ 不同时引起,组 不同时膨胀引起应力 (热应力“热胀冷缩 不同时引起 组 织应力“热缩冷胀”不同时引起; 织应力“热缩冷胀”不同时引起 ) 表面与心部哪个 区域先转变M 区域先转变M? 表组织应力与热粗略估算工作应力
疲劳断口:疲劳源、疲劳扩展区、瞬时断裂区 疲劳断口 疲劳源、疲劳扩展区、瞬时断裂区; 疲劳源 哪种 件 加应 高? 加应 高?
瞬时断裂区形成: 裂纹不断扩展,剩余面积减少 剩余面积减少, 瞬时断裂区形成 裂纹不断扩展 剩余面积减少 外力除以剩余面积得到的应力,达到材料断裂强 外力除以剩余面积得到的应力 达到材料断裂强 度断裂. 度断裂
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估算:工作应力约 估算 工作应力约500 MPa; 工作应力约
叶片制造过程中约300MPa 叶片制造过程中约 残余应力
实测: 残余应力180MPa 实测 残余应力 还有共振应力. 还有共振应力
重要观点: 重要观点 成分、组织结构、 成分、组织结构、残余应力共同作用决定材料性能许多 材料加工技术均存在残余应力(焊接、铸造、锻造) 材料加工技术均存在残余应力(焊接、铸造、锻造)
现代表面技术
(8)晶粒细化强化。离子轰击导致晶粒细化,引起晶界增加, 而晶界又是位错移动的障碍,使位错更加困难, 使材料表 面硬度明显提高。 (9)辐射相变强化、结构差异强化、溅射强化等机理都提高 了材料表面的耐磨性能。
20世纪70年代中期,发展了纯束流氮离子注入技术,并开始走向一
定规模的工业生产。用离子束混合研究出几十种亚稳态合金相和玻
璃金属(非晶态金属),还提出了相应的模型。强束流脉冲注入,金 属蒸发真空弧离子源(MEVVA源)和其他离子源的问世,为离子束材 料的表面改性提供了强金属离子束技术,为基础研究和新材料及其 应用研究提供了先进的技术工具并取得了许多离子注入实际应用的
现代表面技术
20世纪80年代,被列入世界10项关键技术之一的表 面技术,经过30余年的发展,已成为一门新兴的,跨学 科的,综合性强的先进基础与工程技术, 形成支撑当今 技术革新与技术革命发展的重要因素。
1. 表面技术与工程
现代表面技术,综合采用了最新的电子技术、真
空技术、冶金、物理、化学、材料等各学科的最新知
激光喷丸强化
激光喷丸是用超短脉冲的激光束代替有 质弹丸,用它诱导的冲击波来强化金属零 件的表面其成形机理:短脉冲的强激光 透过透明约束层(水帘) 作用于覆盖在金 属板材表面的吸收层(黑漆层) 上。
激光喷丸示意图
汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成等离子体而爆炸产生冲击波,
由它引起在金属零件内部传播的应力波,当应力波峰值超过零件动态屈
识和等离子体、离子束、电子束、激光束、微波研究 的最新成果。把材料表面与基体视作一个统一的系统 进行设计与改性,以最经济和最有效的方法改变材料 表面及近表面区的形态、化学成分和组织结构,赋予
其新的复合性能,从而获得许多新构思、新材料、新
现代表面技术5 PPT
功率计算、 功率计算、组织性能预测
功率密度计算: 功率密度计算 P0=4P/π(D0)2 P-激光器的功率 激光器的功率(1-5KW) D0=光斑直径 光斑直径(1-3mm) 激光器的功率 光斑直径 加热功率在10 加热功率在 4—105W/cm2范围 >>100W/cm2 预测: 预测: 1.与感应加热比,哪种处理组织更细? 与感应加热比, 与感应加热比 哪种处理组织更细? 2.表面残余应力压应力 拉应力 与感 表面残余应力压应力?拉应力 表面残余应力压应力 拉应力?与感 应比较? 应比较? 3.感应加热比较力学性能优劣? 感应加热比较力学性能优劣? 感应加热比较力学性能优劣 激光加热的特殊性
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证明规律与重要推论: 证明规律与重要推论:
进一步分析: 进一步分析 扩散能否进行的判据是:成分是 扩散能否进行的判据是 成分是 否变化?成分 浓度)不变化扩散 成分(浓度 否变化 成分 浓度 不变化扩散 停止. 停止 推论1:浓度随距离变化曲线不 推论 浓度随距离变化曲线不 连续(突变 连续 突变) 突变 推论2:由于反应扩散时成分突 推论 由于反应扩散时成分突 变导致组织突变
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第二章改变表面成分+相变的表面改性技术 第二章改变表面成分 相变的表面改性技术
工程背景:机车转向架主动与 工程背景 机车转向架主动与 从动齿轮分析 从动齿轮 : 表面HRC 53-55左右 表面 左右 心部HRC28 心部 42CrMo 调质+感应表面淬火 感应表面淬火+回火 调质 感应表面淬火 回火 主动齿轮: 主动齿轮:安装在电机上 表面:HRC 58-62 心部 心部HRC35表面 42 σb>1200MPa
现代表面技术
1.★电镀:一种用电化学方法在镀件表面上沉积所需形态的金属覆层工艺。
2.★如何合理选用镀层:首先要了解镀层是否具有所要求的使用性能,然后按照零件的服役条件及使用性能要求,选用适当的镀层,还要按基材的种类和性质,选用相匹配的镀层。
另外要依据零件加工工艺选用适当的镀层。
3.电沉积的基本条件:金属离子以一定的电流密度进行阴极还原时,原则上,只要电极电位足够负,任何金属离子都可能在阴极上还原,实现电沉积。
但由于水溶液中有氢离子、水分子及多种其它离子,使得一些还原电位很负的金属离子实际上不可能实现沉积过程。
所以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。
4.电镀液的组成:主盐、配合剂、导电盐、缓冲剂、阳极活化剂、镀液稳定剂、特殊添加剂。
5.镀液对镀层质量有何影响:(1)配离子作用:配离子使阴极极化作用增强,所以镀层较致密,镀液分散能力较好,整平能力较高。
(2)主盐浓度的影响:浓度升高,浓差极化降低,导致结晶形核速率降低,所得组织粗大。
(3)附加盐的作用:可提高镀液电导性,还可增强阴极极化能力,有利于获得细晶镀层。
(4)添加剂作用:其一,形成胶体吸附在金属离子上,阻碍金属离子放电,增大阴极极化作用。
其二,吸附在阴极表面,阻碍金属离子在阴极表面放电或阻碍电离子扩散,影响沉积结晶过程,改善镀层组织表面形态、物化和力学性能。
6.电镀规范对镀层质量的影响:(1)电流密度的影响(2)电流波形的影响(3)周期换向电流的作用(4)温度的影响(5)搅拌的影响7.合金镀层:两种或两种以上的元素共沉积所形成的镀层。
8.电镀合金的特点:1)容易获得高熔点与低熔点金属组成的合金,如Sn-Ni合金。
2)可获得热熔相图没有的合金,如δ-铜锡合金。
3)容易获得组织致密、性能优异的非晶态合金,如Ni-P合金。
现代表面技术考试题库
1.表面技术的广义含义1.表面技术的基础和应用理论;2.表面处理技术;3.表面加工技术;4.表面分析和测试技术;5.表面技术设计2.化学镀Ni还原剂是次磷酸钠、络合剂是琥珀酸、作用是与镍离子形成稳定的络合物,用来控制可供反应的游离镍离子含量控制沉积速度,改善镀层外观;化学镀Cu还原剂是甲醛、络合剂是酒石酸钾钠、作用是用于与铜离子形成络合物,防止Cu(OH)2沉淀生成。
3.钢铁上阳极镀层是,阴极镀层是当金属与镀层发生电化学腐蚀形成原电池时,镀层作为原电池的阴极,就是阴极镀层,作为阳极就是阳极镀层。
阳极镀层更有利于基体金属的保护。
4.电镀、化学镀试样阳、阴极5.电沉积、共沉积基本条件电沉积:1.电极电位足够负;2.不可以比H还负共沉积:1.电极电位足够负,但不能比H还要负;2.两种金属中至少有一种金属能从其水溶液中沉积出来;3.两种金属的电位要十分接近。
6.阳极氧化特点,微弧氧化特点及应用阳极氧化膜:1.氧化膜内部致密,外部疏松的双层结构;2.疏松多孔;3.很高的耐磨性;4.较好的耐蚀性;5.很高的电绝缘性;6.良好的绝热性;7.结合力很强用途:作为涂镀层的底层也可提高金属的装饰效果;提高金属表面的耐磨性;用作电解电器的绝缘层微弧氧化:1.内部致密、表层多孔的双层膜;2.厚度10~30微米;3.直接用耐磨加润滑,多孔结构又有利于减少摩擦压力,多孔结构可以做成润滑油;4.对于厚膜而言,可以将疏松层打磨掉,露出致密层进行防腐;5.表面微孔结构,一般是不穿透,致密层直达基体,因而具有耐磨性;6.微孔是等离子体放电通道,在高温高压下孔内组份发生溶化、熔融、汽化向外喷射类似火山口的形貌。
用途:1.阀金属的强度、耐磨、耐蚀;2.生物医用阀金属合金;3.功能应用,半导体氧化物TiO2。
7.按作用原理表面工程可以分为1.原子沉积:原子在基体上凝聚、生核、长大、成膜,如电镀、PVD、CVD2.颗粒沉积:熔化的液滴或细小的固体颗粒在外力作用下于基体表面凝聚、沉积或烧结形成的表面涂层3.整体覆盖:将涂覆材料于同一时间施加于材料表明4.表面改性:用各种物理、化学等方法处理表面,使之组成、结构发生变化,从而改变性能,如表面热处理、化学热处理8.固体清洁表面类型1.表面弛豫:表面最外层原子与第二层原子之间的距离不同于体内原子间距(缩小或增大;也可以有些原子间距增大,有些减小)2.表面重构:在平行基底的表面上,原子的平移对称性与体内显著不同,原子位置作了较大幅度的调整3.表面偏析:表面原子是从体内分凝出来的外来原子4.表面缺陷:化学吸附:外来原子(超高真空条件下主要是气体)吸附于表面,并以化学键合;化合物:外来原子进入表面,并与表面原子键合形成化合物;台阶:表面不是原子级的平坦,表面原子可以形成台阶结构9.电镀、化学镀的转化膜化学法:氧化处理,磷化处理,铬酸盐处理电化学法:阳极氧化,微弧氧化9.物理气相沉积概念,有哪些方法它是在真空条件下,利用各种物理方法,将镀料汽化,直接沉积到基体表面上的方法。
现代表面技术
11-磁四极聚焦透镜;12-静电扫描;13-靶室; 14-密封转动马达;15-滚珠夹具
面上,再经过扫描系统扫描轰击
工件表面。
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离子注入机实物(shíwù)照片
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在离子进入工件表面(biǎomiàn)后,与工件内原子和电 子发生一系列碰撞,这一系列的碰撞包括三个独立的过程: (1)电子碰撞:荷能离子进入工件后,与工件内围绕原子核 运动的电子或原子间运动的电子非弹性碰撞。其结果,可 能引起离子激发原子中的电子或原子获得电子、电离或X射 线发射等。 (2)核碰撞:荷能离子与工件原子核弹性碰撞(又称核阻止), 碰撞的结果是使工件中产生的离子大角度散射和晶体中产 生辐射损伤等。 (3)离子与工件内原子作电荷交换:碰撞会损失离子自身能
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喷丸强化不仅用于汽车工业领域的弹簧、连杆、曲轴、齿轮、 摇臂、凸轮轴等承受交变(jiāo biàn)载荷的部件,还广泛用于其他 工业领域。如喷丸强化可以提高电镀零件的疲劳强度和结合力;各 种合金钢经过任何一种电镀处理后,一般均会导致疲劳强度下降10 %~60 % ,而喷丸强化则可有效提高疲劳强度, 同时还可以增加电 镀层的结合力, 防止起泡。
腐蚀与防护理论
表面涂镀层
表面摩擦与磨损理论 成分结构设计
表面界面理论
表面复合
表面强化与失效理论 表面结合与复合理论
功能膜层设计 表面涂镀层
的选择和应用设计
多层表面与界面结合 施工设计
表面膜层的电迁移 设备设计
低维材料结构理论 车间生产线的设计
表面涂镀层的材料 加工技术
表面分析与检测 试验方法与标准 表面质量的评估
表面层特性及其综合利用 ’ 表面层材料及加工技术 表面层标准及检验 表面界面维修与再造 表面质量与工艺过程控制 表面工程管理与经济分析
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J I A N G S U U N I V E R S I T Y 论文题目:表面工程技术的发展及作用学院:材料科学与工程学院班级:复合材料1202学号:**********姓名:**表面工程技术的发展及应用摘要:表面工程技术是20世纪80年代世界十项关键技术之一。
简要回顾了表面工程的发展历程,概述了热喷涂技术、激光表面工程技术、堆焊表面工程技术及其它表面工程技术的特点、应用范围、研究现状和发展中存在的问题。
表面工程技术在国民经济和社会发展中的作用以及未来面临的问题。
关键词:表面工程技术,发展,作用,展望0.引言世界上任何物体都有表面,无论生活用品、生产设备、航空航天装置、军事装备、高科技器件等都离不开表面。
高耸云空的电视塔表面、浸入海水的钻探机械表面、埋入地下的各种管道表面,都必须进行表面预防腐蚀保护;破土开山的挖掘机铲斗表面必须进行防磨损强化处理;录音机磁带表面;因为有了钴—磷或钴镍磁性镀层,才能反复奏出美妙的音乐;氟树脂涂于锅体内表面而成为不粘锅;飞机因为表面有吸收雷达波的涂层而能隐身;计算机更离不开大量薄膜、涂层等表面工程技术的支撑。
表面工程形成一门独立的学科虽然只是近20年的事,但其发展之快、涉及范围之广、对人们生产生活影响之大是当初大多数人所始料未及的。
以1983年表面工程的概念被首次提出、1986 年国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联合会、1987年中国机械工程学会表面工程研究所成立、1988 年《表面工程》杂志创刊为标志,表面工程在我国迅速发展,表面工程已经发展成为横跨材料学、摩擦学、物理学、化学界面力学和表面力学、材料失效与防护、金属热处理学、焊接学、腐蚀与防护学、光电子学等学科的边缘性、综合性、复合型学科。
表面工程具有学科的综合性,手段的多样性广泛的功能性,潜在的创新性、环境的保护性,很强的实用性和巨大的增效性,因而受到各行各业的重视。
其产生的经济效益更是令人瞩目。
目前,我国技术门类齐全,部分表面技术的设备、料和工艺已达到了国际先进水平。
据不完全统计,仅我国自第 6个五年计划以来,通过表面工程在设备维修领域和制造领域推广应用已取得了几百亿元的经济效益。
1.表面工程的发展历程表面工程是指经表面预处理后,通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理,改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态,以获得所需表面性能的系统工程[1]。
现代化工业的发展对设备与零部件表面性能的要求越来越高,特别是在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质等条件下,零部件材料的破坏往往自表面开始,如磨损、腐蚀、高温氧化等,表面的局部损坏又往往造成整个零件失效,最终导致设备停产。
因此,改善材料的表面性能,能有效地延长其使用寿命。
许多国家都致力研究各种提高零件表面性能的新技术、新工艺,开发出大批实月、先进、高效的表面工程技术,并通过与微电子及计算机控制技术相结合使表面工程技术的装备水平大大提高。
许多表面工程技术不仅成为现代制造业中的重要工艺,而且在设备的技术改造和维修方面发挥了重要作用。
一些国内外知名专家预言,表面工程将成为主导21世纪工业发展的关键技术之一表面工程技术的应用和发展促进了各种新型表面工程材料的发展,对各种表面功能性薄膜加工的需要又促进了各种表面加工技术的发展。
为了从根本上弄清材料表面的失效机制以及研究表面膜层的性能,在有关学科理论的基础上,通过对材料表面物理、化学特性和表面检测技术的研究,逐步形成了与其它学科密切相关的表面工程基础理论。
表面工程的最大优势是能够以多种方法制备出性能优于基体材料的表面功能性薄膜,其厚度一般为几微米到几毫米,仅为结构尺寸的几百分之一到几十分之一,却使零件具有了比基体材料更高的耐磨性,抗腐蚀性和耐高温等性能[2]。
因此,即使采用性能优异的贵重、稀有元素,也不会显著提高成本,采用表面工程技术的经济效益和社会效益是难以估量的。
表面工程学科发展的重要标志是1983年英国伯明翰大学沃福森表面工程研究所的建立和1985年《表面工程》国际刊物的出版[3]。
十几年来,表面工程在中国的发展异常迅速,中国机械工程学会于1987年建立了学会性质的表面工程研究所,1988年出版了第一本中国的《表面工程》期刊并连续出版至今,1993年成立了中国机械工程学会表面工程分会。
在国内召开了多次国际或全国性的表面工程学术会议.我国表面工程的研究与应用多从维修人手并逐步扩展到新设备与新产品的设计和制造。
自第六个五年计划以来,通过在设备维修与制造领域的推广应用,表面工程已取得了几百亿元的经济效益。
在国家的节能节材“九五”规划中建议将发展表面工程作为重大措施之一,并列为节能、节材示范项目[4]。
材料表面改性作为传统材料性能优化的基础研究也被列人国家自然科学基金“九五”优先资助领域[5]。
2.几种具体表面工程技术表面工程技术多达几十类,有热喷涂技术、激光表面工程技术、堆焊表面工程技术还包括传统的表面工程技术如电镀、刷镀、化学镀、涂装、粘结、喷丸强化等和20世纪60年代以后发展的等离子弧表面处理、电子束表面处理、离子注入、物理气相沉积、化学气相沉积、离子束合成薄膜技术等。
各种表面工程技术都有各自的优缺点,如利用气态物质在固体表面发生化学反应来生成固态沉积物的化学气相沉积技术,可以用来制备玻璃态薄膜、结晶薄膜和纯金属薄膜、合金膜及金属间化合物薄膜,其沉积层质密均匀且与基体结合强度高,设备和操作也简单,但主要缺点是沉积温度高,通常在700-1000℃,限制了许多材料的应用;再如离子注入技术,优点是几乎所有可电离的元素都可用来注入材料表面,可获得各种过饱和的固溶层、非晶态和某些化合物层,有效增加表面硬度,但往往对材料表面造成辐射损伤,设备也较复杂[6]。
2.1热喷涂[7,8]2.1.1热喷涂的定义热喷涂是一种重要的表面工程技术,通过在普通材料的表面喷涂保护层、强化层和装饰层,来实现耐磨、耐蚀、耐高温、绝缘、导光的功能特性。
近20年来发展迅速,由早期制备一般的装饰性和防护性涂层发展到各种功能性涂层,由产品的维修发展到大批量的产品制造;由单一涂层发展到包括产品失效分析、表面预处理、喷涂材料和设备的选择、涂层后加工的热喷涂系统工程。
其应用领域从宇航业开始,迅速发展到各民用工业部门。
热喷涂所用热源从电弧到等离子体、激光、电子束等,其喷涂粒子飞行速度从最初的几十m/s提高到1000m/s(爆炸喷涂),在我国“六五”、“七五”、“八五”期间连续被列为重点推广项目。
热喷涂技术有许多工艺方法,目前应用比较广泛的主要有火焰喷涂(丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂)、等离子喷涂和电弧喷涂,其所占市场份额见表1。
由于电弧性能不断改善,电弧喷涂在20世纪80年代再次兴起其原理是通过送丝装置将两根丝状金属喷涂材料送进喷极中两导电嘴内,作为阴、阳极,利用其接触短路生成电弧,熔化丝材,并用压缩空气雾化喷射到工件表面形成致密结合层。
由于用电能作为能源,在节能和经济方面都优于其它喷涂方法,喷涂效率高,涂层结合强度高,对于恶劣环境下的工件防腐,如煤矿井筒、水冷壁十分有效,用电弧喷涂Cr13修复造纸烘缸既耐磨又耐蚀。
目前我国的研究主要集中在封闭式电弧喷枪、推丝式送丝机构、平特性电源、药芯丝材喷涂材料等方面,国际上已研究高速射流电弧喷涂技术。
喷涂粒子的飞行速度对涂层的质量有很大影响。
近年来,国际上喷涂技术正向高能高速方向发展,以超音速火焰喷涂和超音速等离子弧喷涂为代表。
文献[9]指出:超音速火焰喷涂尤其适用金属合金及有粘结相的碳化物粉末涂层,而超音速等离子弧喷涂对高熔点材料陶瓷粉末最具优势。
塑料粉末喷涂是新兴技术。
由于塑料喷涂的不断完善及新型塑料粉末品种出现,20世纪70年代才得以在生产中应用,在防腐、装饰方面尤有优势。
塑料涂层具有良好化学稳定性、良好的耐蚀性:(酸碱及有机液)、吸震性、重量轻等优点。
塑料粉末火焰喷涂原理是用压缩空气将塑料粉末通过喷枪中心管道喷出,在塑料粉末外因喷枪中冷却压缩空气在最外层,为可燃气体火焰,通过空气层来加热塑料粉末至熔融状态,其要点在于粉末加热程度的控制。
美国和德国已生产出不预热可直接喷涂EVA的特殊塑料粉末。
我国尚处于开始阶段,装甲兵工程学院、北京新迪表面技术工程公司现已开发出了塑料喷涂装置。
对等离子弧喷涂机理的最新研究表明:粒子的温度是影响喷涂层结合的主要原因,等离子电弧功率的提高不能有效增加粒子温度。
低速等离子弧喷涂通过延长粒子加热时间获得高硬度涂层,已经试验证明。
喷焊在范畴上也属于热喷涂,是在喷涂层的基础上,加热保温使涂层与基体形成冶金结合,大致可分为火焰喷焊与等离子弧喷焊两类。
等离子弧喷焊涂层的形成与随后的加热是同时发生的,火焰喷焊通常是先形成涂层,然后再用火焰加热涂层,又称其为“重熔”处理。
经喷焊涂层与基体形成的是牢固的冶金结合,对高温下承受热冲击的热模具处理尤为适用。
热喷涂的具体应用可参见文献[10]。
2.1.2热喷涂的具体应用大型钢铁结构件的防护长期暴露在海洋环境中的大型钢铁构件,如钢结构桥、海上钻井平台、舰船的钢结构等会受到不同程度的腐蚀和侵蚀。
由于锌、铝、锌-铝涂层的电极电位均负于钢铁,故对钢铁结构能起到阴极保护作用。
热喷涂此类涂层作为钢铁构件的防护始于 20 世纪 20 年代[11]。
目前,在欧洲、美国、日本等发达国家仍广泛用其作为钢铁结构件长效防腐的方法[12-14]。
我国应用这种技术约有半个多世纪,例如 1964 年喷涂锌防护淮河蒋坝三河闸63 孔闸门[15]。
迄今为止,已在水工闸门、船体、海洋平台钢结构、码头钢管桩、桥塔、钢箱梁等结构中应用。
根据实际工程情况,通常将锌、铝或锌-铝防护层与封孔防锈层和防老化面漆层结合,形成多层防护体系,目前已获得较好的防护效果[16-17]。
与国外相比,我国利用锌、铝涂层的防腐蚀技术起步较晚,应用比例也远低于发达国家,还有待于进一步推广应用。
此外,相关的防护标准与评价方法也有待进一步完善。
2.2堆焊技术区别于其它表面工程技术,堆焊在使基体表面获得耐磨性能的同时,覆层材料与基体间形成牢固的冶金结合,因此,在一些要求表面不仅具有抗磨、抗蚀等性能而且还需承受强载荷作用的条件下,堆焊具有绝对优势,如冶金设备的轧辊等。
堆焊广泛应用于冶金、航空、机械等行业旧工件的修复和新产品的制造上,目前我国以修复为主。
2.2.1堆焊方法各国从20世纪50、60年代就开始发展各种各样的堆焊方法,基本上每种熔焊方法都可用于堆焊,应从:1焊件的尺寸和形状、2堆焊材料的化学组分、3合金化对母材性能的影响、4表面变形修整、5操作的费用等5个方面来具体考虑堆焊工艺方法。
采用每种堆焊方法都希望获得尽可能小的稀释率、好的堆焊层质量和经济效益,近年来堆焊工艺方法也都是围绕“优质、高效、低稀释率”来进行[18]的。