材料表面技术16

1.表面技术概念：广义：是直接与各种表面现象或过程有关的，是能为人类造福或被人类利用的技术；通过物理、化学或机械以及复合方法，使金属表面具有与基体不同的组织结构、化学成分和物理状态，从而赋予表面与基体不同的性能；通过物理、化学或机械以及复合方法，使金属表面具有与基体不同的组织结构、化学成分和物理状态，从而赋予表面与基体不同的性能；2.按照作用原理分类（matton分类）：（1）原子沉积：以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度沉积在基体表面上，如电镀，化学镀，PVD，CVD等；（2）颗粒沉积：以宏观尺度形态在基体上形成覆盖层，如热喷涂，冷喷涂，或搪瓷涂层；（3）整体覆盖：沉积材料同一时间整体涂覆在基体上，如热浸镀，涂装，堆焊和包箔等；（4）表面改性：用物理、化学、机械等方法改变材料表面形貌，化学成分，组织结构和应力状态灯，如喷丸，喷砂，化学热处理；3.基体表面预处理：概念：用物理、化学方法除去基体表面的油污，氧化皮及其它污染物，使基体表面呈现出一定的粗糙度和清洁度；前处理包括：（1）表面整平：使表面平整，光滑，达到要求的粗糙度，抛光，磨光，滚光；（2）除油（脱脂）：有机除油，化学法，电化学法；（3）除锈（酸洗）：化学、电化学；（4）弱腐蚀（活化）：电镀、化学镀，除去表面钝化膜，露出新鲜晶格组织稀酸稀碱中处理；4.喷砂：定义：利用压缩空气把磨料高速喷到零件表面，对其清理的方法。

钢砂，石英砂，氧化铝，碳化硅；应用范围：（1）可清除热处理件（锻件、铸件）表面氧化皮，型砂；（2）可除去工件表面毛刺，锈蚀，油污；（3）对于不宜用酸洗除氧化皮工件，可用喷砂代替；（4）对于某些表面技术，如热喷涂，涂装，可用喷砂产生一定粗糙度，产生“锚固效应”；喷丸：与喷砂原理和设备类似，只是采用的磨料不同，应用范围：①是零件产生压应力，从而提高零件的疲劳强度和抗应力及抗腐蚀能力。

②代替一般冷热成型工艺，可对大型薄壁铝制零件进行成型加工，这样可避免零件表面残留的张应力而形成有利的压应力。

③对扭曲的薄壁零件进行校正，经喷丸后的零件使用温度不能太高，以防消除喷丸产生的压应力，使用温度范围因材料而定，一般钢铁件为260-290℃，铝零件为170℃。

5.覆盖能力：使工件最凹处沉积上金属的能力；均镀（分散）能力：使金属镀层厚度均匀分布的能力；分散能力好，深度能力肯定好；深度能力好，均镀能力不一定好；电流效率：电极上实际析出（溶解）物质的质量与理论计算得到的析出（溶解）物质的质量的比；6.电镀：指在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，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；使电镀分散能力强措施：工件形状越简单越好，加入络合剂，提高溶液导电性，加入导电盐，离阳极距离远一些，可以使镀层分散能力更好；7.阴极极化：当电流通过电极时，电极电位会偏离平衡电极电位，随电流密度增加电极电位不断变负，即阴极极化；电化学极化：由于阴极上电化学反应速度小于外电源供给电极电子的速度，从而使电极电位向负的方向移动而引起的极化作用；浓差极化：由于邻近电极表面液层的浓度与溶液主体的浓度发生差异而产生的极化，这是由于溶液中离子扩散速度小于电子运动速度造成的。

8.电刷镀：应用电化学沉积的原理，在导电零件需要制备涂层的表面上，快速沉积金属镀层的表面技术；它是电镀技术的特殊形式，又称为涂镀，无槽电镀，选择性电镀，擦镀等；过程：阳极通过包套与工件刷镀表面接触，使用很大的电流密度（约槽镀5-10倍）和金属含量高于普通镀液的专用镀液，使阳极和工件刷镀表面发生相对运动。

特点：（1）电刷镀层具有良好的力学性能和物理化学性能，镀层与基体结合强度高；（2）镀层厚度可精确控制；（3）温度低，作业中，温度≤70℃，不会引起工件变形、表面金相组织的变化和产生残余应力等；（4）工艺灵活，适应范围广，可以实现不解体刷镀和现场刷镀作业；（5）生产效率高，沉积速度一般是槽镀的5-20倍，而且辅助时间少，生产周期短；（6）对环境污染小；（7）劳动强度大，适合于单件或小批量生产；基本原理：直流电源的负极通过电缆线与经表面处理的工件联接；正极通过电缆线与镀笔连接。

镀笔前端的仿形阳极用棉花包套包裹，施镀时与工件表面轻轻接触，含有欲镀金属离子的电刷镀专用镀液不断地供送到阳极和工件刷镀表面之间，在电场作用下，镀液中的金属离子定向迁移到工件表面，在工件表面获得电子还原形成金属原子，还原的金属原子在工件表面上形成镀层。

9.表面涂覆技术与表面改性技术：表面涂覆技术：指采用表面技术，在零部件或工件表面涂覆一层或多层表面层而形成的技术；表面改性技术：运用现代技术改变材料表面、亚表面的成分，改变材料结构和性能的处理技术；10.复合镀：将固体微粒均匀分散在镀液中，在搅拌作用下，通过化学或电化学作用将微粒与基质金属共沉积到工件上，形成复合镀层；实现润湿分散的方法：机械式搅拌，压缩气体，超声搅拌等；特点：①复层厚度非常均匀，化学镀液的分散能力接近100%，无明显的边缘效应，几乎是基材形状的辅助，因此特别适合与形状复杂的工件、腔体件、深孔件、盲孔件、管件内壁等表面的施镀，镀层厚度易于控制，表面光洁平整，一般不需要镀后加工，适宜做加工件超差的修复及选择性施镀。

②通过敏华、活化等前处理，化学镀可以在非金属表面上进行，而电镀法只能在导体表面进行，所以化学镀工艺是非金属表面金属化的常用方法，也是非导体材料做导电底层的方法。

3工艺设备简单不需要电源、输电设备及辅助电极，操作时只需把工件正确的悬挂在镀液中即可。

④化学镀是靠基材自催化活性而起镀的，因此其结合力一般优于电镀。

镀层有光亮或半光亮的外观，晶粒细小致密，孔隙率低，某些化学镀层还具有特殊的物理化学性能。

⑤化学镀品种远少于电镀，而且成本比电镀高。

11.化学镀：指在没有外电流通过的情况下，利用化学方法使溶液中的金属离子还原为金属并沉积在基体表面，形成镀层的一种表面加工技术。

与电镀区别：电镀：指在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，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；化学镀无需通电，采用化学方法使金属离子还原为金属；化学镀原理（原子氢态理论）：对镀件表面的催化作用使次磷酸根分解析出初生态原子氢，部分原子氢在镀件表面遇到金属离子使其还原为金属，部分原子氢与次磷酸根离子反应，生成的磷与金属反应生成金属磷化物，部分原子态氢结合在一起就形成氢气；H2PO2-+H2O→HPO3-+2H+H+Ni2++2H→Ni+2H+H2PO2-+H→H2O+OH-+P3P+Ni→NiP32H→H2↑12. 化学转化膜技术：金属或镀层金属表层原子与水溶液介质中的阴离子相互反应，在金属表面形成含有自身成分附着性好的化合物膜；发蓝（钢的化学氧化）：指钢铁在含有氧化剂的溶液中进行处理，使其表面生成一层均匀的蓝黑到黑色膜层的过程；13.磷化：把金属放入磷酸盐（Zn，Mn，Fe等）溶液中，表面生成一层难溶的磷化盐膜；磷化机理：Me(H2PO4)2→MeHPO4↓+H3PO4MeHPO4→M3(PO4)2↓+H3PO4Fe+H3PO4→Fe3(PO4)2↓+H2↑14.钝化（络酸盐处理）：把金属或金属镀层放入含有某些添加剂的络酸或络酸盐溶液中，通过化学或电化学的方法使金属表面生成由三价络和六价络组成的络酸盐膜的方法；组成与结构：（1）主要由Cr3+，Cr6+的化合物，以及基体金属或镀层金属的铬酸盐组成；（2）Cr3+不溶性化合物构成膜的骨架，使膜具有一定的厚度，由于它本身具有较高的稳定性，因而使膜具有良好的强度；Cr6+化合物以夹杂形式或由于被吸附或化学键的作用，分散在膜的内部起填充作用；当膜收到轻度损伤时，可溶性的六价铬化合物能使该处再次钝化；15.铝及其合金氧化膜的性质及用途：（1）氧化膜机构的多孔性。

孔隙率决定于电解液的类型和氧化的工艺条件，多孔结构可使膜层对各种有机物、树脂、地蜡、无机物、染料等有很好的吸附性；（2）氧化膜的耐磨性。

具有很高的硬度，当膜层吸附润滑剂后，能进一步提高其耐磨性；（3）氧化膜的耐蚀性。

在大气中很稳定，耐蚀能力与膜层厚度、组成、空隙率、基体材料的成分以及结构的完整性有关；（4）氧化膜的电绝缘性。

可以用作电解电容器的电介质层或电器制品的绝缘层；（5）氧化膜的绝热性。

稳定性可达1500℃，瞬间高温工作的工件，有铝膜存在可防止铝氧化；（6）氧化膜的结合力。

阳极氧化膜与基体的结合力很强，很难用机械方法分开；16.热喷涂：利用某种热源，如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属或非金属涂层材料加热到熔融或半熔融态，然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化，并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面，与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖层的一种技术；气相沉积技术：利用气相中发生的物理、化学过程，在固体材料表面形成功能性或装饰性的金属、非金属或化合物覆盖层的工艺。

涂层的结构特点：（1）层状结构；（2）性能具有方向性；（3）4%-20%孔隙率、氧化物和夹杂；（4）经过处理后，结构会变化；涂层的结合机理：（1）涂层与基体（结合力）；（2）涂层内部（内聚力）；a、机械结合，碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒和凹凸不平的表面相互结合，以颗粒的机械联锁而形成的结合（锚固效应）；b、冶金-化学结合，这是涂层的基体表面产生冶金反应（“喷焊”-自熔性合金粉末）；c、物理结合，颗粒与基体表面间由范德华力或次价键形成的结合；热喷涂特点：（1）适用范围广；（2）工艺灵活；（3）喷涂厚度可调范围大；（4）生产效率高（5-10kg/h）；（5）工件受热程度可控；17.热喷涂表面处理：表面净化→表面预加工→表面粗化→打底（喷涂结合底层）；（1）表面净化：除油，酸洗，清洗等；（注意：疏松表面（铸件）脱脂）；（2）表面预加工：预留出涂层的厚度（车削或磨削）；（3）表面粗化：喷砂；机械加工法（车螺纹，滚花，磨削）；化学腐蚀法；电弧法（电拉毛）；（4）喷涂打底层：喷的金属或合金涂层要有自粘结性，尤其是主题是金属，工作层是陶瓷材料的；18.热喷涂材料：线材：（1）碳钢及低合金钢丝：85优质碳钢钢丝，T8A工具钢丝；（2）不锈钢丝：马氏体钢丝（强度硬度高，对耐蚀性要求不高的场合）；奥氏体钢丝（主要用于耐蚀场合）；（3）铝丝：组要用于防护，抗高温氧化；（4）锌丝：耐大气、淡水、海水构件的腐蚀；（5）钼丝：不氢脆，用于氢气中或真空条件小高压化境，自粘性好，可用于打底做中间层；（6）锡丝：食品器具的防护，增加可焊性；摩擦系数小，导电性好，主要用于曲轴、轴承等耐磨；（7）铅及铅合金丝：纯铅防辐射，主要用于工业防辐射涂层；加入Cu可用于耐蚀，减磨；（8）铜及铜合金丝：可用于导电涂层；铝青铜耐海水腐蚀；（9）镍及镍合金丝：用于耐蚀（硝酸、铬酸除外）；粉末：（1）金属及合金粉末：a、喷涂粉末：不需要熔融，打底层与工作层；b、喷焊粉末：自粘性粉末，加入B,Si等脱氧元素；（2）陶瓷粉末：19.火焰喷涂技术：是以氧-燃料气体火焰作为热源，将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态，并以高速喷射到经过预处理的基体表面上，从而形成具有一定性能涂层的工艺；原理：丝材火焰喷涂：喷枪通过气阀分别引入乙炔、氧气和压缩空气，乙炔好氧气混合后在喷嘴出口处产生燃烧火焰。