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表面改性技术-表面热处理
表面热处理通过提高材料表面的 硬度，有效降低摩擦系数，从而
提高工件的耐磨性。
氧化层的形成
在表面热处理过程中，材料表面 会形成一层致密的氧化层，有助
于提高耐磨性。
抗疲劳性能的改善
通过表面热处理，工件的抗疲劳 性能得到显著改善，从而延长工
件的使用寿命。
表面热处理对工件疲劳强度的影响
表面质量的改善
01
表面热处理可以改善工件表面的粗糙度，降低应力集中效应，
表面改性技术的发展趋势
01
02
03
高能束表面改性
利用激光、等离子体等高 能束技术进行表面改性， 具有高效、环保等优点。
复合表面改性
结合多种表面改性技术进 行复合处理，以提高材料 表面的综合性能。
智能化表面改性
利用计算机技术实现表面 改性的智能化控制和优化， 提高表面改性的效率和效 果。
02
表面热处理技术
目的
表面改性的目的在于提高材料的耐腐蚀性、耐磨性、装饰性和使用寿命，以满 足各种工程应用的需求。
表面改性技术的分类
物理表面改性
利用物理方法改变材料表面的结 构和性质，如离子注入、激光熔
覆等。
化学表面改性
通过化学反应改变材料表面的组成 和性质，如氧化、还原、化学镀等。
机械表面改性
利用机械力对材料表面进行加工处 理，如喷丸强化、滚压加工等。
• 处理过程简单，成本较低。
表面热处理技术的优缺点
01
缺点
02
可能引起材料内部结构变化，影响材料整体性能。
03
对处理设备和环境要求较高，需要严格控制加热温 度和时间。
03
表面热处理技术的方法
火焰喷涂
火焰喷涂是一种传统的表面处理技术， 通过将熔融的金属雾化成微粒，并利 用火焰将微粒喷射到基材表面形成涂 层。
提高工件的耐磨性。
氧化层的形成
在表面热处理过程中，材料表面 会形成一层致密的氧化层，有助
于提高耐磨性。
抗疲劳性能的改善
通过表面热处理，工件的抗疲劳 性能得到显著改善，从而延长工
件的使用寿命。
表面热处理对工件疲劳强度的影响
表面质量的改善
01
表面热处理可以改善工件表面的粗糙度，降低应力集中效应，
表面改性技术的发展趋势
01
02
03
高能束表面改性
利用激光、等离子体等高 能束技术进行表面改性， 具有高效、环保等优点。
复合表面改性
结合多种表面改性技术进 行复合处理，以提高材料 表面的综合性能。
智能化表面改性
利用计算机技术实现表面 改性的智能化控制和优化， 提高表面改性的效率和效 果。
02
表面热处理技术
目的
表面改性的目的在于提高材料的耐腐蚀性、耐磨性、装饰性和使用寿命，以满 足各种工程应用的需求。
表面改性技术的分类
物理表面改性
利用物理方法改变材料表面的结 构和性质，如离子注入、激光熔
覆等。
化学表面改性
通过化学反应改变材料表面的组成 和性质，如氧化、还原、化学镀等。
机械表面改性
利用机械力对材料表面进行加工处 理，如喷丸强化、滚压加工等。
• 处理过程简单，成本较低。
表面热处理技术的优缺点
01
缺点
02
可能引起材料内部结构变化，影响材料整体性能。
03
对处理设备和环境要求较高，需要严格控制加热温 度和时间。
03
表面热处理技术的方法
火焰喷涂
火焰喷涂是一种传统的表面处理技术， 通过将熔融的金属雾化成微粒，并利 用火焰将微粒喷射到基材表面形成涂 层。
表面工程技术ppt课件.ppt
常用的喷涂材料有很多根据需要来设计。
材料的形式主要有：粉末（HVOF、等离子、 爆炸喷涂、火焰喷涂等），线材（火焰喷 涂、电弧喷涂）
材料成分主要有：金属、非金属、陶瓷、 碳化物、自熔合金、复合粉末等
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
（3）金属陶瓷
主要是一些碳化物如WC、SiC、BC这 些材料喷涂时防止分解。一般用金属 作 “胶粘剂” 制成金属陶瓷粉末。如 WC-Co系Cr3C2-NiCr系，具有优良的耐 磨、耐蚀性能。
（4）自粘性喷涂粉末（自熔合金）
如镍包铝、铝包镍等。可以提高涂层 与基体结合强度。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
各种喷涂方法简介
工艺品：提高耐蚀性和美观性。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
1.2表面工程技术分类
1、表面改性技术：通过改变基质材料成分， 达到改善性能的目的。如：渗氮、渗碳处 理。
2、表面处理：不改变材质成分，只改变基 质材料的组织结构及应力，以改善性能。 如：表面淬火，喷丸辊压等。
结合强度 8-20 12-25 可达
>70 60~77
材料表面改性技术
离子渗氮
离子渗氮法是由德国人B. Berghaus于1932年发明的。 原理：在0.1~10Torr的含氮气氛中，以炉体为阳极，被处理工件为阴极， 在阴阳极间加上数百伏的直流电压，由于辉光放电现象便会产生象霓虹 灯一样的柔光覆盖在被处理工件的表面。此时，已离化了的气体成分被 电场加速，撞击被处理工件表面而使其加热。同时依靠溅射及离子化作 用等进行氮化处理。
3、喷丸表面质量及影响因素
（1）喷丸表层的塑性变形和组织变化
金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性变形，表层 位错密度大大增加，而且还会出现亚晶界和晶粒细化现象。喷 丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响，表层组织结构将 产生变化，由喷丸引起的不稳定结构向稳定态转变。
如：渗碳钢表层存在大量残余奥氏体。喷丸后，这些残余奥 氏体转变成马氏体而提高零件的疲劳强度。
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。
• 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。
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
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
离子渗氮法是由德国人B. Berghaus于1932年发明的。 原理：在0.1~10Torr的含氮气氛中，以炉体为阳极，被处理工件为阴极， 在阴阳极间加上数百伏的直流电压，由于辉光放电现象便会产生象霓虹 灯一样的柔光覆盖在被处理工件的表面。此时，已离化了的气体成分被 电场加速，撞击被处理工件表面而使其加热。同时依靠溅射及离子化作 用等进行氮化处理。
3、喷丸表面质量及影响因素
（1）喷丸表层的塑性变形和组织变化
金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性变形，表层 位错密度大大增加，而且还会出现亚晶界和晶粒细化现象。喷 丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响，表层组织结构将 产生变化，由喷丸引起的不稳定结构向稳定态转变。
如：渗碳钢表层存在大量残余奥氏体。喷丸后，这些残余奥 氏体转变成马氏体而提高零件的疲劳强度。
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。
• 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。
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
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
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
表面改性技术ppt课件
精品课件
图 感应加热表面淬火示意
18
二、 表面热处理强化
（二）火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火是应用氧－乙炔或其他可燃气体对零件表面加热，
随后淬火冷却的工艺。
优点：与感应加热表面淬火等方法相比，具有设备简单，操作灵活，适
用钢种广泛，零件表面清洁、一般无氧化和脱碳、形变小等优点。
缺点：加热温度不易控制，噪音大，劳动条件差，使用混合气体不够安
精品课件
22
三、 金属表面化学热处理
根据渗入元素的不同，化学热处理可分以下几类：
(1)渗碳、渗氮、碳氮共渗。可提高材料表面获得高的
硬度、耐磨性、耐侵蚀磨损性、接触疲劳强度和弯曲 疲劳强度，而心部具有一定强度、塑性、韧性的性能。
(2)渗硼。提高金属表面的硬度、耐磨性和耐蚀性。可
用于钢铁材料、金属陶瓷和某些有色金属材料，如钽 和镍基合金。这种方法成本较高。
在真空中采用连续气相沉积激光技术, 在软的基材表 面获得硬度达2000~4500HV的非晶BN薄层。
精品课件
36
五、 离子注入表面改性
离子注入：将所需的某种元素的原子电离成离 子，在电场中加速后高速轰击工件表面使之注入工 件表面一定深度的真空处理工艺，也属于PVD范围。
（一）离子注入的原理
1、入射离子工件材料与发生相互作用
精品课件
6
一、 金属表面形变强化
精品课件
7
一、 金属表面形变强化
2、表面形变强化原理
在形变硬化层中产生两种变化：
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
形成了高的宏观残余压应力
结果：反抗外力的能力增强，表面 强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强 度提高。
图 感应加热表面淬火示意
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二、 表面热处理强化
（二）火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火是应用氧－乙炔或其他可燃气体对零件表面加热，
随后淬火冷却的工艺。
优点：与感应加热表面淬火等方法相比，具有设备简单，操作灵活，适
用钢种广泛，零件表面清洁、一般无氧化和脱碳、形变小等优点。
缺点：加热温度不易控制，噪音大，劳动条件差，使用混合气体不够安
精品课件
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三、 金属表面化学热处理
根据渗入元素的不同，化学热处理可分以下几类：
(1)渗碳、渗氮、碳氮共渗。可提高材料表面获得高的
硬度、耐磨性、耐侵蚀磨损性、接触疲劳强度和弯曲 疲劳强度，而心部具有一定强度、塑性、韧性的性能。
(2)渗硼。提高金属表面的硬度、耐磨性和耐蚀性。可
用于钢铁材料、金属陶瓷和某些有色金属材料，如钽 和镍基合金。这种方法成本较高。
在真空中采用连续气相沉积激光技术, 在软的基材表 面获得硬度达2000~4500HV的非晶BN薄层。
精品课件
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五、 离子注入表面改性
离子注入：将所需的某种元素的原子电离成离 子，在电场中加速后高速轰击工件表面使之注入工 件表面一定深度的真空处理工艺，也属于PVD范围。
（一）离子注入的原理
1、入射离子工件材料与发生相互作用
精品课件
6
一、 金属表面形变强化
精品课件
7
一、 金属表面形变强化
2、表面形变强化原理
在形变硬化层中产生两种变化：
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
形成了高的宏观残余压应力
结果：反抗外力的能力增强，表面 强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强 度提高。
钛白粉的表面改性PPT课件
❖ 细度 指的是320目（45µm的孔径）的筛子筛分后的剩余
部分，用百分比表示；
CHENLI
3
CHENLI
4
CHENLI
5
与国外的差距
❖ 目前我国TiO2主要靠进口，国产TiO2 主要在小规模、 低档次的型材上使用。国内与国外TiO2的主要差距 表现在 (1)表面包膜质量，(2)稳定性，(3)白度， (4) 粒径方面。另外国产TiO2厂家，由于产地不同，包 膜技术不同，耐候性也有较大差异。 (5)在国 外 TiO2有通用型，超耐久型、抗粉化超耐久型、高光 半耐久多用型、高光耐久多用型，塑料级普通型、 塑料级 耐久型等多种牌号，因此对TiO2 型号的选择 十分重要。 (6)对搪瓷级钛白和冶金、电容器，电焊 条工业用TiO2以及造纸用钛白粉，不能用于塑料异 型材
CHENLI
2
国标
❖ 白度
❖ 消色力 钛白粉与另一种颜料混合后能够得到混合物显示它
本身颜料的能力。一般是同标样比较或用雷诺数来表示：
❖ 105℃挥发物 指的是在105℃下，产品中可以挥发掉的
成分，主要是水分；
❖ 吸油量 100克钛白粉在达到完全润湿时需要用油的
最低量。溶剂涂料和粉末涂料、橡胶、油墨等要求吸油量低， 高PVC的涂料比较喜欢高吸油量的产品
CHENLI
6
CHENLI
7
表面处理的概述
❖ 所谓表面处理是指通过不同的表面处理剂和处 理工艺， 在二氧化钛颜料粒子表面包覆一层或多层 无机物或有机 物的包膜层，以改善二氧化钛固有的 缺陷或改变其颗粒 的表面性质，提高它的耐候性、分 散性等应用性能。
❖ 二氧化钛的表面处理主要是通过 等电点理论和稳定理 论 ，采用沉淀、吸附、离子交换、 共价键和高分子接 枝反应对二氧化钛的表面进行改 性 ，改性结果只涉及 到表面电荷的变化、表面积变 化，以弥补二氧化钛的光 化学活性缺陷，提高二氧化 钛的耐候性、耐久性，提高 它在各种介质中的湿润性 和分散性。
部分，用百分比表示；
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与国外的差距
❖ 目前我国TiO2主要靠进口，国产TiO2 主要在小规模、 低档次的型材上使用。国内与国外TiO2的主要差距 表现在 (1)表面包膜质量，(2)稳定性，(3)白度， (4) 粒径方面。另外国产TiO2厂家，由于产地不同，包 膜技术不同，耐候性也有较大差异。 (5)在国 外 TiO2有通用型，超耐久型、抗粉化超耐久型、高光 半耐久多用型、高光耐久多用型，塑料级普通型、 塑料级 耐久型等多种牌号，因此对TiO2 型号的选择 十分重要。 (6)对搪瓷级钛白和冶金、电容器，电焊 条工业用TiO2以及造纸用钛白粉，不能用于塑料异 型材
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国标
❖ 白度
❖ 消色力 钛白粉与另一种颜料混合后能够得到混合物显示它
本身颜料的能力。一般是同标样比较或用雷诺数来表示：
❖ 105℃挥发物 指的是在105℃下，产品中可以挥发掉的
成分，主要是水分；
❖ 吸油量 100克钛白粉在达到完全润湿时需要用油的
最低量。溶剂涂料和粉末涂料、橡胶、油墨等要求吸油量低， 高PVC的涂料比较喜欢高吸油量的产品
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表面处理的概述
❖ 所谓表面处理是指通过不同的表面处理剂和处 理工艺， 在二氧化钛颜料粒子表面包覆一层或多层 无机物或有机 物的包膜层，以改善二氧化钛固有的 缺陷或改变其颗粒 的表面性质，提高它的耐候性、分 散性等应用性能。
❖ 二氧化钛的表面处理主要是通过 等电点理论和稳定理 论 ，采用沉淀、吸附、离子交换、 共价键和高分子接 枝反应对二氧化钛的表面进行改 性 ，改性结果只涉及 到表面电荷的变化、表面积变 化，以弥补二氧化钛的光 化学活性缺陷，提高二氧化 钛的耐候性、耐久性，提高 它在各种介质中的湿润性 和分散性。
生物医用材料系列6-生物医用材料表面改性
生物医用材料系列6-生 物医用材料表面改性
目录
• 生物医用材料表面改性的重要性 • 生物医用材料表面改性的方法 • 生物医用材料表面改性的应用 • 生物医用材料表面改性的未来发展
01
生物医用材料表面改性的重要性
改善生物相容性
生物相容性是指材料与生物体之间相互作用后产生的适应性 反应。通过表面改性，可以改善生物医用材料与人体组织和 细胞的相容性，降低排异反应和炎症反应，提高材料的生物 安全性。
经过表面改性的牙科种植体可以缩短骨结合时间，提高种植体的稳定性和长期成功 率。
药物载体
药物载体是一种用于输送药物到病变部位的医疗器械。表面改性技术可 以提高药物载体的靶向性和释药性能。
常用的表面改性方法包括化学偶联、物理吸附、涂层技术等，这些技术 可以改变药物载体表面的性质，使其更易于与药物结合并输送到病变部
03
生物医用材料表面改性的应用
人工关节
人工关节置换是一种常见的手术，用于治疗严重的关节疾 病。表面改性技术可以提高人工关节的耐磨性和生物相容 性，减少植入后并发症的发生。
常用的表面改性方法包括涂层技术、离子注入、等离子喷 涂等，这些技术可以改变人工关节表面的物理和化学性质， 提高其与人体组织的相容性。
表面氧化还原反应
通过氧化或还原反应改变 材料表面的化学状态和性 质。
生物化学方法
生物固定化
利用生物分子的特异性结合，将 生物分子或细胞固定在材料表面，
提高材料的生物相容性和功能。
酶固定化
将酶固定在材料表面，利用酶的生 物催化作用改善材料的性能。
生长因子固定化
将生长因子固定在材料表面，促进 细胞生长和组织再生。
新型涂层材料
采用新型涂层材料可以提高表面改性的持久性和稳定性，如采用具有优异耐久性和稳定性的生物活性 涂层材料，这些涂层能够与生物医用材料紧密结合，提高材料的耐久性和稳定性。
目录
• 生物医用材料表面改性的重要性 • 生物医用材料表面改性的方法 • 生物医用材料表面改性的应用 • 生物医用材料表面改性的未来发展
01
生物医用材料表面改性的重要性
改善生物相容性
生物相容性是指材料与生物体之间相互作用后产生的适应性 反应。通过表面改性，可以改善生物医用材料与人体组织和 细胞的相容性，降低排异反应和炎症反应，提高材料的生物 安全性。
经过表面改性的牙科种植体可以缩短骨结合时间，提高种植体的稳定性和长期成功 率。
药物载体
药物载体是一种用于输送药物到病变部位的医疗器械。表面改性技术可 以提高药物载体的靶向性和释药性能。
常用的表面改性方法包括化学偶联、物理吸附、涂层技术等，这些技术 可以改变药物载体表面的性质，使其更易于与药物结合并输送到病变部
03
生物医用材料表面改性的应用
人工关节
人工关节置换是一种常见的手术，用于治疗严重的关节疾 病。表面改性技术可以提高人工关节的耐磨性和生物相容 性，减少植入后并发症的发生。
常用的表面改性方法包括涂层技术、离子注入、等离子喷 涂等，这些技术可以改变人工关节表面的物理和化学性质， 提高其与人体组织的相容性。
表面氧化还原反应
通过氧化或还原反应改变 材料表面的化学状态和性 质。
生物化学方法
生物固定化
利用生物分子的特异性结合，将 生物分子或细胞固定在材料表面，
提高材料的生物相容性和功能。
酶固定化
将酶固定在材料表面，利用酶的生 物催化作用改善材料的性能。
生长因子固定化
将生长因子固定在材料表面，促进 细胞生长和组织再生。
新型涂层材料
采用新型涂层材料可以提高表面改性的持久性和稳定性，如采用具有优异耐久性和稳定性的生物活性 涂层材料，这些涂层能够与生物医用材料紧密结合，提高材料的耐久性和稳定性。
高能束表面改性技术.pptx
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20
激光熔覆工艺示意图
第22页/共47页
21
激光熔覆的应用
激光熔覆在现代工业中已显示出明显的经济效益，应用范 围涉及许多工业领域，主要有以下几个方面。 航空航天工业首先吸取激光熔覆的优点，并将其用于生 产的部门。它不仅用于加工零部件，亦用于修理方面。 1981年美国首先将激光熔覆技术用于强化RB-21侦察轰 炸机的喷气发动机涡轮叶片，在铸造的Ni基合金涡轮叶 片上用2kW C02激光，配合同步送粉技术熔覆一层三元 合金获得成功。由于激光技术先进，热影响区小，产品 质量好、成品率高，而且可省略熔覆后磨削加工，并大 量节约昂贵的硬化材料、经济效益十分显著。
扫描速度太慢，会导致金属表面温度超过熔点，或者加 热深度过深，不能自冷淬火。扫描速度太快，则可能使 表面达不到相变温度。功率密度则受激光器功率和和光 斑尺寸的影响，功率密度太小，表面得不到足够的热量， 不能达到所需的相变温度。
第10页/共47页
9
此外激光加热是依靠光幅射加热，只有一部分激光被 材料表面吸收而转变成热能，另一部分激光则从材料 表面反射。激光波长越短，金属的反射越小；电导率 越高的金属对激光的反射越大；表面粗糙度小反射率 也高。因此在激光表面淬火处理前，为提高金属表面 对激光束的吸收率，一般在工件表面须预置吸收层， 对工件进行预处理，通常叫做“黑化处理”，可使吸 收率大幅提高。
美国AVCO公司采用激光合金化工艺处理了汽车排气阀， 使其耐磨性和抗冲击能力得到提高。在45钢上进行的 TiC-Al203-B4C-Al复合激光合金化，其耐磨性与CrWMn 钢相比，是后者的10倍，用此工艺处理的磨床托板比原 用的CrWMn钢制的托板寿命提高了3～4倍。
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激光熔覆工艺示意图
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激光熔覆的应用
激光熔覆在现代工业中已显示出明显的经济效益，应用范 围涉及许多工业领域，主要有以下几个方面。 航空航天工业首先吸取激光熔覆的优点，并将其用于生 产的部门。它不仅用于加工零部件，亦用于修理方面。 1981年美国首先将激光熔覆技术用于强化RB-21侦察轰 炸机的喷气发动机涡轮叶片，在铸造的Ni基合金涡轮叶 片上用2kW C02激光，配合同步送粉技术熔覆一层三元 合金获得成功。由于激光技术先进，热影响区小，产品 质量好、成品率高，而且可省略熔覆后磨削加工，并大 量节约昂贵的硬化材料、经济效益十分显著。
扫描速度太慢，会导致金属表面温度超过熔点，或者加 热深度过深，不能自冷淬火。扫描速度太快，则可能使 表面达不到相变温度。功率密度则受激光器功率和和光 斑尺寸的影响，功率密度太小，表面得不到足够的热量， 不能达到所需的相变温度。
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此外激光加热是依靠光幅射加热，只有一部分激光被 材料表面吸收而转变成热能，另一部分激光则从材料 表面反射。激光波长越短，金属的反射越小；电导率 越高的金属对激光的反射越大；表面粗糙度小反射率 也高。因此在激光表面淬火处理前，为提高金属表面 对激光束的吸收率，一般在工件表面须预置吸收层， 对工件进行预处理，通常叫做“黑化处理”，可使吸 收率大幅提高。
美国AVCO公司采用激光合金化工艺处理了汽车排气阀， 使其耐磨性和抗冲击能力得到提高。在45钢上进行的 TiC-Al203-B4C-Al复合激光合金化，其耐磨性与CrWMn 钢相比，是后者的10倍，用此工艺处理的磨床托板比原 用的CrWMn钢制的托板寿命提高了3～4倍。
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17
材料表面改性新技术
19
工程材料基础
在钢件表面沉积TiC层 将Ti以挥发性TiCl4形式与气态或蒸气态的 碳氢化合物一起送入高温的真空反应室,用氢 气作为载体气和稀释剂,即会在反应室内钢件 表面上发生化学反应:
TiCl 4 +CH 4 + H 2 → TiC + 4HCl ↑ + H 2 ↑
TiC被沉积在工件的表面.
2
工程材料基础
火焰喷涂是利用气体燃烧火焰的高温将喷 涂材料(金属丝或粉末)熔化,并用压缩空气 流将它以很高的速度喷射到工作表面上,形成 涂层.
粉斗
C2H2 O2
3
工程材料基础
二,涂层结构
热喷涂过程中,最先冲击到工件 表面的颗粒变形为扁平状,与工件表 面凹凸不平处产生机械咬合. 后来的颗粒打在先行颗粒的表面 上也变为扁平状,并产生机械结合, 逐渐堆积成涂层.
8
工程材料基础
10.2 激光束,离子束及电子束技术 激光束,
一,激光束表面合金化
激光束的特点 高的方向性; 高亮度性; 高单色性.
9
工程材料基础
预先通过蒸发,溅射, 涂敷或喷涂的方法在金 属工件表面上附着一层 合金元素表面膜 受到激光束照射时,表 面膜及工件浅表层熔化 并迅速凝固成具有特殊 成分和性能的合金化表 层.
20
工程材料基础
CVD法的主要特点
可沉积各种晶态或非晶态无机薄膜材料; 沉积层纯度高,与基体结合力强; 沉积层致密,气孔少; 均镀性好; 设备及工艺操作较简单; 反应温度较高,1000℃以上,限制了其应用.
21
工程材料基础
二,物理气相沉积
物理气相沉积(Phsical Vapour Deposition) 是气态物质在工件表面直接沉积成固体薄膜的 过程,常称PVD法. PVD有三种基本方法 真空蒸镀 溅射镀膜 离子镀
工程材料基础
在钢件表面沉积TiC层 将Ti以挥发性TiCl4形式与气态或蒸气态的 碳氢化合物一起送入高温的真空反应室,用氢 气作为载体气和稀释剂,即会在反应室内钢件 表面上发生化学反应:
TiCl 4 +CH 4 + H 2 → TiC + 4HCl ↑ + H 2 ↑
TiC被沉积在工件的表面.
2
工程材料基础
火焰喷涂是利用气体燃烧火焰的高温将喷 涂材料(金属丝或粉末)熔化,并用压缩空气 流将它以很高的速度喷射到工作表面上,形成 涂层.
粉斗
C2H2 O2
3
工程材料基础
二,涂层结构
热喷涂过程中,最先冲击到工件 表面的颗粒变形为扁平状,与工件表 面凹凸不平处产生机械咬合. 后来的颗粒打在先行颗粒的表面 上也变为扁平状,并产生机械结合, 逐渐堆积成涂层.
8
工程材料基础
10.2 激光束,离子束及电子束技术 激光束,
一,激光束表面合金化
激光束的特点 高的方向性; 高亮度性; 高单色性.
9
工程材料基础
预先通过蒸发,溅射, 涂敷或喷涂的方法在金 属工件表面上附着一层 合金元素表面膜 受到激光束照射时,表 面膜及工件浅表层熔化 并迅速凝固成具有特殊 成分和性能的合金化表 层.
20
工程材料基础
CVD法的主要特点
可沉积各种晶态或非晶态无机薄膜材料; 沉积层纯度高,与基体结合力强; 沉积层致密,气孔少; 均镀性好; 设备及工艺操作较简单; 反应温度较高,1000℃以上,限制了其应用.
21
工程材料基础
二,物理气相沉积
物理气相沉积(Phsical Vapour Deposition) 是气态物质在工件表面直接沉积成固体薄膜的 过程,常称PVD法. PVD有三种基本方法 真空蒸镀 溅射镀膜 离子镀
材料的表面改性技术
精确控制
激光参数（如功率、扫描速度等）可精确控制， 实现不同深度和宽度的表面改性。
离子束表面改性
01
02
03
离子注入
利用离子束将特定元素注 入材料表面，改变其化学 组成和物理性能。
剂量和能量可控
通过调整离子束的剂量和 能量，可实现不同深度和 分布的表面改性。
适用范围广
离子束表面改性适用于多 种材料，包括金属、陶瓷 和聚合物等。
污水处理
利用表面改性技术，可 以开发高效、低成本的 污水处理材料，提高污 水处理的效率和质量， 保护水资源和环境。
表面改性技术的发展趋势和前景
绿色环保
随着环保意识的提高，未来 表面改性技术的发展将更加 注重环保和可持续性，推动 绿色制造和清洁生产。
多功能化
表面改性技术将向多功能化 方向发展，实现材料表面的 多种功能集成，满足复杂应 用场景的需求。
03
高级阶段
近年来，随着纳米技术和生物技术的飞速发展，表面改性技术不断取得
新的突破，如纳米涂层、生物仿生等技术的出现，为材料表面改性提供
了更多的可能性和选择。
03
物理表面改性技术
激光表面改性
高能量密度
激光束能量密度高，可在材料表面产生瞬间高温， 实现局部快速加热和冷却。
无接触加工
激光加工为非接触式，可避免对材料表面的机械 损伤和污染。
镀层厚度控制
通过调整反应条件，如温度、浓度和时间，可精确控制镀层厚度。
镀层均匀性
化学镀层技术可实现复杂形状工件表面的均匀镀层。
化学气相沉积技术
气相反应
在气态环境中，通过化学反应在材料表面沉积固态物质。
沉积温度
化学气相沉积通常在较高温度下进行，以获得良好的沉积效果。
激光参数（如功率、扫描速度等）可精确控制， 实现不同深度和宽度的表面改性。
离子束表面改性
01
02
03
离子注入
利用离子束将特定元素注 入材料表面，改变其化学 组成和物理性能。
剂量和能量可控
通过调整离子束的剂量和 能量，可实现不同深度和 分布的表面改性。
适用范围广
离子束表面改性适用于多 种材料，包括金属、陶瓷 和聚合物等。
污水处理
利用表面改性技术，可 以开发高效、低成本的 污水处理材料，提高污 水处理的效率和质量， 保护水资源和环境。
表面改性技术的发展趋势和前景
绿色环保
随着环保意识的提高，未来 表面改性技术的发展将更加 注重环保和可持续性，推动 绿色制造和清洁生产。
多功能化
表面改性技术将向多功能化 方向发展，实现材料表面的 多种功能集成，满足复杂应 用场景的需求。
03
高级阶段
近年来，随着纳米技术和生物技术的飞速发展，表面改性技术不断取得
新的突破，如纳米涂层、生物仿生等技术的出现，为材料表面改性提供
了更多的可能性和选择。
03
物理表面改性技术
激光表面改性
高能量密度
激光束能量密度高，可在材料表面产生瞬间高温， 实现局部快速加热和冷却。
无接触加工
激光加工为非接触式，可避免对材料表面的机械 损伤和污染。
镀层厚度控制
通过调整反应条件，如温度、浓度和时间，可精确控制镀层厚度。
镀层均匀性
化学镀层技术可实现复杂形状工件表面的均匀镀层。
化学气相沉积技术
气相反应
在气态环境中，通过化学反应在材料表面沉积固态物质。
沉积温度
化学气相沉积通常在较高温度下进行，以获得良好的沉积效果。
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液体火箭推进剂容器的钛制零部件未喷丸强化时，在
40℃下使用14h就发生应力腐蚀破坏；容器内表面经玻璃珠喷 丸强化后，在同样条件下试验30天还没有产生破坏。
演示课件
二、 表面热处理强化
表面热处理:
指仅对零部件表层加热、冷却，从而改变 表层组织和性能而不改变成分的一种工艺，
是最基本、应用最广泛的材料表面改性技术之一。（包括表 面化学热处理是一个专业——热处理）
演示课件
二、 表面热处理强化
感应加热的物理过程
感应加热主要依据:热传导、电磁感应和集肤效应等基本原理。
图 感应加热表面淬火示意
演示课件
二、 表面热处理强化
电磁感应：线圈通电流
交变磁场
合感应电流即涡流。
工件内部产生闭
金属零件的电阻很小，所以涡电流很大，涡电流产生的热量：
Q=I2Rt
图 感应加热表面淬火示意
度 达 到 9 5 0 ～ 1 2 0 0 Hv； 渗 硼 可 使 金 属 表 面 硬 度 达 到 1 4 0 0 ～ 2000Hv等。因而工件表面具有极高的耐磨性。
结果：反抗外力的能力增强，表面 强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强 度提高。
演示课件
一、 金属表面形变强化
3、喷丸强化的应用实例 20CrMnTi圆辊渗碳淬火回火后进行喷丸处理，残 余压应力为880MPa，寿命从55万次提高到150~180万 次；
40CrNiMo钢调质后再经喷丸处理，残余压应力为 880MPa，寿命从4.6×106次提高到1.04×107次以上；
全，不易获得薄的表面淬火层。
应用：常用于大尺寸和重量大的工件，尤其适用于批量少品种多的零件
或局部区域的表面淬火，如大型齿轮、轴、轧辊和导轨等。
演示课件
三、 金属表面化学热处理
金属表面化学热处理：利用元素扩散性能，使合金元素渗 入金属表层的一种热处理工艺。 (一)金属表面化学热处理过程
其基本工艺过程是：
1、表面形变强化：是通过机械手段在金属表面产生压缩变形， 使表面形成形变硬化层，从而使材料强化。
机械手段： 按压 内挤压 喷丸 滚压
演示课件
一、 金属表面形变强化
演示课件
一、 金属表面形变强化
2、表面形变强化原理
在形变硬化层中产生两种变化： 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 形成了高的宏观残余压应力
演示课件
二、 表面热处理强化
分类:
根据加热方式表面热处理工艺分包括：
感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火 接触电阻加热表面淬火 浴炉加热表面淬火 电解液加热表面淬火 高密度能量的表面淬火 表面保护热处理等
演示课件
二、 表面热处理强化
(一) 感应加热表面淬火
1、感应加热表面处理的基本原理 生产中常用工艺是高频和中频感应加热淬火。近年来又发展 了超音频、双频感应加热淬火工艺。其交流电流频率范围见表 6-9。
铝合金LD2，经喷丸处理后，寿命从1.1×106次提高
到1×108次以上；
演示课件
一、 金属表面形变强化
在质量分数为3％的NaCl水溶液中工作的45钢，经喷丸处
理后，其疲劳强度σ-1从100MPa提高到202MPa；
耐蚀镍基合金鼓风机叶轮在150℃热氮气中运行，六
个月后发生应力腐蚀破坏。经喷丸强化并用玻璃珠去污，运 行了四年都未发生进一步破坏。
首先将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到一定温度，使 活性介质通过分解并释放出欲渗入元素的活性原子； 活性原子被表面吸附并溶入表面； 溶入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层。
结果：改变表层的成分、组织和性能。 演示课件
三、 金属表面化学热处理
(二)金属表面化学热处理的目的
(1) 提高金属表面的强度、硬度和耐磨性。如渗氮可使金属表面硬
第八章 表面改性技术
表面技术提高材料抵御环境作用能力和赋予材料 表面某种功能特性的主要途径 ：施加各种覆盖层和 采用各种表面改性技术。
●表面改性技术
用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的 形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应 力状态，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。
演示课件
举例: 钢热处理
演示课件
第八章 表面改性技术
举例: 钢表面热处理
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，耐腐蚀，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)。
演示课件
第八章 表面改性技术
常用的表面改性技术主要有：
演示课件
二 、 表面热处理强化
强化基本思想:
当工件表面层快速加热时，工件截面上 的温度分布是不均匀的，工件表层温度高 且由表及里逐渐降低。 如果表面的温度超过相变点以上达到奥 氏体状态时，随后的快冷可获得马氏体组 织，而心部仍保留原组织状态。
结果: 得到硬化的表面层，即通过表面层
的相变达到强化工件表面的目的。
演示课件
二、 表面热处理强化
集肤效应：零件表面电流密度最大，电阻的热效应使工件表面被迅速
加热。并且，频率f越大，被加热的表面厚度越小。
演示课件
二、 表面热处理强化
2、 感应加热方式 方式：同时加热和连续加热方式。
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，通电加热到淬 火温度后迅速冷却淬火。此法适用于大批 量生产。 连续加热方式淬火时，零件与感应器 相对移动，使加热和冷却连续进行。适用 于淬硬区较长，设备功率又达不到同时加 热要求的情况。
演示课件
图 感应加热表面淬火示意
二、 表面热处理强化
（二）火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火是应用氧－乙炔或其他可燃气体对零件表面加热，
随后淬火冷却的工艺。
优点：与感应加热表面淬火等方法相比，具有设备简单，操作灵活，适
用钢种广泛，零件表面清洁、一般无氧化和脱碳、形变小等优点。
缺点：加热温度不易控制，噪音大，劳动条件差，使用混合气体不够安
表面形变强化（按压、内挤压和喷丸等） 表面热处理 三束(激光、电子和离子束)表面改性技术 离子注入表面改性 等离子体扩散处理
演示课件
第八章 表面改性技术
一、表面形变强化 二、表面热处理 三、表面化学热处理 四、三束(激光、电子和离子束)表面改性技术 五、离子注入表面改性
演示课件
一、金属表面形变强化
40℃下使用14h就发生应力腐蚀破坏；容器内表面经玻璃珠喷 丸强化后，在同样条件下试验30天还没有产生破坏。
演示课件
二、 表面热处理强化
表面热处理:
指仅对零部件表层加热、冷却，从而改变 表层组织和性能而不改变成分的一种工艺，
是最基本、应用最广泛的材料表面改性技术之一。（包括表 面化学热处理是一个专业——热处理）
演示课件
二、 表面热处理强化
感应加热的物理过程
感应加热主要依据:热传导、电磁感应和集肤效应等基本原理。
图 感应加热表面淬火示意
演示课件
二、 表面热处理强化
电磁感应：线圈通电流
交变磁场
合感应电流即涡流。
工件内部产生闭
金属零件的电阻很小，所以涡电流很大，涡电流产生的热量：
Q=I2Rt
图 感应加热表面淬火示意
度 达 到 9 5 0 ～ 1 2 0 0 Hv； 渗 硼 可 使 金 属 表 面 硬 度 达 到 1 4 0 0 ～ 2000Hv等。因而工件表面具有极高的耐磨性。
结果：反抗外力的能力增强，表面 强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强 度提高。
演示课件
一、 金属表面形变强化
3、喷丸强化的应用实例 20CrMnTi圆辊渗碳淬火回火后进行喷丸处理，残 余压应力为880MPa，寿命从55万次提高到150~180万 次；
40CrNiMo钢调质后再经喷丸处理，残余压应力为 880MPa，寿命从4.6×106次提高到1.04×107次以上；
全，不易获得薄的表面淬火层。
应用：常用于大尺寸和重量大的工件，尤其适用于批量少品种多的零件
或局部区域的表面淬火，如大型齿轮、轴、轧辊和导轨等。
演示课件
三、 金属表面化学热处理
金属表面化学热处理：利用元素扩散性能，使合金元素渗 入金属表层的一种热处理工艺。 (一)金属表面化学热处理过程
其基本工艺过程是：
1、表面形变强化：是通过机械手段在金属表面产生压缩变形， 使表面形成形变硬化层，从而使材料强化。
机械手段： 按压 内挤压 喷丸 滚压
演示课件
一、 金属表面形变强化
演示课件
一、 金属表面形变强化
2、表面形变强化原理
在形变硬化层中产生两种变化： 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 形成了高的宏观残余压应力
演示课件
二、 表面热处理强化
分类:
根据加热方式表面热处理工艺分包括：
感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火 接触电阻加热表面淬火 浴炉加热表面淬火 电解液加热表面淬火 高密度能量的表面淬火 表面保护热处理等
演示课件
二、 表面热处理强化
(一) 感应加热表面淬火
1、感应加热表面处理的基本原理 生产中常用工艺是高频和中频感应加热淬火。近年来又发展 了超音频、双频感应加热淬火工艺。其交流电流频率范围见表 6-9。
铝合金LD2，经喷丸处理后，寿命从1.1×106次提高
到1×108次以上；
演示课件
一、 金属表面形变强化
在质量分数为3％的NaCl水溶液中工作的45钢，经喷丸处
理后，其疲劳强度σ-1从100MPa提高到202MPa；
耐蚀镍基合金鼓风机叶轮在150℃热氮气中运行，六
个月后发生应力腐蚀破坏。经喷丸强化并用玻璃珠去污，运 行了四年都未发生进一步破坏。
首先将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到一定温度，使 活性介质通过分解并释放出欲渗入元素的活性原子； 活性原子被表面吸附并溶入表面； 溶入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层。
结果：改变表层的成分、组织和性能。 演示课件
三、 金属表面化学热处理
(二)金属表面化学热处理的目的
(1) 提高金属表面的强度、硬度和耐磨性。如渗氮可使金属表面硬
第八章 表面改性技术
表面技术提高材料抵御环境作用能力和赋予材料 表面某种功能特性的主要途径 ：施加各种覆盖层和 采用各种表面改性技术。
●表面改性技术
用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的 形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应 力状态，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。
演示课件
举例: 钢热处理
演示课件
第八章 表面改性技术
举例: 钢表面热处理
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，耐腐蚀，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)。
演示课件
第八章 表面改性技术
常用的表面改性技术主要有：
演示课件
二 、 表面热处理强化
强化基本思想:
当工件表面层快速加热时，工件截面上 的温度分布是不均匀的，工件表层温度高 且由表及里逐渐降低。 如果表面的温度超过相变点以上达到奥 氏体状态时，随后的快冷可获得马氏体组 织，而心部仍保留原组织状态。
结果: 得到硬化的表面层，即通过表面层
的相变达到强化工件表面的目的。
演示课件
二、 表面热处理强化
集肤效应：零件表面电流密度最大，电阻的热效应使工件表面被迅速
加热。并且，频率f越大，被加热的表面厚度越小。
演示课件
二、 表面热处理强化
2、 感应加热方式 方式：同时加热和连续加热方式。
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，通电加热到淬 火温度后迅速冷却淬火。此法适用于大批 量生产。 连续加热方式淬火时，零件与感应器 相对移动，使加热和冷却连续进行。适用 于淬硬区较长，设备功率又达不到同时加 热要求的情况。
演示课件
图 感应加热表面淬火示意
二、 表面热处理强化
（二）火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火是应用氧－乙炔或其他可燃气体对零件表面加热，
随后淬火冷却的工艺。
优点：与感应加热表面淬火等方法相比，具有设备简单，操作灵活，适
用钢种广泛，零件表面清洁、一般无氧化和脱碳、形变小等优点。
缺点：加热温度不易控制，噪音大，劳动条件差，使用混合气体不够安
表面形变强化（按压、内挤压和喷丸等） 表面热处理 三束(激光、电子和离子束)表面改性技术 离子注入表面改性 等离子体扩散处理
演示课件
第八章 表面改性技术
一、表面形变强化 二、表面热处理 三、表面化学热处理 四、三束(激光、电子和离子束)表面改性技术 五、离子注入表面改性
演示课件
一、金属表面形变强化