表面改性技术
材料表面改性技术的发展与应用
材料表面改性技术的发展与应用材料表面改性技术是一种通过改变材料表面的物理、化学性质，以改善材料性能和延长使用寿命的技术。
随着科技的不断进步，材料表面改性技术在各个领域得到了广泛的应用和发展。
一、表面改性技术的分类表面改性技术可以分为物理改性和化学改性两大类。
物理改性主要包括喷涂、热处理、离子注入等方法，通过改变材料表面的结构和形貌来提高材料的性能。
化学改性则是利用化学反应改变材料表面的化学组成，如表面涂层、化学沉积等方法。
二、表面改性技术的应用1. 材料防腐蚀在工程领域中，材料的防腐蚀性能是一个重要的考虑因素。
通过表面改性技术，可以在金属材料表面形成一层防腐蚀涂层，有效地防止材料受到腐蚀的侵蚀，延长材料的使用寿命。
例如，电镀技术可以在金属表面形成一层金属薄膜，提高其抗腐蚀性能。
2. 材料表面硬度改善许多材料在表面硬度方面存在一定的缺陷，无法满足特定的使用要求。
通过表面改性技术，可以在材料表面形成一层硬度更高的涂层，提高材料的耐磨性和抗划伤性能。
例如，等离子喷涂技术可以在材料表面形成一层陶瓷涂层，提高材料的硬度和耐磨性。
3. 材料表面功能化改善随着科技的不断发展，对材料的功能要求也越来越高。
通过表面改性技术，可以在材料表面引入特定的功能基团，使材料具有特殊的性能。
例如，化学沉积技术可以在材料表面形成一层具有特定功能的薄膜，如防水、抗菌等。
4. 材料界面改性在材料的界面处，常常存在着一些问题，如界面粘附不良、界面应力集中等。
通过表面改性技术，可以改变材料界面的性质，提高界面的粘附性和耐久性。
例如，等离子表面活化技术可以改善材料界面的粘附性能，提高材料的界面强度。
三、表面改性技术的发展趋势随着科技的不断进步，表面改性技术也在不断发展。
未来，表面改性技术将更加注重环境友好性和高效性。
例如，绿色表面改性技术将成为发展的重点，通过使用环境友好的材料和方法，减少对环境的污染。
同时，表面改性技术也将更加注重实用性和经济性，以满足不同领域的需求。
表面改性技术-表面热处理
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。
材料学中的表面改性技术
材料学中的表面改性技术表面改性技术是材料学领域中的重要研究方向，它通过对材料表面的处理，改变其物理、化学性质，以达到增加材料应用性能的目的。
本文将介绍几种常见的表面改性技术，并探讨其在材料学中的应用。
一、溅射技术溅射技术是利用粒子束轰击材料的表面，使得表面原子或分子被剥离并加速沉积到另一个材料表面上的一种方法。
这种方法不仅可以改变材料的物理性质，如硬度、导电性等，还可以改变其化学性质，如增强表面的化学稳定性、腐蚀抗性等。
溅射技术广泛应用于薄膜制备、电子器件制造等领域。
二、化学气相沉积技术化学气相沉积技术是一种利用化学反应在材料表面沉积薄膜的方法。
常见的化学气相沉积技术包括化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）等。
CVD技术通过气相化学反应在材料表面生成所需的化合物薄膜，而PVD技术则是利用物理方法将材料原子或分子传输到表面形成薄膜。
这些技术可以改变材料的表面形貌、光学性能、磁性等，广泛应用于涂料、光伏等领域。
三、离子注入技术离子注入技术是将高能离子轰击材料表面，使得离子与原子或分子发生碰撞并改变其性质的方法。
离子注入可以改变材料的化学成分、晶体结构、电学性能等，是一种有效的改善材料表面性能的方法。
离子注入技术在半导体、材料改性等领域有着广泛的应用。
四、等离子体处理技术等离子体处理技术是利用由高能粒子或辐射激发产生的等离子体处理材料表面的方法。
等离子体处理技术可以改变材料的表面形貌、化学成分和性能。
例如，等离子体诱导的表面改性可以增强材料的耐磨性、耐腐蚀性，提高其生物相容性等。
等离子体处理技术在航空航天、医疗器械等领域得到了广泛应用。
五、表面涂层技术表面涂层技术是利用一种或多种材料覆盖在材料表面以改变其性质的方法。
常见的表面涂层技术包括喷涂、热喷涂、电镀等。
这些技术可以提高材料的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性等，并且还可以调整其颜色和光学特性。
表面涂层技术广泛应用于汽车、航空航天、家电等领域。
表面改性技术
5
（二）喷丸表面形变强化工艺及应用
1、喷丸材料
铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸、陶瓷丸、聚合塑料丸、液 体喷丸介质 黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷 丸 有色金属和不锈钢件需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。 模具表面处理常用二氧化硅液态喷丸
2、喷丸强化用的设备
按驱动弹丸的方式可分为机械离心式弹丸机和气动式弹丸机两大类。 （1）机械离心式喷丸机 功率小，生产效率高，喷丸质量稳定，但设备制造成本高。 适用于要求喷丸强度高、品种少批量大、形状简单尺寸较大的零部件。
此涡流能将电能变成热能，使工件加热。涡流在被加热工件中的分布 由表面至心部呈指数规律衰减。因此涡流主要分布在工件表面，工件 内部几乎没有电流通过。这种现象叫做表面效应或集肤效应。
感应加热就是利用集肤效应，依靠电流热效应把工件表面迅速加热到 淬火温度的。当工件表面在感应圈内加热到相变温度时，立即喷水或 浸水冷却，实现表面淬火工艺。
⑥ 生产率高，便于实现机械化和自动化；淬火层深度易于控制，适 于批量生产形状简单的机器零件，因此得到广泛的应用。 缺点：设备费用昂贵，不适用于单件生产。
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2. 感应加热表面淬火原理
图 感应加热表面淬火原理图
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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。
得微细的马氏体组织，提高零件的表面硬度和耐磨性，
零件心部未发生相变。
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表面淬火工艺主要有：
感应加热表面淬火、脉冲表面淬火、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及表面保护加热处理等。
材料科学中的表面改性技术
材料科学中的表面改性技术表面改性技术是材料科学中一项重要的技术。
它通过改变材料表面的化学、物理特性来改变其性能。
目前，表面改性技术在国家经济、环保、卫生、医疗、能源和其他应用领域中发挥着越来越重要的作用。
表面改性技术可以分为化学表面改性和物理表面改性两类。
化学表面改性是指通过在表面上化学反应形成一层分子膜，改变其化学性质，从而改变其表面特性和性能的方法。
物理表面改性则是指通过物理方法如激光处理，电子束处理等来改变表面的形态和结构。
在实际应用中，表面改性技术的方法有很多种。
其中最常见的有等离子体表面改性、复合离子束表面改性、离子交换等技术。
等离子体表面改性技术是通过等离子体的作用使表面产生化学反应，形成一层分子膜以改善材料的表面性质。
等离子体表面改性技术在橡胶、塑料、陶瓷、金属等材料的加工过程中，并能有效改善表面的性能。
复合离子束表面改性技术是指将合适的离子束等方法在材料表面强制打入一些异质原子，从而改变其表面的结构、相位和化学性质，改善其特性和性能。
该技术可广泛应用于新材料的开发，在纳米材料、催化材料、涂料和涂层领域中具有广泛的应用前景。
离子交换技术是指通过离子交换树脂或石墨等材料在表面吸附与离子交换，改变材料表面离子分解的能力和酸碱性质，改善其性能的方法。
离子交换技术被广泛应用于环保、通讯和新能源等领域的新型材料的开发和生产过程中。
表面改性技术不仅可以改善材料本身的特性和性能，从而改善其应用的关键技术，而且还有利于新型材料的开发。
同时，表面改性技术在环保、卫生和医疗等领域应用也日益增多。
通过表面改性技术，材料的应用范围将会更加广泛，为社会和人类的发展做出更大的贡献。
总之，表面改性技术作为一项重要技术，不仅在材料科学领域有着广泛的应用前景，还对人类的工业生产和社会发展具有极其重要的意义。
随着新型材料的不断涌现，我们相信表面改性技术在未来的发展中将会有更广泛的应用和发展前景。
表面改性技术
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
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）
集肤效应：零件表面的电流密度最大，电阻的热效应使工件表面被迅速
加热。并，频率f越大，被加热的表面厚度越小。
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。
四、三束表面改性处理
金属表面非晶态处理 纺纱机钢令跑道表面硬度低，易生锈，造成钢令使用 寿命低，纺纱断头率高。用激光非晶化处理后，钢令 跑道表面的硬度提高至1000HV以上，耐磨性提高1.3倍， 纺纱断头率下降75％，经济效益显著。 汽车凸轮轴和柴油机铸钢套外壁经激光表面非晶态 处理后，强度和耐腐蚀性均明显提高。 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。
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。
金属材料的表面改性和涂层技术
金属材料的表面改性和涂层技术金属材料是现代工业中应用广泛的材料之一。
然而，一些金属材料的表面性能可能不够优越，比如容易受腐蚀、磨损、氧化等。
这时，表面改性和涂层技术就非常重要了，它们可以显著提高金属材料的性能和寿命，增加材料的价值。
本文会从表面改性和涂层技术两个方面进行探讨。
一、表面改性技术表面改性是通过对金属表面进行化学、物理或机械处理的方式改变其表面性质，从而提高金属的性能。
下面列举几种常见的表面处理技术。
1、表面氧化技术表面氧化是指利用氧化剂对金属表面进行氧化处理，形成一层氧化膜。
这层氧化膜可以提高金属材料的耐腐蚀性和耐磨损性，同时也可以用于染色、涂覆或印刷等工艺。
表面氧化常用的方法有阳极氧化、化学氧化和等离子氧化等。
2、表面镀层技术表面镀层是将不同金属或非金属物质镀覆在金属表面上，形成一个新的复合材料。
这个新的复合材料可以在原有金属基材的基础上增加一些新的性能，如降低摩擦系数、提高抗磨损性、改善电性能等。
表面镀层常见的有镀铬、镀镍、镀锌、镀铝等。
3、表面强化技术表面强化是通过对金属表面进行机械、热、化学等不同方式的处理，来提高金属材料的强度、硬度和耐磨性等。
表面强化常用的方法有等离子喷涂、火焰喷涂、热处理、冷喷涂等。
二、涂层技术涂层技术是将不同的涂料或材料涂覆在金属表面形成一层薄膜，从而增强材料的性能。
涂层技术可以分为有机涂层和无机涂层两种类型。
1、有机涂层技术有机涂层是指以有机树脂为主体的涂层，其形成机理主要有溶剂挥发、反应固化和辐射固化等方式。
有机涂层具有良好的电绝缘性、防腐性、耐磨性和抗紫外线性能等。
其中，环氧、聚氨酯、丙烯酸等涂料是常用的有机涂料。
2、无机涂层技术无机涂层是指以无机物质为主体的涂层，其形成机理主要有溶液反应和过程固化等方式。
无机涂层具有高强度、高温耐性、防腐性和耐化学腐蚀性等性能。
其中，磷化、阳极氧化、硅酸盐涂层等涂料是常用的无机涂料。
三、结论表面改性技术和涂层技术的应用范围十分广泛，在工业制造、汽车制造、航空航天、电子设备等领域得到了广泛的应用。
涂层表面改性提高材料耐腐蚀性策略
涂层表面改性提高材料耐腐蚀性策略一、涂层表面改性技术概述涂层表面改性技术是一种通过在材料表面施加涂层来提高其耐腐蚀性能的方法。
这种技术广泛应用于各种工业领域，尤其在海洋、化工、航空航天等对材料耐腐蚀性有特殊要求的行业中。
涂层不仅可以提高材料的耐腐蚀性，还能增强其耐磨性、耐高温性等其他性能。
1.1 涂层表面改性技术的核心原理涂层表面改性技术的核心原理是通过在材料表面形成一层保护膜，这层膜可以是金属的、非金属的或者有机的，其目的是隔离材料与腐蚀介质的接触，从而减缓或阻止腐蚀过程的发生。
涂层的保护作用主要体现在以下几个方面：- 物理隔离：涂层形成一层屏障，阻止腐蚀介质如氧气、水分和腐蚀性化学物质与材料基体接触。
- 化学保护：某些涂层材料含有能够与腐蚀介质反应的活性成分，通过化学反应消耗腐蚀介质，减缓腐蚀过程。
- 电化学保护：涂层可以通过形成电化学屏障，改变材料表面的电位，从而抑制腐蚀电池的形成。
1.2 涂层表面改性技术的应用领域涂层表面改性技术的应用领域非常广泛，主要包括以下几个方面：- 海洋工程：海洋环境中的高盐分和微生物活动对材料腐蚀性极强，涂层技术可以有效提高海洋工程结构的耐腐蚀性。
- 化工行业：化工设备经常接触各种腐蚀性化学品，涂层技术可以保护设备免受化学腐蚀。
- 航空航天：航空航天器在极端环境下工作，涂层技术可以提高其结构材料的耐腐蚀性和耐高温性。
二、涂层表面改性技术的种类与发展涂层表面改性技术经过多年的发展，已经形成了多种类型，每种类型都有其独特的性能和应用场景。
2.1 传统涂层技术传统涂层技术主要包括热喷涂、电镀、化学镀等方法。
这些方法通过在材料表面形成一层金属或合金涂层来提高其耐腐蚀性。
虽然这些技术成熟可靠，但存在一些局限性，如涂层与基体的结合力较弱，涂层的均匀性和致密性难以保证。
2.2 高性能涂层技术随着科技的进步，新型高性能涂层技术应运而生，如纳米涂层、复合涂层、自修复涂层等。
这些技术利用纳米材料的独特性能，或者通过复合多种材料来提高涂层的综合性能。
材料表面改性技术进展
材料表面改性技术进展概述材料的表面性能对其整体性能和应用范围有着重要的影响。
为了改善材料的表面性能，提高其耐磨、耐腐蚀、耐高温、防尘、防水等特性，科学家们不断研究和开发各种材料表面改性技术。
这些技术的发展为材料制造业带来了巨大的进步和创新。
本文将介绍几种常见的材料表面改性技术及其在不同领域的应用。
1. 电子束表面改性技术电子束表面改性技术是通过使用高能电子束照射材料表面，以改变其结构和性能的一种方法。
电子束能够穿透材料表面，并与其相互作用，从而引起材料的结构改变。
这项技术主要应用于金属材料、陶瓷材料和聚合物材料的改性。
通过电子束表面改性，材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能得到显著提高，使其在航空航天、能源等领域得到广泛应用。
2. 等离子体表面改性技术等离子体表面改性技术是利用高能等离子体束对材料表面进行处理以改变其性质的一种方法。
等离子体束可以产生高能粒子和离子，通过与材料表面相互作用，改变其物理和化学性质。
等离子体表面改性技术可以显著改善材料的耐磨性、耐腐蚀性和导电性能，广泛应用于航空航天、电子、光电子等领域。
此外，该技术还可用于制备功能性涂层，如超疏水涂层、防腐涂层等。
3. 溅射表面改性技术溅射表面改性技术是利用高能粒子束轰击材料表面，并将其上的原子或分子喷射到材料表面，以改变其物理和化学性质的一种方法。
通过溅射技术，可以在材料表面形成不同组分的薄膜，从而改善材料的硬度、耐磨性、导电性等性能。
溅射表面改性技术主要应用于薄膜材料的制备和功能性涂层的制备领域。
它在集成电路、光电子、显示器等高科技领域具有广泛的应用前景。
4. 化学表面改性技术化学表面改性技术是通过在材料表面形成化学反应，改变其表面化学性质的一种方法。
这种方法广泛应用于金属材料和聚合物材料等。
通过化学表面改性，可以改善材料的抗腐蚀性、耐磨性、润滑性等性能，并赋予其特殊的功能。
例如，通过化学表面改性，可以在金属表面形成自修复涂层，增加材料的耐蚀性能；在聚合物材料上引入亲水基团，使其具有优良的润湿性能。
表面改性原理
表面改性原理
表面改性是一种通过在材料表面引入新的物质或改变材料表面结构，从而改变其性质和功能的方法。
其主要目的是提高材料的性能，例如增加材料的化学稳定性、耐磨性、耐腐蚀性或增强材料的粘附能力等。
表面改性可以通过多种方法实现，包括化学方法、物理方法和生物方法等。
化学方法中常用的表面改性技术包括溶液处理、电沉积和化学气相沉积等。
溶液处理是将材料浸泡在含有特定化学物质的溶液中，使化学物质与材料表面发生反应，形成新的物质层。
电沉积是利用电解作用，在材料表面沉积一层新的金属或化合物。
化学气相沉积则是将特定气体在高温条件下与材料表面反应，生成新的表面物质。
物理方法中常用的表面改性技术包括离子注入、磁控溅射和激光处理等。
离子注入是将高能离子轰击材料表面，使离子能量转化为材料表面的热能，从而改变表面结构和性质。
磁控溅射是利用磁场控制金属靶材上的离子，将其沉积在材料表面形成薄膜。
激光处理则是利用激光束对材料表面进行表面熔化或表面重结晶，改变材料的组织和性质。
生物方法中常用的表面改性技术包括生物功能化修饰和生物分子固定化等。
生物功能化修饰是将生物大分子或生物活性物质修饰在材料表面，从而赋予材料特定的生物功能，如抗菌、抗炎或细胞黏附等。
生物分子固定化是将特定的生物分子固定在材料表面，用于生物传感、靶向治疗等应用。
总之，表面改性是一种有效的方法，在不改变材料体积和内部结构的情况下，对材料表面进行改变，从而获得新的表面性能和功能。
这些技术在材料科学和工程领域中具有广泛的应用前景。
表面改性技术
•
维氏硬度计试件允许最 大高度：130毫米
粒子的表面形貌分析
图4(a)与图4(b)粒子尺寸在数十至数百纳米范围内, 但粒 子形状不一样, 图4(b)中粒子形状更规则, 呈正多边形。
铜片上沉积粒子的X射线衍射分析
1、 当处理电压为600V 时, 沉积的粒子是铁的氧化物(Fe3O4)和少量 的铁的氮化物(γ′-Fe4N、ε-Fe3N)。 当处理电压高于800V 后, 这些粒子则是铁的氮化物(γ′, ε少量)和少量 的氧化物, 并且随着电压的升高, γ′增多, ε和Fe3O4 减少。电压达到 1000V 时, 粒子中几乎没有氧化物存在。
表面改性技术
概述
• 定义：采用某种工艺手段使材料表面获得 与其基体表面材料的组织结构、性能不同 的一种技术。 传统表面改性技术有喷丸强化、表面热处 理、化学热处理； 优质清洁表面工程技术包括等离子体、激 光、电子束、高密度太阳能表面处理和离 子注入表面改性。
1.等离子体表面处理
等离子体表面处理概述
金相组织
由图2 所示的金相照片可知, 38CrMoAl 钢在600V 进 行纯氮ASPN 处理后观察不到明显的渗氮层; 电压高 于800V 后才能形成明显的渗氮层, 见图2(b)、(c)。
显微硬度分析
放电电压在600V 时几乎没有渗 氮效果, 在高于800V 才有明显的 渗氮硬化效果, 而且渗氮层较深, 与金相组织相对应。
样本横截面
• Si是与Al有共晶反应的合金 元素,预置Si粉经激光照射熔 化后,与基板上的Al宏观上形 成了均匀的合金化层,其横截 面组织如图2所示,可以看出, 整个激光表面合金化层组织 均匀、致密、无气孔、无裂 纹,且与基体呈冶金结合。相 对于原始基板合金,预置Si粉 末激光表面合金化层组织较 为细小,合金化层中Si含量约 20 wt% ) 。
材料表面改性与涂层技术
材料表面改性与涂层技术材料表面改性与涂层技术在现代制造业中起着至关重要的作用。
通过对材料表面进行改性处理，可以增强材料的性能和功能，提高材料的耐磨性、耐腐蚀性和机械强度，从而满足不同领域的需求。
本文将就材料表面改性与涂层技术进行探讨，分析其在各个领域的应用和发展趋势。
一、材料表面改性技术1. 表面改性的原理材料表面改性是指通过一系列的化学方法或物理方法对材料表面进行处理，改变其表面性质和结构，使其具有更好的性能和功能。
常见的表面改性方法包括阳离子改性、阴离子改性、溶液改性等。
这些改性方法可以改善材料的表面粗糙度、亲水性、亲油性等性质，从而提高材料的附着性、耐磨性、耐腐蚀性等。
2. 表面改性的应用材料表面改性技术在各个领域有着广泛的应用。
在汽车制造业中，表面改性技术可以提高汽车零部件的表面硬度和耐磨性，延长零部件的使用寿命；在航空航天领域，表面改性技术可以提高飞机的耐腐蚀性和耐高温性，提高飞行安全性；在电子行业中，表面改性技术可以提高电子器件的性能稳定性和可靠性。
二、涂层技术1. 涂层的种类涂层技术是一种将特定的材料涂覆在材料表面的方法，以提高材料的表面性能和功能。
涂层分为有机涂层和无机涂层两大类。
有机涂层主要包括油漆、涂料、树脂等，主要用于提高材料的抗腐蚀性、耐磨性和美观度；无机涂层主要包括氧化物涂层、金属涂层等，主要用于提高材料的耐高温性、导热性和硬度。
2. 涂层技术的应用涂层技术在各个领域有着广泛的应用。
在建筑行业中，涂层技术可以提高建筑材料的耐候性和抗腐蚀性，延长建筑物的使用寿命；在医疗行业中，涂层技术可以提高医疗器械的表面光滑度和抗菌性，提高医疗器械的使用安全性；在冶金行业中，涂层技术可以提高金属制品的耐高温性和耐磨性，延长金属制品的使用寿命。
三、材料表面改性与涂层技术的发展趋势随着科技的不断进步，材料表面改性与涂层技术也在不断发展。
未来，人们将更加注重环保和节能，在表面改性技术和涂层技术的研发中，将更多地采用绿色环保的材料和工艺，减少对环境的影响。
材料表面改性的方法与机制
材料表面改性的方法与机制材料的表面改性是一种常见的技术手段，用于提高材料的特性和性能。
通过对材料表面的处理，可以改变其表面性质，如增加化学反应活性、提高抗腐蚀性能、改善疲劳性能等。
本文将探讨材料表面改性的方法与机制。
一、物理方法1. 涂层技术涂层技术是常用的一种表面改性方法，通过在材料表面形成薄膜来改变其性质。
常见的涂层技术包括溅射法、电镀法、喷涂法等。
涂层可以提高材料的耐磨性、耐腐蚀性等特性，同时也可以改变材料的外观。
2. 热处理热处理是一种利用高温对材料进行加工的方法。
通过控制材料的加热温度和时间，可以改变其晶体结构和物理性能。
例如，淬火可以使金属材料具有更高的硬度和强度。
3. 表面改性剂表面改性剂是一种可以在材料表面形成薄膜或覆盖层的物质。
通过采用表面改性剂，可以改善材料的润滑性、耐腐蚀性等特性。
表面改性剂常常被用于润滑油、防锈剂等领域。
二、化学方法1. 化学处理化学处理是一种将材料浸泡在化学溶液中的方法，通过与溶液中的化学物质发生反应，改变材料的表面性质。
比如，氧化处理可以在金属表面形成一层氧化膜，增加材料的耐腐蚀性。
2. 化学合成化学合成是一种利用化学反应制备新材料的方法。
通过控制反应条件和反应物质，可以改变材料的组成和结构，从而改变其性质。
化学合成常常用于制备新的纳米材料和功能性材料。
三、生物方法1. 生物体反应生物体反应是一种利用生物体内部的化学反应来改变材料性质的方法。
例如，生物体内的酶可以催化一些特定的化学反应，从而对材料进行改性。
2. 生物微生物处理生物微生物处理是一种利用微生物来改变材料性质的方法。
微生物可以通过代谢作用来改变材料的表面化学性质，例如，通过菌种的作用，可以使材料表面具有抗菌性能。
四、机制材料表面改性的机制有很多，主要可以归纳为以下几点。
1. 氧化反应在许多材料的表面改性过程中，都涉及到氧化反应。
例如，金属材料表面的氧化处理可以形成氧化膜，提高抗腐蚀性能。
2. 化学键形成材料表面的改性过程中，常常涉及到化学键的形成。
金属材料的表面改性技术研究
金属材料的表面改性技术研究金属材料一直是重要的结构材料，在各行各业都有广泛的应用。
然而，由于金属材料在使用过程中可能面临腐蚀、磨损、疲劳等问题，因此需要对金属材料进行表面改性处理，以提高其性能和延长使用寿命。
本文将对金属材料表面改性技术的研究进行探讨。
一、金属材料表面改性技术1.1 热处理技术热处理是一种常用的金属材料改性技术，它通过加热和冷却过程改变金属材料的晶体结构和性能。
常见的热处理技术包括退火、淬火、正火等。
热处理可以使金属材料获得更好的强度、硬度和耐磨性，提高其耐腐蚀能力。
1.2 表面合金化技术表面合金化是一种通过在金属材料表面形成合金层来改善其性能的技术。
常见的表面合金化技术有化学气相沉积、电镀、扩散合金化等。
这些技术可以在金属材料表面形成均匀、致密的合金层，提高金属材料的抗磨损、耐腐蚀和耐高温性能。
1.3 表面涂层技术表面涂层技术是一种将覆盖物涂覆在金属材料表面的改性技术。
常用的表面涂层技术包括喷涂、电泳涂覆、物理气相沉积等。
涂层可以提供额外的保护层，防止金属材料与外界环境接触，延缓金属材料的腐蚀、磨损过程。
1.4 表面纳米结构化技术表面纳米结构化技术是一种通过控制金属材料表面的纳米结构来改性的技术。
这种技术可以形成纳米级的颗粒、膜层或纳米结构单元，改变金属材料的表面形貌和力学性能。
常用的表面纳米结构化技术有电化学刻蚀、溅射、离子束处理等。
二、金属材料表面改性技术的研究进展2.1 研究现状在金属材料表面改性技术的研究领域，国内外学者取得了许多重要进展。
他们通过优化改性工艺参数、开发新的改性材料和方法，不断提高金属材料的表面性能。
例如，应用化学气相沉积技术制备了高性能的硬质涂层，提高了金属材料的硬度和耐磨性能。
另外，表面纳米结构化技术也被广泛应用于金属材料的改性研究中，通过调控纳米结构单元的尺寸和形貌，进一步提高了金属材料的力学性能。
2.2 发展趋势随着科学技术的不断进步，金属材料表面改性技术也在不断发展。
材料表面改性的化学技术方法
材料表面改性的化学技术方法随着科学技术的不断发展，材料表面改性的需求日益增长。
材料表面改性是指通过化学方法改变材料表面的物理、化学性质，以增强其性能和功能。
本文将介绍一些常见的材料表面改性的化学技术方法。
1. 表面涂层技术表面涂层技术是最常见的材料表面改性方法之一。
通过在材料表面形成一层薄膜，可实现对材料的防腐、耐磨、防水等性质的改善。
常用的表面涂层技术包括溶胶凝胶法、离子溅射法、磁控溅射法等。
溶胶凝胶法是将溶胶涂覆在材料表面，经过凝胶化处理形成涂层。
离子溅射法和磁控溅射法则是通过离子轰击或高能粒子轰击材料表面，使材料离子化并沉积在表面，形成涂层。
2. 表面活性剂改性技术表面活性剂改性技术是一种常用的材料表面改性方法。
表面活性剂分子具有亲水头基和疏水尾基，可以在材料表面形成一层分子膜，从而改善材料的润湿性和抗渗性。
此外，表面活性剂还可以通过吸附在材料表面形成的薄膜上，改善材料的抗氧化性和抗紫外性能。
常用的表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、辛基苯磺酸钠等。
3. 化学气相沉积技术化学气相沉积技术是一种通过气相反应在材料表面沉积一层薄膜的方法。
该方法通常涉及将气体反应物加热到高温，使其分解并在材料表面沉积。
常见的化学气相沉积方法包括化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）。
化学气相沉积主要是通过气态化学反应在表面形成薄膜，而物理气相沉积则是通过物理手段（如溅射）将材料蒸发并沉积在表面。
4. 表面等离子体改性技术表面等离子体改性技术是一种通过等离子体处理改变材料表面性质的方法。
等离子体是一种高能态的物质，能够对材料表面进行物理或化学改性。
等离子体处理可以使材料表面变得更加光滑、增强粘附力、提高表面能等。
常用的表面等离子体改性技术包括等离子体辅助化学气相沉积、等离子体镀膜和等离子体表面活性剂处理等。
总结材料表面改性的化学技术方法提供了多种选择，可以根据所需的材料性质和应用场景选择适合的方法。
表面涂层技术、表面活性剂改性技术、化学气相沉积技术和表面等离子体改性技术都是常见且有效的方法。
第八章 表面改性技术
第八章表面改性技术1：表面改性：是指采用某种工艺手段使材料表面获得与其机体材料的组成结构性能不同的一种技术。
2：表面形变强化原理：通过机械手段（滚压、内挤压、喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，此形变硬化层的深度可达0.5~1.5mm。
3：形变硬化层中产生的两种变化：组织结构上，亚晶粒极大地细化；形成了高的宏观残余压应力。
4：感应加热的物理过程：当感应线圈通以交流电后，感应线圈内即形成交流磁场，置于感应线圈内的被加热零件引起感应电动势，所以在零件内将产生闭合感应电流即涡流。
5：硬化层深度：由于工件内部传热能力较大，硬化层深度总小于感应电流投入深度，频率越高，涡流分布越陡，接近电流透入深度处的电流越小。
6：淬火后的组织和性能：感应加热表面淬火获得的表面组织是细小隐晶马氏体，碳化物呈弥散分布。
表面硬度比普通淬火时高2~3HRC。
提高疲劳强度，感应加热表面淬火工件表面氧化、脱碳小，变形小，质量稳定。
7：选择功率密度要根据零件尺寸及淬火条件而定。
8：金属表面化学热处理过程：活性原子被工件表面吸附并溶入表面，溶入表面的原子向金属表面层扩散渗入形成一定厚度的扩散层，从而改变工件表层的成分、组织和性能。
渗层与基体之间冶金结合，渗层不容易脱落，可承受高载荷，高冲击。
9：气体渗碳：气体渗碳是目前生产中应用最广的一种渗碳方法，工业上一般有井式炉滴注式渗透和贯通式气体渗碳两种，它是在含碳的气体介质中通过调节气体渗碳气氛来实现渗碳的目的，按渗碳介质气氛中的基本渗剂可分为甲烷、丙烷和丁烷。
10：一般气体渗碳多用930℃的高温处理，C在高温中才能发生显著的扩散。
11：渗碳层的性能指标：表面硬度；渗层深度；心部硬度。
12：渗金属：渗金属方法是使工件表面形成一层金属碳化物的一种工艺方法，即渗入元素与工件表层中的碳结构形成金属碳化物的化合物层，此类工艺方法适用于高碳钢。
13：渗金属形成的化合物层一般很薄，约0.005~0.02mm。
材料的表面改性技术
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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喷丸产生的 残余压应力
• 经喷丸和滚压后， 金属表面产生的残余压 应力的大小，不但与强 化方法、工艺参数有关， 还与材料的晶体类型、 强度水平以及材料在单 调拉伸时的硬化率有关。
残余压应力
• 具有高硬化率的面心立方晶体的镍基或铁基奥氏体热 强合金，表面产生的压应力高，可达材料自身屈服点
的2－4倍。
（2）弹丸粒度对喷丸表面粗糙度的影响
（3）弹丸硬度对喷丸表面形貌的影 响
（4）弹丸形状对喷丸表面形貌的影响
•
球形弹丸高速喷射工件表面后，将留下直径小于弹丸直径的半球形凹坑，被喷面的理想外形 应是大量球坑的包络面。
•
这种表面形貌能消除前道工序残留的痕迹，使外表美观。同时，凹坑起储油作用，可以减少 摩擦，提高耐磨性。
一、表面淬火技术的原理和特点
1 • 表面淬火原理 用特殊的加热方式将钢表面快速加热到Ac3（亚共
析钢）或Ac1（过共析钢）以上，随后快速冷却，使钢铁
表层发生马氏体相变，生成硬化层。
2 表面淬火的分类
一般按加热源的名称分类
火焰表面淬火 高频感应表面淬火 等离子弧表面淬火
采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体 材料的组织结构、性能不同的一节 金属表面形变强化
表面形变强化是提高金属材料疲劳 强度的重要工艺措施之一 • 一、表面形变强化原理
• 基本原理是通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等） 在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层， 此形变硬化层的深度可达0.5mm～1.5mm。
•
•
（3）钢丝切割弹丸
• •
弹簧钢丝（或不锈钢丝）切制成段制成。 钢弹丸的组织最好为回火马氏体或贝氏体。使用寿命比铸铁弹丸高 20倍左右。
（4）玻璃弹丸
•
近十几年发展 起来的新型喷丸 材料，已在国防 工业和飞机制造 业中获得广泛应 用。 • 脆性较大 。 （5）陶瓷弹丸
•
弹丸硬度很高， 但脆性较大。喷 丸后表层可获得 较高的残余应力。
（6）聚合塑料弹丸
• 是一种新型的喷丸介质，以聚合碳酸酯为原料，颗粒 硬而耐磨，无粉尘，不污染环境，可连续使用，成本
低，而且即使有棱边的新丸也不会损伤工件表面。
• 常用于消除酚醛或金属零件毛刺和耀眼光泽。
（7）液态喷 丸介质
• 包括二氧化硅颗粒和氧 化铝颗粒等。 • 喷丸时用水混合二氧化 硅颗粒，利用压缩空气 喷射。
•
试验表明，当弹丸粒度和硬度不变，提高压缩空气的压力和喷射速度， 不仅增大了受喷表面压应力，而且有利于增加变形层的深度，
（6）不同表面处理后的表面残余应力的比较
•
不同表面处理后的表面残余应力及疲劳极限如表6－8所示。表面滚压强 化可获得最高的残余应力。经喷九或滚压后，疲劳极限也明显提高。
6．喷丸强化的效果检验
• 若需了解表面强化层的深度、组织结构和残余应力分 布情况，还应进行组织结构分析和残余应力测定等一 系列检验。
7．喷丸强化的应用实例
• 1） CrWMn钢制线切割冲模的喷丸强化
•
模具在电火花切割后，不经喷丸研磨加工、回火直接装 配使用时，常易出现崩刃、折断、碎裂现象。即使不出现这些现 象，使用寿命也不高。其原因是热处理产生的拉应力和线切割所 产生的热拉应力叠加在一起，容易达到材料的强度极限而产生裂 纹。采用回火、研磨、喷丸和回火处理，可有效地去除白硬层和 改善切割层的硬度与应力分布状态。用研磨方法也可除去白硬层， 但不能改善应力区的应力分布状态，因此，不能根本解决模具的 裂纹和崩刃。对线切割模具的白硬层施以喷丸和（120～160） ℃/（6～10）h的时效处理，则可成倍地提高模具寿命。
去除电火花加工时形成的表面软化层，提高模具的疲劳强度、冲击磨损、应力腐蚀等使用性 能，可应用于冷冲模、冷镦模、热锻模和落料模等模具以提高其疲劳性能。喷丸可使模具的 使用寿命得到显著提高。
第二节 表面淬火
热处理知识
• 热处理的本质：通过改 变组织达到改善金属的 机械性能。 • 热处理的4个工艺参数： 加热速度、加热温度、 保温时间、冷却速度。 • 热处理的4种工艺： 退火、正火、淬火、回火。
• 弧高度试验不仅是确定喷丸强度的试验方法，同时又是控 制和检验喷九质量的方法。 • 在生产过程中，将弧高度试片与零件一起进行喷丸，然后 测量试片的弧高度f.如f值符合生产工艺中规定的范围，则 表明零件的喷丸强度合格。这是控制和检验喷九强化质量 的基本方法。
LOREM IPSUM DOLOR
• 弧高度试片给出的喷丸强度，是金属材料的表面强化 层深度和残余应力分布的综合值。
层深度较浅；硬度低的材料产生的压应力层则较深。
渗碳钢经喷 丸后的残余 压应力
• 常用的渗碳钢经喷丸后， 表层的残留奥氏体有相 当大的一部分将转变成 马氏体，因相变时体积 膨胀而产生压应力，从 而使得表层残余应力场 向着更大的压应力方向 变化。
在相同喷丸压力下： 大直径弹丸喷丸后的压应力较低，压应力层较深； 小直径弹丸喷丸后表面压应力较高，压应力层较浅，且 压应力值随深度下降很快。
（3）选定喷丸强化工艺参数
• 金属材料的疲劳强度和抗应力腐蚀性能并不随喷丸强
度的增加而直线提高，而是存在一个最佳喷丸强度，
它由试验确定。
4．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。
• 金属的塑性变形来源于晶面滑移、孪生、晶界滑动、 扩散性蠕变等晶体运动，其中晶面间滑移最重要。晶 面间滑移是通过晶体内位错运动而实现的。
•
适用于要求喷丸强度低、品种多、批量少、形状复杂、尺寸较小的零部件。它的缺点是功耗 大，生产效率低。
气动式喷丸机根据弹丸进人喷嘴的方式又可分为： 吸人式、重力式和直接加压式三种。 吸入式喷丸机结构简单，多使用密度较小的玻璃弹丸或小 尺寸金属弹丸，适用于工件尺寸较小、数量较少、弹丸大 小经常变化的场合，如实验室等。 重力式喷丸机结构比吸人式复杂，适用于密度和直径较大 的金属弹丸。
喷丸表层的组织变化
• 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。
• •
例如，渗碳钢表层存在大量残余奥氏体，喷丸时，这些残余奥氏体可能转变成马氏体而提高零件的疲劳强度； 奥氏体不锈钢特别是镍含量偏低的不锈钢喷丸后，表层中部分奥氏体转变为马氏体，从而形成有利于电化学 反应的双相组织，使不锈钢的抗腐蚀能力下降。
二、表面形变强化的主要方法及应用
• • • •
（一）表面形变强化的主要方法 1．滚压 目前，滚压强化用的滚轮、滚压力大小等尚无标准。 对于圆角、沟槽等可通过滚压获得表层形变强化，并能在表面产生约5mm深的残余压应力，其分布如图所示。
2．内挤压
• 内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，
效果明显
3．喷丸强化工艺参数的确定
合适的喷丸强化工艺参数要通过： 喷丸强度试验和表面覆盖率试验来确定。 喷丸强度试验
弧高度
弧高度与时 间的关系
• 在对试片进行单面喷 丸时，初期的弧高度变 化速率快，随后变化趋 缓，当表面的弹丸坑占 据整个表面（即全覆盖 率）之后，弧高度无明 显变化，这时的弧高度 达到了饱和值。
喷丸强度
• 当弧高度f达到饱和值，试片表面达到全覆盖率时，以 此弧高度f定义为喷丸强度。
• 喷丸强度的表示方法是0.25C或fc=0.25，字母或脚码 代表试片种类，数字表示弧高度值（单位为mm）。
（2）表面覆盖率试验
• 喷丸强化后表面弹丸坑占有的面积与总面积的比值称 为表面覆盖率。
• 一般认为，喷丸强化零件要求表面覆盖率达到表面积 的100％即全面覆盖时，才能有效地改善疲劳性能和抗 应力腐蚀性能。
对于表面有凹坑、凸台。划痕等缺陷或表面脱碳的工件， 通常选用较大的弹丸，以获得较深的压应力层，使表面 缺陷造成的应力集中减小到最低程度。
喷丸硬度的 影响
• 表6－6为不同弹丸材料 对残余应力的影响。可 以发现，由于陶瓷丸和 铸铁丸硬度较高，喷丸 后残余应力也较高。
喷丸速度对表层残余应力有明显影响
2）喷丸强化改善Cr12钢制线切割 落料模性能
• Cr12钢制洗衣机电动机定、转子落料模，在经淬火、回火处理和线切割加工后直接使用 时，堂呈折断失效，平均使用寿命只有3万余次。改用在电火花加工后增加一道喷丸强化处理 工艺后，改善线切割落料模变质层的性能，使用寿命可提高10万冲次。
•
此外，喷丸强化可使模具表层产生冷作硬化，改善表层的应力状态和表面粗糙度，有效
LOREM IPSUM DOLOR
某厂的CrWMn钢制线切割冲模的刃磨寿命在直接 使用时为10700次；160℃/2h回火后，寿命为11180次； 研磨除去白硬层后使用时寿命为4860次；研磨除去白硬 层再160℃/2h回火时寿命为7450次；磨削去除白硬层后 寿命为28743次；喷丸强化后，再进行160℃/2h回火处理， 模具寿命达到220000次。
• 材料的硬化率越高，产生的残余压应力越大。
一、表面强化方法 有效地提高了金属表面强度、耐应 力腐蚀性能和疲劳强度。 • 表面强化方法还可消除切削加工留下的刀痕；
• 表面形变强化手段还可能使表面粗糙度略有增加，但却使切削加工的尖锐 刀痕圆滑，因此可减轻由切削加工留下的尖锐刀痕的不利影响。
•
这种表面形貌和表层组织结构产生的变化，有效地提高了金属表面强度、耐 应力腐蚀性能和疲劳强度。
3．喷丸
• 利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。
•
喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件；
•
可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳。抗微动磨损、耐点 蚀（孔蚀）能力。