材料表面工程技术 考试复习资料

1.表面工程:从材料表面的实际应用出发，科学设计工艺方法，严格监控工艺过程，实
际检验施工质量，并对全过程进行记录和总结，改进其中的不足，不断提高技术水平，丰富理论内涵，开发新的用途和应用领域。

2.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，主要包括电镀和化学镀、热喷涂、化学转化膜、热浸镀、涂料涂装、气相沉积、堆焊与熔结、搪瓷和陶瓷涂覆、粘涂、溶胶-凝胶等。

3.表面现象有关的一些表面技术: 1）表面湿润和反湿润技术. 2）表面催化技术3）膜技术4）表面化学技术
4.
5.在几个原子范围内的清洁表面其偏离三维周期性结构的主要特征是表面松弛、表面重构和表面台阶结构。

6.从微观水平看，即使宏观看来非常光滑平整的表面实际上也是凹凸不平的，即表面是粗糙的。

7.吸附、吸收和化学反应是固体与气体发生作用的三种表现。

8.晶体表面缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类.
9.表面平整一般采用磨光、滚光、抛光及刷光和振动磨光。

磨光是借助粘有磨料的特制磨光轮(或带)的旋转，以磨削金属零件表面的过程。

滚光是将成批零件与磨削介质一起在滚筒中作低速旋转，靠零件和磨料的相对运动进
行光饰处理的过程。

抛光是用抛光轮和抛光膏或抛光液对零件表面进一步轻微磨削以降低粗糙度，也可用
于镀后的精加工。

刷光是把刷光轮装在抛光机上，用刷光轮上的金属丝(钢丝、黄铜丝等)刷，同时用水
或含某种盐类，表面活性剂的水溶液连续冲洗去除零件表面锈斑、毛刺、氧化皮及其
他杂物，还可用于装饰目的进行丝纹刷光和缎面刷光等。

振动磨光是将零件与大量磨料和适量抛磨液置入容器中，在容器振动过程中使零件表
面平整光洁。

10.基体表面清洁的目的是：
作为前序处理工艺的一部分，为下一涂装或其他表面加工(如电镀、热喷涂等)打基础；
作为一项单独表面处理技术，可提高工件寿命或恢复工件原状态或节能需要(锅炉清除水垢，提高热效率)；
消除工件(设备)隐患，提高安全性(如传热设备局部过热可通过清洗来解决)，消毒、灭菌，除放射性污染，有利于人体健康。

表面清洗主要包括除油和除锈。

11.喷砂是用机械或净化的压缩空气，将砂流强烈地喷向金属制品表面，利用磨料强
力的撞击作用，打掉其上的污垢物，达到清理或修饰目的的过程。

喷砂的主要用途有：
①除掉零件表面的锈蚀、焊渣、积碳、旧油漆层和其他干燥了的油污。

②除去铸件、锻件或热处理后零件表面的型砂及氧化皮。

③除去零件表面的毛刺或方向性磨痕。

④降低零件表面的粗糙度，以提高油漆和其他涂层的附着力。

⑤使零件呈漫反射的消光状态。

喷丸的原理和设备与喷砂相似，只是采用的磨料不同。

它是用钢铁丸、玻璃或陶瓷取
代砂子。

喷丸能使零件产生压应力，而且没有含硅的粉尘污染，主要用于：
①使零件产生压应力，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
第三章热喷涂技术
1.热喷涂就是利用某种热源，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
成具右各种功能的表面覆盖涂层的一种技术。

2.喷涂材料从进入热源到形成涂层，可分成四个阶段。

首先，材料被加热熔化，丝材端部被加热后熔化，形成熔滴；粉末则被熔化或软化。

第二阶段。

丝材的熔滴在高速气流下雾化成微粒后被加速；而粉末材料直接被气流加速。

接着，高温熔融的微粒进入飞行阶段，微粒、粉末先被加速，此后随着距离的增加而
减速，同时它们与周围气体发生某些反应，自身温度也要降低。

最后，这些具有一定温度和速度的微粒与基材表面产生猛烈的撞击，大部分微粒会产
生剧烈的变形和快速的冷却并沉积在工件表面形成涂层。

3.基材表面的制备，通常是指表面净化、预加工、粗化、喷涂底层
4.火焰喷涂法是以氧-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。

火焰
喷涂依据喷涂材料的外形分为熔丝法、熔棒法和粉末法三种。

喷枪通过气阀分别引入乙炔、氧气和压缩空气，乙炔和氧气混合后在喷嘴出口处产生
燃烧火焰。

喷枪内的驱动机构通过送丝滚轮带动线材连续地通过喷嘴中心孔送入火焰，在火焰中被加热熔化
陶瓷棒火焰喷涂是利用氧乙炔燃烧的热源，将连续、均匀送入火焰中的陶瓷棒加热、
熔融，再通过高压气体雾化成微粒状，直接喷射到预先处理过的工件表面，连续沉积
形成涂层。

粉末火焰喷涂是利用预混氧气及乙炔在喷嘴外燃烧产生的热能加热粉末材料，依靠焰
流的推力，将加热熔化的粉末喷射到预处理表面形成涂层。

5、电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，利用其端部产生的电弧作为热源来熔化金属丝材，再用压缩空气穿过电弧和熔化的液滴使之雾化，以一定的速度喷
向基体(零件)表面而形成连续的涂层。

电弧喷涂可分为直流电弧喷涂和交流电弧喷涂，其中直流电弧喷涂操作稳定，涂层组
织致密，效率高。

6.电弧喷涂最关心的问题之一是涂层粗糙度，它取决于雾化后微粒的粗细。

影响雾化微粒粗细的因素较多，主要有雾化气流的压力、电弧电压、金属丝间的夹角等。

7、电弧喷涂涂层也是典型的层状结构。

与线材火焰喷涂相比，由于电弧喷涂熔粒度高，粒子变形量大，提高了涂层结合强度。

电弧喷铝还可在钢基材界面上产生微区的扩散
结合组织。

另外，由于电弧热源温度高，造成一些元素的蒸发量和在氧化气氛中烧损
量增大。

8.与火焰喷涂技术相比，电弧喷涂技术具有如下特点。

①热效率高。

火焰喷涂时热能的利用率只有5％~15％，而电弧喷涂热能利用率高达60％~70％。

②涂层结合强度高。

电弧喷涂时，粒子在6 000 K高温的电弧区得到了充分的加热，
且飞行速度很高，所以电弧喷涂具有较高的结合强度与自身强度。

③生产效率高。

电弧喷涂的生产率与喷涂电流成正比，当喷涂电流为300 A时，每小时可喷各种钢丝约15 kg、喷锌30 kg，相当于火焰喷涂的4~5倍。

④喷涂成本低。

电弧喷涂是热喷涂方法中能源利用率最充分的方法，其利用率可达57％，而火焰丝材喷涂为13％，等离子喷涂为12％。

电弧喷涂时的电费只相当于火
焰喷涂时氧气、乙炔费用的1/20~1/15。

⑤喷涂质量稳定。

电弧喷涂时，所有粒子均由丝材经电弧熔化雾化而成，粒子得到充分而均匀的加热。

电弧喷涂不仅移动方便，操作简单，还可以在较宽容的喷涂条件下
得到可靠的涂层质量。

⑥可以利用两根不同类型的金属丝制备出“假合金”涂层。

电弧喷涂只需要使用两根成分不同的金属丝就可以制备出假合金涂层，以获得独特的综合性能。

⑦电弧喷涂技术仅使用电和压缩空气，不用氧气、乙炔等易燃气体，安全性高。

设备及原材料国产化达100％，工艺简单易行。

⑧环保。

采用专门配套、价格低廉的除尘设备，能使排放物均达国家环保标准。

而刷漆及热浸锌的除锈酸液及热浸锌生产的锌蒸气均无环保措施。

9、电弧喷涂设备主要由电源、送丝系统、电弧喷枪、控制系统等组成。

导电嘴与喷嘴是喷涂枪的关键零件，直接影响喷涂层质量与过程稳定。

喷嘴对熔化金
属起到有效雾化作用。

10.等离子弧喷涂是采用刚性非转型等离子弧为热源，以喷涂粉末材料为主的热喷涂
方法。

等离子弧的压缩效应来源于三个方面。

①机械压缩效应
②热压缩效应
③自磁压缩效应
11.等离子弧喷涂技术有如下特点：
①等离子喷涂时的焰流温度高，热量集中，能够熔化一切高熔点和高硬度的粉末材料，这是一般氧-乙炔火焰喷涂和金属电弧喷涂所不能达到的。

②零件无变形，不改变基体金属的热处理性质，对一些高强度钢材以及薄壁零件、细长零件都可以使用。

③由于等离子喷涂时的焰流喷射速度高，粉末微粒能获得较高的动能。

所以喷涂后的涂层致密度高，一般为88％~99％，结合强度高达30~80 MPa。

④喷涂后涂层平整、光滑，并可精确地控制涂层厚度，因此切削加工涂层时，可直接采用精加工。

⑤等离子喷涂采用惰性气体作为工作气体时，能可靠地保护工件表面和粉末材料不受氧化。

从而获得含氧化物少杂质少的涂层。

⑥在等离子喷涂过程中，工件表面不带电、不熔化，再加上粉末的喷射速度高，工件与喷枪的相对位移速度快，所以对工件表面的热影响区很小。

⑦由于等离子喷涂时的粉末具有高速度的特点，所以粉末的沉积率很高。

在采用高能等离子弧喷涂时，每小时粉末的沉积量为8 kg，充分显示了等离子喷涂的高效性。

⑧喷涂工艺规范稳定，调节性能好，容易操作。

第四章电镀与化学镀跑
1.电镀是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。

2.电镀液种类很多，组成差别很大，按在电镀过程中所起的作用细分为主盐、导电盐、络合剂、缓冲剂、阳极活化剂和添加剂。

主盐就是能在阴极上沉积出镀层金属的盐
导电盐用于提高电镀液导电性能的盐类
络合剂是在电镀液中能够络合主盐金属离子的物质
阳极活化剂是降低阳极极化，消除阳极钝化，促进阳极溶解的物质，也叫去极化剂
缓冲剂是用来稳定镀液pH值的物质
添加剂是改善镀层性能的少量添加物
3.电镀工艺过程一般包括电镀前预处理、电镀及镀后处理三个阶段。

1．镀前预处理
镀前预处理是为了得到干净新鲜的金属表面，为最后获得高质量镀层作准备。

主要是
进行脱脂、去锈蚀、去灰尘等，步骤如下：
第一步：使表面粗糙度达到一定要求，可通过表面磨光、抛光等方法来实现；
第二步：去油脱脂，可采用溶剂溶解以及化学、电化学等方法来实现；
第三步：除锈，可用机械、酸洗以及电化学方法除锈；
第四步：活化处理，一般在弱酸中浸蚀一定时间进行镀前活化处理。

2．镀后处理
①钝化处理。

所谓钝化处理是指在一定的溶液中进行化学处理，在镀层上形成一层坚实致密的、稳定性高的薄膜。

钝化使镀层耐蚀性大大提高并能增加表面光泽和抗污染
能力。

这种方法用途很广，镀Zn、Cu及Ag等后，都可进行钝化处理。

②除氢处理。

有些金属如锌，在电沉积过程中，除自身沉积出来外，还会析出一部分氢，这部分氢渗入镀层中，使镀件产生脆性，甚至断裂，称为氢脆。

4.现代电镀锌液有多种：氰化物溶液、碱性无氰化物镀液、酸性(氯化物、硫酸盐)镀液。

酸性氯化物镀锌是唯一具有整平能力的镀锌液，铁与光亮剂配合可得到最光亮的镀层。

碱性无氰镀锌液的工作特性在很大程度上取决于专用添加剂、光亮剂
光亮氰化物镀锌液主要有四种：标准氰化物镀锌液、中氰化物镀锌液、低氰化物镀锌
液和微氰化物镀锌液。

5.电镀铜锡合金
铜锡合金，俗称青铜。

铜锡合金镀层具有孔隙率低，耐蚀性好，容易抛光及可直接套铬等优点，是目前应用最广泛的合金镀层之一。

(2) 电镀铜锌合金铜锌合金是由铜、锌两种元素组成的二元合金，俗称黄铜
（3）电镀铅锡合金铅锡合金镀层在工业上应用很广，镀层成分不同，用途也不同(4) 电镀锌镍合金。

锌镍合金镀层的耐蚀性居于所有电镀锌合金层之首，此镀层中的
w Ni=5％~15％。

镀层中w Ni=15％~18％时，此镀层的耐蚀性随其中的镍含量的提高而提高，超过此含量，它便对基体金属失去保护性作用。

6.欲以高的沉积速度获得致密牢固的镀层，满足不同工况需要，刷镀液是关键。

电刷镀液的特点如下：
①金属离子含量高，一般要比槽镀的金属离子含量高2~5倍，为使用大的电流密度和快速沉积提供了必要条件。

②大多数是络合物的水溶液，金属络合物在水中有相当大的溶解度，有相当好的稳定性。

③性能稳定和工作范围宽，能在较宽的电流密度和温度范围内使用，金属离子浓度和pH值无明显变化。

④可添加细化晶粒，减少内应力，提高润湿性等作用的添加剂。

⑤不燃，不爆，无毒性，腐蚀性小，便于运输和使用。

8.化学镀是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。

9.以化学镀镍为例，目前有三种主要理论，原子氢态理论、氢化物理论及电化学理论。

(1) 原子氢态理论
原子氢态理论认为，对镀件表面(催化剂，如先沉淀析出的镍)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Ni2+使其还原成金属镍，部分原
子氢与次磷酸根离子反应，生成的磷与镍反应生成磷化镍，部分原子态氢结合在一起
就形成氢气。

(2) 电化学理论
在原子氢态理论后，提出了电子还原机理，即电化学理论。

该理论认为，次磷酸根被
氧化释放出电子，使Ni2+还原为金属镍。

10.化学镀的特点
与电镀工艺相比，化学镀具有以下特点：
①镀层厚度非常均匀，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(工件)形状的复制，因此特别适合于形状复杂工件、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，一般均不需要镀后加工，适宜做加工件超差的修复及选择性施镀。

②通过敏化、活化等前处理，化学镀可以在非金属(如塑料、玻璃、陶瓷及半导体材料)表面上进行，而电镀法只能在导体表面上施镀，所以化学镀工艺是非金属表面金属化
的常用方法，也是非导体材料电镀前做导电底层的方法。

③工艺设备简单，不需要电源、输电系统及辅助电极，操作时只需把工件正确地悬挂在镀液中即可。

④化学镀是靠基材自催化活性而起镀的，因此其结合力一般均优于电镀。

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。

第五章
1，2．气相沉积特点
①气相沉积是在密封系统的真空条件下进行的，除常压化学气相沉积(NPCVD)系统的
压强约为一个大气压外，都是负压。

沉积气氛在真空室内反应，原料转化率高，可节
省贵重材料资源。

②一般说来，气相沉积可降低来自空气等的污染，所得到的沉积膜或材料纯度高。

③能在较低温度下制备高熔点物质
④便于制备多层复合膜、层状复合材料和梯度材料
2.沉积膜晶体长大过程与基片及沉积原子的种类依据工艺条件的不同有核生长型、层生长型和层核生长型。

3.物理气相沉积法包括三个步骤：
①蒸气的产生，用简单的蒸发和升华方法，或用阴极溅射方法。

②通过减小大气压强而使气体材料从供给源转移到基体，在其飞行期间，能否与残余气体分子发生碰撞，取决于真空条件和供给源到基体的距离。

挥发的镀膜材料能用各
种方式激活或离子化，离子能被电场加速。

③凝结发生在基体上，最后可能是在高能粒子轰击期间，或在反应气体或非反应气体粒子碰撞过程中，或在两者共同作用下，通过异相成核作用和膜生长形成沉积膜。

4.溅射镀膜是指在真空室中，利用荷能粒子(如正离子)轰击靶材，使靶材表面原子或
原子团逸出，逸出的原子在工件的表面形成与靶材成分相同的薄膜
5.离子镀是在真空条件下利用低压气体放电的等离子，使蒸发出金属或化合物蒸气的原子(或分子)电离和激活，然后在基体(工件)表面沉积成膜的过程。

实现离子镀有两个必要条件：
①造成一个气体放电的空间；
②将镀料原子引进放电空间电离和激活后轰击基片。

6.化学气相沉积(CVD)是利用气态物质在固体表面进行化学反应，生成固态沉积物的
过程。

化学气相沉积工艺装置主要由气相反应室、气体控制系统、加热系统和排气系统组成。

7.化学沉积在衬底表面反应如下：
①反应气体向衬底表面扩散。

②反应气体分子被吸附于衬底表面。

③在表面上进行化学反应、表面移动、成核及膜生长。

④生成物从表面解吸。

⑤生成物在表面扩散。

8。

MOCVD)是一种利用金属有机化合物热分解反应，进行气相外延生长的方法。

与其他方法相比，具有以下特点。

①单一的生长温度范围是生长的必要条件，反应装置容易设计，较气相外延法简单；生长温度范围较宽，适合于工业化大批量生产。

②由于原料能以气体或蒸气状态进入反应室，所以容易实现导入气体量的精确控制，并可分别改变原料各组分量值；膜厚和电性质具有较好的再现性，能在较宽范围内实
现控制。

③能在蓝宝石、尖晶石等基片上实现外延生长。

④只改变原料就能容易地生长出各种成分的化合物晶体。

9.表面形变强化的主要方法
1．喷丸
2．孔挤压
3．滚压
感应加热表面淬火的原理是利用感应电流的集肤效应、临近效应和环状效应
火焰加热表面淬火中出现的问题
1．淬火开裂
2．硬度不足或不均匀
3．熔化
4．畸变
渗硼是把工件置于含有硼原子的介质中加热到一定温度，保温一段时间，通过化学或
电化学反应，使硼原子渗入工件表层形成一层坚硬的硼化物渗层
渗碳是为了增加低碳钢和低碳合金钢表层的碳质量分数、获得一定的碳质量分数梯度，将钢件在碳的活性介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的一种表面化学热处理工艺
渗氮是在含有氮或氮原子的介质中将工件加热到一定温度，工件表面被氮原子渗入的
一种工艺方法
碳氮共渗：在奥氏体温度下，同时将碳、氮活性原子掺入工件表面，且以渗碳为主的
表面化学热处理工艺。

化学转化膜是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。

磷化处理：把金属放入含有锰、铁、锌的磷酸盐溶液中进行化学处理，使金属表面生
成一层难溶于水的磷酸盐保护膜，这种方法叫金属的磷化处理，简称磷化。

表面分析测试是以获得固体表面（包括薄膜、涂层）成分、组织、结构及表面电子态
等信息为目的的实验技术和方法。