材料表面工程复习考试重点终极版Word文档下载推荐.docx

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（3）表面腐蚀与防护理论（4）表面结合与复合理论

表面处理技术------表面覆盖技术表面改性技术　复合表面处理技术

表面技术的应用概况

一、结构材料应用

1　材料防护

　　主要指材料表面防止化学腐蚀和电化学腐蚀的能力。

2提高材料耐磨性3　表面强化4　表面修复5　表面装饰

二、功能材料应用三、生活环境应用

四、新材料开发应用1　金刚石薄膜2　类金刚石碳膜3　立方氮化硼膜

第二章

表面的范围：

金属为1-3个原子层；

半导体4-6层；

绝缘体为十至几十层。

表面的分类：

1理想表面2清洁表面3实际表面

一、理想表面

一种理论上的结构完整的二维点阵平面。

表面原子排列与晶体内部相同。

理想表面实际上是不存在的。

二、清洁表面

经过彻底清洗、烘干、溅射，并进行热处理后，保存在超高真空（10-12Torr）下的不存在任何污染的化学纯表面，称为清洁表面。

清洁表面结构：

由于表面能的作用，在原子清洁的表面上可以发生多种与体内不同的结构和成分变化。

如：

表面弛豫，表面重构，表面偏析，表面吸附，表面化合物，表面台阶（TLK模型）。

三、实际表面

有一定的粗糙度、贝尔比层、残余应力、表面吸附及沾污等。

由于表面特殊的结构和表面能，使得表面有许多与晶体内部不同的性质。

例如，表面吸附、表面润湿、原子的表面扩散等。

二、表面吸附

表面吸附按其作用力的性质可分为两类：

物理吸附和化学吸附。

应用：

宇航、国防、机械、冶金、石油、化工、机车车辆、电力等部门。

如果将喷涂层再加热重熔，产生冶金结合，称为喷熔。

热喷涂过程：

熔化---雾化---喷射---沉积

涂层的金相组织：

层状结构，内有孔洞。

涂层性能：

各向异性。

重熔处理

一、热喷涂原理

3.涂层结合机理

涂层与基体的结合：

结合力；

涂层内部的结合：

内聚力。

1）机械结合2）冶金-化学结合：

3）物理结合：

主要以机械结合为主。

降低残余应力的方法：

（1）基体预热；

（2）基体表面预处理：

吹砂、开沟槽、车螺纹

二、热喷涂的种类和特点

1.热喷涂种类

根据涂层加热和结合方式分：

喷涂和喷熔。

根据加热喷涂材料的热源种类分：

火焰、电弧、高频、等离子弧（超音速）、爆炸、激光（喷涂、重熔）、电子束。

2.热喷涂特点

（1） 

适用范围广。

喷涂材料、工件材料。

（2） 

工艺灵活。

（3） 

喷涂厚度可调。

几微米至几毫米。

（4） 

工件受热影响小。

基体变形小、组织、性能变化小。

（5） 

生产率高。

缺点：

粉尘、烟雾大、噪声大。

三、热喷涂工序

1.表面预处理

（1）基体表面的清洗、脱脂：

碱性溶液或丙酮、汽油。

（2）基体表面氧化膜处理

（3）基体表面粗化处理：

提高涂层与基体结合强度（喷砂、机械加工如开槽、车螺纹、滚花等）

（4）基体表面预热处理：

提高涂层与基体结合强度

（5）非喷涂表面的保护

2.喷涂

（1）喷涂打底层：

Mo、Ni-Cr、Ni-Cr-Al等。

厚度50-100微米。

（2）喷涂工作层。

3.激光重熔。

四、热喷涂材料

（一）热喷涂线材：

（1）锌及锌合金线材，

（2）铝及铝合金线材（3）铜及铜合金。

（4）镍及镍合金（5）不锈钢丝

（二）热喷涂粉末：

金属粉末、合金粉末、陶瓷粉末、复合粉末

（三）塑料

等离子喷涂的工作气体：

最常用的有氮气、氩气，此外，也可用氢气、氦气

阴极是电子发射源，选用熔点高和电子发射能力强的材料制成，一般采用钨电极。

喷嘴为阳极，通过其孔道对电弧进行压缩而形成等离子弧。

等离子弧是压缩电弧，按接电的方法不同，等离子弧有三种形式：

①非转移弧；

正极接在喷嘴上，工件不带电；

②转移弧：

喷嘴不接电源，工件接正极；

③联合弧：

喷嘴、工件均接正极。

等离子弧和自由电弧相比较，其弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度高、能量集中、弧稳定性好等特点。

第四章

电镀是一种表面加工工艺，它是利用电化学方法将金属离子还原为金属，并沉积在金属或非金属制品的表面上，形成符合要求的平滑致密的金属覆盖层。

电镀的目的主要有三：

1）赋予制品表面装饰性外观；

2）赋予制品表面某种特殊功能，例如提高耐腐蚀性、硬度、耐磨性、导电性、磁性、钎焊性、抗高温氧化性、减小接触面的滑动摩擦、防止钢铁件热处理时的渗碳和渗氮等；

3）提供新型材料，例如制备具有高强度的各种金属基复合材料，合金、非晶态材料，纳米材料等。

电镀层的分类（按照镀层的使用目的来分类）：

1）防护性镀层：

提高金属制品的耐腐蚀能力。

2）装饰性镀层：

如仿金镀层等。

3）功能性镀层：

耐磨和减磨镀层、抗高温氧化镀层、导电性镀层、磁性镀层、热处理用镀层、修复性镀层、可焊性镀层

一）根据主盐性质的不同，可将电镀溶液分为简单盐电镀溶液和络合物电镀溶液两大类。

（一）电镀液组成

1.主盐：

能够在阴极上沉积出所要求的镀层金属的盐。

2.络合剂：

在溶液中能与金属离子生成络合离子的物质称为络合剂。

3.附加盐（导电盐）：

主要用于提高溶液的电导率。

4.缓冲剂：

稳定电镀液的酸碱度（PH值）。

5.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。

6.添加剂：

改善镀层质量。

2.极化

当电流通过电极时，电极电位偏离平衡电极电位，称为极化。

（1）电化学极化

（2）浓差极化

阳极极化：

由于阳极表面金属氧化速度小于阳极电子通过导线流向阴极的速度，使得阳极电极电位往正的方向移动，称为电化学极化。

由于阳极表面的金属离子向溶液中的扩散速度慢，导致阳极表面金属离子浓度升高，抑制了阳极表面金属氧化速度，使得阳极表面金属氧化速度小于阳极电子通过导线流向阴极的速度，导致阳极电极电位往正的方向移动。

无论电化学极化，还是浓差极化，都是使阳极电极电位向正方向偏移。

阴极极化：

由于阴极表面金属离子的还原速度小于阴极电子的供给速度，使得阴极电极电位向负方向偏移，称为电化学极化。

由于溶液中的金属离子向阴极表面的扩散速度慢，导致阴极表面金属离子浓度低，阴极表面金属离子的还原速度小于阴极电子的供给速度而产生的极化。

无论电化学极化，还是浓差极化，都是使阴极电极电位向负方向偏移。

（五）影响电镀质量的因素

1.PH值的影响2.添加剂的影响3．电流密度的影响4．电流波形的影响5．温度的影响6．搅拌的影响

二、电镀金属

（一）镀锌用途：

装饰、耐腐蚀

锌镀层主要镀覆在钢铁制品的表面，作为防护性镀层。

（二）镀铜

用途：

作为其他镀层的中间层或底层、作为不渗碳部位的防渗碳层

（三）镀镍

装饰、耐腐蚀、耐磨

（四）镀铬

用途：

化学镀的概念：

化学镀是指在没有外电流通过的情况下，利用还原剂使溶液中的金属离子还原为金属原子，并沉积在基体表面，形成镀层。

化学镀与电镀相比，优点：

（1）不管零件形状多么复杂，镀层厚度很均匀，镀层外观良好，晶粒细小，无孔，耐蚀性好；

（2）无需电解设备及附件；

（3）可在金属、非金属、半导体材料沉积。

溶液稳定性差，使用温度高，寿命短，增加了溶液维护、调整、再生的成本。

基本原理：

电刷镀依靠镀笔在工件表面移动形成电镀层。

电刷镀的镀液主要有三类：

单金属镀液、合金镀液、复合金属镀液。

电刷镀镀液的特点：

①大多数镀液是金属络合物水溶液，在水中溶解度大，稳定性好，可长期保存。

②镀液中金属离子含量高，导电性好；

③镀液的分散能力和覆盖能力好；

④镀液无毒、不燃、不爆，腐蚀性小，安全可靠，便于运输；

⑤镀液有专业厂家生产，可长期存放。

第五章

气相沉积技术是利用气相中发生的物理、化学过程，在各种材料或制品表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。

物理气相沉积（PVD）:

在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子或使其离子化为离子，直接沉积到基体表面上的方法。

主要包括真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜等。

化学气相沉积（CVD）:

把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、单质气体供给基体，借助气相作用或在基体表面上的化学反应在基体上制得金属或化合物薄膜的方法。

气相沉积技术一般可分为两大类：

物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。

物理气相沉积主要包括真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜等。

薄膜生长模式：

1）岛状生长；

2）层状生长；

3）层状加岛状生长

二、真空的特点和应用

1.表面保护作用

2.表面净化作用3.减少气体分子之间的碰撞次数。

4.真空的绝热性好。

5.可降低物质的沸点或气化点。

真空蒸镀定义：

在10^-3~-4pa的真空条件下，采用各种热能转化方式，使镀膜材料蒸发为具有一定能量的气态粒子（原子、分子或原子团），然后凝聚沉积于工件表面形成膜层的方法。

蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些功能膜蒸镀用于镀制合金膜时，在保证合金成分这点上，要比溅射困难得多，但在镀制纯金属时，蒸镀可以表现出镀膜速度快的优势。

（一）蒸发方式及蒸发源

真空蒸镀可采用的不同的加热方法，主要有：

电阻加热法、电子束加热、高频感应加热法、激光加热法。

利用气态化合物或化合物的混合物在基体材料表面（通常为热表面）上发生气相化学反应，从而在基材表面上形成镀膜的技术称为化学气相沉积（CVD）。

CVD法制备薄膜的过程，可以分为下面几个主要的阶段：

①反应气体扩散至工件表面；

②反应气体分子被基材表面吸附；

③在基材表面发生化学反应；

④反应生成的气相副产物由基片表面脱离，被真空泵抽掉；

⑤在基片表面留下的固体反应产物在基片表面扩散、形核，形成薄膜。

溅射镀膜:

在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面沉积的过程。

（一）溅射镀膜的特点（与真空蒸镀相比）

1）溅射出的原子能量高,形成的薄膜结合好；

2）可用于任何材料的镀膜；

3）膜层厚度均匀；

4）除磁控溅射外，沉积速率低.

具体的溅射工艺很多，如二极（直流）溅射、射频溅射、磁控溅射、反应溅射、对向靶溅射、离子束溅射、吸气溅射等等。

离子镀是结合蒸发与溅射两种薄膜沉积技术而发展的一种物理气相沉积方法。

辉光放电是溅射的基础，辉光放电属于低气压放电

影响溅射产额的因素主要有：

①入射离子②与靶有关③与温度有关

第六章

常用的金属材料表面形变强化方法主要有喷丸、滚压和内孔挤压等强化工艺。

喷丸强化，即利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。

已广泛用于弹簧、齿轮、链条、