整理表面工程复习题.docx
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整理表面工程复习题
一、名词解释
1、表面工程技术：
指为满足特定的工作需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法与工艺。
2、表面扩散：
是指原子、分子、离子或原子团在固体表面沿表面方向的运动。
3、表面能：
材料表面的内能，包括原子的动能、原子间的势能以及原子中原子核和电子的动能和势能。
4、吸附作用：
物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸引力周围其它物质（主要是气体、液体）分子的能力。
5、磨损：
指摩擦体接触表面的材料相对运动中由于机械力作用，间或有化学作用的使材料不断损耗的现象。
6、腐蚀：
材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。
7、极化：
腐蚀电池工作时，阴、阳极之间有电流通过，使得电极电位值与初始电位值有一定的偏离，使阴、阳极之间的电位差比初始电位差要小得多的现象。
8、钝化：
由于金属表面状态的改变引起金属表面活性的突然变化，使表面反应速度急剧降低的现象。
9、表面淬火：
采用特定的热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3（对亚共析钢）或者Ac1（对过共析钢）之上，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺过程。
10、喷丸强化：
利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击到受喷工件的表面，是表层材料在再结晶温度下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。
11、热扩渗：
是指将工件放在特殊介质中加热，是介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层的工艺。
12、热喷涂：
采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。
13、热喷焊：
采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间，涂层内部颗粒之间的冶金结合，消除空隙。
14、堆焊：
是指在零件表面熔敷上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金层的技术。
15、电镀：
指在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以被镀基体金属为阴极，以欲镀金属或其他惰性导体为阳极，通过电解作用，在基体表面上获得结合牢固的金属膜的表面工程技术。
16、化学镀：
在无外加电流的状态下，借助合金的还原剂，使镀液中的金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。
17、转化膜技术：
将金属工件浸渍于处理溶液中，通过化学或电化学反应，是被处理金属表面发生溶解并与处理溶液发生反应，在金属表面上形成一层难溶的化合物膜层。
18、阳极氧化：
金属或电化学的氧化
19、物理气相沉积：
在真空的条件下，以各种物理方法产生的原子或分子沉积在基体材料上，形成薄膜或涂层的过程。
20、真空蒸发镀膜：
把待镀膜的基体或工件置于高真空室内，通过加热使蒸发材料汽化（或升华），以原子、分子或原子团离开熔体表面，凝聚在具有一定温度的基片或工件表面，并冷凝成薄膜的过程。
21、溅射镀膜：
用高能粒子轰击固体表面，通过能量传递，使固体的原子或分子逸出表面并沉积在基片或工件表面成薄膜的方法。
22、离子镀膜：
在真空的条件下，应用气体放电实现镀膜，即在真空室内使气体或蒸发物质电离，在气体的离子或蒸发物质的离子的轰击下，使蒸发物或其反应物蒸镀在基体上的方法。
23、化学气相沉积：
是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入有基片的反应室，借助气相作用或在基片上的化学反应生成所希望的薄膜。
二、简答题
1、表面工程技术的特点与意义；
（1）主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大。
因此，可以制备表面性能与基材性能相差很大的复合材料。
（2）采用表面涂（镀）、表面合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材料表面具有特殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本。
（3）可以兼有装饰和防护功能，有力推动了产品的更新换代。
（4）表面薄膜技术和表面微细加工技术具有微细加工功能，是制作大规模集成电路、光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础技术。
（5）二维的表面处理技术已发展成为三维零件制造技术（生长型制造法），不仅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高。
（6）表面工程技术已成为制备新材料的重要方法，可以在材料表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合金等。
2、表面粗糙度的两种常用表达方式及含义；
粗糙度：
加工表面所具有的微小凹凸和微小峰谷所组成的微观几何形状。
表达方式：
轮廓的算术平均值Ra和真实面积Ai和投影面积Al的比值。
3、TLK模型的基本思想；
基本思想：
在温度相当于0K时，表面原子结构呈静态。
平台—台阶—扭折的表面晶体结构模型
4、写出Young方程，并用图示法说明“润湿”与“不润湿”；
Young方程：
润湿的定义：
5、最常见的磨损种类；
粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、微动磨损、冲蚀磨损和高温磨损
6、腐蚀按材料腐蚀原理可分为哪两类？
化学腐蚀和电化学腐蚀
7、金属材料腐蚀控制及防护方法；
1）、产品合理设计与正确选材；
2）、电化学保护；
3）、表面覆层和表面处理；
4）、加入缓蚀剂。
8、产生极化的机理；
1）、电化学极化：
由于电极上的电化学反应速度小于电子运动速度而造成的极化。
2）、浓差极化：
由于溶液中的物质扩散速度小于电化学反应速度而造成的极化。
3）、电阻极化:
由于在电极表面生成了具有保护作用的氧化膜、钝化膜或不溶性的腐蚀产物等，相当于增大了体系的电阻，使电极反应的进行受阻，进而使电极电位发生变化。
9、表面预处理的作用及主要工序；
表面预处理是表面工程技术能否成功实施的关键因素。
主要工序包括：
机械性清理，脱脂，化学浸蚀、抛光和电化学抛光，脱脂—浸蚀综合处理等。
10、常用表面淬火技术（感应加热、火焰加热、激光）的基本工作原理及特点；
感应加热淬火技术
基本工作原理：
将工件放在有足够功率输出的感应线圈中，在高频交流磁场的作用下，产生很大的感应电流，并由于集肤效应而集中分布于工件表面，使受热区迅速加热到钢的相变临界温度Ac3或Accm之上，然后再冷却介质中快速冷却，使工件表层获得马氏体。
特点：
（优点）：
1）加热迅速、热效率高、过渡区较窄、淬火层压应力大；
2）可大幅度提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳强度。
（缺点）：
1）设备成本较高；
2）尖角效应；
3）一般只适合形状简单的零件。
火焰加热淬火技术
基本工作原理：
将高温火焰或燃烧着的炽热气体喷向工件表面，使其迅速加热到淬火温度，然后在一定淬火介质中冷却。
特点：
（优点）设备费用低，方法灵活，简便易行，可对大型零件局部实现表面淬火。
（缺点）生产效率低，淬硬层的均匀性较差，质量控制比较困难。
激光加热淬火技术
基本工作原理：
利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。
特点：
（1）优点
淬火硬度高，能量密度高，加热速度快，不需要淬火介质，工件变形小，加热层深度和加热轨迹易于控制（淬火部位可控），无氧化、无污染，易于实现自动化。
（2）缺点
硬度分布不均匀，单道激光淬火区域小，大面积淬火时容易产生回火软带。
设备成本高、生产成本较高（能量转换效率低）。
11、形成热扩渗层的基本条件及机理；
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件化合物；
（2）欲渗元素与基体之间必须有直接接触；
（3）被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度；
对靠化学反应提供活性原子的热扩渗：
（4）该反应必须满足热力学条件。
机理：
（1）产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面；
（2）渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收，形成最初的表面固溶体或金属间化合物，建立热扩渗所必须的浓度梯度；
（3）渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩散，使扩散层增厚。
12、热浸锌层及热浸铝层的主要应用；
热浸锌的用途：
镀锌板、管、丝，高速路护栏，在大气和海洋中工作的钢铁构件等。
热浸铝层的主要应用：
可用于提高炉内构件、烟道、汽车消音器、换热器、热处理设备以及一些与H2S、SO2、NO2、水煤气接触的钢件使用寿命。
13、常用的热喷涂、热喷焊工艺方法及其基本特点；
热喷涂是采用各种热源是涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。
基本特点：
优点：
（1）可在各种基体上制备各种材质的涂层；
（2）基体温度低；（3）操作灵活；（4）涂层厚度范围宽
局限性：
（1）热效率低；
（2）材料利用率低、浪费大；（3）涂层与基体结合强度较低三个方面。
热喷焊技术是采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内部颗粒之间的冶金结合，消除空隙。
基本特点：
（1）热喷涂层组织致密，冶金缺陷很少，与基体结合强度高；
（2）热喷涂材料必须与基体相匹配，喷焊材料和基材范围比热喷涂窄得多；
（3）热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多；
（4）热喷焊层的成分与喷焊材料的原始成分会有一定的区别。
14、镀层按其性能特点可分为哪三类？
（1）防护性镀层；
（2）防护装饰性镀层；
（3）功能性镀层。
15、具有良好使用性能的电镀层的基本条件；
第一，与基体金属结核牢固，附着力好；
第二，镀层完整，结晶细致，空隙少；
第三，镀层厚度分布均匀。
16、常见的电镀方式及其特点；
挂镀特点：
（优点）是适合于各类零件的电镀；电镀时单件电流密度较高且不会随时间而变化，槽电压低，镀液温升慢，带出量小，镀件的均匀性好；
（缺点）劳动生产率低，设备和辅助用具维修量大。
滚镀特点：
（优点）节省劳动力，提高生产效率，设备维修费用少且占地面积小，镀件镀层的均匀性好。
（缺点）镀件不宜太大和太轻；单件电流密度小，电流效率低，槽电压高，槽液温升快，镀液带出量大。
其使用范围较小。
刷镀特点：
（优点）不需要电镀槽，具有设备简单、工艺灵便、沉积速度快、镀层与基体材料的结合力好、镀后不需要机加工、对环境污染小、节水省电等。
（缺点）不适于面积大、尺寸大的零件修复，也不能用于大批量镀件的生产。
17、常用单金属电镀层的基本特点及主要用途；
镀锌：
基本特点：
锌镀层纯度很高，属于阳极性镀层，对钢铁基体起到机械保护作用和电化学保护作用。
主要用途：
机械、五金、电子、仪器仪表、轻工等
镀铜：
基本特点：
铜镀层为阴极性镀层；对基体金属起到机械保护作用。
主要用途：
电力、电子、仿古用品、其它镀层的底层或中间层。
镀镍：
基本特点：
为阴极性镀层；极易钝化；对基体金属起到机械保护作用。
主要用途：
一般用作底层或中间层。
镀铬：
基本特点：
阴极性镀层；硬度高，极易钝化；
主要用途：
装饰性镀铬和功能性镀铬。
镀锡：
基本特点：
对铁及铜而言，镀锡层分别为阴极性镀层和阳极性镀层。
主要用途：
镀锡铁，可用作食品罐头的包装材料。
镀银基本特点：
阴极性镀层
主要用途：
装饰性和功能性镀银。
镀金基本特点：
镀金层为阴极性镀层；金镀层具有极好的耐蚀性、导电性和抗高温性。
主要用途：
应用于精密仪器仪表、印刷线路板、集成电路、电子管壳和电接点等。
18、化学镀的原理与特点；
原理：
化学镀是一个在催化条件下发生的氧化一还原反应过程。
特点：
优点：
镀层致密，孔隙少、硬度高，具有极好的化学和物理性能；
可镀制形状复杂的工件，且镀层厚度均匀；
可镀基材广泛（对非金属等材料需经过适当的预处理）；
设备简单（不需要外加直流电源）。
缺点：
可镀制的金属（合金体系）有限；
镀液昂贵，稳定性差，镀制成本高。
19、常见的化学镀层有哪些？
化学镀镍，化学镀铜，化学镀银，化学镀金，化学镀锡等，前两者应用最广泛。
20、非金属电镀的基本工艺（前处理）流程；
包括粗化、脱脂、敏化、活化和化学镀
21、转化膜的主要用途；
用于防护和装饰；用于涂层底层；耐磨减摩；适用于冷成形加工；电绝缘性方面的应用。
22、铝合金阳极氧化的工艺流程，其氧化膜的形成过程、结构特点及性能特点；
工艺流程：
预处理—氧化（根据用途不同分为：
防护和装饰性的阳极氧化、硬质阳极氧化）—阳极氧化的封闭。
形成过程：
将铝制件作为阳极，其他材料为阴极置于电解池中，通上直流电，阳极析出氧气，阴极析出氢气，阳极上的氧气大部分与铝形成了氧化膜Al2O3（包括电化学和化学过程）。
具体过程如下：
电化学过程：
生成Al2O3
化学过程：
溶解形成多孔层
（1）曲线AB段：
通电后数秒钟内，在铝表面形成连续、无孔的氧化铝膜（阻挡层，其硬度比多孔层高），电压急剧上升；
（2）曲线BC段：
随电压上升和溶解作用增大，膜层局部被溶解或被击穿，产生了孔穴，氧化膜的电阻下降，电压随之下降，使反应继续进行；
（3）曲线CD段：
电压趋于平稳，阻挡层厚度不再变化；随着时间延长，形成孔隙及孔壁，氧化膜变成导电的多孔层结构；当膜的化学溶解速率等于膜的生成速率时，膜层便达到一定的极限厚度而不再增加。
结构特点：
结构致密和氧化膜厚度较大。
性能特点：
（1）膜的厚度在不同的电解液中的厚度极限不一样；
（2）孔隙度与金属表面的光滑度有关，表面越光滑，孔隙度越小；
（3）硬度非常高和好的耐磨性；
（4）结合力非常强；
（5）柔韧性在不同的温度阶段不一样；
（6）耐蚀性可以通过增加膜厚、降低电流密度和降低阳极氧化温度以及减低酸浓度等来改善；
（7）阳极氧化膜的耐热性非常高。
23、真空在薄膜技术中的作用；
（1）减少杂质；
（2）减少散射；
（3）有利于蒸发等。
24、在蒸发镀膜中，为什么必须精确控制蒸发源的温度？
因为蒸发速率是影响蒸镀过程的因素，而蒸发速率直接受蒸发源的温度的影响，因此必须精确控制蒸发源的温度来保证蒸镀的精度。
25、对比PVD和CVD法中的薄膜生成过程（阶段）；
PVD：
①气相粒子的产生：
利用物理方法产生气相粒子（原子、分子或原子团）；
②输运过程：
气态粒子传输到基片；
③淀积成膜过程：
气相粒子入射并沉积在基片表面上并凝聚成薄膜（凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜）。
CVD：
（1）反应气体向基片扩散；
（2）反应气体吸咐于基片的表面；
（3）反应气体在基片表面发生化学反应；
（4）反应产生的气相副产物被排掉，产生的固体物质沉积下来成为不蒸发的固体膜。
26、CVD的沉积条件及CVD法的特点。
CVD的沉积条件：
（1）在沉积温度下，反应物必须有足够高的蒸气压；
（2）反应产物除薄膜为固态外，其他的必须是挥发性的；
（3）沉积薄膜本身必须有足够低的蒸气压，基体材料在沉积温度下的蒸气压也必须足够低。
CVD法的特点：
1、膜材广泛：
金属、非金属、合金等
2、成膜速率，效率高：
几个-数百µm/min，基片数量大
3、设备简单，绕射性好：
常压或低真空
4、膜层质量好：
纯度高：
气相反应且副产物为气相，与其他物质不易反应
结晶良好：
温度适宜
致密性好：
一般无高能气体分子
表面平滑：
成核率高、成核密度大，气相分子空间分布均匀，绕射性好
辐射损伤低：
一般无高能粒子
残余应力小：
膜－基高温扩散
不足：
反应温度高；可能造成环境污染。
三、阐述题及论述题
1、表面工程技术中，改性层与基体的结合界面的主要类型有哪些？
其形成过程（形成机理）及结合强度的特点如何？
各种结合界面一般出现在哪些常用的表面技术中？
并针对某一种结合界面，说明可采取哪些主要措施来提高其结合强度？
类型
形成过程
结合强度
（1）规划实施后实际产生的环境影响与环境影响评价文件预测可能产生的环境影响之间的比较分析和评估；表面技术
冶金结合表面
市场价格在有些情况下（如对市场物品）可以近似地衡量物品的价值，但不能准确度量一个物品的价值。
三者的关系为：
处于熔融状态的覆层材料沿处于半熔化状态下的固体基材表面向外凝固结晶而形成
很高
3.规划环境影响报告书的审查效力激光熔覆技术、堆焊与喷焊技术等
大纲要求扩散结合表面
两个固相直接接触，通过抽真空、加热、加压、界面扩散和反应等途径所形成
高
（2）环境影响后评价。
热扩渗工艺、离子注入工艺
1）规划实施可能对相关区域、流域、海域生态系统产生的整体影响。
外延生长界面
4）按执行性质分。
环境标准按执行性质分为强制性标准和推荐性标准。
环境质量标准和污染物排放标准以及法律、法规规定必须执行的其他标准属于强制性标准，强制性标准必须执行。
强制性标准以外的环境标准属于推荐性标准。
当工艺条件合适时，在单晶衬底表面沿原来的结晶轴向生成一层完整的新单晶层
理论上应有较好的结合强度，取决于单晶层与衬底的结合键类型
（3）公众对规划实施所产生的环境影响的意见；气相外延（化学气相沉积技术等）、液相外延（电镀技术等）
（3）机会成本法化学键结合界面
第五章 环境影响评价与安全预评价覆层材料与基材之间发生化学反应，形成成分固定的化合物
较高，但韧性较差
物理和化学气相沉积技术、离子注入技术、热扩渗技术、化学转化膜技术、阳极氧化和化学氧化技术等
分子键结合界面
物理气相沉积、涂装技术中有机粘结涂层与基材的结合等
较低
部分（低温）物理气相技术、涂装技术等
机械结合界面
覆层与基材的结合界面主要通过两种材料相互镶嵌
不高
热喷涂与包镀技术等
2、对比分析热喷涂、热喷焊、堆焊在基本工作原理、结合强度、稀释率、主要应用等方面的不同；
热喷涂
热喷焊
堆焊
基本工作原理
采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程
采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙的表面处理技术
在零件表面熔敷上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金层的技术
结合强度/MPa
火焰
电弧
等离子
爆炸
超音速火焰
高
高
>7
>10
>35
>85
>70
稀释率
几乎为零
约5％～10％
大于热喷焊
主要应用
1、喷涂耐腐蚀涂层
2、喷涂耐磨涂层
3、喷涂耐高温涂层
4、喷涂功能涂层
5、喷涂成型
氧—乙炔火焰喷焊
等离子喷焊
零件修复或制造特殊表面性能的新零件
1、各类工模具修复
2、风机叶片等工件表面强化
1、大批量零件的表面强化处理
2、内燃机排气门表面喷焊耐磨涂层
3、从产生气相镀料粒子的原理出发，分析离子镀膜与蒸发镀膜、溅射镀膜在粒子能量、沉积速率、膜层密度、膜基结合强度的区别；
离子镀膜
蒸发镀膜
溅射镀膜
粒子能量
高
较低
高
沉积速率
高
较高
低
膜层密度
高
高
高
膜基结合强度
附着力强
附着力小
附着性好
4、等离子体技术应用在了哪些表面工程技术中？
并分析说明等离子体在这些技术中的具体作用。
等离子体热扩渗：
利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，使金属表面成分、组织结构及性能发生变化的工艺过程。
等离子喷涂工艺：
利用热能（等离子火焰）将具有特殊性能的涂层材料熔化后涂敷在工件上形成涂层的技术。
等离子喷焊工艺：
采用等离子弧作为热源加热基体，使其表面形成熔池，同时将喷焊粉末材料送入等离子弧中，粉末在弧柱中得到预热，呈熔化或半熔化状态，被焰流喷射至熔池后，充分熔化并排出气体和熔渣，喷枪移开后合金熔池凝固，形成喷焊层。
等离子弧堆焊：
热源
离子镀膜：
1、接通高压电源，在蒸发源与工件之间建立等离子区。
基片为阴极（负高压），离子轰击基片表面，溅射清洗
2、加热蒸发源使镀料气化蒸发，蒸发后的镀料原子进入放电形成的等离子区中，其中一部分被电离，在电场加速下轰击工件表面并沉积成膜；一部分镀料原子则处于激发态（高能原子）。
3、镀料离子和气体离子以较高能量轰击基片/镀层表面（可产生离子注入、溅射剥离等）。
等离子体增强化学气相沉积（PECVD）：
等离子体的作用：
激活、加速、溅射、碰撞
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