表面工程技术讲课课件

表面工程技术与缓蚀剂

李金桂中航一集团北京航空材料研究院表面工程技术与缓蚀剂李金桂1引言表面技术的应用可以追溯到远古：三千多年前的大漆的发现及其应用；二千多年前秦始皇墓地使用的青铜剑；1742年出现，1836年投入生产的热浸镀；二次大战研究和发展的无几富锌涂层；20世纪60年代合成树脂引发的现代涂料工业时代；20世纪70～90年三束技术引发的表面工程的大发展以及表面工程学的出现。引言表面技术的应用可以追溯到远古：2涡轮喷气发动机失事

是由九级压气机加燃烧室加二级涡轮为主体构成的，其中压气机九级盘后，有一个后轴颈，内有两个小弹簧片发生镉熔化，导致九级盘镉脆断裂涡轮喷气发动机失事

是由九级压气机加燃烧室加二级涡轮为主体构3压气机转子，镀镉弹簧片位置示意图压气机转子，镀镉弹簧片位置示意图4爆裂的九级压气机盘爆裂的九级压气机盘5美国“哥伦比亚号”航天飞机

起飞时遭到外力撞击，导致防热瓦上出现裂缝，2003年2月1日返回地面时使得超高温气流乘虚而入，机体材料瞬间熔化，飞机解体，机上7名航天员全部遇难美国“哥伦比亚号”航天飞机

起飞时遭到外力撞击，导致防热瓦6“哥伦比亚号”防热瓦飞船在快速与空气剧烈摩擦时，外壳温度达到几千摄氏度。外壳表面安装了20000多快防热瓦，实际上它是一些疏松、轻质而呈脆性的陶瓷材料，碳－碳复合材料，它耐高温、隔热好、质量轻，高温下不发生物理和化学性能的破坏并可重复使用。但是，航天飞机在重复使用过程中，防热瓦的气动外形必然会受到程度不同的损害，随着使用次数的增加，隐患就越大。“哥伦比亚号”防热瓦飞船在快速与空气剧烈摩擦时，外壳温度达到7航天飞机首次复飞如履薄冰经过2万多人近30个月的不懈努力，包括对航天飞机进行约50项、300多处改进；经过几百万次计算机模拟试验，并在风洞试验中检测不同碎片撞击方式会造成的后果；经过反复研究和不断创新；又经过多次发射推迟，在投入几百万个工时和约15亿美元之后，发现号航天飞机终于在2005年7月26日晚10时39分（北京时间）率先进行了哥伦比亚号失事后美国航天飞机的第一次发射，并在8月9日晚8时12分（北京时间）安全落地。航天飞机首次复飞如履薄冰经过2万多人近30个月的不懈努力，包8“神六”表面的烧蚀涂层“神六”隔热方式采用烧蚀材料，不会遇到导致美国“哥伦比亚号”航天飞机事故的“防热瓦”问题烧蚀涂层在高温高压气流冲刷的条件下，发生热解、气化、升华、辐射等作用，通过材料表面的物质损耗而带走大量的热量，从而达到耐高温和保护飞船内部人员存活和设备的正常运行的目的“神六”表面的烧蚀涂层“神六”隔热方式采用烧蚀材料，不会遇到9表面工程技术应用的启示金属（例如钢铁）材料制成的零部件，只要表面保持良好的“合适的保护”，这些零部件可以永久的使用下去；金属表面的保护层如果选用不当；施加工艺不合适；或储存、运输、使用不当，则会引起种种麻烦，甚至重大事故；如果不是有意识的利用表面，获得所希望具有的性能，就是无意识的被动的破坏表面的性能，遭受损失。表面工程技术应用的启示金属（例如钢铁）材料制成的零部件，只要10第1章

绪论

第1章11“表面工程”定义“是将材料表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用表面改性转化技术、薄膜技术和涂镀层技术，使材料表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。它是近代技术与经典表面工艺相结合、繁衍、发展起来的；它拥有坚实的科学理论基础，像表面界面理论、表面失效理论、腐蚀科学、摩擦科学等；它包括表面转化改性、薄膜、涂镀层材料与制备工艺、施涂与检测技术、表面组成与结构分析技术、表面性能测试技术、检验方法、标准、评价和质量保证与工艺过程控制等为形成新型表面和表面层工程化生产的成套技术。它可有效地改善和提高材料和产品的性能(耐蚀、耐磨、装饰性能)，确保产品使用可靠和安全，延长使用寿命，或赋予材料和器件特殊的物理和化学性能，例如声光磁电的转换和存储性能，使电子器件多功能化和超小型化，有效地节约有限的资源和能源，减少环境污染，维护可持续发展。”引自《国防科技名词大典》“表面工程”定义“是将材料表面与基体一起作为一个系统进行设12表面形变强化

表面工程技术

表面转化技术

薄膜技术

涂层技术

表面热流强化

表面合金化

化学转化电化学转化

离子注入

光学薄膜电子学薄膜

光电子学薄膜

集成光学薄膜

金刚石薄膜

防护用薄膜

电化学沉积技术

有机涂层技术

无机涂层技术

热浸镀技术

防锈技术

表面形变强化表面工程技术表面转化技术薄膜技术13表面上的行为腐蚀从表面开始磨损在表面进行装饰美化在表面疲劳因表面损伤显著加速表面上进行功能转换表面上的行为14表面工程技术的功能与作用

提高耐腐蚀能力调整摩擦磨损特性赋予表面特种功能进行表面装饰表面工程技术的功能与作用提高耐腐蚀能力15提高耐腐蚀能力

抗均匀腐蚀防晶间腐蚀与剥蚀防电偶腐蚀抗点碜业、耐磨蚀抗高温氧化与热腐蚀延缓腐蚀疲劳抗应力腐蚀和氢脆提高耐腐蚀能力抗均匀腐蚀16提高耐磨与减磨能力

抗摩擦磨损减磨、润滑抗冲刷、抗微动磨蚀防粘结，防咬合提高耐磨与减磨能力抗摩擦磨损17赋予表面特种功能声、光、磁、电的转换导电、绝缘、超导存储记忆发光、消光、光反射、光选择吸收红外波、雷达波吸收与反射赋予表面特种功能声、光、磁、电的转换18赋予表面其它物理特性

传感亲油、亲水可焊、粘着疏某种介质耐热、导热、隔热、吸热、热反射赋予表面其它物理特性传感19赋予表面其它化学特性

耐水、耐酸、耐碱、耐盐耐特种介质催化赋予表面其它化学特性耐水、耐酸、耐碱、耐盐20提高表面完整性

光洁度清洁度致密度降低损伤程度

提高表面完整性光洁度21赋予制件表面装饰特性

美丽的图案鲜艳的色彩金属的陶瓷化非金属制件表面合金化非金属材料的抗老化

赋予制件表面装饰特性美丽的图案22换句话说--功能与作用

可以赋予表面拥有不同于基材的表面特性；可以赋予表面耐蚀特性；可以赋予表面良好的摩擦磨损特性；可以提高表面良好的抗疲劳的特性；可以赋予表面进行声光磁电转换的功能，发展微电子技术；可以使用便宜基材制造出昂贵的表面性能；可以节约战略物质而用薄膜获得所需的表面；可以按所设计的工程或产品的需求调整表面与表面之间的匹配；可以制造出富丽堂皇、美观大方的外观使你所设计制造的工程或产品成为一个艺术品，装点于地球上，成为人们永久鉴赏和使用的财富；可以节约资源、能源，减少污染，实现可持续发展。换句话说--功能与作用可以赋予表面拥有不同于基材的表面特性23功能和作用能否理想发挥

如何对表面或界面进行所期望的改性，获得优质、长寿、美观的产品或建设工程呢？有两条必须注意∶任何产品或建设工程项目设计与制造的同时应将表面与基体作为一个系统行进行设计和制造；无论所设计的表面或界面所需满足的功能与作用是那种类型，都要分析所处环境的侵蚀作用，没计防腐蚀、防磨蚀的外表层功能和作用能否理想发挥如何对表面或界面进行所期24

表面工程技术设计

表面膜层成分结构设计

表面（膜）层选择与应用设计

表面复合功能膜层设计

表面工程施工设计

表面工程设备设计表面工程车间设计

表面膜层成分结构设计表面（膜）层选择与应用设计表面25

表面工程应用

表面膜层功能特性手册

表面（膜）层材料及加工技术

表面分析与检测技术、试验方法、标准

表面质量与工艺过程控制

表面工程管理与经济分析

表面膜层功能特性手册表面（膜）层材料及加工技术表面分26

表面工程基础理论

腐蚀与防护理论表面摩擦与磨损理论表面完整性与界面理论表面物理化学

表面化学物理表面装饰与美学表面功能材料及其应用表面失效理论及其分析理论腐27现代表面工程学

表面工程基础理论表面工程技术表面工程技术设计表面工程应用表面工程基础理论表面工程技术设计28

应用表面工程技术的目的充分发挥材料的使用潜力；节约资源、能源，维护和支持国家可持续发展战略；提高产品高技术含量，满足产品高技术性能要求；提高人们的生活质量；提高产品的可靠性、安全性、减少事故危害、延长使用寿命应用表面工程技术的目的充分发挥材料的使用潜力；29表面转化改性技术

利用现代技术改变材料表面、亚表面层的成分、结构和性能的处理技术称之为表面改性转化技术或表面转化技术表面转化改性技术30薄膜技术

利用近代技术在零件(或衬底)表面上沉积厚度为100nm至1μm，或数微米薄膜的形成技术，称为薄膜形成技术，现在又有将厚度＜25μm的形成技术称为薄膜技术，＞25μm为厚膜技术薄膜技术利用近代技术在零件(或衬底)表面上沉积厚度为100n31涂镀层技术■采用古典技术或近代技术或二者相结合在零件表面涂覆一层或多层表面层的形成技术称为涂镀层技术涂镀层技术■采用古典技术或近代技术或二者相结合32A.按实用工艺技术分类

化学或电化学转化技术电镀、化学镀技术热喷涂技

热浸镀技术物理气相沉积技术化学气相沉积技术包覆技术暂时性保护技术

化学或33B.按表面层沉积过程特性进行分类，可分为四类：表面转化技术：氧化、钝化、阳极氧化、形变强化、激光表面处理、电子束表面处理原子沉积技术：以原子、离子、分子或粒子集团等原子尺寸的粒子形态在表面上沉积形成外加覆盖层，如电镀,化学镀,CVD、PVD粒子沉积技术：以宏观尺度的颗粒形状在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、纳米技术整体覆盖技术：如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊B.按表面层沉积过程特性进行分类，可分为四类：表面转化技术：34

C.按表面层种类进行分类，可分为五类：表面无成分变化的转化层，例如，表面喷丸强化，激光表面硬化表面有成分变化的转化层，例如，钢的发蓝，磷化，铝合金的阳极氧化金属覆盖层，例如，电镀层，热喷涂层，金属包覆层有机覆盖层，例如，油漆层，塑料包覆层，橡胶包覆层无机覆盖层，例如，金属表面上的搪瓷层，陶瓷层和水泥包覆层C.按表面层种类进行分类，可分为五类：表面无成分变化的转化35

D.按表面层功能进行分类，可分为七类：防腐蚀功能，例如，油漆层，电镀锌层，热喷涂铝层调整摩擦磨损功能，例如，防滑层、耐磨层表面装饰美化功能，例如，光亮、色彩、花纹、多样装潢热功能功能，例如，耐热、隔热、抗高温氧化、热辐射化学功能功能，例如，催化、生物功能声，光，磁，电转换特种功能，例如，CD、VCD、DVD、MP3其它特种功能，例如，吸波、红外反射、太阳能吸收转换、辐射屏蔽D.按表面层功能进行分类，可分为七类：防腐蚀功能，例如，36

第2章

表面与界面预处理

第2章

表面与界面预处理37

表面预处理目的和作用表面完整性表面粗糙度表面清洁度，表面层好坏：“三分料，七分工”增加后续工序之表面防护层的耐蚀性、耐磨性或某种特殊功能表面预处理目的和作用表面完整性38基材表面预处理技术的发展简况时间（20世纪）发展内容和特点时间（20世纪）发展内容和特点40年代以前手工打磨、揩擦、水洗40年代有机溶剂、酸洗、碱洗50年代出现超声波清洗60年代出现高压喷射水清洗70～80年代水基清洗剂大发展，伴随清洗设备系列化、标准化、自动化；高清洁度、高生产率的自动预处理技术生产线的应用；化学、电化学除锈的广泛应用；适应电子束、激光束、离子束进入表面处理领域，加快了超声波清洗、电子轰击清洗等精细清洗技术的应用90年代以后（1）多种高效磷化液的应用，将“除油、除锈、磷化、钝化”结合起来；（2）使用大型高压自动化环保型干、湿喷砂机，实现除锈、粗化一次完成；（3）严格环保法规，环保型预处理技术与设备、环保型预处理剂逐步发展。基材表面预处理技术的发展简况时间（20世纪）发展内容和特点39

表面预处理内容表面机械清理与除锈电动、风动工具表面精整磨光手工与手工工具清理机械抛光、化学抛光和电抛光干、湿喷砂、喷丸等滚光及其它光饰真空喷射清理表面清洗碱液清洗火焰喷射处理酸性清洗高压水、高压水砂、蒸汽处理电化学清洗化学、电化学除锈有机溶剂清洗表面特殊处理磷化水基清洗剂清洗钝化精细表面清洗表面预处理内容表面机械清理与除锈电动、风动工具表面精整磨光40表面预处理技术的发展方向是：高效、低污染、环保型表面预处理材料和工艺的研究和应用；高效、低能耗、可持续发展型表面预处理设备和技术的研究和应用；计算机控制的大型、高度机械化、自动化的表面预处理设备和技术的研究和应用；随着表面工程新技术的出现，不断研究新型的表面预处理新技术、新设备、新工艺。表面预处理技术的发展方向是：高效、低污染、环保型表面预处理材41各种金属的锈蚀特征金属材料锈蚀特征锈蚀产物的颜色钢及铸铁开始是金属表面发暗，轻锈呈暗灰色，进一步发展会变为褐色或棕黄色，严重的呈棕色或褐色疤痕甚至锈坑，刮去锈蚀产物后底部呈暗灰色，边缘不规则，钢铁的氧化皮是氧化物的多层组成，最内层FeO，外层为FeO+Fe3O4，Fe3O4，最外层为Fe2O3Fe(OH)3黄色；Fe3O4黑色；FeO(OH)棕色；Fe2O3红色；FeS黑色；FeCl3暗褐色；FeCl2暗绿色发蓝(氧化)和磷化的钢件通常呈黄褐色的层锈，也有呈点状，斑状同上，由于发蓝，磷化后钢铁表面呈黑或灰色，所以锈蚀产物的颜色多加深铜合金铜的锈蚀呈绿色，也有呈橘红色或黑色薄层，铝青铜的锈蚀可呈白色，暗绿及黑色薄层，严重时呈斑点或层状突起，除去绿色锈蚀产物后，底部有麻坑，铅青铜的锈铜有时呈白色。黄铜有脱锌腐蚀、锈蚀性破裂（即季裂）等CuO黑色；Cu2O橘红色；CuS黑色；CuCl2绿色；Cu(OH)2CuCO3绿色铝合金初期呈灰白色斑点，发展后出现灰白色锈蚀产物，刮去锈独产物后底部出现麻孔，硬铝会出现局部腐蚀、剥蚀、晶间腐蚀Al2O3白色；Al(OH)3白色；AlCl3白色锌、镉、锡及其镀层初期呈灰白色斑点，发展后生成黑色、灰白色点蚀，并有灰白色锈蚀产物，除去锈蚀产物后有坑，锌、镉在有机气氛下，腐蚀产物如白霜，俗称“长白毛”，锡、锌、镉在应力及湿度作用下会产生“晶须”ZnO、ZnCO3、Zn(OH)2、ZnS、Cd(OH)2、CdCO3、Sn(OH)2、Sn(OH)3均为白色；CdO、CdS为黄色；SnS灰褐色银及其镀层在空气中易氧化变暗，常见的锈蚀呈暗灰、黑色，也有呈黄或棕褐色，银有通过陶瓷、塑料、云母、玻璃迁移，并能向铜、金中扩散AgO褐色；Ag2S灰黑色；AgCl白色镍及其镀层初期呈暗灰斑点，发展后锈蚀产物为绿色粉末疏松物镍基高温合金在高温燃气作用后，在大气条件下也会产生绿色锈点Ni(OH)2、NiCl2、NiCO3均为浅绿色镁合金初期呈灰白色斑点，发展后在锈蚀处出现灰白色粉末，除去锈蚀产物后底部有黑坑。镁合金锈蚀一直沿阳极区伸入，呈深孔交错状MgO白色；Mg(OH)2白色；MgCO3白色铅及其镀层一般呈白色或黑色薄层，也有呈红褐色或棕色。镀层腐蚀严重时，会露出基体金属Pb(OH)2、PbCO3、PbCl2均为白色；PbS黑色；PbO黄色；PbO2棕、褐色；Pb3O4鲜红色钴钨合金锈蚀产物一般呈橘红色CoCl2·6H2O玫瑰红色各种金属的锈蚀特征金属材料锈蚀特征锈蚀产物的颜色钢及铸铁开始42

鉴别锈蚀的方法肉眼观察（照像或记录）选用合适的试剂对金属阳离子进行化学分析鉴定用放大镜或实体显微镜宏观分析用金相显微镜：X射线衍射仪，红外光谱仪等进行显微分析测定失重和测定增重进行重量变化分析其它方法：硬度、冲击韧性、电阻、表面对光反射能力的变化等鉴别锈蚀的方法肉眼观察（照像或记录）43

鉴别锈蚀时用的工具及适用范围工具或仪器适用范围放大镜放大5~20倍观察外形双筒实体显微镜放大20~100倍后进一步观察腐蚀特征光导纤维内腔检查仪用以检查内腔锈蚀情况。金相显微镜在低倍（100倍）放大后，可加大倍数放大，并拍照电子探针对微量的腐蚀产物做定性分析，X射线衍射仪X光结构仪对微量的腐蚀产物作定性分析，并可测出其结构红外线光谱仪可对有机化合物作分析，以区别是否锈蚀产物激光微区分析仪难以刮取腐蚀产物的部件处，定性或半定量地测量椭圆仪可以测量几μm或1μm以下的氧化膜及其他膜的厚度鉴别锈蚀时用的工具及适用范围工具或仪器适用44常用鉴别金属锈蚀用试剂材料鉴别试剂使用说明钢铁盐酸1.5~2ml亚铁氰化钾1g亚砷酸钠0.5g蒸馏水100ml将试剂滴在预鉴别之处，一分钟左右，在锈蚀处便出现白色变蓝色，若无锈蚀，则无此反应。该溶液对基体金属在10~20分钟内不反应.原理：4Fe+3+3［Fe(CN)6］3↓蓝色注：当有大量Cu++时，此方法不可靠，因为Cu++与亚铁氰化钾生成化合物沉淀Cu2Fe(CN)↓(玫瑰色胶体)，干扰结果铜硫酸10%水溶液硫氰酸钾5%将试剂滴在鉴别处，在锈蚀处出现黑色（用新配的溶液）原理：Cu+++2SCN-→Cu(SCN2)↓（黑色）镁合金1N苛性钠溶液镁试剂0.1%MgCO3或MgO与镁试剂反应生成蓝色沉淀铝合金0.1%茜素的酒精溶液将溶液滴于鉴定处，铝锈［Al(OH)3或Al2O3］与茜素酒精溶液生成难溶解的亮红色化合物注意：铜的干扰，铜盐溶液用氨处理时与茜素作用生成玫瑰红色常用鉴别金属锈蚀用试剂材料鉴别试剂使用45表面精整

磨光抛光、1.机械抛光2.电抛光3.化学抛光滚光及其它光饰、1.普通滚光2.离心滚光

3.离心盘光饰4.振动光饰5.旋转光饰表面精整磨光46

表面清洗碱液清洗酸性清洗电化学清洗有机溶剂清洗水基清洗剂清洗表面清洗碱液清洗47

表面特殊处理

表面氧化表面磷化表面钝化必要的底层表面特殊处理表面氧化48第三章

电化学沉积技术（俗称电镀）第三章

电化学沉积技术49两类导体

第一类导体或叫电子导体：由电子传导电流的导体第二类导体或叫离子导体：依靠离子的定向移动来传导电流的导体两类导体50电镀电路示意图电镀电路示意图51

电解池浸在电解质溶液中的两个电极，与外加直流电源接通后，强制电流在体系中通过，从而在电极上发生化学反应，这种装置叫做电解池。电镀、电铸和电解加工等在这类装置中进行。电解池浸在电解质溶液中的两个电极，与外加直流电源接通后，强52

电镀原理将零件浸在金属盐的溶液中作为阴极，金属板作为阳极，接通电源后，在零件表面就会沉积出金属镀层，发生还原反应：电镀是一种电化学过程，氧化还原过程Me2＋

+2e=Me↓——（1）例如镀镍：在阴极上镍离子取得电子Ni2＋+2e=Ni↓———（2）同时，在阴极上，同时发生2H++2e＝H2↑——（3）在阳极(镍)板上，镍丢失电子Ni－2e＝Ni2＋

——（4）在阳极(镍)板上，有时，还有↑4OH－－4e＝2H2O+O2↑——（5）

电镀原理将零件浸在金属盐的溶液中作为阴极，金属板作为阳极，53

在阴极上析氢，会发生作用：氢气泡形成浅坑或点点，出现针孔或麻点；集聚氢，可能会膨胀而使镀层产生小鼔泡；一部分原子氢渗入基体金属及镀层中，可能诱发氢脆。在阴极上析氢，会发生作用：氢气泡形成浅坑或点点，出现针孔或54法拉第电解第一定律

电解时，电极上析出（或溶解）物质的质量与通过的电流成正比。可用下式表达：m＝kIt＝kQ式中：m－电极上析出（或溶解）物质的质量（g）I－通过的电流强度（A）t－铜电的时间（h）

Q－通过的电量（A·h）K－比例常数，称为电化当量（g/A·h）法拉第电解第一定律电解时，电极上析出（或溶解）物质的质量与55法拉第电解第二定律电极上每析出（或溶解）1mol的任何物质所需的电量为n×96500c(c为库仑)或n×26.8A•h。也就是说用同等的电量通过各种不同的电解质溶液时，在电极上析出（或溶解）各物质的量与它们的mol量成正比。法拉第电解第二定律电极上每析出（或溶解）1mol的任何物56电解定律综合上述两个定电律，可将电解定律归纳为：电解时，在电极上析出（或溶解）物质的质量m（g）与通过的电量Q,及该物质的mol/n的乘积成正比，可用下式表示：

1M

m=---•---•QFn

M

电化当量K=---

所以m=k•Q

nF

电解定律综合上述两个定电律，可将电解定律归纳为：电解时，在57法拉第常数上式中F就是电解时电极上析出（或溶解）1mol/n物质时所需的电量（Q），由试验测得，这一电量等于96500c。它是一个常数，称为法拉第常数。将公式m=kQ代入上式，可得到电化当量k与（mol/n）之间的关系：

M(mol)K=------nF物质的电化当量与它们的摩尔质量成正比

法拉第常数上式中F就是电解时电极上析出（或溶解）1mol58常用的单金属电镀Zn、Cd、Cu、Ni、Cr、Sn、Au、Ag、Pb、Fe、Pd、Pt、Co、Mn、Rh、In、Re、Ru、Sb、Bi等常用的单金属电镀Zn、Cd、Cu、Ni、Cr、Sn、Au、A59二元合金电镀Cu-Zn、Cu-Sn、Cu-Cd、Sn-Ni、Sn-Zn、Sn-Bi、Au-Cu、Au-Ag、Au-Co、Au-Ni、Au-Sb、Ag-Sb、Ag-Cd、Ag-Zn、Ag-Cu、Ag-Sn、Ag-Pd、Zn-Ni、Zn-Fe、Cd-Ti、等二元合金电镀Cu-Zn、Cu-Sn、Cu-Cd、Sn-Ni60三、四元合金电镀三元合金镀层：Cu-Zn-Sn、Cu-Sn-Ni、Ni-W-B、Ni-W-P、Ni-Co-Fe、Ni-Co-Cu、Cr-Fe-Ni等四元合金镀层：Cu-Sn-In-Ni、Co-Ni-Re-P、Au-Pd-Cu-Ni等

三、四元合金电镀三元合金镀层：Cu-Zn-Sn、Cu-Sn61第四章

热喷涂第四章

热喷涂62热喷涂定义

利用电弧、离子弧或燃烧的火焰等将粉末状或丝状的金属或非金属喷涂材料加热熔化或软化,使之在热源或外加高气流的作用下雾化,形成熔滴,并以一定速度喷向预处理过的基体零件表面,形成具有一定结合强度涂层的工艺方法。热喷涂定义利用电弧、离子弧或燃烧的火焰等将粉末状或丝状的金63几乎所有的固体工程材料都可喷涂如硬质合金、陶瓷、金属、石墨和尼龙等,形成耐磨、耐蚀、隔热、抗氧化、绝缘、导电、间隙控制、防辐射等具有各种特殊功能的涂层。几乎所有的固体工程材料都可喷涂如硬质合金、陶瓷、金属、石墨和64热喷涂技术简介利用热源将喷涂材料熔化或软化并使之以一定的速度沉积到基体上形成涂层；是一种很有潜力的表面技术，在发达国家广泛应用于各个行业；可喷涂金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、聚合物等材料，并可将不相溶的材料制备成复合材料涂层；涂层与基体的结合强度大；涂层具有耐磨损、耐腐蚀、抗氧化性等性能；基体材料在喷涂中受热少，基体内残余应力小。热喷涂技术简介利用热源将喷涂材料熔化或软化并使之以一定的速度65热喷涂技术分类电弧喷涂等离子喷涂普通火焰喷涂超音速火焰喷涂爆炸喷涂热喷涂技术分类电弧喷涂66表面工程技术讲课课件67电弧喷涂示意图

火焰喷涂示意图电弧喷涂示意图火焰喷涂示意图68

空气粉末燃气燃气和空气二次进入超音速火焰喷涂示意图空气粉末燃气燃气和空气超音速火焰喷涂示意图69爆炸喷涂示意图爆炸喷涂示意图70金属熔点5001000150020002004006008002500ArcFlamePlasmaHVOF-1HVOF-2AC-HVAF01000粒子温度℃

粒子速度米/秒

不同热喷涂工艺喷涂粒子特性比较

Detonationspraying

金属熔点5001000150020002004006008071热喷涂技术特点工艺简单灵活受环境限制小涂层和基体种类选择范围广涂层厚度变化范围大沉积速率高很容易制备复合涂层可大面积制备涂层加工成本相对较低热喷涂技术特点工艺简单灵活72热喷涂技术钢铁企业中的应用钢铁生产中的工况十分恶劣，存在着大量设备因高温、磨损及腐蚀等因素造成的失效及损坏问题，严重影响着生产效率和产品质量。钢铁工业自动化、高速度化及高质量化，对设备性能提出更高要求。提高设备的使用性能、延长设备使用寿命便成为钢铁工业急待解决的问题。热喷涂技术钢铁企业中的应用钢铁生产中的工况十分恶劣，存在着大73抗高温氧化涂层

功能：改善基体材料的高温性能(最高温度可达1150℃)，经受高温化学或物理溶解过程以及机械损伤的冲蚀过程，或二者都适应。推荐喷涂材料：镍铬合金、镍铬铝合金、喷铝封孔热渗等。推荐喷涂方法：等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂。应用实例：加热炉、均热炉、热处理炉、烧结炉、热风炉、蓄热炉及蓄热室的炉壁；金属篦的表面；退火盘、退火罩、热处理夹具、高温阀门、滑动闸板、烟道及烟囱等。多晶硅炉、烧结金属成型、排气消声器、高炉风口、送风系统、烧结设备、鼓风系统、净气系统、排烟系统、退火炉辊、热金属浸渍加热器、锻造工具、加热罩、焦炉密封装置、鼓风冷却系统、转炉供氧系统、焦炉风口、连续浇铸辊等。抗高温氧化涂层功能：改善基体材料的高温性能(最高温度可达174耐腐蚀性气体涂层

功能：保护暴露于高温腐蚀性气体中的基体材料，免受氧化和化学腐蚀。推荐喷涂材料：镍铬合金(但含硫介质除外)，喷铝封孔热渗等。推荐喷涂方法：等离子喷涂，超音速火焰喷涂,爆炸喷涂。应用实例：回转窑内表面、钎焊夹具、碳化盒、排风机叶片、氰化处理坩蜗、燃气烟道系统、电厂锅炉回管、炼焦炉管、转炉用锅炉等。耐腐蚀性气体涂层功能：保护暴露于高温腐蚀性气体中的基体材料75热障涂层

功能：降低基体金属的受热程度。推荐喷涂材料：氧化铬、氧化铝、铬酸镁、氧化锆等推荐喷涂方法：等离子喷涂。应用实例：高温炉感应圈、钎焊和热处理夹具、火炬热障、加热罩、高温计套管、铸铁厂U形槽等。热障涂层功能：降低基体金属的受热程度。76抗熔融金属涂层

功能：保护基体金属免受锌、铝、钢、铁和铜等熔融金属的侵蚀。推荐喷涂材料：氧化铝、铬酸镁、钨、钼、金属陶瓷等。推荐喷涂方法：等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂。应用实例：镀锌槽、浇铸槽、风口、锌蒸馏罐、冷凝管、锌合金熔化炉、浸没辊、高炉渣口、铸铝模、铸铜模、连铸机模、砂型铸模、板块结晶器、炼锌搅拌装置、结晶器护板、氧气管喷嘴、转炉吹氧枪、钢包水口、金属熔体测温头等。抗熔融金属涂层功能：保护基体金属免受锌、铝、钢、铁和铜等熔77耐粘着磨损涂层

功能：有些涂层容许磨粒嵌入和变形(软支承表面)；有些则是硬的支承材料(硬支承表面)。推荐喷涂材料：铝青铜、磷青铜、巴氏合金、锡；自熔合金与铂或铜的混合物、高碳钢、不锈钢、Co-WC合金、氧化物陶瓷、金属陶瓷等。推荐喷涂方法：燃烧火焰喷涂(线材或粉材)、等离子喷涂、超音速火焰喷涂。应用实例：巴氏合金轴瓦、水压机轴套、止推轴瓦、活塞导承、压气机十字滑块、铜合金衬套、防伤轴承、主齿轮轴颈等。耐粘着磨损涂层功能：有些涂层容许磨粒嵌入和变形(软支承表面78耐磨粒磨损涂层

功能：耐磨粒磨损涂层能经受外来磨粒的作用，或是发生于某一硬表面或软表面之间滑动。推荐喷涂材料：陶瓷、金属陶瓷、合金和金属等。推荐喷涂方法：等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂。应用实例：矿石输送、破碎、筛分、选矿等设备；抽风机叶片、抛光夹具、冲压模、转炉入料口、鼓风炉体、高炉料钟、制动卷筒、制动鼓、挤压模、导向杆、热成型模具、各类主轴和传动轴、各种轴套、叶轮、机械密封套、阀座、各类齿轮、油压机拉杆、葫芦齿轴、车床拖板、电机端盖、混砂机刮板、冷拔钢管内模、芯棒顶头；各类辊子-初轧辊、支撑辊、夹送辊、成型辊、热处理炉辊、推料辊、传送辊、牵引辊、冷轧机辊、酸洗槽支承辊、镀锌槽浸没辊等。耐磨粒磨损涂层功能：耐磨粒磨损涂层能经受外来磨粒的作用，或79耐冲蚀涂层

功能：经受尖利的硬颗粒引起的磨损，这些颗粒存在于气体或液体之中，并以一定的速度运动。推荐喷涂材料：合金、陶瓷和金属陶瓷。推荐喷涂方法：等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂。应用实例：抽风机、旋风收尘系统、切断阀杆和阀座等。耐冲蚀涂层功能：经受尖利的硬颗粒引起的磨损，这些颗粒存在于80耐化学介质腐蚀涂层

主要是湿法冶金工业，常碰到介质腐蚀给设备带来危害的问题；选择高级材质固然减缓这一问题，但不经济；在大部分情况下，采用热喷涂技术能得到满意的结果；根据介质及其工况情况，可以喷锌、铝、铂、蒙乃尔合金、镍铬合金、镍铬铜钛合金、316L不锈钢、陶瓷等耐化学介质腐蚀涂层主要是湿法冶金工业，常碰到介质腐蚀给设备81连铸辊道我国某钢铁企业转炉连铸生产线连铸辊道，其寿命只有4000炉(20万t)；日本同类连铸辊道可达15000炉，几乎高达4倍。连铸结晶器耐高温耐磨损涂层日本的三岛光环株式会社在连铸结晶器铜板表面热喷涂Ni-Cr合金，其使用寿命1000ｃｈ′ｓ(1ｃｈ=250ｔ)，是原来镀Ni基合金结晶器的3－6倍；美国也有用带热喷涂涂层的铜板制造的连铸结晶器，所用的喷涂材料是NiCrMoB、NiCrWB合金，这种结晶器的使用寿命可达3个月。连铸辊道我国某钢铁企业转炉连铸生产线连铸辊道，其寿命只有4082热镀锌生产线部件

镀锌生产线中的沉没辊、稳定辊、辊轴承和轴承支撑等部件，沉浸于450～480℃的Ｚｎ液中，经受着非常严重的Ｚｎ液腐蚀和磨损，工作寿命一般都较短。防止Ｚｎ的侵蚀主要是防止Ｚｎ向涂层材料内的扩散最新的硼化物涂层热镀锌生产线部件镀锌生产线中的沉没辊、稳定辊、辊轴承和轴承83冷延加工辊

一般采用表面镀铬，但其耐磨性不够，影响使用寿命。采用热喷涂涂层，表面粗糙度的变化十分缓慢，表面夹持力不易下降。其耐磨性为镀铬辊的5～10倍。冷延加工辊一般采用表面镀铬，但其耐磨性不够，影响使用寿命。84导电辊

电镀生产线镀锡和镀锌用的导电辊，由具有导电性的Fe系和Cu系材料及Hastelloy耐蚀合金制造，并在其表面镀Ni或Cr。由于在使用过程中受到腐蚀、磨损及附着的异物等的影响,其寿命很短，仅为30天。采用热喷涂非晶涂层在使用70天后表面仍无明显变化。导电辊电镀生产线镀锡和镀锌用的导电辊，由具有导电性的Fe系85第五章热浸镀第五章热浸镀86热浸镀，简称热镀是将被镀金属材料浸于熔点较低的其他液态金属或合金中进行镀层的方法。其特征是在基体金属与镀层金属之间有合金层形成；热浸镀层是由合金金属和镀层金属构成的；被镀金属材料一般为钢、铸铁及不锈钢等。用于热镀的低熔点金属有锌、铝、铅、锡及其合金等。(1742年发现;1836年推广)热浸镀，简称热镀是将被镀金属材料浸于熔点较低的其他液态金属87热轧窄钢带热浸镀锌生产线示意图热轧窄钢带热浸镀锌生产线示意图88

热浸镀锌钢材的主要用途

镀锌钢板（带）

(1)建筑业：屋顶板、墙壁、落水槽、落水管、下水道、隔壁龙骨架、通风管道、空调设备等

(2)车船制造业：汽车、火车等各种车辆的外壳及内部构件，船舶的顶棚及隔墙等

(3)容器制造业：石油贮运容器、各种化工原料盛装桶、工业用水箱及水槽、军工用子弹箱、粮食桶仓、啤酒发酵缸、各种集装箱、民用水桶及各种器具等

(4)机电工业：机械构件、马达外壳、机构制冷设备、冷库、配电柜、电缆包皮、电缆桥架、电线软管等

(5)家用电器及其他：洗衣机、电冰箱、吸尖器、空调器、火炉烟囟、保险柜及家具等镀锌钢结构件（1）广播电视塔及拉线桅杆等（2）邮电通信用各种铁塔、微波塔等（3）长距离输电铁塔（4）各种用途的钢结构架（防雷、照明及广告宣传牌）等（5）各种建筑用钢结构件（6）交通设施用钢结构件（护栏、立柱及连接件标志杆、标志牌）等（7）公路及铁路的桥梁等热浸镀锌钢材的主要用途镀锌钢板(1)建筑业：屋顶板、89热浸镀铝钢材的主要用途

镀铝钢材耐热汽车排气管、消音器、换热器、炉罩、反射板、燃烧室内衬、烟囟、烟道、烘箱、食品烤箱等耐蚀建筑物的屋顶板、面板、瓦垅板、空调管道、通风管道、电缆桥架、电缆铠装、卷帘门、各种水槽、粮仓、集尘器、脱硫装置、标志牌、广告牌等镀铝钢管耐热与耐蚀石油加工设备管道、煤气管道、蒸气管道、热水管、热交换器、锅炉水冷壁管、合成氨设备管道、油舱上蒸气管道、石油加工热解炉管、电偶保护管、吹氧管、烟囟等热浸镀铝钢材的主要用途镀铝钢材耐热汽车排气管、消音器、换热9055%Al-Zn镀层钢板主要用途建筑行业：大型建筑物的屋顶板和侧壁、瓦垅板、落水槽、落水管、中央空调通风管道、吊顶结构件等。家用电器和器具：面包烤箱、微波炉、冷藏器、洗衣机、电冰箱、空调器、煤气灶具、垃圾筒、壁炉等。商业用具：售货机、空气加热器、商用冰柜、燃烧器部件等。汽车工业：汽车底板、油过滤器、风档板、排气管及消音器等。农业：动物食槽、烟草烘干器、暖房结构件、粮食筒仓、地坑顶盖及其附件等。55%Al-Zn镀层钢板主要用途建筑行业：大型建筑物的屋顶板91镀铅钢板的主要用途交通运输业:各类汽车、拖拉机、船舶等的燃料箱、散热器部件、阀罩、油过滤器等。电器行业:收音机、收录机及电视机的底盘等。建筑行业:大型建筑物的屋顶板、侧壁板、落水槽、落水沟、落水管、防火门等。其他用途:五金工具、化学药品贮槽、电解槽、蓄电池部件等。镀铅钢板的主要用途交通运输业:各类汽车、拖拉机、船舶等的92热浸镀锡层的主要用途热浸镀锡层具有良好的无毒的保护性和涂饰性，而大量用作食品包装罐头、乳类及其制品的贮运容器。然而，由于锡资源缺乏，热镀锡目前已不用于镀薄钢板，仅用于要求焊接性好和厚镀锡层的领域。例如：电器元件及装置中的焊接、印制电路板的铜线路。热浸镀锡层的主要用途93第6章

表面转化改性技术第6章表面转化改性技术94表面转化包括两类表面层成分没有变化的，如喷丸、表面热处理相变强化；表面层成分发生变化的，如氧化、磷化、钝化表面转化包括两类表面层成分没有变化的，如喷丸、表面热处理相变95化学转化技术采用化学处理液，使金属表面与溶液界面上产生化学或电化学反应，从而，生成稳定的化合物薄膜的处理技术如氧化、磷化、钝化化学转化技术采用化学处理液，使金属表面与溶液界面上96钢铁的氧化（发兰）

钢铁零件的高温氧化，俗称发兰（发黑），是使其表面转化成由十分稳定的磁性氧化铁Fe3O4所组成的膜层，约0.6~1.5μm厚，不影响零件精度，早先为高温氧化，现改为常温氧化（发兰、发黑）。钢铁的氧化（发兰）97

铝和铝合金的化学氧化将零件浸入在氧化剂基础上适量添加碱金属的铬酸盐，硅酸盐，磷酸盐等缓融剂的碱性或酸性溶液中进行处理，形成氧化膜层的技术。例如Alodine1200处理铝和铝合金的化学氧化98金属表面的磷化钢铁零件在含有锌、锰、钙、铁或碱金属磷酸盐溶液中进行化学处理，在其表面上形成一层不溶于水的磷酸盐膜的过程，称为磷化处理金属表面的磷化99金属表面的钝化是在铬酸、碱金属的铬酸盐或重铬酸盐为基本成分的溶液中，使金属表面转化成以铬酸盐为主要组成的膜的一种工艺方法。一般金属及其镀层都可进行钝化处理，以提高其耐蚀性、装饰性等金属表面的钝化是在铬酸、碱金属的铬酸盐或重铬酸盐为基本成分100金属表面着色是在特定溶液中采用化学、电化学或置换等方法在金属表面上形成一层颜色各异的有色膜或干扰膜，使着色金属表面呈现不同的颜色，达到模仿昂贵金属、仿古、装饰目的金属表面着色是在特定溶液中采用化学、电化学或置换等方法在金属101金属表面的电化学氧化技术以铝和铝合金阳极氧化为例，按电解液和膜层性质可以分为硫酸、铬酸、硫硼酸、磷酸、草酸、混酸、硬质和瓷质阳极化，可达到提高耐蚀性、耐磨性、粘接性、装饰性等目的金属表面的电化学氧化技术以铝和铝合金阳极氧化为例，按电解液和102金属表面热处理硬化

采用感应加热淬火、火焰加热淬火、激光加热淬火、电子束加热淬火和流态床加热淬火等表面加热技术，使金属表面或近表面组织发生变化，从而引起金属表面强化的技术，称为金属表面热处理强化技术金属表面热处理硬化采用感应加热淬火、火焰加热淬火、激光加热103金属表面形变强化借助于改变材料的表面完整性（表面粗糙度，表层的组织结构与相结构，表层的残余应力状态以及表层的密度等），改变疲劳断裂和应力腐蚀断裂抗力以及高温抗氧化的能力。这种工艺包括喷丸强化，滚压强化，内孔挤压强化，振动冲击强化，风动动力强化，金刚石辗压强化等。金属表面形变强化借助于改变材料的表面完整性（表面粗糙度，表层104第7章

表面扩散渗入技术

第7章表面扩散渗入技术105表面扩散渗入又称为表面合金化,是将金属或非金属（溶质原子）沉积或包覆在基体金属表面上，在高温作用下，通过扩散渗入到基体金属的表面内，改变表面的化学组成及相结构，从而改变材料表面的物理-化学性能，以满足设计-制造者和使用者对某些性能的要求表面扩散渗入又称为表面合金化,是将金属或非金属（溶质原子）沉106

应用举例

钢件渗硼后，对盐酸、硫酸、磷酸和碱具有良好的耐腐蚀性能，在600℃以下抗氧化性能良好；铁基合金、镍基合金和钴基合金扩散渗入铝、铝钛、铝铬、铝硅、铝铬硅、镍铬铝、镍铬铝钇、镍钴铬铝钇铪等都能不同程度地提高这些合金的高温抗氧化性能。应用举例钢件渗硼后，对盐酸、硫酸、磷酸和碱具有良好的耐腐107扩散第一定律（费克第一定律）在两个成份不同的金属界面上，单位时间内通过单位面积的物质量J（扩散通量）与垂直于界面的轴方向上的浓度梯度成正比：其中D为扩散系数，单位为cm2/S，负号表明扩散由高浓度向低浓度方向进行。C为元素的浓度，是位置的函数。在浓度梯度一定的条件下，扩散速度主要取决于扩散系数

扩散第一定律（费克第一定律）在两个成份不同的金属界面上，单位108扩散第二定律

当扩散处于非平稳状态，即扩散通量随时间而变化时，扩散遵守扩散第二定律：当D与浓度无关时，上式可表达为：

扩散第二定律当扩散处于非平稳状态，即扩散通量随时间而变化时109表面可渗入的元素很广泛

单元素有：C、N、B、Si、Zi、Al、Cr、Be、Sn、Mo等双元素有：Cr-Ti、Cr-Al、Ni-ALMn-AL、Nb-AL、V-AMo-B、W-B、Ti-B、Cr-C、W-Si、Mo-C、Nb-B、Nb-C、Zr-C等三、四元素有：Ni-Cr-AlW-Mo-B-SiFe-Cr-Al等表面可渗入的元素很广泛单元素有：C、N、B、Si、Zi、A110铁和钢的渗碳层

把低碳钢或低碳合金钢零件放在具有一定渗碳气氛的炉内加热并保温一定时间,使碳原子渗入表层，获得渗碳层，经直接淬火或缓冷后重新加热淬火,使渗碳层和心部获得以马氏体为主的显微组织,再经低（150～200℃）回火，可显著提高零件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和接触疲劳抗力，而零件的心部仍保持一定的强度和良好的韧性。铁和钢的渗碳层把低碳钢或低碳合金钢零件放在具有一定渗碳气氛111获得渗碳层的工艺分类获得渗碳层的工艺分类112常用渗碳钢的牌号、主要用途及典型零件

类别钢种主要用途典型零件低强度渗碳钢08,10,15,20,25,15Mn,20Mn,20Mn2,20MnV,15Cr,20Cr等制造载荷不大，磨损轻微的小型零件摩擦片、衬套、链条片、工装、夹具、量具等中强度渗碳钢12CrNi3A,20CrMnTi,20CrMnMo,20MnTiB,20MnVB,20CrMn,15CrMnMo等制造尺寸较大、中等负负荷、耐疲劳的零件变速齿轮、齿轮轴、十字销头、花键轴套、气门座、凸轮盘等高强度渗碳钢12Cr2Ni4A,18Cr2Ni4WA,25MnTiB,20SiMn2MoV等制造高强度、重负荷耐磨损、抗疲劳的零件航空发动机主传动齿轮、涡轮轴、内燃机车主动牵引齿轮、柴油机曲轴、连杆及缸头精密螺栓等高温渗碳钢20MoCr5,20MnCr5等用于高温渗碳零件常用渗碳钢的牌号、主要用途及典型零件类别钢113钢铁零件渗氮层

把钢铁零件放在渗氮介质中，在480～560℃温度下加热、保温一定时间，使氮原子渗入表层，即可在零件表面形成一定深度的渗氮层。获得渗氮层的方法，常用的是气体渗氮法（气体氮化）和离子渗氮法（离子氮化）。钢铁零件渗氮层把钢铁零件放在渗氮介质中，在480～560℃114

常用渗氮钢种类别钢号渗氮后的主要性能主要用途低碳钢

08,08Al,10,15,20,A3,20CrMo,30,35抗大气与水的腐蚀螺栓、螺母、销钉，把手等零件中碳钢及中碳低合金钢

40,45,50,40Cr,50V提高耐磨与疲劳性能或提高耐大气及水的腐蚀性能曲轴、阶梯轴、低档齿轮等零件低碳合金钢

18Cr2Ni4WA,18CrNiwA,20Cr,20CrMnTi,25CrNiWA,25Cr2MoVA耐磨、抗疲劳性能优良，心部韧性高，可在冲击载荷下工作轻负荷齿、轮齿圈等中、高档精密零件中碳合金钢

38CrMoAlA,35CrNiMoA,35CrMo,38Cr2MoAlA,42CrMo,25Cr3Mo,40CrNiMoA,30Cr3WA,30CrMnSiA,30Cr2Ni2WVA,35Cr3Mo,50CrVA,耐磨抗疲劳性能优良，心部强韧性好，38CrMoAlA渗氮后表面硬度很高，脆性较大，不宜承受冲击载荷制造气缸筒、轴套、轴承座、阀杆、发动机高、低压涡轮轴、联轴器等要求耐磨的承力构件模具钢

Cr12,Cr12MoV,3Cr2W8V,4Cr5MoVSi,4Cr5W2VSi,5CrNiMo,5CrMnMo耐磨性及红硬性良好，抗热疲劳，有一定的抗冲击疲劳性能冷冲模、拉伸模、非铁金属压铸模等模具和高速钢铣刀等多种刃具工具钢

W6Mo5r4V2,W2Mo9Cr4VCo8,W18Cr4V,耐磨性及红硬性优良高速钢铣刀等多种刃具不锈钢

1Cr13,2Cr13,3Cr13,4Cr13,4Cr14Ni14W2Mo,15Cr12MoV,2Cr18Ni18W2,1Cr18Ni9Ti,45Cr14Ni,25Cr18Ni8W2,14W2Mo14Cni9Cr3AlV2,17Cr18Ni9,3Cr19Ni9MoWNbTi耐磨性、红硬性及高温强度优良，能在500～600℃服役，经渗氮后耐蚀性有不同程度的降低，但在许多介质中仍有较好的耐腐蚀性纺纱机走丝、及在腐蚀介质中工作的泵轴、叶轮等液压件和在500～600℃及有一定腐蚀性环境工作且要求耐磨的零件，如飞机辅机上的衬套、活塞、活门、套筒等高钛渗氮专用钢

30CrTi2,30CrTi2Ni3Al耐磨性优良，红硬性及抗疲劳性能好承受剧烈的磨粒磨损且不承受冲击的零件常用渗氮钢种类别钢号115碳氮共渗层与氮碳共渗层在一定温度下，将碳原子和氮原子同时渗入钢件的表面，即可得到碳氮共渗层。根据处理温度的不同，可分为高温碳氮共渗（880～920℃）、中温碳氮共渗（780～880℃）和低温碳氮共渗（＜780℃）。高温和中温碳氮共渗为奥氏体碳氮共渗，又称为氰化，以渗碳为主，接近于渗碳，所以氰化后还需进行淬火和低温回火处理。低温碳氮共渗为铁素体碳氮共渗，以渗氮为主，接近于渗氮，获得氮碳共渗层，所以又称为氮碳共渗或软氮化。碳氮共渗层与氮碳共渗层在一定温度下，将碳原子和氮原子同时渗入116任何物体脱离不了表面，没有表面就没有实物，没有世界，不断提高表面工程技术，充分利用表面工程技术，大有作为！

发展意义在于：适应各行各业产品性能的提高；高技术含量的进步；可靠性、安全性和耐久性的增加；美观装饰的新需求等谢谢！任何物体脱离不了表面，没有表面就没有实物，没有世界，不断提高117表面工程技术与缓蚀剂

李金桂中航一集团北京航空材料研究院表面工程技术与缓蚀剂李金桂118引言表面技术的应用可以追溯到远古：三千多年前的大漆的发现及其应用；二千多年前秦始皇墓地使用的青铜剑；1742年出现，1836年投入生产的热浸镀；二次大战研究和发展的无几富锌涂层；20世纪60年代合成树脂引发的现代涂料工业时代；20世纪70～90年三束技术引发的表面工程的大发展以及表面工程学的出现。引言表面技术的应用可以追溯到远古：119涡轮喷气发动机失事

是由九级压气机加燃烧室加二级涡轮为主体构成的，其中压气机九级盘后，有一个后轴颈，内有两个小弹簧片发生镉熔化，导致九级盘镉脆断裂涡轮喷气发动机失事

是由九级压气机加燃烧室加二级涡轮为主体构120压气机转子，镀镉弹簧片位置示意图压气机转子，镀镉弹簧片位置示意图121爆裂的九级压气机盘爆裂的九级压气机盘122美国“哥伦比亚号”航天飞机

起飞时遭到外力撞击，导致防热瓦上出现裂缝，2003年2月1日返回地面时使得超高温气流乘虚而入，机体材料瞬间熔化，飞机解体，机上7名航天员全部遇难美国“哥伦比亚号”航天飞机

起飞时遭到外力撞击，导致防热瓦123“哥伦比亚号”防热瓦飞船在快速与空气剧烈摩擦时，外壳温度达到几千摄氏度。外壳表面安装了20000多快防热瓦，实际上它是一些疏松、轻质而呈脆性的陶瓷材料，碳－碳复合材料，它耐高温、隔热好、质量轻，高温下不发生物理和化学性能的破坏并可重复使用。但是，航天飞机在重复使用过程中，防热瓦的气动外形必然会受到程度不同的损害，随着使用次数的增加，隐患就越大。“哥伦比亚号”防热瓦飞船在快速与空气剧烈摩擦时，外壳温度达到124航天飞机首次复飞如履薄冰经过2万多人近30个月的不懈努力，包括对航天飞机进行约50项、300多处改进；经过几百万次计算机模拟试验，并在风洞试验中检测不同碎片撞击方式会造成的后果；经过反复研究和不断创新；又经过多次发射推迟，在投入几百万个工时和约15亿美元之后，发现号航天飞机终于在2005年7月26日晚10时39分（北京时间）率先进行了哥伦比亚号失事后美国航天飞机的第一次发射，并在8月9日晚8时12分（北京时间）安全落地。航天飞机首次复飞如履薄冰经过2万多人近30个月的不懈努力，包125“神六”表面的烧蚀涂层“神六”隔热方式采用烧蚀材料，不会遇到导致美国“哥伦比亚号”航天飞机事故的“防热瓦”问题烧蚀涂层在高温高压气流冲刷的条件下，发生热解、气化、升华、辐射等作用，通过材料表面的物质损耗而带走大量的热量，从而达到耐高温和保护飞船内部人员存活和设备的正常运行的目的“神六”表面的烧蚀涂层“神六”隔热方式采用烧蚀材料，不会遇到126表面工程技术应用的启示金属（例如钢铁）材料制成的零部件，只要表面保持良好的“合适的保护”，这些零部件可以永久的使用下去；金属表面的保护层如果选用不当；施加工艺不合适；或储存、运输、使用不当，则会引起种种麻烦，甚至重大事故；如果不是有意识的利用表面，获得所希望具有的性能，就是无意识的被动的破坏表面的性能，遭受损失。表面工程技术应用的启示金属（例如钢铁）材料制成的零部件，只要127第1章

绪论

第1章128“表面工程”定义“是将材料表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用表面改性转化技术、薄膜技术和涂镀层技术，使材料表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。它是近代技术与经典表面工艺相结合、繁衍、发展起来的；它拥有坚实的科学理论基础，像表面界面理论、表面失效理论、腐蚀科学、摩擦科学等；它包括表面转化改性、薄膜、涂镀层材料与制备工艺、施涂与检测技术、表面组成与结构分析技术、表面性能测试技术、检验方法、标准、评价和质量保证与工艺过程控制等为形成新型表面和表面层工程化生产的成套技术。它可有效地改善和提高材料和产品的性能(耐蚀、耐磨、装饰性能)，确保产品使用可靠和安全，延长使用寿命，或赋予材料和器件特殊的物理和化学性能，例如声光磁电的转换和存储性能，使电子器件多功能化和超小型化，有效地节约有限的资源和能源，减少环境污染，维护可持续发展。”引自《国防科技名词大典》“表面工程”定义“是将材料表面与基体一起作为一个系统进行设129表面形变强化

表面工程技术

表面转化技术

薄膜技术

涂层技术

表面热流强化

表面合金化

化学转化电化学转化

离子注入

光学薄膜电子学薄膜

光电子学薄膜

集成光学薄膜

金刚石薄膜

防护用薄膜

电化学沉积技术

有机涂层技术

无机涂层技术

热浸镀技术

防锈技术

表面形变强化表面工程技术表面转化技术薄膜技术130表面上的行为腐蚀从表面开始磨损在表面进行装饰美化在表面疲劳因表面损伤显著加速表面上进行功能转换表面上的行为131表面工程技术的功能与作用

提高耐腐蚀能力调整摩擦磨损特性赋予表面特种功能进行表面装饰表面工程技术的功能与作用提高耐腐蚀能力132提高耐腐蚀能力

抗均匀腐蚀防晶间腐蚀与剥蚀防电偶腐蚀抗点碜业、耐磨蚀抗高温氧化与热腐蚀延缓腐蚀疲劳抗应力腐蚀和氢脆提高耐腐蚀能力抗均匀腐蚀133提高耐磨与减磨能力

抗摩擦磨损减磨、润滑抗冲刷、抗微动磨蚀防粘结，防咬合提高耐磨与减磨能力抗摩擦磨损134赋予表面特种功能声、光、磁、电的转换导电、绝缘、超导存储记忆发光、消光、光反射、光选择吸收红外波、雷达波吸收与反射赋予表面特种功能声、光、磁、电的转换135赋予表面其它物理特性

传感亲油、亲水可焊、粘着疏某种介质耐热、导热、隔热、吸热、热反射赋予表面其它物理特性传感136赋予表面其它化学特性

耐水、耐酸、耐碱、耐盐耐特种介质催化赋予表面其它化学特性耐水、耐酸、耐碱、耐盐137提高表面完整性

光洁度清洁度致密度降低损伤程度

提高表面完整性光洁度138赋予制件表面装饰特性

美丽的图案鲜艳的色彩金属的陶瓷化非金属制件表面合金化非金属材料的抗老化

赋予制件表面装饰特性美丽的图案139换句话说--功能与作用

可以赋予表面拥有不同于基材的表面特性；可以赋予表面耐蚀特性；可以赋予表面良好的摩擦磨损特性；可以提高表面良好的抗疲劳的特性；可以赋予表面进行声光磁电转换的功能，发展微电子技术；可以使用便宜基材制造出昂贵的表面性能；可以节约战略物质而用薄膜获得所需的表面；可以按所设计的工程或产品的需求调整表面与表面之间的匹配；可以制造出富丽堂皇、美观大方的外观使你所设计制造的工程或产品成为一个艺术品，装点于地球上，成为人们永久鉴赏和使用的财富；可以节约资源、能源，减少污染，实现可持续发展。换句话说--功能与作用可以赋予表面拥有不同于基材的表面特性140功能和作用能否理想发挥

如何对表面或界面进行所期望的改性，获得优质、长寿、美观的产品或建设工程呢？有两条必须注意∶任何产品或建设工程项目设计与制造的同时应将表面与基体作为一个系统行进行设计和制造；无论所设计的表面或界面所需满足的功能与作用是那种类型，都要分析所处环境的侵蚀作用，没计防腐蚀、防磨蚀的外表层功能和作用能否理想发挥如何对表面或界面进行所期141

表面工程技术设计

表面膜层成分结构设计

表面（膜）层选择与应用设计

表面复合功能膜层设计

表面工程施工设计

表面工程设备设计表面工程车间设计

表面膜层成分结构设计表面（膜）层选择与应用设计表面142

表面工程应用

表面膜层功能特性手册

表面（膜）层材料及加工技术

表面分析与检测技术、试验方法、标准

表面质量与工艺过程控制

表面工程管理与经济分析

表面膜层功能特性手册表面（膜）层材料及加工技术表面分143

表面工程基础理论

腐蚀与防护理论表面摩擦与磨损理论表面完整性与界面理论表面物理化学

表面化学物理表面装饰与美学表面功能材料及其应用表面失效理论及其分析理论腐144现代表面工程学

表面工程基础理论表面工程技术表面工程技术设计表面工程应用表面工程基础理论表面工程技术设计145

应用表面工程技术的目的充分发挥材料的使用潜力；节约资源、能源，维护和支持国家可持续发展战略；提高产品高技术含量，满足产品高技术性能要求；提高人们的生活质量；提高产品的可靠性、安全性、减少事故危害、延长使用寿命应用表面工程技术的目的充分发挥材料的使用潜力；146表面转化改性技术

利用现代技术改变材料表面、亚表面层的成