教案-表面技术概论-表面分析检测-3.doc

授课学时： 3学时章节名称第11章 表面分析测试技术（3学时）备 注教学目的和要求通过本章学习，掌握常用的涂层表面质量、组织结构分析测试方法，了解涂层设计的基本思想等。重 点难 点（1） 涂层表面分析测试方法（2）表面工程设计的基本思路；教学方法教学手段1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲的方法突出重点，用分析证明、分类举例（特别要分清“复合层次”，以免漏层）的方法突破难点。2、教学手段：以传统的口述，现代的多媒体，再加黑板为辅助的多种手段交叉进行教学。教学进程设计（含教学内容、教学设计、时间分配等）11.1表面分析技术11.1.1涂层的分析与检测有共性和特性之分 涂层的共性检测包括外观、厚度、硬度、残余应力、界面结合力、孔隙率测量和显微组织观察等 特性分析包括耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、导电性检测等。 （1）涂层外观的检测涂层外观的检测包括表面缺陷、粗糙度、光泽度和覆盖性，通常采用肉眼观察和仪器测量的办法。 表面缺陷 表面缺陷主要有鼓泡、起皮、斑点、疏松、毛刺、针孔等，鼓泡是涂层表面隆起的小泡，大小、疏密程度不一，严重时与基体分离，脱皮是涂层与基体剥离的开裂状或非开裂状缺陷，通常是涂/镀层常见的缺陷。 分析方法： 目测 体视显微镜 扫描电镜（2）表面粗糙度可采用轮廓算术平均值Ra和轮廓微观不平度Rz来表示。测量仪器：粗糙度测量仪。（2）涂层厚度的测量 涂层厚度的检验方法很多，可分为无损检测和破坏性检测两大类。 无损检测主要有磁性法、涡流法、和X射线荧光测厚法等。 破坏性检验方法有金相显微法、多束光干涉法和化学溶解法等。 （3） 硬度的测量 硬度的测量可归纳为三种主要的类型：静态压痕硬度、动态/回弹压痕硬度及划痕硬度。 静态压痕硬度测量是通过球体、金刚石锥体或其它锥体将力施加到被测材料上，使被测材料发生塑性变形，产生压痕，再依据载荷与压痕面积/深度之间的关系，求出其硬度值。 动态/回弹压痕硬度测量是将一个具有标准重量和尺寸的物体从一定的高度下落到被测材料的表面并从其表面弹起，根据回弹的高度来测定被测材料的硬度值。 划痕硬度测量是通过被测物体去刻划已知硬度的另一种物体或用已知硬度的一种物体去刻划被测物体，根据所产生的划痕大小来评价硬度值，属于一种半定量测定方法。涂层显微硬度测量显微硬度计测量，膜厚应大于压痕所产生的塑性形变区及影响区深度，如维氏硬度，膜厚至少要为压痕深度的10倍，当镀膜非常薄时，基片的硬度会影响膜的硬度。宏观硬度测量 常用的是表面洛氏硬度计。最硬的耐磨涂层采用C刻度，载荷有15N，30N，45N，一般的耐磨涂层也可采用B刻度或A刻度。 试样表面与背面平行，涂层表面光滑、洁净，每个试样至少测定5个压点，其中两个测点或任一测定点距试样边缘的距离不小于3mm，为了保证测试的准确性，涂层厚度应为压入深度的10倍以上。（4） 残余应力的测量宏观应力：因热膨胀系数差异而导致涂层中的残余应力为，不仅取决于热膨胀系数差异的大小，而且取决于薄膜/涂层制备时，基体温度的高低。微观局部应力：由于相变、变形不均、涂层中的缺陷等因素引起的。 测量方法： X射线衍射仪 残余应力测量仪 应力应变仪测量1.5 涂层结合强度的测量涂层的结合强度是指涂层与基体结合力的大小，即单位面积涂层从基体上剥落下来所需要的力。测量涂层结合强度的方法可分为两大类： 定性检验，如弯曲试验、冲击试验、杯突试验等 定量检验，如划痕试验、抗拉试验、压缩试验等弯曲试验弯曲试验通常为三点弯曲试验，其做法是将涂层试样置于一定距离的两个支点上，涂层面向支点，将一定曲率半径的压头作用于基体材料的中点，在一作用力下，试样发生弯曲，随着力的不断增大，涂层会开裂，直至从基体上剥离，弯曲角的大小说明涂层结合强度的大小。拉伸测量法拉伸测量法是使用粘结剂把棒状、板状或带状零件粘附在涂层表面，通过测量使涂层从基片上剥离所需力的大小，求得涂层的结合强度。直接拉伸测量法，如图所示，圆形棒利用粘结剂垂直地粘贴在涂层表面，对涂层垂直施加拉力。若涂层剥离时的力为F，剥离的涂层面积为S，则涂层的结合强度为F/S。剪切测量法将一块金属板粘结在涂层表面并在施加垂直载荷的条件下，切向单拉金属板，将涂层由基片上剥离所需的力除以粘结面积可求得剪切应力值。此法由于使用了粘结剂，可测得涂层结合强度附着力范围受粘结剂强度所限，通常小于100MPa。 （6）涂层孔隙率的检测涂层中孔隙率的多少直接影响到涂层的使用性能，对于大多数涂层来说，比如耐腐蚀、耐高温氧化、耐磨涂层等，都要求涂层中的孔隙率越低越好，相反，对一些热障涂层和可磨耗密封涂层，则要求涂层中存在一定的孔隙率。因此，孔隙率是检验涂层合格的重要指标之一。测量涂层中孔隙率的方法很多，主要有排水法、滤纸/涂膏法和金相分析法。金相法金相法是将涂层截面置于光学显微镜下，在一定放大倍数下观察或拍成显微照片，计算机对图象进行处理，定义一孔隙门槛值，将显微图片上某一衬度组织似为孔隙，计算程序采用积分的方法将视域内各个孔隙面积累积起来，再除以视域总面积，从而获得涂层孔隙率大小。（7 ）显微组织分析涂层的显微组织观察通常包括孔隙大小、分布、未熔/凝固颗粒夹杂物、氧化物、涂层厚度、界面结合、表面粗糙程度，是对涂层更直观、更深入的检测分析。常见的显微组织观察分析手段有光学显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜等。（8） 涂层成分分析光谱分析仪电子探针X射线荧光光谱仪能谱仪（9） 涂层相分析：X射线衍射仪、TEM（10）涂层特性的分析与检测 涂层耐蚀性的检测、涂层高温抗氧化性的检测、涂层的耐磨性试验。涂层耐蚀性的检测涂层的耐蚀性指的是涂层抵抗环境腐蚀，延长基体使用寿命的能力。涂层的耐蚀性检验包括大气暴露试验、使用环境试验、人工模拟/加速腐蚀试验。大气暴露试验：将待测涂层试样放在大气环境中，进行各种大气环境下的腐蚀试验，定期观察腐蚀过程的特征，测定腐蚀速度，检验涂层在大气环境下的腐蚀速度。腐蚀等级 大气暴露试验结果的评价有定性和定量之分。定性分析主要采用目测法或3-5倍放大镜，对腐蚀产物的颜色和状态进行观察分析。根据保存的原始试样与腐蚀后的试样颜色/光泽度对比，可将涂层的腐蚀等级分为5级。 1级腐蚀，涂层表面基本上无变化或仅光泽微暗； 2级腐蚀，涂层出现腐蚀点或膜状氧化物或光泽暗淡，但无基体金属腐蚀点； 3级腐蚀，出现基体金属腐蚀点，但少于总面积10%； 4级腐蚀，基体金属腐蚀点面积小于总面积30%，或涂层开裂面积达到同样程度； 5级腐蚀，基体金属腐蚀点面积/涂层开裂面积超过总面积30%。 大气腐蚀结果的定量描述是根据涂层在单位时间、单位面积上的重量变化来计算腐蚀速率。盐雾试验 盐雾试验包括中性盐雾试验、乙酸盐雾试验和铜加速盐雾试验，用以确定金属或金属涂层的耐蚀性能，评价涂层厚度的均匀性和孔隙率，被认为是最有用的实验室加速腐蚀试验。试样取出经清洗干燥后，对试验结果进行评价。评价的方面有试样外观，除去表面腐蚀产物后的外观，点蚀、裂纹、气泡等腐蚀缺陷的数量和分布，开始出现腐蚀的时间，质量变化，显微镜观察，力学性能变化等等。 涂层高温抗氧化性的检测为了评价涂层高温抗氧化效果或者一种金属的高温氧化程度，经常要进行高温氧化试验。评价高温氧化速率可以采用以下三种主要指标之一：一是金属的消耗量，可通过测定试样的重量损失或残留金属的厚度来确定；二是氧的消耗量，可通过测定试样的重量增加来确定，通过连续测定，可得到完整的氧化动力学曲线；三是生成的氧化物量，可以通过测量生成氧化物重量或厚度来确定。测定这三个指标归结为两种方法：失重法和增重法。 失重法 失重法测定高温氧化就是把称好重量的试样放进已加热到一定温度的加热炉中，保持一定时间后，冷却去除氧化物再称重，确定单位时间内单位面积的重量损失，用以表示氧化速率。失重法 失重法测定高温氧化就是把称好重量的试样放进已加热到一定温度的加热炉中，保持一定时间后，冷却去除氧化物再称重，确定单位时间内单位面积的重量损失，用以表示氧化速率。增重法用单位时间单位面积上涂层重量的增加来表示平均氧化速率。涂层的耐磨性试验涂层的耐磨性试验在机械行业非常重要，主要有磨料磨损试验、粘着磨损试验和砂粒冲蚀实验。 销盘式磨料磨损 将砂纸或砂布装在圆盘上，作为实验机磨料。试样做成销钉式，在一定负载压力下压在圆盘砂纸上，试样涂层表面与圆盘砂纸相接触，圆盘转动，试样沿圆盘的径向做直线运动，经一定摩擦行程后测定试样的失重。冲蚀磨损试验冲蚀磨损试验的试样放入橡胶保护板上并固定，在喷砂室内，用射吸式喷砂枪喷砂冲蚀。试验完毕后，根据涂层质量减少量来评定涂层耐冲蚀磨损能力，冲蚀磨损实验特别适用于由气体或液体携带一定尖锐度的硬质颗粒冲刷造成的冲蚀磨损。 11.2 表面工程技术设计以系统的观点对表面工程诸多方面进行总体优化、综合运用，并实施科学的技术管理。主要内容：1.所采用的材料设计2.表面涂层结构设计3.表面工程的工艺设计4. 工艺过程控制(参数的确定)5. 测试方法与检验标准6. 寿命的估算11.2.1 复合表面涂层设计原来的单一的表面技术由于其固有的特点和局限性往往不能满足这些苛刻要求。将两种或多种表面技术以适当的顺序和方法加以组合，或以某种表面技术为基础制造复合涂层或改性层的一些技术，即复合表面技术。 11.2.1.1 以增强耐磨性为主的复合表面技术电镀、化学镀复合涂层：使金属和不溶性固体微粒共沉积，可以获得各种微粒弥散金属基复合镀层。镍溶液加入13m的SiC的微粒，可获得NiSiC复合镀层，用于镀覆发动机气缸内壁，缸壁的磨损量为普通钢缸套汽缸的60；电镀Ni-SiC复合镀层的耐磨性比普通镀镍层提高70%。功能梯度涂层功能梯度涂层可使基体到涂层的成分逐渐变化，能形成一个缓和应力的过渡层。这样既保证了涂层与基体的结合，又保证了涂层在使用环境中的特殊性能。 热喷涂 离子束辅助沉积 多层复合涂层合理地设计和制备多层复合涂层可以使其获得高的膜基结合强度、高耐磨性、高耐蚀性、高的综合塑性和强度等特殊性能。注意： (1)涂层与基体、涂层与涂层在结构上的合理匹配能得到低的界面能和高的结合强度。因此，应尽量使涂层间的晶体结构相同或相近、晶格常数相近。 (2)涂层与基体元素亲和力好，在制膜工艺条件下如能相互扩散形成间隙或无限固溶体，可大大提高结合强度；涂层间如具有优良的互溶性，能使涂层间没有明显的分界面，则层间结合力高。 (3)涂层与基体(或涂层)的热膨胀系数值应相近。(4)对重载工况下的涂层，要求基体有足够的支承强度、足够高的硬度和韧性。如TiC涂层变形量达2时即发生破裂，其基体材料的硬度应在50HRC以上，含碳量应05。硬质合金和高碳高合金钢是制做冷作模具和刀具涂层的良好基体材料。在气相沉积中，TiC、TiN、TiCN和-Al203都是面心立方晶格，具有相近的热膨胀系数、良好的互溶性和化学稳定性，可作为复合涂层的子涂层以供选择：在CVD中，TiC与基体元素在高温下能发生强烈相互扩散，可得到很高的结合强度，很适于做复合涂层的底层；TiN具有良好的化学稳定性和抗粘着磨损的能力，又呈美丽的金黄色，是最适宜的一种外表层；而TiCN的性能介于两者之间，故设计多层复合涂层时，常以TiC做底层，TiN为表层，TiCN做过渡层。基体TiC+TiCN+ TiC+TiCN+ TiC+TiCN+TiN11.2.2 表面工程工艺设计表面工程工艺设计包括对工件、材料进行表面预处理及工程施工全过程中的表面技术的选择，所用材料的选择，工艺装备的选用或设计，涂层结构和性能设计，工艺规程的制定等内容。 11.2.2.1 表面工程技术的选择原则一、适应性原则 - 适合的工艺二、耐久性原则 - 高寿命三、经济性原则 - 低成本适应性原则首先要清楚:1. 工件的技术要求和特点：材料、热处理状态、表面成分、组织、硬度、加工精度和粗糙度等要求；是否是薄壁、细长等易变形件，对受热的适应程度如何?2.零件的工作条件：载荷性质和大小、相对运动速度、润滑条件、工作温度、压力、湿度、介质情况等。3. 修复件的损坏情况：失效形式，损坏部位、程度及范围，如磨损量大小，磨蚀面积、深度，裂纹或断裂形式、尺寸等。4.零件的制造(或修复)工艺过程：当表面工程技术的使用只是作为零件制造(或修复)工艺流程中的个或一组工序时，要明确它在其中所处的位置，与前后工序衔接的要求，及应采用的工艺措施。耐久性原则要提高寿命使用耐久性系数K（寿命比）来衡量磨损件：相对耐磨性来衡量 WH / WTWH未经表面强化件的磨损量WT-经表面强化件的磨损量越大其寿命越长。经济性原则 - 低成本 要针对企业的设备、人员、技术水平等具体情况，进行科学的技术管理，综