表面工程略微整理版.doc

洁净表面：大块晶体的三维周期结构与真空间的过渡区,它包括所有不具有晶体内特征的原子层,为1个几个原子层,厚度0.52nm污染表面：指被任何其他东西所污染，或吸附其他原子、分子的材料表面。理想表面：当一块无限大的无缺陷的晶体被分成两个半无限大的晶体时，如果在分割面附近 区域中的原子排列、电子的密度分布都和分割前一样，而且晶体在分割时没有原子进入或跑出分割面，这个分割面就是理想表面冶金结合：覆层与基体之间通过熔融过程实现结合扩散结合：覆层与基材之间通过原子扩散结合磨粒磨损：指由于硬颗粒或硬突起物使材料迁移而造成的磨损粘着磨损：指当接触表面作相对运动时,由于固相微凸体的焊合作用使材料从一个表面转移到另一个表面造成的磨损表面疲劳磨损：指由于在表面上重复滚动或滑动时所产生的循环交变应力引起疲劳而使材料脱落的磨损冲击磨损：两固体表面间重复冲击作用下材料损伤和脱落的磨损形式磨光：是普通的利用砂粒、刃口将M机械性切割下来的过程， 主要目的是去除金属零件表面 的毛刺/砂眼/氧化皮/锈迹/沟纹等,使其具有一定的平整度和粗糙度抛光：是机械、化学、电化学结合过程，主要目的是消除M零件表面的微观不平,使其具有镜面外观电化学抛光：指将工件作为阳极,浸于特定的抛光介质中并通以直流电进行抛光化学抛光：将工件浸于合适的的溶液中进行抛光.干法热镀锌：预处理 干燥 溶剂处理 浸锌 清洗氧化还原法：氧化/还原 浸锌 喷吹/冷却 钝化处理 涂油气体碳氮共渗：指在780880同时渗入C/N原子,以渗碳为主的工艺氮碳共渗：指在520580同时渗入C/N原子,以渗氮为主的工艺QPQ工艺：盐浴氮碳共渗氧化盐浴冷却抛光氧化盐浴T.D工艺：通过将钢铁材料置于硼砂熔盐浴中进行渗M(铬/钒/铌)的工艺机械结合：表面凸凹不平，互相嵌合扩散结合：高温下发生原子扩散，接合面上形成固溶体或金属间化合物爆炸喷涂：将一定比例的氧和乙炔送入枪内,后将氮气与粉末混合输入，由火花塞点火,使混 合气体燃烧爆炸,粉末被加热和加速,由枪口喷射到基体表面形成涂层的技术超音速喷涂：氧和乙炔(或煤油/丙稀/氢气)在燃烧室燃烧后被压缩/加速,喷向工件基体表面 形成涂层的技术（实质是火焰喷涂+超音速）电镀：指利用电化学的方法在零件表面沉积一薄层M或合金的技术化学镀：在无外加电流时含有欲镀M离子的溶液在还原剂的作用下使M离子还原成M而沉积在制品表面的方法。镀液的分散能力：镀液使镀件表面获得均匀镀层的能力深镀能力：电镀时对复杂镀件整个表面被覆盖的程度，亦称覆盖能力溅射镀：指用高能粒子轰击靶表面,使撞击出的原子或分子沉积在基材表面形成薄膜离子镀：离子镀就是在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片表面和膜层的镀膜技术。同质外延：是指在单晶基体上成长出位向相同的同类单晶体异质外延：是指在单晶基体上成长出具有共格或半共格联系的异类单晶体PVD：在真空条件下，以各种物理方法产生和原子或分子沉积在基材上，形成薄膜或涂层CVD：利用含有薄膜元素的一种或几张气相化合物、单质气体，在衬底表面上令其进行化学反应，生成固体薄膜的方法磷化：金属表面与稀磷酸以及磷酸盐溶液接触而形成磷化膜的过程发蓝：钢铁的化学氧化俗称发蓝处理阳极氧化：金属或合金的电化学氧化微弧氧化：通过电解液与相应电参数的组合，在铝、镁、钛及其合金表面靠弧光放点的高温高压的环境中，生长出陶瓷膜层激光熔覆：通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层激光合金化：激光表面会自化，是激光束与材料表面互相作用，使材料表面发生物理冶金和化学变化，达到表面强化的方法激光淬火：激光淬火是利用激光将材料表面加热到相变电以上，随着材料自身冷却，奥氏体转变为马氏体，从而使材料表面硬化的淬火技术激光表面熔凝：利用高能激光束加热材料，使其表面薄层快速熔化和凝固的过程 二、问答题1、表面工程技术目的与分类？重点发展方向？答：目的：1：提高材料抵御环境作用能力 2：赋予材料表面某种功能特性 3：实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等分类：1：表面改性（表面组织转化、表面涂镀、表面合金化） 2：表面加工（表面微细加工、表面三维成型加工、表面合成新材料）发展方向：离子技术、激光技术、复合技术2、表面净化的主要方法答：离子溅射法、真空退火法、表面预处理3、常见固体界面答：1：固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面；2：固相组织或晶体结构差异形成的界面；3：固相宏观差异形成的界面 4、物理吸附与化学吸附答：物理吸附：由范德华力所引起的,吸附力弱,无选择性,不需要吸附活化能,在低温下即可发生,吸附层的结构与吸附分子基本相同； 化学吸附：由化学键力所引起的,吸附力强,具有选择性,需要吸附活化能,在较高温度下发生,吸附层的结构为新的化合态。5、莱宾杰尔效应及其特征答：定义：因环境介质影响及表面自由能减少导致固体强度、塑性降低的现象特征：只要少量表面活性物质即可产生效应;具有选择性特征;作用很迅速;影响是可逆的;需要拉应力和表面活性物质同时起作用6.磨粒磨损的主要类型及特征。答： 低应力磨粒磨损 特征：材料表面上出现短的沟槽高应力磨粒磨损 特征：表面上发生深擦伤,出现塑性变形,由于粒子压入引起的磨损 犁沟磨损 特征：由于重复冲击从材料表面上凿出较大的颗粒切削抛光磨损 特征：这种磨损使表面逐渐剥落,最后零件尺寸减薄以致报废表面无明显擦伤/断裂或塑性变形 一般在粒子粒度多角形圆形； 当磨粒在某一临界尺寸以下时,材料的体积磨损率随磨粒尺寸增加而增加当磨粒超过这一临界尺寸时,材料磨损率增幅显著降低）2)材料力学性能与微观组织 材料的耐磨性能主要取决于其硬度,尤其是磨损后的表面硬度。同等硬度:奥氏体/贝氏体的耐磨性 珠光体和马氏体钢中夹杂物和内部缺陷使表面容易产生剥落/开裂而降低耐磨性3)工况和环境条件 主要指工作速度/载荷/磨损距离/磨粒冲击角/以及环境湿度/温度和腐 蚀介质等条件对磨损过程的影响8. 粘着磨损的主要类型及影响因素答：类型： 微动磨损 撕脱磨损 咬死 擦伤 影响因素：润滑条件或环境 a）良好的润滑条件是降低粘着磨损的重要保障 b)金属摩擦副在真空中的粘着磨损远大于普通大气环境的磨损 硬度 纯金属和加工硬化率低的单相合金组成的摩擦副易发生粘着 晶体结构和晶体互溶性 a)摩擦系数方面:密排六方面心立方465)使渗层塑性降低,锌锅寿命缩短；低的T (440),锌液的粘度增加,浸锌层厚度及不均匀性。 b)浸渍时间：一般浸渍时间增加4倍,合金层重量增加1倍。c)抽出速度：过快使工件带出的锌液过多,附着在工件表面,使其凸凹不平。 过慢使工件表面的纯锌层太薄,渗层几乎全为铁锌合金,塑性很低20、 热渗铝层的主要性能特点及应用答：性能：抗氧化性：渗铝后钢的使用温度可提高200 ，渗铝层要有高的抗氧化性耐蚀性：是目前提高钢耐硫化物腐蚀最有效的手段之一 应用：主要是提高机件的耐热、耐蚀性能。21、离子渗氮与普通氮化相比有何特点? 答：渗速比较快,可在较低的T下进行； 可通过电参数/渗剂气体成分和压力的调节来控制所获组织；氮化处理材料范围加宽.如易形成钝化膜的不锈钢可实现氮化；减少环境污染,无需清洗生产效率高;易实现工艺过程计算机控制22、T.D法渗层的性能答：高硬度 高耐磨性 高的抗氧化性及耐蚀性 抗热粘结性 韧性23、热喷涂涂层的微观结构及涂层结合方式答：结构：大量扁平颗粒部分未熔球形颗粒夹杂(黑色细长物)孔隙(黑色)组成 结合方式：机械结合（表面凸凹不平，互相嵌合） 扩散结合（高温下发生原子扩散，接合面上形成固溶体或金属间化合物） 物理结合（界面两侧原子见距离达到原子晶格常数范围，涂层与基体间形成范德华力） 冶金结合（基体的某些区域达到熔点）24、提高热喷涂涂层结合力的工艺措施答：1、喷涂粒子尺寸控制；（到达基体时为液态）； 2、粒子发行速度足够大，是碰撞产生足够的动能； 3、基体表面洁净并有一定的粗糙度； 4、尽量提高碰撞时的的接触温度和高温停留时间； 5、防止扁平粒子与基体表面产生残余应力25、热喷涂工艺对涂层材料的基本要求答：1.涂层材料必须满足设计要求 2.涂层材料具有良好的物理性能 3.涂层材料具有良好的稳定性 4.涂层材料应满足工艺及设备的要求 5.涂层材料应是无剧毒性和无产生爆炸的可能性26、自熔性合金喷涂材料的性能特点答：熔点低 脱氧和造渣性能好 润湿性、流动性好 涂层耐磨性好27、喷涂与喷焊的主要区别答：工件受热情况不同；（重熔温度可达1000 ，变形、退火 ） 与基体结合状态不同；（几十MPa提高到400 MPa 左右） 所用粉末材料不同；（喷焊需自熔性粉末） 喷涂层结构不同；（喷焊层致密无孔隙）承载能力不同；（喷焊层能承受冲击载荷和较高接触应力，可适于线接触场合， 而喷涂层只适合面接触）28、激光熔覆的工艺及性能特点答：定义：指用J束在选定工作表面熔覆一层特殊性能的材料以改善表面性能的工艺性能特点：熔覆层稀释率低,且可以精确控制 基材的热影响区及热变形均可降低到最小程度 J覆层组织细密,微观缺陷少,结合强度高,性能好 覆层的尺寸大小和位置可以精确控制 对环境无污染/无辐射/低噪声,改善了劳动条件29、热喷涂涂层质量评定的主要指标答：涂层厚度 孔隙率 结合强度 涂层显微结构30、电镀的基本原理与过程答：原理：是在外加直流电流的作用下,溶液中的M离子在阴极表面得到电子而被还原为M 并沉积于其表面的过程 过程：液相传质、电化学还原（前置转换+电荷转移步骤）、电结晶31、电镀液的基本组成及性能评价参数？答：组成：主盐+阳极助溶剂+缓冲剂 性能评价参数：电流效率（电镀时阴极实际析出的M量与理论析出量之比） 分散能力（镀液使镀件表面获得均匀镀层的能力） 整平能力（微观上，镀液使镀层轮廓光滑的能力） 深镀能力（电镀时对复杂镀件整个表面被覆盖的程度，亦称覆盖能力） 32、合金电镀的原理及其特点答：原理：指在同一镀槽中,同时沉积出含有两种或两种以上金属的镀层 是在外加直流电流的作用下,溶液中的两种或两种以上M离子在阴极表面得到电子 而被还原为M并沉积于其表面的过程 特点：(1) 可制取高熔点金属和低熔点金属组成的合金； (2) 可制取平衡相图没有的、与冶炼合金明显不同的物相； (3) 可获得近年来人们广泛关注的非晶态合金，如Ni-P合金 (4) 单独从水溶液中不能析出的金属，如磨损、Mo、Ti等可以合金形式析出 (5) 合金电镀中还出现电位较负的金属先析出的特异现象。 如：Zn-Fe、Zn-Ni33、与电镀相比化学镀有何特点？答：特点：适用的基体更广泛,除M外,可用于非金属和半导体 不用加直流电源,无论制品形状多复杂,均可获得厚度均匀的镀层 镀层致密,孔隙少/硬度高34、P对化学镀镍层结构及性能的影响？化学镀镍层的应用答：结构的影响：P9时，非晶态 性能的影响：低P(2-5%)：硬度高，耐磨，孔隙率稍高； 中P(6-9%)：硬度高于高P，孔隙率低于低P，外观光亮 高P (10%)：优良的耐蚀性；热处理后硬度高 应用：模具工业中应用（保证硬度和耐磨性，且有固体润滑的效果） 石化工业中的应用 汽车工业中的应用（耐磨性镀层、塑胶制品电镀前处理）35、复合镀的基本方法？化学镀与电镀镍基复合材料镀层的工艺比较答：定义：在电镀或化学镀溶液中加入非水溶性固体微粒,并使其与主体M一起沉积在基材 上的镀覆工艺 方法：弥散沉积法:使微粒弥散悬浮在镀液中与M离子一起共沉积 沉积共析法:让大或重的粒子先沉积于基材表面,然后通过析出的M填补粒子间隙.比较： 1.为获得一定量的复合微粒，化学镀镀液中微粒含量为低浓度，而电镀则要求高浓度；（化学镀的复合率高）；2. 电镀时添加表面活性剂可提高复合量，而化学镀添加表面活性剂对复合率无影响；3. 对形状复杂的零件，化学镀可获得均匀的镀层，而电镀时，厚度和复合率都与电流密度有关，会造成复合率的不均匀性； 4. 镀层的基体成分不同：化学镀为Ni-P或Ni-表面，而电镀为N36、离子镀的基本原理及特点答：原理：借助于一种惰性气体的辉光放电使金属或合金的蒸汽离子化，离子经电场加速而 沉积在带负电荷的基体上。 特点：结合力高 均镀能力强 可以获得合金或化合物,基体材料和镀膜材料 可以广泛搭配 沉积速度快且无公害37、离子镀Al取代电镀Cr的可行性分析答：类型特征电镀离子镀Al硬度/HV外观厚度/um速度污染基体温度可镀层范围特征用途结合强度成本设备投资批量性生产镀Cr小于800白 光洁6-10慢有污染几十度纯金属及合金各20种左右抗蚀、耐磨、装饰、润滑镀层机械结合 不牢固低低（几万元）适合镀AlN大于1500白 光洁3-12快无污染300-500度各种复合涂层能做金属及各种复合镀层价键结合，牢固低高（几十万元）适合（做好夹具设计）38、 CVD 常用的化学反应类型？设计制备梯度膜Ti/TiN的反应式答：（1）热分解或高温分解反应 （2）还原反应 （3）氧化反应 （4）水解反应 （5）沉积难熔的碳化物或氮化物 （6）合成、综合反应，生成半导体薄膜 （7）基体直接参与反应39、 与普通CVD相比，PCVD有何特点？答：沉积T低;可在不耐高温的材料上实现沉积；膜与基材结合力高,成膜速度快； 可制膜层材料范围广40、 PVD和CVD两种工艺的对比答：（1）工艺温度高低是CVD和PVD之间的主要区别。（CVD的温度高） （2）结合强度（CVD的更好些）（3）绕镀性（CVD的更好些）（4）薄膜厚度（CVD镀层往往厚度在7.5m左右，PVD镀层厚度通常在25m。）（5） CVD存在副产物的污染（6）成本：（采用PVD要比CVD代价高）41、磷化膜的形成机理答：