现代表面技术重点难点.docx

第一章 表面技术概论1.表面技术：通过对材料基体表面加涂层或改变表面形貌、化学组成、相组成、微观结构、缺陷状态，达到提高材料抵御环境作用能力或赋予材料表面某种功能特性的工艺技术。2.使用表面技术的目的：（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。3.理想表面：没有杂质的单晶，作为零级近似可将表面看作一个理想表面，从理论上看，它是结构完整的二位点阵平面。（实际不存在） 清洁界面：经过注入粒子轰击、高温脱附等特殊处理后保持在Pa超高真空下外来沾污少到不能用一般表面分析方法探测的表面。实际表面：暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或经过一定加工处理，保持在常温常压下的表面。4. 弛豫：表面最外层与次外层原子之间的距离不用于体内原子间距。重构：表面原子的平移对称性与体内显著不同，位置变动大。偏析：表面原子从体内分凝出来。化学吸附：外来原子以化学键结合吸附于表面。化合物：外来原子进入表面，并与表面原子键合成化合物。台阶：表面不是原子结构的平坦，形成了台阶。5. 物理/化学吸附：第三章 电镀与化学镀1.电镀：指在含有预镀金属的盐类溶液中，以被镀金属为阴极，经电解作用，使镀液中预镀金属阳离子在基体表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法。2.镀层分类：使用性能：防护性镀层、防护-装饰性镀层、装饰性镀层、耐磨和减磨镀层、电性能镀层。电化学性质：阳极性镀层、阴极性镀层。镀层组合：单层、多层、复合层镀层。镀层成分：单一金属、合金、复合。3. 金属电镀基本步骤：液相传质： 镀液中的水化金属离子或络离子从溶液内部向阴极界面迁移，到达阴极的双电层溶液一侧。电化学反应：水化金属离子或络离子通过双电层，并去掉它周围的水化分子或配位体层，从阴极上得到电子生成金属原子(吸附原子)。电结晶：金属原子沿金属表面扩散到达结晶生长点，以金属原子态排列在晶格内，形成镀层。 （三过程同时进行。）4. 合金电镀的两要求：两种金属中至少有一种金属能从其盐的水溶液中沉积出来。 共沉积的两种金属的沉积电位必须十分接近。5. 电刷镀：是电镀的一种特殊方式，不用镀槽，只需在不断供应电解液的条件下，用一支镀笔在工件表面上进行擦拭，从而获得电镀层。刷镀又称无槽镀或涂镀。6. 化学镀：是指在没有外电流通过的情况下，利用化学方法使溶液中的金属离子还原为金属，并沉积在基体表面，形成镀层的一种表面加工方法。 与电镀相比，化学镀特点： 镀覆过程不需外电源驱动； 均镀能力好，形状复杂，有内孔、内腔的镀件均可获得均匀的镀层；孔隙率低；镀液通过维护、调整可反复使用，但使用周期是有限的；可在金属、非金属以及有机物上沉积镀层。第四章 金属化学处理1.化学转换模：使金属与特定的腐蚀液相接触，在一定条件下发生化学反应，在金属表面形成一层附着力良好的难溶的生成物膜层。2.钢铁高温化学氧化； 常温CuSe 发黑。3.铝及铝合金阳极氧化：将铝或铝合金制件浸沉于酸性电解液中，在外电流作用下作为阳极，在制件表面上形成与基体牢固结合的氧化膜层。 机理：中等溶解能力的酸性溶液，铅作为阴极，仅起导电作用 阳极反应： 阴极反应： 同时酸对铝和生成的氧化膜进行化学溶解： 氧化膜的生长过程就是其不断生成和不断溶解的过程。 膜结构：第一段ab（A段）：无孔层形成，连续、绝缘，0.010.1m。第二段bc（B段）：多孔层形成，溶解作用开始，最薄处空穴， 电压下降1015%。 第三段cd（C段）：多孔层增厚。4.微弧氧化（MAO）：又称微等离子体氧化，是通过电解液与相应电参数的组合，在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。 原理：（1）Al、Mg、Ti等金属样品放入电解液中，通电后金属表面立即生成很薄一层完整的氧化物绝缘膜。（2）当电压超某一临界值时，这层绝缘膜上某些薄弱环节被击穿，发生微弧放电现象。（3）因击穿薄弱部位，使氧化膜均匀。 （4）在金属表面形成优质的强化陶瓷膜。 特点:（1）大大提高材料表面硬度，3000HV；（2）好耐磨性；（3）好耐热性及抗腐蚀性。（4）好绝缘性；（5）溶液为环保型；（6）工艺稳定可靠，设备简单；（7）反应常温，操作简便；（8）原位生长陶瓷膜，牢固，致密。 5.磷化处理：金属在含有锰、铁、锌的磷酸盐溶液中进行化学处理，使金属表面生成一层难溶于水的磷酸盐保护膜。机理： 生产难溶三价磷酸盐的磷化膜。6.铬酸盐处理：即钝化。铬酸或铬酸盐溶液、 生成三价铬和六价铬的铬酸盐膜。第五章 表面涂敷技术1.涂料由成膜物质、颜料、溶剂和助剂四大部分组成。2.涂装：使涂料在被涂表面形成涂膜的全部工艺过程。 3. 粘结：用胶粘剂将各种材料连接成为一个牢固整体的方法，称粘结或粘合。4. 粘涂：是将加入二硫化钼、金属粉末、陶瓷粉末和纤维等特殊填料的胶粘剂，直接涂覆于材料或零件表面，使之具有耐磨、耐蚀、绝缘、导电、保温、防辐射等功能的一项新技术。粘结与粘涂区别：粘涂是粘结的一分支，主用于表面强化和修复。粘涂具有粘结的大部分优点，如绝缘、耐蚀和隔热等。粘涂工艺、设备简单。5.堆焊：是指将具有一定使用性能的材料借助一定的热源手段熔覆在基材表面，使母材具有特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。堆焊材料：常用堆焊材料有铁基、镍基、钴基、碳化钨基和铜基等。堆焊方法：氧-乙炔堆焊 手工电弧堆焊 埋弧堆焊 气体保护和自保护明弧堆焊震动电弧堆焊 电渣堆焊等离子弧堆焊。6.热喷涂：是采用气体、电弧、激光等作热源，使金属、合金、金属陶瓷等喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理的工件表面，从而形成附着牢固的表面层的加工方法。将喷涂层再加热重熔，则产生冶金结合。这种方法称为热喷涂方法。 原理：（1）涂层形成过程及原理：热喷涂材料的熔化熔化热喷涂材料雾化粒子飞行粒子喷涂。 （2）涂层结构：涂层是层状结构：具有方向性；其孔隙率一般在420之间；涂层经适当处理后，结构发生变化。 （3）涂层结合机理：涂层基体：结合力； 涂层内部：内聚力 机械结合：碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒，形成机械钉扎而结合。冶金化学结合：喷涂后进行重熔喷焊时，涂层和基体表面出现扩散和合金化时的结合类型，也在结合面上生成金属间化合物或固溶体。物理结合：范德华力、次价键。 （4）残余应力：熔融颗粒碰撞基体表面时，在产生变形的同时受到激冷而凝固，从而产生微观收缩应力，使涂层外层受拉应力；基体或涂层内层受压应力。 特点：适用范围广；工艺灵活;镀层厚度范围大；高效；工件受热可控。7.电火花表面涂敷:是通过火花放电的作用，把作为电极的导电材料熔渗进金属工件的表层，从而形成合金化的表面强化层，使工件表面的物理、化学性能和机械特性得到改善的处理方法 。8.熔结:将涂层熔化、凝结于金属表面，冷凝后形成与基体具有冶金结合的表面层。通常把这种表面冶金强化法简称为“熔结”。9.热浸镀：热浸镀简称热镀。将一种基体金属浸在熔融态的另一种低熔点金属中，在其表面形成一层金属保护膜的方法。 分溶剂法、保护气体还原法。第6章 表面改性技术1. 表面改性：指采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。2. 表面形变强化原理：基本原理是通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，此形变硬化层的深度可达0.5mm1.5mm。 在形变硬化层中产生两种变化：组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大；形成了高的宏观残余压应力。3.表面热处理：是指仅对零部件表层加热、冷却，从而改变表层组织和性能而不改变成分的一种工艺4.表面淬火：表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。 目的：使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限; 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。5.化学热处理：是将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。第七章 气相沉积技术1.气相沉积技术：是利用气相之间的反应，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。2.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。3.化学气相沉积: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。4.PVD与CVD区别： 温度：PVD温度低，CVD温度高（超高速钢回火温度，为恢复硬度须进行镀后真空热处理，但会变形）。 对清洁度要求： PVD要求高，CVD要求低（脏东西易在高温下烧掉。且高温镀层结合强度要好）。 表面粗糙度：PVD粗糙度低，光滑，（如实反映材料表面，不用研磨有好金属光泽，装饰镀膜）；CVD表面粗糙。 绕镀性：PVD由于气压较低，绕镀性较差，因此工件背面和侧面的镀层效果不理想；CVD有好的绕镀性，除支承点之外，深孔、内壁等全部表面都能完全镀好。 工艺条件：PVD工艺要求不严格；CVD 层的晶粒粗大。 成本：有设备投资PVD是CVD的34倍，而PVD生产周期是CVD的1/10。综合采用PVD要比CVD代价高。安全性：PVD完全没有污染。CVD的反应气体、尾气都具有一定腐蚀性、可燃性及毒性，因此对设备、环境、操作人员都必须采取防范措施。 镀层厚度：PVD镀层薄（2.5m），CVD厚（7.5m）。几种物理气相沉积PVD：（1）真空蒸镀：在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法称为蒸发镀膜，简称蒸镀。（2）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。（3）离子镀：在真空条件下，利用气体的放电使被蒸发物质部分离化，被蒸发物质离子经电场加速后，对基体轰击同时把蒸发物或其反应物沉积在基体上。（4）磁控溅射:原理：在阴极靶表面上方形成一个正交电磁场（利用磁控管原理）溅射产生的二次电子在阴极位降区被加速为高能电子后，并不能直接飞向阴极基体，而是在正交电磁场作用