表面工程技术重点

1、表面工程的概念：从材料的表面特性出发，利用表面改性技术、涂镀层技术和薄膜技术，使材料表面获得原来没有的新性能的系统工程。表面技术按作用原理分类： 原子沉积、颗粒沉积、整体覆盖、表面改性。在几个原子范围内的清洁表面其偏离三维周期性结构的主要特征是表面弛豫、表面重构和表面台阶结构、表面偏析、化合物、化学吸附表面粗糙度是指加工表面上具有的较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度吸附、吸收和化学反应是固体与气体发生作用的三种表现按几何特征，晶体表面缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类润湿是液体与固体表面接触时产生的一种表面现象，液体对固体表面的润湿程度可以用液滴在固体表面的散开程度来说明

2、表面平整一般采用磨光、滚光、抛光及刷光和振动磨光磨光是借助粘有磨料的特制磨光轮(或带)的旋转，以磨削金属零件表面的过程滚光是将成批零件与磨削介质一起在滚筒中作低速旋转，靠零件和磨料的相对运动进行光饰处理的过程抛光是用抛光轮和抛光膏或抛光液对零件表面进一步轻微磨削以降低粗糙度，也可用于镀后的精加工刷光是把刷光轮装在抛光机上，用刷光轮上的金属丝(钢丝、黄铜丝等)刷，同时用水或含某种盐类，表面活性剂的水溶液连续冲洗去除零件表面锈斑、毛刺、氧化皮及其他杂物振动磨光是将零件与大量磨料和适量抛磨液置入容器中，在容器振动过程中使零件表面平整光洁基体表面清洁的目的是： 作为前序处理工艺的一部分，为下一涂装或其

3、他表面加工(如电镀、热喷涂等)打基础； 作为一项单独表面处理技术，可提高工件寿命或恢复工件原状态或节能需要(锅炉清除水垢，提高热效率)； 消除工件(设备)隐患，提高安全性(如传热设备局部过热可通过清洗来解决)，消毒、灭菌，除放射性污染，有利于人体健康喷砂是用机械或净化的压缩空气，将砂流强烈地喷向金属制品表面，利用磨料强力的撞击作用，打掉其上的污垢物，达到清理或修饰目的的过程喷丸的原理和设备与喷砂相似，只是采用的磨料不同。它是用钢铁丸、玻璃或陶瓷取代砂子。喷丸能使零件产生压应力，而且没有含硅的粉尘污染热喷涂就是利用某种热源，如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属或非金属涂层材料加热到熔

4、融或半熔融态，然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化，并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面，与基体材料结合而形成具右各种功能的表面覆盖涂层的一种技术火焰喷涂依据喷涂材料的外形分为熔丝法、熔棒法和粉末法三种熔丝法应用于能够形成丝材的各种金属与合金。该法亦可采用填充陶瓷粉(如氧化铝)的线段状塑料管作喷涂材料(热喷涂时塑料蒸发)熔棒法以陶瓷(氧化铝、氧化铅、硅酸盐等)制成棒状作喷涂粉末法以不易制成丝材(铝锌合金、自熔合金等)的合金粉和低熔点(低于2 500)的陶瓷粉为原料电弧喷涂最关心的问题之一是涂层粗糙度，它取决于雾化后微粒的粗细。影响雾化微粒粗细的因素较多，主要有雾化气流的压力、电弧

5、电压、金属丝间的夹角等与火焰喷涂技术相比，电弧喷涂技术具有如下特点：1、 热效率高2、涂层结合强度高3、生产效率高4、 喷涂成本低5、 喷涂质量稳定6、可以利用两根不同类型的金属丝制备出“假合金”涂层7、电弧喷涂技术仅使用电和压缩空气8、环保喷枪是喷涂的关键部件等离子弧的压缩效应来源于三个方面： 机械压缩效应热压缩效应自磁压缩效应等离子弧喷涂技术有如下特点： 等离子喷涂时的焰流温度高，热量集中 零件无变形，不改变基体金属的热处理性质 由于等离子喷涂时的焰流喷射速度高 喷涂后涂层平整、光滑，并可精确地控制涂层厚度 等离子喷涂采用惰性气体 在等离子喷涂过程中，工件表面不带电、不熔化 由于等离子喷涂

6、时的粉末具有高速度 喷涂工艺规范稳定，调节性能好，容易操作电镀是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解作用，使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法电镀液种类很多，组成差别很大，按在电镀过程中所起的作用细分为主盐、导电盐、络合剂、缓冲剂、阳极活化剂和添加剂镀前预处理镀前预处理是为了得到干净新鲜的金属表面，为最后获得高质量镀层作准备。主要是进行脱脂、去锈蚀、去灰尘等，步骤如下：第一步：使表面粗糙度达到一定要求，可通过表面磨光、抛光等方法来实现；第二步：去油脱脂，可采用溶剂溶解以及化学、电化学等方法来实现；第三步：除锈，可用机械、酸洗以及电化

7、学方法除锈；第四步：活化处理，一般在弱酸中浸蚀一定时间进行镀前活化处理。常用电镀合金镀层：(1) 电镀铜锡合金(2) 电镀铜锌合金(3) 电镀铅锡合金(4) 电镀锌镍合金电刷镀液的特点如下： 金属离子含量高 大多数是络合物的水溶液 性能稳定和工作范围宽 可添加细化晶粒 不燃，不爆，无毒性，腐蚀性小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技术化学镀的基本原理目前有三种主要理论，原子氢态理论、氢化物理论及电化学理论化学镀的特点1镀层厚度非常均匀，化学镀液的分散能力接近100，2通过敏化、活化等前处理，化学镀可以在非金属(如

8、塑料、玻璃、陶瓷及半导体材料)表面上进行3工艺设备简单，不需要电源、输电系统及辅助电极4 化学镀是靠基材自催化活性而起镀的，因此其结合力一般均优于电镀沉积膜晶体长大过程与基片及沉积原子的种类依据工艺条件的不同有核生长型、层生长型和层核生长型物理气相沉积法包括三个步骤： 蒸气的产生 通过减小大气压强而使气体材料从供给源转移到基体 凝结发生在基体上溅射镀膜是指在真空室中，利用荷能粒子(如正离子)轰击靶材，使靶材表面原子或原子团逸出，逸出的原子在工件的表面形成与靶材成分相同的薄膜，这种制备薄膜的方法称为溅射镀膜离子镀是在真空条件下利用低压气体放电的等离子，使蒸发出金属或化合物蒸气的原子(或分子)电离

9、和激活，然后在基体(工件)表面沉积成膜的过程。化学气相沉积(CVD)是利用气态物质在固体表面进行化学反应，生成固态沉积物的过程。 化学气相沉积工艺装置主要由气相反应室、气体控制系统、加热系统和排气系统组成化学气相沉积过程 反应气体向衬底表面扩散。 反应气体分子被吸附于衬底表面。 在表面上进行化学反应、表面移动、成核及膜生长。 生成物从表面解吸。 生成物在表面扩散。金属有机化合物气相沉积以GaN为例 Ga源：（CH3）3Ga N源：（CH3）3N金属有机化合物气相沉积 单一的生长温度范围是生长的必要条件，反应装置容易设计，较气相外延法简单；生长温度范围较宽，适合于工业化大批量生产。 由于原料能以

10、气体或蒸气状态进入反应室，所以容易实现导入气体量的精确控制，并可分别改变原料各组分量值；膜厚和电性质具有较好的再现性，能在较宽范围内实现控制。 能在蓝宝石、尖晶石等基片上实现外延生长。 只改变原料就能容易地生长出各种成分的化合物晶体。表面形变强化的主要方法1喷丸2孔挤压 3滚压感应加热表面淬火的原理是利用感应电流的集肤效应、临近效应和环状效应火焰加热表面淬火中出现的问题1淬火开裂2硬度不足或不均匀3熔化4畸变渗硼是把工件置于含有硼原子的介质中加热到一定温度，保温一段时间，通过化学或电化学反应，使硼原子渗入工件表层形成一层坚硬的硼化物渗层渗碳是为了增加低碳钢和低碳合金钢表层的碳质量分数、获得一定的碳质量分数梯度，将钢件在碳的活性介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的一种表面化学热处理工艺渗氮是在含有氮或氮原子的介质中将工件加热到一定温度，工件表面被氮原子渗入的一种工艺方法碳氮共渗：在奥氏体温度下，同时将碳、氮活性原子掺入工件表面，且以渗碳为主的表面化学热处理工艺。化学转化膜是金属或镀层金属