材料表面改性与涂层技术

1、材料表面改性技术与涂层技术课程测试作业姓名：刘志勇学号：103111002第一部分各种表面工程技术原理、特点及应用比较常见的表面工程技术主要有离子注入、激光表面处理、高温扩散渗入、 化学转化处理、电镀、物理气相沉积、化学气相沉积、热浸镀、热喷涂、 喷焊等。下面我主要就以上表面工程技术进行分开论述，并对其加以比较。一、离子注入真空中的一束离子束高速射向另一块固体材料时，离子束会把固体材料 的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象 叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，受到固体材料 的抵抗而速度慢

2、慢减低下来，并最终停留在固体材料中，这一现象就叫做 离子注入。离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表 面改性高 新技术。其基本原理是：用能量为 100keV量级的离子束入射到 材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相 互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成 分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异 性能。此项高新技术由于其独特而突出的优点，已经在半导体材料掺杂， 金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得 了巨大的经济效益和社会效益。二、激光表面处理技术激光表面处理技术是融

3、合了现代物理学、化学、计算机、材料科学、先 进制造技术等多学科技术的高新技术，包括激光表面改性技术、激光表面 修复技术、激光熔覆技术、激光产品化技术等，能使低等级材料实现高性 能表层改性，达到零件低成本与工作表面高性能的最佳组合，为解决整体 强化和其它表面强化手段难以克服的矛盾带来了可能性，对重要构件材质 与性能的选择匹配、设计、制造产生重要的有利影响，甚至可能导致设计 和制造工艺的某些根本性变革。在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介稳相和金属间化合物 的高质量表面强化层，大幅度提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性和抗疲劳的 能力以及制备特殊的功能表层。强化层与零件本体形成最佳冶金结合，解 决

4、许多传统表面强化技术难以解决的技术关键。依靠零件本体热传导实现急冷，无需冷却介质，而实现相变硬化和熔凝硬化。与各种传统热处理技术相比具有最小的变形，可以用处理工艺来控制变形量。可进行灵活的局部强化，根据需要，可处理零件的特定部位以及其它方法难以处理的部位。 一般无需真空条件，即使在进行特殊的合金化处理时，也只需吹保护性气 体即可有效防止氧化及元素烧损。配有计算机控制的多维运动工作台的现 代大功率激光器，特别适用于生产率很高的机械化、自动化生产，生产效 率高、加工质量稳定可靠、成本低，经济效益和社会效益好。激光表面处理通过使用激光束进行加热，使工件表面迅速熔化一定 深度的薄层，同时采用真空蒸镀、

5、电镀、离子注入等方法把合金元素涂覆 于工件表面，在激光照射下使其与基体金属充分融合，冷凝后在模具表面 获得厚度为101000 m具有特殊性能的合金层，冷却速度相当于激冷淬 火。如在H13钢表面采用激光快速熔融工艺进行处理，熔区具有较高的硬 度和良好的热稳定性，抗塑性变形能力高，对疲劳裂纹的萌生和扩展有明 显的抑制作用。最近，萨哈和达霍特若采用在 H13基材上进行激光熔覆VC 层的方法，研究表明，获得的模具表面实质是连续、致密无孔的VC钢复合覆层，它不仅有很强的在600C下的氧化抗力，而且有很强的抗熔融金属还 原的能力，电火花沉积金属陶瓷工艺在表面改性技术的不断发展中，出现 了一种电火花沉积工艺

6、。该工艺在电场作用下，在母材表面产生瞬间高温、 高压区，同时渗入离子态的金属陶瓷材料，形成表面的冶金结合，而母材 表面也同时发生瞬间相变，形成马氏体和微细奥氏体组织。这种工艺不同 于焊接，也不同于喷镀或者元素渗入，应该是介于两者之间的一种工艺。 它很好地利用了金属陶瓷材料的高耐磨、耐高温、耐腐蚀的特性，而且工艺简单，成本较低廉。是压铸模具表面处理的一条新路。三、电镀电镀就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金 的过程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的 工艺从而起到防止腐蚀，提高耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用。 电镀时，镀层金属或其他不溶性材料做阳

7、极，待镀的金属制品做阴极，镀 层金属的阳离子在金属表面被还原形成镀层。为排除其它阳离子的干扰， 且使镀层均匀、牢固，需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液，以保持镀 层金属阳离子的浓度不变。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层，改变基 材表面性质或尺寸.电镀能增强金属的抗腐蚀性（镀层金属多采用耐腐蚀的 金属）、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、润滑性、耐热性、和表面美观。利用电解作用在机械制品上沉积出附着良好的、但性能和基体材料不同 的金属覆层的技术。电镀层比热浸层均匀，一般都较薄，从几个微米到几十微米不等。通过电镀，可以在机械制品上获得装饰保护性和各种功能性 的表面层，还可以修复磨损和加工失误的工件。

8、镀层大多是单一金属或合 金，如钛靶、锌、镉、金或黄铜、青铜等；也有弥散层，如镍 -碳化硅、镍 -氟化石墨等；还有覆合层，如钢上的铜-镍-铭层、钢上的银-铟层等。电镀 的基体材料除铁基的铸铁、钢和不锈钢外，还有非铁金属，如ABS塑料、聚 丙烯、聚砜和酚醛塑料，但塑料电镀前，必须经过特殊的活化和敏化处理。在盛有电镀液的镀槽中，经过清理和特殊预处理的待镀件作为阴极，用 镀覆金属制成阳极，两极分别与直流电源的负极和正极联接。电镀液由含 有镀覆金属的化合物、导电的盐类、缓冲剂、pH调节剂和添加剂等的水溶液组成。通电后，电镀液中的金属离子，在电位差的作用下移动到阴极上 形成镀层。阳极的金属形成金属离子进入

9、电镀液，以保持被镀覆的金属离 子的浓度。在有些情况下，如镀铭，是采用铅、铅锑合金制成的不溶性阳 极，它只起传递电子、导通电流的作用。电解液中的铭离子浓度，需依靠 定期地向镀液中加入铬化合物来维持。电镀时，阳极材料的质量、电镀液 的成分、温度、电流密度、通电时间、搅拌强度、析出的杂质、电源波形等都会影响镀层的质量，需要适时进行控制。四、化学气相沉积化学气相沉积是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉 积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于 原子范畴的气态传质过程。与之相对的是物理气相沉积。由于现代科学和 技术需要使用大量功能各异的无机新材料，这些功能材料必须是

10、高纯的， 或者是在高纯材料中有意地掺人某种杂质形成的掺杂材料。但是，我们过 去所熟悉的许多制备方法如高温熔炼、水溶液中沉淀和结晶等。往往难以 满足这些要求，也难以保证得到高纯度的产品。因此，无机新材料的合成 就成为现代材料科学中的主要课题。化学气相淀积是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃 态天机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也 可以是III-V、II-IV、IV-VI族中的二元或多元的元素间化合物，而且它 们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制。目前，化学气相淀 积已成为无机合成化学

11、的一个新领域。1）在中温或高温下，通过气态的初 始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上。2）可以在常压或者真空条件下（负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好 ）。3） 采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的 温度下进行。4）涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化，从而获得 梯度沉积物或者得到混合镀层。5）可以控制涂层的密度和涂层纯度。6）绕 镀件好。可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜。适合涂覆各种复杂 形状的工件。由于它的绕镀性能好，所以可涂覆带有槽、沟、孔，甚至是 盲孔的工件。7）沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但可通过各种 技术对化学反

12、应进行气相扰动，以改善其结构。8）可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。五、物理气相沉积技术物理气相沉积技术早在20世纪初已有些应用，但在最近30年迅速发展， 成为一门极具广阔应用前景的新技术。，并向着环保型、清洁型趋势发展。 20世纪90年代初至今，在钟表行业，尤其是高档手表金属外观件的表面处 理方面达到越来越为广泛的应用。物理气相沉积（Physical Vapor Deposition， PVD）技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气 体（或等离子体）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。 物

13、理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离 子镀膜，及分子束外延等。物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤：（1）镀料的气化：即使镀料蒸发，异华或被溅射，也就是通过镀料的气化源。（2）镀料原子、分子或离子的迁移：由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后，产生多种 反应。（3）镀料原子、分子或离子在基体上沉积。物理气相沉积技术工艺 过程简单，对环境改善，无污染，耗材少，成膜均匀致密，与基体的结合 力强。该技术广泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶 金、材料等领域，可制备具有耐磨、耐腐饰、装饰、导电、绝缘、光导、 压电、磁性、润滑、超导等特性的膜层。随着高科技及新

14、兴工业发展，物 理气相沉积技术出现了不少新的先进的亮点，如多弧离子镀与磁控溅射兼 容技术，大型矩形长弧靶和溅射靶，非平衡磁控溅射靶，孪生靶技术，带 状泡沫多弧沉积卷绕镀层技术，条状纤维织物卷绕镀层技术等，使用的镀 层成套设备，向计算机全自动，大型化工业规模方向发展。物理沉积表面技又包括几个具体的方向，其中有真空蒸镀、离子镀、溅 射镀膜等，下面就真空蒸镀、离子镀、溅射镀膜分别展开说明：真空蒸镀 真空蒸镀是在真空条件下，将镀料加热并蒸发，使大量的原 子、分子气化并离开液体镀料或离开固体镀料表面（升华）。（2）气态的原 子、分子在真空中经过很少的碰撞迁移到基体。（3）镀料原子、分子沉积在基体表面形成

15、薄膜。将镀料加热到蒸发温度并使之气化，这种加热装 置称为蒸发源。最常用的蒸发源是电阻蒸发源和电子束蒸发源，特殊用途 的蒸发源有高频感应加热、电弧加热、辐射加热、激光加热蒸发源等。真空蒸镀工艺包括：镀前处理、镀膜及后处理。真空蒸镀的基本工艺过程 如下：（1）镀前处理，包括清洗镀件和预处理。具体清洗方法有清洗剂清 洗、化学溶剂清洗、超声波清洗和离子轰击清洗等。具体预处理有除静电， 涂底漆等。（2）装炉，包括真空室清理及镀件挂具的清洗，蒸发源安装、 调试、镀件褂卡。（3）抽真空，一般先粗抽至6. 6Pa以上，更早打开扩散 泵的前级维持真空泵，加热扩散泵，待预热足够后，打开高阀，用扩散泵 抽至6X10

16、-3Pa半底真空度。（4）烘烤，将镀件烘烤加热到所需温度。 （5）离子轰击，真空度一般在10Pa10-1Pa，离子轰击电压200V1kV负高 压，离击时间为5min30min, （6）预熔，调整电流使镀料预熔，调整电流 使镀料预熔，除气1min2min。 （7 ）蒸发沉积，根据要求调整蒸发电流， 直到所需沉积时间结束。（8）冷却，镀件在真空室内冷却到一定温度。（9）出炉，.取件后，关闭真空室，抽真空至l X l0-1Pa，扩散泵冷却到允许温度，才可关闭维持泵和冷却水。（10）后处理，涂面漆。溅射镀膜溅射镀膜是指在真空条件下，利用获得功能的粒子轰击靶材料表面，使靶材表面原子获得足够的能量而逃逸的

17、过程称为溅射。被 溅射的靶材沉积到基材表面，就称作溅射镀膜。溅射镀膜中的入射离子，一般采用辉光放电获得，在l0-2Pa10Pa范围，所以溅射出来的粒子在飞 向基体过程中，易和真空室中的气体分子发生碰撞，使运动方向随机，沉 积的膜易于均匀。离子镀离子镀的基本特点是采用某种方法（如电子束蒸发磁控溅射，或多弧蒸发离化等）使中性粒子电离成离子和电子，在基体 上必须施加负偏压，从而使离子对基体产生轰击，适当降低负偏压后，使 离子进而沉积于基体成膜。离子镀的优点如下：膜层和基体结合力强。 膜层均匀，致密。在负偏压作用下绕镀性好。无污染。多种基体 材料均适合于离子镀。如果采用电子束蒸发源蒸发，在坩蜗上方加2

18、0V100V的正偏压。在真空室中导人反应性气体。如N2、02、C2H2、CH4等代替Ar，或混入Ar，电子束中的高能电子（几千至几万电子伏特），不仅使镀 料熔化蒸发，而且能在熔化的镀料表面激励出二次电子，这些二次电子在 上方正偏压作用下加速，与镀料蒸发中性粒子发生碰撞而电离成离子，在 工件表面发生离化反应，从而获得氧化物（如Te02 : Si02、A1203、Zn0、Sn02、Cr203、Zr02、In02等)。其特点是沉积率高，工艺温度低。六、溶胶一凝胶溶胶一凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透 明溶胶体系，

19、溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶， 凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固 化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。胶体是一种分散相粒径很小的分散体系，分散相粒子的重力可以忽略， 粒子之间的相互作用主要是短程作用力。溶胶是具有液体特征的胶体体系， 分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在11000nm之间。凝胶是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空 隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1%3%之间。七、热浸镀：在各种保护钢基体的涂镀方法中，热浸锌是非常优良的一种。它是在 锌呈液体的状态下，经过了相当复杂的物理、

20、化学作用之后，在钢铁上不 仅镀上较厚的纯锌层，而且还生成一种锌一铁合金层。这种镀法，不仅具 备了电镀锌的耐腐蚀特点，而且由于具有锌铁合金层。还具有电镀锌所无 法相比拟的强耐蚀性。因此这种镀法特别适用于各种强酸、碱雾气等强腐 蚀环境中。热镀锌层是锌在高温液态下，分三个步骤形成的：1、铁基表面被锌液溶解形成锌一铁合金相层；2、合金层中的锌离子进一步向基体扩散形成锌铁互溶层；3、合金层表面包络着锌层。性能特点：具有较厚的致密的纯锌层覆盖在钢铁表面上，它可以避免钢铁基 体与任何的腐蚀溶液的接触，保护钢基体免受腐蚀。在一般大气中，锌层 表面形成一层很薄而密实的氧化锌层表面，它很难溶于水，故对钢基体起着一

21、定保护作用。如果氧化锌与大气中其它成分生成不溶性锌盐后，则防 蚀作用更理想。（2）具有铁一锌合金层，结合致密，在海洋性盐雾大气及工业性大气 中表现特有抗腐蚀性；（3）由于结合牢固，锌一铁互溶，具有很强的耐磨性；八、热喷涂热喷涂是指一系列过程，在这些过程中，细微而分散的金属或非金属的 涂层材料，以一种熔化或半熔化状态，沉积到一种经过制备的基体表面， 形成某种喷涂沉积层.它是利用某种热源（如电弧、等离子喷涂或燃烧火焰 等）将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态，然后 借助焰留本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面，沉积而 形成具有各种功能的表面涂层的一种技术热喷涂是一种表

22、面强化技术，是表面工程技术的重要组成部分，一直是 我国重点推广的新技术项目.它是利用某种热源（如电弧、等离子喷涂或燃 烧火焰等）将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态， 然后借助焰留本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面，沉 积而形成具有各种功能的表面涂层的一种技术。九、喷焊喷焊是对经预热的自溶性合金粉末涂层再加热至10001300C，使颗粒熔化，造渣上浮到涂层表面，生成的硼化物和硅化物弥散在涂层中，使颗 粒间和基体表面达到良好结合。最终沉积物是致密的金属结晶组织并与基 体形成约0.050.1mm的冶金结合层，其结合强度约400MPa，抗冲击性能 较好、耐磨、耐腐蚀，

23、外观呈镜面。与喷涂层相比，喷焊层的优点显著。但由于重熔过程中基体局部受热后 温度达900C，会产生较大热变形。因此，喷焊的使用范围有一定局限性。 适于喷焊的零件和材料一般是：受冲击载荷，要求表面硬度高，耐磨性 好的易损零件，如抛砂机叶片，破碎机齿板，挖掘机铲斗齿等；几何形 状比较简单的大型易损零件，如轴、柱塞、滑块、液压缸、溜槽板等； 低碳钢、中碳钢（含碳0.4%以下）、含锰、钼、钒总量V 3%的结构钢、 镍铭不锈钢、铸铁等材喷焊用自熔性合金粉末自熔性合金粉末是以镍、钻、铁为基材的合金，其中加入适量硼和硅元 素，起脱氧造渣焊接熔剂的作用，同时能降低合金熔点，适于乙炔一氧焰 对涂层进行重熔。国产

24、自熔性合金粉末品种较多，镍基合金粉末有较强的 耐蚀性，抗氧化性可达650 C，耐磨性强；钻基合金粉末最大的特点是红 硬性好，可在700C保持较好的耐磨性和耐蚀性；铁基合金粉末耐磨粒磨损 性优于其他两类。喷涂层和喷焊层与基体金属的结合形成不同，镍包铝通过喷涂焰束加热时发生放热化学反应，在经喷砂除锈达Sa3级，RZ50m的碳钢表面形成 微冶金结合底层与工作层又产生“锚钩”效应的机械结合涂层，而喷焊层与基体的结合纯属冶金结合涂层。喷涂材料不同，喷焊要求使用自熔性合金粉 末，而喷涂则对粉末的自熔性要求不高，且不一定是自熔性合金粉末，各种 自熔性合金粉末既可用于喷焊又可用于喷涂，但喷涂粉末不具备自熔性只

25、能用于喷涂而不能用于喷焊工艺。工件受热情况不同，喷涂与喷焊过程中， 喷前预热温度不同，工件受热影响不同，喷后工件的组织、性能亦不同。 涂层的致密性不同，喷焊层致密，而喷涂层中有少量孔隙。十、堆焊堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法，越来越广泛地应 用于各个工业部门零件的制造修复中。为了最有效地发挥堆焊层的作用， 希望采用的堆焊方法有较小的母材稀释、较高的熔敷速度和优良的堆焊层 性能，即优质、高效、低稀释率的堆焊技术。用电焊或气焊法把金属熔化，堆在工具或机器零件上的焊接法。通常 用来修复磨损和崩裂部分。冷焊堆焊技术是利用高频电火花放电原理，对 工件进行无热堆焊，来修补金属工件的表面缺陷

26、与磨损，能保证工件的完 好性；也可以利用其强化功能对工件进行强化处理，实现工件的耐磨性、 耐热性、耐蚀性等。冷焊堆焊设备对金属制品工件修补后不变形、不退火、 溶接强度高、抗耐磨。可通过金相、拉伸及硬度测试，同时焊材与基体的 冶金结合保证了焊接的牢固性。常用于精密铸件的针孔、气孔、毛刺、飞 边、磕碰、划伤、崩角、塌角、砂眼、裂纹、磨损、内陷、制造错误、 制造缺陷、焊接缺陷的修复与机械表面强化。采用合理的堆焊工艺参数是 保证电渣堆焊过程稳定，焊缝质量良好的有效手段。影响带极电渣堆焊质 量的工艺参数最主要的有焊接电压、电流和焊接速度，其次还有干伸长， 焊剂层厚度，焊道间搭接量、焊接位置等。十一、总结

27、以上十种表面工程处理技术，他们在实际应用中并不是单独使用，而是根据 实际的性能要求同时对材料进行两种或者两种以上的表面处理技术。比如，在对 一些材料进行激光表面处理的同时进行离子注入；在电镀之前进表面喷砂处理。 一方面有机结合这些表面工程技术能够有效改善材料的表面性能，另一个方面也 使表面技术发展有了新的方向。第二部分实例解析之前在一家公司工作过，工作的内容涉及到表面处理，其中比较有特点 的是高强度钛合金部件的表面处理，其中包括多种表面工程技术，如：喷 丸、喷砂、氧化处理等。现就当时我设计的表面处理方案进行说明。钛合金具有低密度、耐腐蚀、高比强度且有良好的生物相容性，在航空 航天、化工、生物等

28、领域内得到广泛的运用。然而钛合的表面硬度低、不 抗磨损，因此为了最大的发挥钛合金的优点，我们必须对钛合金部件进行 表面处理。首先，这些钛合金部件都会经过热处理，热处理之后钛合金表面会有一 层很厚的氧化层。这时侯我们会根据部件的类型和要求分别进行喷丸或者 喷砂处理。对表面硬度较高，且较大的零件我们一般采用喷丸处理；对于 易变形、对尺寸要求较高的部件一般采用喷砂处理。喷丸是利用压缩空气作为动力将直径在 40120目的砂或0.12.0左右的 丸喷向工件的表面，使工件达到同样的效果.丸粒的大小不同，达到的处理 效果就不一样.重点提出：喷丸同样能起到强化的作用.现在国内的设备走 进了一个误区，认为只有抛

29、丸才能达到强化的目的.美国日本的企业用于 强化的是抛喷丸并用的！各有各的优势.比如象齿轮这样的工件，抛丸的出 丸角度无法改变，只能用变频改变初速度.但它处理的量大，速度快，而喷丸 则正好于之相反。喷砂是利用压缩空气或者水流把石英砂高速吹出去对零件表面进行清理 的一种方法。工厂里也叫吹砂，不仅去锈，还可以顺带除油，对涂装来说 非常有用。常用于零件表面除锈；对零件表面修饰（市场卖的小型的湿式 喷砂机就是这个用途，砂粒通常是刚玉，介质是水）；在钢结构中，应用 高强螺栓进行联接是一种比较先进的方法，由于高强联接是利用结合面之 间的摩擦来传力的，所以对结合表面的质量要求很高，这时必须用喷砂对 结合表面进行处理。喷沙用于形状复杂，易于用手工除锈，效率不高，现 场环境不好，除锈不均匀的部件进行处理，一般的喷砂机都有各种规格的 喷砂枪，只要不是特别小的箱体，都可以把枪放进去打干净。压力容器的 配套产品一封头采用喷砂方式清除工件表面的氧化皮，石英砂的直径为1.5mm3.5mm.有一种加工就是利用水作载体，带动金刚砂来加工