表面工程复习题答案

1、 一、名词解释 外表工程技术：为满足特定的工程需求，使材料或零部件外表具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理方法与工艺。 外表能：严格意义上指材料外表的内能，包括原子的动能、原子间的势能以及原子中原子核和电子的动能和势能等。 洁净外表：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与体内相同的外表。 清洁外表：一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后的外表。 区别：洁净外表允许有吸附物，但其覆盖的几率应该非常低。洁净外表只有用特殊的方法才能得到。清洁外表易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。洁净外表的“清洁程度 比清洁外表高。 吸附作用：物体外表上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围

2、其它物质(主要是气体、液体)分子的能力。 磨损：相对运动的物质摩擦过程中不断产生损失或剩余变形的现象。 腐蚀：材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。 极化：腐蚀电池工作时，阴、阳极之间有电流通过，使阴、阳极之间的电位差(实际电极电位)比初始电位差要小得多的现象。 钝化：由于金属外表状态的改变引起金属外表活性的突然变化，使外表反响速度急剧降低的现象。(阳极反响受阻的现象) 外表淬火：用特定热源将钢铁材料外表快速加热到Ac3(对亚共析钢)或者Ac1(对过共析钢)之上(奥氏体化)，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成外表强化层的工艺过程。 喷丸强化：利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的

3、外表，使表层材料在再结晶温度之下产生弹、塑性变形，并呈现较大的剩余压应力，从而提高工件外表强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的外表工程技术。 (喷丸强化技术) 热喷涂：采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体外表形成涂层的工艺过程。 电镀：在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以被镀基体金属为阴极，以欲镀金属或其它惰性导体为阳极，通过电解作用，在基体外表上获得结合牢固的金属膜的外表工程技术。化学镀：在无外加电流的状态下，借助适宜的复原剂，使镀液中的金属离子复原成金属，并沉积到零件外表的一种镀覆方法。 复合电镀：在电镀或化学镀溶液中参加非溶性的

4、固体微粒，并使其与主体金属共沉积在基体外表，或把长纤维埋入或卷缠于基体外表后沉积金属，形成一层金属基的外表复合材料的过程。(弥散镀、分散镀)电铸:电铸是利用金属的电解沉积原理来精确复制某些复杂或特殊形状工件的特种加工方法。转化膜技术：通过化学或电化学方法，使金属外表形成稳定的化合物膜层而不改变其金属外观(形状及几何尺寸)的一类技术。金属着色: 金属着色是采用化学或电化学方法赋予金属外表不同的颜色并保持金属光泽的工艺。真空蒸发镀膜：在真空室内，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从外表气化逸出，形成蒸气流，入射到固体基片/基板/衬底、工件外表，凝结形成固态薄膜的方法。溅射镀膜：用高能

5、粒子轰击固体外表，通过能量传递，使固体的原子或分子逸出外表并沉积在基片或工件外表形成薄膜的方法。 外表微细加工技术:外表微细加工技术指那些能够制造微小尺寸元器件或薄膜图形的方法，微细加工的加工尺寸一般在亚毫米(常指低于100m)至纳米级范围内，而加工的单元那么从微米级、纳米级到原子级级。光刻:利用照相复制与化学腐蚀相结合的技术，在工件外表制取精密、微细和复杂薄层图形的化学加工方法。化学气相沉积：化合物、单质气体通入放有基片反响室，借助气相作用或在基片上的化学反响生成薄膜的技术。物理气相沉积：在真空条件下，通过各种物理方法产生的原子或分子沉积在基材上，形成薄膜或涂层的过程。合金电镀：在一种溶液中

6、，两种或两种以上的金属离子在阴极上共沉积，形成均匀细致镀层的过程。激光淬火：是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料外表，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的过程。火焰加热外表淬火:将高温火焰或燃烧着的炙热气体喷向工件外表，使其迅速加热到淬火温度，然后在一定淬火介质中冷却。 二、填空1.外表薄膜与涂层技术中基材与涂层材料间通常可形成冶金结合、 扩散结合 、 外延生长 、 化学键结合、 分子间结合、机械结合界面。2.当 900 时，称为不润湿；当 =1800 时，称为完全不润湿。3.流体润滑的摩擦系数要 小 于边界润滑的摩擦系数，边界润滑的摩擦系数要小于 干 摩擦的摩擦系数。4. 固体润滑是利用 剪切力

7、 低的固体材料来减少 接触外表 间摩擦磨损的，常见的固体润滑材料有 石墨 、 FeS 和 MoS2 。5. 不需要外加其它材料，主要依靠材料自身 组织 和 结构 转变来进行外表改性的工艺主要有 外表形变强化技术 、 外表淬火 和 退火 技术。6.激光淬火与电子束淬火比拟， 激光 淬火获得广泛应用，在淬火前外表要经过 黑化处理。电子束淬火必须在 真空 环境下应用。7.热喷涂工艺主要包括火焰 喷涂、 等离子 喷涂和 电弧 喷涂。其中 电弧喷涂 只能用于导电的线材， 等离子喷涂 特别适合喷涂 高 熔点的材料。8.热喷涂技术可应用于喷涂 耐腐蚀 涂层、 热障 涂层和耐 磨 涂层。9. 热喷涂涂层和基材

8、间为 机械结合 界面；热喷焊、堆焊涂层与基材间为 冶金结合 界面。其中 热喷焊 和堆焊 方法的涂层厚度较大，通常用于 修复 零件。10. 铝的阳极氧化膜的生长是两个过程的综合反映：一是阳极上的铝进行 氧化 反响生成 Al2O3 ，另一个过程是氧化膜不断 被电解溶解 。11.阳极氧化的铝合金的主要着色方法有自然显色 法、 吸附 着色法和 电解 着色法，其发色体在氧化膜的部位依次为 多孔层的夹壁中 、 氧化膜孔隙的上部 和 多孔层的底部 。 12.真空蒸镀薄膜的形成机理有 核生长 型、 单层生长 型和 混合生长 型。13.常用的溅射镀膜方法有 直流 溅射、 射频 溅射和 磁控 溅射，其中 直流 溅

9、射只能沉积金属膜， 射频 溅射能够沉积介质膜。14.外表清理中常用的清理工艺过程为：脱脂水洗 化学侵蚀水洗 中和 水洗。 15.刷镀也称为电刷镀、涂镀、局部镀、选择性电镀任选其一，其根本原理与电镀 完全相同 ，设备包括 直流 电源、镀笔和阳极包套。16.金属外表产生极化的机理总共有三种，即 电化学 极化、 浓差 极化和电阻 极化，其中 电阻 极化与电极外表生成具有保护作用的 氧化 膜、钝化 膜或不溶性的腐蚀产物有关。 17.铝、锌等金属覆层对钢铁材料属于 阳 极性金属涂层，可以对基体金属起到机械保护和电化学 保护作用，而镍、铬、铜等金属覆层那么属于 阴 极性金属涂层，对基体金属的仅起到机械 保

10、护作用。18.激光淬火层的宽度主要由( 光斑直径D )决定，淬硬层深度由激光功率P 、光斑直径D 和扫描速度v共同决定。19.激光熔凝处理特别适合于 灰口 铸铁和 球磨 铸铁的外表强化，原因是外表形成 白口 铸铁，显微硬度高达10001100HV, 耐磨性非常优越。20.化学镀有三种方式： 置换 沉积、 接触 沉积和 复原 沉积，一般意义上的化学镀主要指 复原 沉积。21.溅射镀膜时的本底真空度约为 10-3 Pa, 分子束外延镀膜的本底真空度约为 10-8 Pa。三、简答题 1、外表工程技术的内涵(分类)； 外表改性技术、外表合成材料技术、外表加工技术、外表加工三维合成技术 2、外表工程技术

11、的特点与意义； 外表工程技术具有一般整体材料加工技术不具备的优点。 1主要作用在基材外表，对远离外表的基材内部组织与性能影响不大。因此，可以制备外表性能与基材性能相差很大的复合材料。 2采用外表涂(镀)、外表合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材料外表具有特殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产本钱。 3可以兼有装饰和防护功能，有力推动了产品的更新换代。 4外表薄膜技术和外表微细加工技术具有微细加工功能，是制作大规模集成电路、光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的根底技术。 5二维的外表处理技术已开展成为三维零件制造技术

12、生长型制造法，不仅大幅度降低了零部件的制造本钱，亦使设计与生产速度成倍提高。 6外表工程技术已成为制备新材料的重要方法，可以在材料外表制备整体合金化难以做到的特殊性能合金等。 3、外表工程技术中结合界面的类型及其结合强度的特点； 1冶金结合界面 特点：结合强度很高，可以承受较大的外力或载荷，不易在服役过程中发生剥落。 2扩散结合界面 特点：覆层与基材之间的成分梯度变化，并形成了原子级别的混合或合金化。 3外延生长界面 特点：理论上应有较好的结合强度。具体取决于所形成的单晶层与衬底的结合键类型，如分子键、共价键、离子键或金属键等。 4化学键结合界面 特点：结合强度较高，界面的韧性较差，外表发生粘

13、连、氧化、腐蚀等化学作用也会产生化学键结合界面。 5分子键结合界面 特点：覆层与基材(或衬底)之间未发生扩散或化学作用。结合强度较低。 6机械结合界面 特点：结合强度不高，但可起辅助作用4、写出Young方程并说明“润湿与“不润湿； Young方程： Young方程反映了润湿角的大小与三相界面张力之间的定量关系： 5、最常见的磨损种类；如何通过外表技术提高耐磨性？磨损分为七类： 粘着磨损 磨粒磨损 疲劳磨损 腐蚀磨损 (以上四个为最根本的)微动磨损 冲蚀(包括气蚀)磨损 高温磨损 提高零件耐磨性的途径： 1工程结构的合理设计 2零件磨损机理预测、分析和耐磨材料的选择 3材料外表耐磨与减摩处理

14、6、腐蚀按材料腐蚀原理可分为哪两类？ 化学腐蚀、电化学腐蚀 7、金属腐蚀的主要形式；金属材料腐蚀控制及防护方法； 金属腐蚀的主要形式：局部腐蚀、全面腐蚀和在机械力作用下的腐蚀。 金属材料腐蚀控制及防护方法：1产品合理设计与正确选材2电化学保护3外表覆层及外表处理4参加缓蚀剂 8、外表预处理的作用及主要工序； 作用：去除材料外表杂质，露出材料(金属)本色使并使其处于活化状态，获得“清洁外表甚至“洁净外表，以提高外表覆层的质量以及覆层与基材的结合强度。 外表预处理工序主要包括脱脂、除锈和获取一定程度粗糙度的外表等几局部。 8、常用的热喷涂工艺方法及其根本特点；1火焰喷涂工艺 (优点)设备投资少，无

15、电力要求，操作容易，沉积效率高等 (缺点)涂层氧含量较高，孔隙较多，焰流温度较低，涂层种类较少，涂层结合强度偏低，涂层质量不高。 2电弧喷涂工艺 (优点)涂层密度及结合强度较高，喷涂速度和沉积效率高，运行费用较低。 (缺点)只能用于具有导电性能的金属线材。 3等离子喷涂工艺 (优点)焰流温度高，喷涂材料适应面广，特别适合喷涂高熔点材料；涂层密度及 结合强度高。 (缺点)热效率低、沉积效率较低，设备相对复杂、价格较贵，喷涂本钱高。 9、镀层按其性能特点可分为哪三类？ (1)防护性镀层：在大气或其它环境下，可延缓基体金属发生腐蚀的镀层。 (2)防护装饰性镀层：在大气环境中，既可减缓基体金属的腐蚀，

16、又起到装饰作用的镀层。 (3)功能性镀层：能明显改善基体金属的某些特性的镀层，包括耐磨镀层，导电镀层，导磁镀层，钎焊性镀层，其它功能性镀层(吸热镀层、反光镀层、防渗镀层、抗氧化镀层、耐酸镀层等) 10、电镀的工艺过程； 1镀前处理：抛光打磨、脱脂、除锈、活化等 2电镀 3镀后处理：钝化、浸膜 11、化学镀的原理与特点；化学镀是一个在催化条件下发生的氧化一复原反响过程。(有别于普通化学沉积) 优点： 镀层致密，孔隙少、硬度高，具有极好的化学和物理性能； 可镀制形状复杂的工件，且镀层厚度均匀； 可镀基材广泛(对非金属等材料需经过适当的预处理)； 设备简单(不需要外加直流电源)。 缺点： 可镀制的金

17、属(合金体系)有限； 镀液昂贵，稳定性差，镀制本钱高。 12、转化膜的主要用途； 外表转化膜与着色技术的主要用途：防护、提高基体与涂层间的结合力、外表装饰性、外表特殊性能。 转化膜的性质和用途：(1)用于防护和装饰转(2)提高涂膜与基体的结合力(3)耐磨减摩(4)适用于冷成形加工(5)电绝缘性 13、阳极氧化的工艺流程；1预处理：脱脂、碱蚀 2氧化 增加电压及电流密度、降低溶液(槽液)温度及浓度，可增加膜的生长速率膜厚。 3阳极氧化膜的封闭 氧化膜多孔，活性高，吸附性很强(着色)，容易被污染或被腐蚀介质侵入，氧化后的膜层必须要通过封孔才能到达最好的耐蚀效果。 14、离子镀膜的根本原理离子镀是真

18、空镀膜工艺的一项新开展。普通真空镀膜亦称真空蒸镀时，工件夹固在真空罩内，当高温蒸发源通电加热后，促使待镀材料蒸发料熔化蒸发。由于温升，蒸发料粒子获得一定动能，那么沿着视线方向徐徐上升，最后附着于工件外表上堆积成膜。用这种工艺形成的镀层，与零件外表既无牢固的化学结合，有无扩散连接，附着性能很差，有时就像桌面上落的灰尘一样，用手一摸也会擦掉。然而，离子镀工艺那么有所不同，虽然也是在真空罩内进行的，但这时镀膜过程是以电荷传递的形式来实现的。也就是说，蒸发料的粒子作为带正电荷的高能离子在高压阴极即工件的吸引下，以很高的速度注入到工件外表。相当于一个从枪管中射出的高速弹头，可以穿入靶体很深，在工件上形成

19、一种附着牢固的扩散镀层。15、比照PVD和CVD法中的薄膜生成过程(阶段)；CVD法中的薄膜生成过程(阶段)： 反响气体向基片扩散； 反响气体向基片运动并被吸咐于基片外表 反响气体吸咐于基片的外表； 反响气体在基片外表发生化学反响； 反响产生的气相副产物被排掉，产生的固体物质沉积下来成为不蒸发的固体膜。 16、简述CVD的沉积条件及特点。条件： 1在沉积温度下，反响物必须有足够高的蒸气压； 2反响产物除薄膜为固态外，其他的必须是挥发性的； 3沉积薄膜本身必须有足够低的蒸气压，基体材料在沉积温度下的蒸气压也必须足够低。 特点： 1膜材广泛：金属、非金属、合金等 2成膜速率，效率高：几个-数百m/min，基片数量大 3设备简单，绕射性好：常压或低真空 4膜层质量好： 纯度高：气相反响且副产物为气相，与其他物质不易反响 结晶良好：温度适宜 致密性好：一般无高能气体分子 外表平滑：成核率高、成核密度大，气相分子空间分布均匀，绕射性好 辐射损伤低：一般无高能粒子 剩余应力小：膜基高温扩散 缺乏：反响温度高；可能造成环境污染。 四、阐述题及论述题1、从产生气相镀料粒子的原理出发，分析离子镀膜与蒸发镀膜、溅射镀膜在粒子能量、沉积速率、膜层密度、膜基结合强度的区别； (1)蒸发镀膜 蒸发镀膜是