材料表面笔记

第1章绪论

材料表面特征与功能

1、表面的定义：物质的外表层

2、材料表面的内涵主要包括哪几个方面

（1）表面具有自身的功能---适应环境

（2）表面具有自身的结构一一生存需求

（3）表面可以进行改性一一提高品质，应对挑战，满足需求

3、材料表面的特征是什么为什么要进行表面强化

（1）特征：材料的疲劳断裂，腐蚀，氧化，辐照损伤等都是从表面开始的，带来的损失和

破环惊人。

（2）原因：对各类产品抵御环境的能力和长期运行的可靠性，稳定性的要求不断提高。充

分发挥材料潜力；节约能源，节约材料；修复与维修；利用表面技术制备新材料及新器件。

现代工业要求零件表面能在高速、高温、高压、重载以及腐蚀介质工况下可靠而持续的工作。

表面工程的定义内涵

1、表面工程的定义是什么

表面工程是经表面预处理后，通过表面涂装表面改性或多种表面技术更合处理。改变

固体金属表面或非金属表面的形态化学成分，组织结构和应力状况。以获得所需要表面性能

的系统工程。各种表面技术是表面工程的技术基础。

2、表面工程技术的基础和应用理论包括哪几个方面

表面工程技术的基础和应用理论包括三个方面

（1）内容：表面覆盖技术，表面改性，复合表面处理，表面加工技术，表面分析技术。

（2）技术基础：材料物理基础，表面物理，表面化学，表面分析技术。

（3）理论：表面失效分析，摩擦与磨损理论，表面腐蚀与防护理论，断裂与疲劳理论，表

面结合与复合理论。

3、表面覆盖技术

电镀和电刷镀、化学短、涂装和粘结、堆焊和熔结、热喷涂、热浸镀、真空蒸镀、溅射

镀、离子镀、化学气相沉积、分子束外延、离子束合成薄膜技术、化学转镀膜。

4、表面改性技术

表面形变强化、表面热处理、化学热处理、等离子扩散处理、高能束表面处理理、离子

注入表面改性。

5、表面加工技术

微细加工；光子束、耳子束和离子束的微细加工；CYD、真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀、

分子束外延的薄膜制造；瓶法、溅射、等离子刻蚀等图形刻蚀；离子注入扩渗掺杂技术。

6、表面分析技术

显微镜；表面成分和原子状态分析；表面晶体结构分析；表面性能测试.

7、表面新能测试

外观检查；厚度测显；结合强度测定；表面力学性能；表面层内应力测显；薄膜电阻的

测量。

表面技术的发展

1、表面工程是以多个学科的交叉、综合、复合、系统为特色，逐步发展起的新兴学科，它

以我面和界面为研究核心。

2、涂层与基体的结合界面具有典型的2类，一类是巩械结合，一类是冶金结合，

电镀、热喷涂涂层和基体的结合是典型的机械结合.

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3、螺纹钢在出口检测中，发现抗疲劳性能不足，在螺纹根部有断裂，原因是什么

答：螺纹钢表面引起，螟纹齿形不符，根部有裂纹或微缺•口，产生应力集中

4、轧机轧辑表面强化的目的什么有哪些方法

答：目的：提高耐磨性和硬度。方法：淬火，堆焊处理

表面技术的学科体系

1、表面技术的学科体系包括哪五大类

表面科学基础理论；表面工程技术；表面加工技术；表面工程设计；表面质量检测控制

表面技术的应用和功能

1、材料表面技术的九大应用功能

答；（1）提高耐磨性或耐腐蚀、抗疲劳、抗氧化、防辐射性能；（2）改善表面的传热性或

隔热性；（3）改善表面的导电性或绝缘性；（4）改善表面的导磁性或电磁屏蔽性；（5）

改善太面的增光性、反光性或吸*成性：（6）改善表面的粘着性或不粘性；（7）改善表面的

吸油性或干摩性；（8）改善去面的摩擦系数（提高或降低）；（9）改善表面的装饰性或仿

古做旧性。

第2章材料表面热处理技术

表面化学热处理定义

1、什么是表面化学热处理技术

答：化学热处理是在•定温度下，在不同的活性介质中，向钢的表面渗入适当的元素，同时

向钢的内部扩散以获得预期的组织和性能为目的的热处理过程。

2、典型的表面化学热处理技术有哪些（按渗层材料分类）

答：渗碳，渗氮，碳氮共渗，渗硼，渗硫，渗铭，渗铝.

表面化学热处理的三个基本过程

1、表面化学热处理的三个基本过程是什么

（1）化学介质的分解

在一定温度下，化学介质可发生化学分解反应，生成活性原子。通常，为了增加化学介

质的活性，还加入适量催叱剂或渗剂，来加速反应过程，降低反应温度，缩短反应时间。例

如，固体渗碳时加入碳酸盐，渗金属时常用氯化镂作为催渗剂。此外，稀土元素的应用也具

有很明显的催渗效果.

（2）活性原子的吸收

介质分解生成活性原子，如［C］、|N］等，为钢的表面所吸附，然后溶入基体金属铁的品

格中。碳、氮等原子半径较小的非金属元素容易溶入丫-陞中形成间隙固溶体，碳也可与钢

中强碳化合物元素直接形成碳化物。氮可溶于a-Fe中形成过饱和固溶体，然后再形成氮化

物。

（3）原子的扩散

钢表面吸收活性原子后，该种元素的浓度大大提高，形成了显著的浓度梯度。在一定的

温度条件下，原子就能沿着浓度梯度下降的方向定向扩散，结果便能得到一定厚度的扩散层。

2、影响渗层厚度的因素主要有哪些

表征扩散过程速度的一个重要参数是扩散系数I）。它的物理意义是，在浓度梯度为1

的情况卜.，在单位时间内，通过单位面枳的扩散物质量。扩散系数越大，则扩散速度越快。影

响扩散速度的主要因素是温度和时间0

普通化学热处理与离子渗氮

1、渗氮的定义和特点是什么

答：定义：渗氮：氮化就是向钢件表面渗入氮的工艺。

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特点：（1）氮化件表层硬度很高（1000〜1100HV）,且在600〜650c温度时保持不下降，所

以具有很高的耐磨性和热硬性，心部具有足够的强韧性；（2）表层形成压应力，使疲劳强度

大大提高；（3）氮化温度低，零件变形小；（4）表面形成致密的化学性能较高的£层，耐蚀

性好。

2、简述离子渗氮过程气体放电的伏安特性曲线各个阶段的含

义。

电压在OS段内时，阴阳极只有微弱电流。当电压增而到

S点时，气休由绝缘体变成良导体，电流急剧上升。S点的电

压称点火电压，用Vs表示，阴极与阳极间出现悦目的辉光。

这种现象叫做起辉，一旦起辉后，极间电压即降落到“点，此

时若增加电源电压或减少限流电阻，则两极间电压保持不变，

电流逐渐增大，辉光覆盖面积逐渐扩大，直至覆盖全部明极。

MN段为正常辉光放电区，到达N点后再增加电源电压，则两

极间的电压与电流都不断增大，N0段为异常放电区，当极间

辉光媳灭，阴极表面产生强烈的孤光放电，。点以后称为弧光

放电区。

离子渗氮过程与特点

1、离子渗氮的过程是什么

工件经清洗后置于炉内阴极盘上（或挂在阴极吊具上.），阴极接直流电源的负极，真空

室壳接直流电源正极并接地，真空室压强抽至6Pa左右，即冲入净化氨，使压强保持在

*10Ta--*103Pa,由于减压及其后的加热作用氨被分解。

当在阴、阳极间加入任压直流电，电压升到约400V时，炉内出现辉光放电现象。这时

炉内气体在高压电场的作用下，被电离分解成N、I「离子和电子。正离子轰击工件表面，氮

元素渗入工件表层，形成FeN、FcN”等化合物。含氮化合物层的形成，提高了零件表面的耐

磨性、疲劳强度和抗腐蚀性能。离子氮的温度般为500~600℃。

2、离子渗氮的优点是什么

答：（1）渗速快，离子渗氮4—5h即可得到渗氮层，而气体渗氮约需15h；（2）渗层具有一

定的韧性，可通过控制T艺参数获得韧性较好的单相y化合物层；（3）显著提高零件表面硬

度，耐磨性和疲劳强度及耐蚀性；（4）零件变形小，表面呈银白色，质量好，不需要再磨削

加工；（5）节省电能，气体消耗少。

离子渗氨工程应用

K2Crl3不锈钢冤化前为什么要进行表面预处理采用哪些方法进行表面预处理

答：原因：经过工厂加工及储存过程中，钢材表面存在防锈油等油污，进行试验前需进行彻

底的清洗，使表面保持清洁，便于渗氮。

方法：采用出油溶剂对■其进行彻底清洗，一般采用汽油、三氯乙烯、丙酮或者金属表面清洁

剂。

2、2Crl3不锈钢离子氮化后的表面颜色是什么为什么会得到干净、稳定的氨化层

答:经过离子氛化后，2CH3表面呈银白色。氨离子溶解入铁的晶格，形成扩散层。氢离子

不参与反应，在材料表面发生溅时，形成氢气，起到滑洗材料表面的作用，对材料表面的

夹杂污染物进行了二次清洁。

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第4章热喷涂技术

热喷涂技术概述

1、什么是热喷涂技术

是使用某种方式的热源，使喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，用高压气流将其雾

化，并以一定速度喷热喷射到经过预处理的零件表面，从而形成涂层的表面加工技术。

2、热喷涂技术分类是什么

答：（1）燃烧法一火焰喷涂、爆炸喷涂；（2）电加热法一电弧喷涂、等离子喷涂、（激光喷

涂、线爆喷涂）。

3、热喷涂涂层和基体之间的结合特征是什么（热喷涂的特点）

喷涂层与基体之间，以及涂层中颗粒之间主要是通过镶嵌，咬合、填塞等机械结合，其

次是微区冶金结合以及化学键结合。可利用放热性自粘结复合粉末，使制备的喷涂层与基体

之间以及喷涂层颗粒之间形成微区冶金结合。

4、热喷涂涂层的主要应用特性是什么

答：（1）热喷涂的种类多：热喷涂细分有十几种，根据工件的要求在应用时有较大的

选择余地。（2）涂层的功能多：适用于热喷涂的材料有金属及其合金、陶瓷、塑料及它们的

复合材料。（3）使用热喷涂的零件的范围宽。（4）设备简单、生产率高

热喷涂原理

1、热喷涂涂层的沉积原理是什么

熔融或软化的微细颗粒被加速形成粒子流，被喷射《行到零件的表面。粒子在零件表面

发生碰撞、变形、凝固和堆集形成涂层：当飞行喷射到基体材料表面时，产生强烈的碰撞，

动能转化为热能并部分传递给基材；颗粒基体表面产生变形，迅速冷凝并产工收缩，扁平状

黏结在基材表面，随着喷涂的进行最后结果形成热喷涂涂层，涂层是由无数变形粒子互相

交错呈波浪式堆叠在一起而形成的层状组织结构。

2、热喷涂的基本工艺流程是什么

（1）加热、熔化:对要喷涂的材料利用不同的热源机械加热、熔化或者软化

（2）爰化：将热源熔化了的喷涂材料进行雾化，线材端部熔化形成的熔滴在外加压缩气流

或热源自身射流的作用下脱离线材并成微小熔滴向前喷射.而粉末被气流成热源射流推着

向前喷射。

（3）喷射飞行:熔融或软化的微细颗粒被加速形成粒子流，被喷射飞行到零件的表面。

（4）粒子在零件表面发生碰撞、变形、凝固和堆集形成涂层:当喷射飞行到基体材料

表面时，产生强烈的碰撞，动能转化为热能并部分传递给基材；颗粒基体表面产生变形，迅

速冷凝并产生收缩,扁平状黏结在基材表面,随着喷涂的进行最后结果形成热喷涂涂层。涂

层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起面形成的层状组织结构.

3、热喷涂涂层的特点及结合方式

（1）涂层是由颗粒、孔隙及氧化物组成的复合层

（2）①机械结合：撞成扁平状并随基材表面起伏的颗粒，由于粗化了的凹凸不平的表面互

相嵌合，形成机械的键而结合。②冶金-化学结合：在高温和自熔合金作用下在涂层与基体

之间的界面上生成金属间化合物或固溶体。③物理结合：由范德华力或价键形成的结合。

电弧喷涂技术

1、电弧喷涂技术的原理是什么

电弧喷涂是以电弧为热源，将金属丝熔化并用气流雾化，使熔融粒子高速喷到工件表

面形成涂层的一种工艺，

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2、电弧喷涂的特点是什么

（1）电弧喷涂技术，可以在不进行预热和不使用贵重底层材料的下获得较高结合强度的界

面，结合强度口J达20Mpao

（2）电弧喷涂效率相对较高，单位时间内喷涂金属的重量大。

（3）电弧喷涂的节能效果突出，能源利用率高于其他喷涂方法，而能源费用降低50%以

上。

（4）电弧喷涂技术仅使用电和压缩空气不用氧气、乙焕等易燃气体，安全性高

3、典型的电弧喷涂材料有哪些

（1）锌及锌合金（2）铝及铝合金（3）铜及铜合金（4）银及锲合金（5）铝（6）碳钢和

低合金钢（7）粉芯焊丝

等离子喷涂技术

1、等离子喷涂技术的定义。

等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为热源，将欲喷涂粉末材料加热到熔融或半熔

融状态，在经过高速焰流将其雾化加速喷射到经预处理的工件表面，形成喷涂涂层的一种热

喷涂表面加工方法。

2、等离子喷涂技术原理是什么

等离子喷涂原理是通过等离于喷枪（又称等离子弧发生器）产生等离焰流。喷枪的铝电

极（阴极）和喷嘴（阳极）分别接电源负极和正极（工件不带电），通过高频火花引燃电弧，使供

给喷枪的工作气体（Ar或N?）在电弧的作用下电离成等离于体。在机械压缩效应、自磁压缩

效应和热压缩效应的联合作用下，电弧被压缩，形成非转移型等离子弧。送粉流输送粉末喷

涂材料进入等离子弧，并被迅速加热至熔融或半熔融状态，随等离子流高速撞击经预处理的

基材表面，并在基材表面形成牢固的喷涂层。使零件被喷涂表面获得不同的便度、耐磨、耐

热、耐腐蚀、绝缘、隔热、润滑等各种特殊物理化学性能，以满足零件不同工作条件的要求。

第5章电镀技术

电镀概述

1、什么是电镀技术

在含镀层金属的溶液中，以被镀材料或制品为电镀阴极，镀层材料或其他不溶性材料为

阳极，在直流电的作用下在被镀表面获得镀层。

2、电镀原理是什么

以电化学过程为依据，在电镀过程中，电极和电镀液之间发生电化学反应，阳极氧

化反应释放电子用同，阴极还原反应吸收电子。应直流电可使所要求的反应沿相方向进

行。

3、简述电镀液的组成及各组作用。

（1）土盐：能在阴极上沉积出所要求的镀层金属的盐。

（2）导电盐:能提高溶液的电导率，对放电的金属离子不起络合作用的碱金属或碱金属

的盐类（包括镀盐）。

（3）络合剂：能络合主盐中的金属离子的物质。

（4）缓冲剂:用来稳定镀液的pH值的物质。

（5）添加剂：改善镀层性能的少量某些有机物。

电沉积过程

1、简述电沉积的基本过程。

电化学+电结晶

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（1）双电层的形成:金属浸入电解质溶液中，极性水分子的作用将其表面正离子发生水化，

如水化能足以克服金属晶体中正离子和自由电子等的作用力，脱离金属进入溶液形成水化正

离子，同时使金属表面产生过剩电子。金属表面带负电9其相邻的溶液层则聚集一些水化正

离子面，溶液中形成“双电层”。

（2）阳极过程:电流通过电解质溶液与电源正极相接的阳极发生氧化反应；

（3）阴极过程:以工件作为阴极，电镀液中的金属离子在外电场的作用下，在阴极发生放

电沉积形成镀层。

（4）电结晶:金属阴极电沉积的最后是到达晶体表面的金属原子集合按一定的规律排列构

成新晶体的结晶过程。过程与盐溶液的结晶过程相似,。

2、在电镀过程中，阳极发生什么反应阴极发生什么反应工件是阴极还是阳极

答：阳极发生氧化反应失电子，阴极发生还原反应形成镀层。工件为阴极。

电源Cr工艺

1、电镀铭的阳极反应和阴极反应分别是什么

（1）阳极反应：析出氧气，三价铝氧化成六价：

3+2-4

40H-4e-*02t+2H20;2Cr+7H20+6e->Cr207+14H

（2）阴极反应：氢气析出，CrO?放电析出格；

2H++2e-H2t;CrO/+8H,+6cfCr+4HzO

电刷镀技术

1、什么是电刷镀技术

电刷镀又叫选择电镀、无槽镀、涂镀、笔镀、擦镀等。它是电镀的一种特殊方式,

不用镀槽，只需在不断供电解液的条件下，用一支镀笔在工件表面上进擦拭，即可获得电镀

层。

2、电刷镀的主要特点是什么

（1）电刷镀与普通电镀::电刷镀是断续的过程，电流密度大，造成晶粒较小，扩散过程迅

速。

（2）设备特点:①电刷镀设备简单，体积小、重量轻，多为便携式或可移动式，便于现场

使用或进行野外抢修。②电刷镀不需要镀槽，也不需要挂具，与槽镀相比较，设备数量大大

减少因而对场地设施的要求大大降低。

（3）镀液特点:①电刷镀溶液大多数是金属有机络合物溶液，络合物一般在水中溶解度大

并且稳定性好，镀液中金属离子含量通常比槽镀高几倍到几十倍;②不同镀液有不同的颜色,

透明清沈，没有浑独或沉淀现象，便于鉴别。③镀液性能稳定，使用范闱较宽，在使用过程

中不必调整金属离了浓度，不燃、不爆、无毒性，大多数镀液接近中性，腐蚀性小，因而具

有安全可靠便于运输和储存等优点，除金、银等个别镀液外均不采用有毒的络合剂和添加剂。

电镀现场学习

1、电镀时电压过高时会发生什么副反应

电压过高时，会使水电离产生的H+也向阴极移动，生成氢气附着在阴极表面；而0H

向阳极移动，产生水和氧气附着在阳极表面。严重影响电镀过程和电镀质景。

2、什么是电解除油特点是什么

电解除油的实质是利用电化学方法，在NaOH等碱液中进行电解除油。在零件表面产生

气泡将油膜去除。

特点：比一般化学除油时间短，除油彻底。

纳米复合镀技术

1、什么是纳米复合镀技术原理是什么

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纳米复合镀技术是采用电镀或化学镀方法，将纳米尺寸级的不溶性固体微粒（通常为陶

瓷粒子）加入镀液中，使其与基质金属共沉积，得到复合镀层的技术。由于纳米微粒具有很

多独特的物理及化学特性,使得纳米更合镀层具有更高的硬度，耐磨损性能，抗高温氧化性，

能耐腐蚀性能，电催化性能，光催化性能等优良特性。

2、超声-脉冲电沉积法技术特点

（1）采用超声-脉冲电沉积法可以倒备Ni-SiC纳米复合镀层：在优化工艺条件下SiC纳

米微粒在Ni镀层中弥散分布，形成颗粒增强复合组织结构镀层。镀层中锲晶粒比常规电沉

积方法得到的镀层更加细化，起到了细晶强化作用

（2）采用非圉子和阳离子表面活性剂共同作用对纳米颗粒进行表面改性处理，有利于纳

米SiC颗粒的分散、高效复合

<3）超点-脉冲电沉积法制备得到的Ni-SiC纳米复合镀层的耐磨性、硬度均优于常规电沉

积方法制备的镀层.且垢合力与常规镀层相比没有降低

<4）超声电沉积程方法是制备Ni-SIC纳米复金健层的种有效方法

3、影响复合电镀层质量的主要因素有哪些

（1）电流密度

在复合镀中，随着电流密度的增大对不同分散体系分散粒子的共沉积量变化情况并不一

样。粒子与阴极间的亲和力较强，分散粒子的共沉积最就随电流密度的增加而增加。如果分

散粒子与阴极间的亲和力校弱，其共沉积量就随电流的增加而减少。

（2）分散粒子含量

镀液中分散粒子的含量越高，到达阴极表面的分散粒子也越多，镀层中分散粒子的含量

也随之增加，含量超过•定之后就趋向•个稳定状态，但过多的含量会影响主体金属的沉积。

（3）表面活性剂

（4）搅拌

搅拌速度，阴极振动或旋转的速度均对分散粒子共沉积量有较大影响。在复合电沉积过

程中，搅拌速度大小需要优化选择在合理的范围，才能有利于颗粒复合。

（5）pH值

日前，在pH值对于复合具沉积的影响规律认识尚待研究。

（6）其他电镀条件

其他影响电镀的因素司样对纳米复合镀具有影响。例如，电镀温度、时间、电流密

度、镀液的组成、添加剂的种类及浓度及镀液的老化等因素也与金属及颗粒的共沉积行

为有关。所以，影响纳米复合电沉积技术的因素较多，但关键还是纳米颗粒本身的因素

最为重要，例如颗粒的大小、分散、浓度、电性等。

第6章化学镀技术

化学镀

1、什么是化学镀技术它的原理是什么

定义：化学镀是利用合适的还原剂，使溶液中的金属离子有选择地在经催化剂活化的表

面上还原出金属镀层的一种化学处理方法。

原理：金属离子在溶液中得到所需电子还原成金属而形成镀层。

2、化学镀技术的优缺点是什么

优点：（1）不需要直流电源及电解设备，工艺操作方便；（2）镀层厚度均匀，分散性好；

（3）不受电力线分布不均的影响，适于复杂形状零件；（4）镀层外观好，较电镀层耐蚀性

好，品粒细，致密空隙少；（5）可在非导体、塑料、陶瓷、玻璃表面沉积成镀层。

缺点：化学镀液没有电镀液稳定；镀液维护、再生复杂；成本高。

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3、化学镀银的优点和缺点是什么

优点：（1）比电镀银硬度高、初期磨损后的耐磨性比镀硬锅好；（2）使某些技术或非金属表

面具有针焊能力；（3）镀层均匀，结晶细致

缺点：与电镀银相比，化学镀银镀层的结合力相对较差；

4、化学镀银镀液的组成

（1）主盐:银盐，提供二价银离子，用氯化馍或硫酸镁。

（2）还原剂:次磷酸盐，通过氧化脱氢，提供活泼氢原子，将Mi离子还原成金属，并使镀

层中有P的成分。

（3）络合剂:使馍因子与络合剂形成稳定络合物，防止氢氧化物及亚磷酸盐沉淀。

（4）稳定剂:不使镀液形成活性结晶核心，防止分解。

（5）缓冲齐I」：保证pH值的稳定。

5、化学镀N-P镀层按照磷含量可以分为哪几类各有什么特点

（1）高磷：10%以上，耐蚀盐雾能力强、电阻率高；

（2）中磷：6-9%热处理剖分品化后，硬度高；

（3）低磷：2-5%硬度高，在碱性介质种耐蚀性好，可焊性好，沉积速度快。

6、化学镀Ni-P镀层结构按照P含量的不同可以分为品态和非品态。

7、化学镀Ni-P镀层的性能特点是什么

（1）Ni-P镀层厚度均匀、能精确的控制厚度，省去镀后加工过程。

（2）易于钎焊、抗腐蚀怛好。

（3）硬度高、镀层经低温处理后可弥散强化，获得更高的硬度，提高耐磨性。

（4）大多数金属基体上附着力好。

（5）Ni-P镀层的密度、热胀系数、磁性及延展性与含磷量有关。

复合化学镀

1、什么是复合化学镀技术

复合化学镀是通过在传统化学镀液中加入一种或者多种超细颗粒（纳米尺寸、亚微米

尺寸）形成复合镀液，在M料表面制备出具有颗粒增强金属基组织结构的复合被层的方法

2、复合化学镀液中常用的固体颗粒有哪些

纳米碳化硅，纳米三氧化二铝、PTFE（聚四氟乙烯）

第7章化学转化膜技术

化学转化膜概述

1、什么是化学转化膜技术其原理是什么

答：定义：通过金属与溶液界面上的化学或电化学反应，在其表面形成稳定的化合物膜层。

原理：人为控制的金属表面腐蚀过程，在形成时必须有基体金属直接参加。

2、按照膜的类型分类，化学转化膜主要包括哪些

答：氧化物膜、硫化物膜、磷化物膜、格酸盐膜、草酸盐膜、磷酸盐膜、溶胶一凝胶膜等

3、什么是钢铁的氧化处理其反应机理是什么

答：（1）定义：使钢铁的表面生成非常稳定的磁性氧化铁FeQi膜层。

（2）机理：高温卜.（大于100℃）金属铁与氧化剂和强碱作用，生成亚铁酸钠和铁酸讷，

两者相互反应生成磁性氧化铁。

有色金属的氧化处理

1、简述铝及铝合金的阳极氧化机理。

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答：阳极反应首先是水的电解，产生初始态的［0］；氧原子立即和铝发生反应，生成薄而致

密的氧化铝阳极氧化膜；阴极只起导电作用和析氢反应；同时酸对铝和生成的氧化膜进行化

学溶解；氧化膜的生长速率要大于其溶解速率。

2、铝及铝合金阳极氧化膜的结构与性能特点是什么

答：（1）多孔结构；附着性强；（2）可着色、封闭提高耐磨耐蚀性；（3）阻抗较高，热、

电的绝缘体；（4）热导率低，稳定性到1500C：（5）塑性较差，脆性垂直与膜层生长方

向

第8章气相沉积技术

气相沉积技术概述

1、什么是气相沉积技术

气相沉积技术是通过气相材料或使材料气化后沉积于基片表面并形成迹，从而使基片

获得特殊的表面性能的一种新技术。薄膜是用特殊方法获得的，依靠基体支撑并具有与基体

不同的结构和性能的二维材料。

2、简述气相沉积技术的分类。

物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、物理化学气相沉枳（PCVD）

3、气相沉积的特点是什么

答：（1）真空条件；（2）沉淀过程污染小，膜层纯度高；（3）较低温度下可制造高熔点

涂层；（4）制备多层复合膜，层状复合和梯度材料.

4、简述气相沉积膜层的形核和生长过程。

答：（1）形核：基片表面吸附的原子总能量超过表面扩散激活能。原子间，原子与原子团

之间发生碰撞，形成原子对和原子团，凝聚成晶核。

（2）长大：分为核生长型，层生长型和层核生长型。

物理气相沉积技术

1、什么是物理气相沉积（PVD）典型的方法有哪些

PVD是指在真空条件下，采用物理方法将固态的镀料转化为原子、分子或离子的气

相物质再沉积于基体表面，从而形成薄膜的制备方法。主要有真空蒸镀、测射镀、离于

镀等方法

2、三种典型的物理气相沉积方法比较。

真空蒸镀溅射镀离子镀

沉积粒子中性原子〜1rw（含高能原子）

能量（eV）入射粒子—一102'103

Z

沉积速率〜70〜50

镀层特点低温，密度小，表面密度大，气孔少，混密度大，无气孔，缺

平滑，气孔较多，附入溅射气体，附着力陷多，附着力较好，

着力不太好,拉应力较好，压应力绕射性好

被沉积物质气化方式加热阴极溅射加热或溅射

工艺特点工件不带电，阳极：工件阳极：蒸发源

沉积粒子能量与温阴极：靶材阴极：工件

度对应沉积粒子能最由被溅离子能最决定于电

射的原子能量分布决压

定。

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3、什么是溅射镀膜其工作原理是什么

答：（1）定义：在真空条件下，利用高荷能粒子轰击镀膜材料的表面，使镀膜材料表面的

原子或分子以一定的能量逸出，然后在基片表面沉积成膜的工艺方法。

（2）原理：①荷能粒子，轰击靶材，使其表面局部区域被剧烈加热；②同时，由于弹性碰

撞，高能粒子的部分能量变为靶材中某些原子的逸出功和逸出后动能，引起靶材的原子向外

飞散。

化学气相沉积技术

1、什么是化学气相沉积技术（CVD）典型方法有哪些

CVD是将含有薄膜组成的一种或几种化合物气体导入反应室，使其在基体上通过化学反

应生成所需薄膜的制备方法。

主要有常压或低压CVD、PCV1）、LCVD、有机金属化合物作反应物的CV1）等。

2、简述化学气相沉积的基本过程。

反应气体的获得并导入反应室一反应气体到达基片表面并吸附一在基片上产生化学反

应一固态薄膜在基片表面形核、生长一多余的反应产物被排出

3、化学气相沉积的特点是什么

（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）采用等离子和激光箱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：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:

可以控制涂层的密度和涂层纯度。

（3）绕镀件好，可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜，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。

（4）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应进行气相扰

动，以改善其结构。

（5）可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。

4、什么是激光热解化学气相沉积什么是激光光解化学代相沉积

（1）激光热解CVD：是月激光直接或间接加热反应气诱导化学反应生成膜的过程，与普通

的CVD相似，是光子能量加热使气体热解沉积。

（2）激光光解CVD：使激光诱导反应气发生光化学反应生成膜；反应气对所使用的激光的

特征波长有强吸收峰。

5、简述激光光解CVD的基本过程。

答：（1）激光以足够的能量密度辐射在与其沉积部位的附近的反应气上；（2）反应气体分子

通过吸收激光光子得到高化学活性；（3）光子激发能大于分子离解势垒，反应气分子离

解；（4）光解产物相互间发生化学反应生成新产物，沉积在基片表面成膜或与基体发生化学

反应成膜。

第9章材料表面纳米化技术

材料表面纳米化技术概述

1、什么是材料表面纳米化技术

在材料表面制备出一定厚度的纳米结构表层，通过表面组织和结构的优化提高材料的整

体性能。表面纳米化材料的组织沿壁厚方向呈梯度变化，在使用过程中不会出现剥离和分离。

2、表面纳米化的方式和方法主要有哪些

在块状粗晶材料上获得纳米结构表层：

（1）表面涂层或沉积

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首先制备出具有纳米尺度的颗粒，再将这些颗粒固结在材料的表面，在材料表面形成

一个与基体化学成分相同（不同）的纳米结构表层。

方法：溅射、电镀、电沉积

<2）表面自身纳米化

对于多晶材料，采用非平衡处理方法增加材料表面的自由能，使粗晶组织逐渐细化至纳

米量级。

方法：表面机械加工处理、非平衡热力学法

（3）混合方式

将表面纳米化技术与化学处理相结合，在纳米结构表层形成时或形成后，对材料进行化

学处理，在材料的表层形成与基体成分不同的固溶体或化合物。

激光诱导铁基非晶表面纳米化方法

1、铁基非晶如何获得非晶/纳米级复合组织

传统方法是利用退火方法制备

激光表面处理技术：非晶FeCuMSiB系合金经过激光辐照后，能够诱导表面产生定量的

纳米晶相，而成为纳米晶非晶双相软磁合金，达到改善其综合磁性能的目的。所以这一新的

易实现连续工业化生产的非晶FeCuMSiB系晶化的方法具有重要的研究意义。

2、表面纳米结构表征方法有哪些

穆斯堡尔谱、X射线衍射、透射电子显微镜

第10章高能束表面改性技术

高能束概述

1、什么是高能束它的特点是什么

定义：供给材料表面的能量密度210%//的能量束。例如激光束、离子束、电子束

特点：（1）功率密度高，作用时间短，易于获得亚稳态组织；（2）非接触式加热，热应力小，

工件变形小；（3）可控性好，清洁，污染小。

2、高能束表面改性技术的主要包括哪几个方面的内容

（1）利用激光束、电子束获得极高的加热（lO-lOVs）,和冷却速度（10--10"K/s）,制备

非晶、微晶及热平衡相图上不存在的高度过饱和固溶体或亚稳合金。

（2）利用离子注入技术可把异类原子直接引入表面层中进行表面合金化，引入的原子种类

和数量不受常规热力学条件制约。

激光表面技术

1、什么是激光束表面处理

答：采用激光对材料表面进行改性的一种表面处理技术。

2、材料对激光吸收的基本特点。

（1）能量集中，热效应只集中在材料表面很薄的区域内。

（2）金属对红外激光的吸收率和表面状态、材料类型有关。

3、什么是激光相变硬化其主要特点是什么

定义：在固态下经受激光辐照，其表层被迅速加热到奥氏体温度以上，激光停止辐射后快速

淬火得到马氏体组织

特点：（1）加热速度快（可达10℃K/s）,输入热量少、变形小、不破坏表面光洁度。（2）

冷却速度快（可达10°K/s）,淬火组织细、工件表面强度比常规漳火提5-20机（3）依靠

金属自身冷却，无需冷却介质、冷却特性良好。（4）选择性局部表面淬火，硬化层深度、

范围可控，可处理内孔、沟槽等复杂形状部位。

4、什么是激光表面熔凝处理其主要的强化机制是什么

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定义:利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描,使之迅速形成一层非常薄的熔化层,

利川基体的吸热作用熔化层以极高的速度冷却，获得非常细密的非平衡凝固组织。

强化机制：（1）不发生组织的根本变化，仅仅是快速熔凝造成晶粒结构变化。（2）快速熔凝

处理后，获得与固态硬化完全不同的表面组织。

5、什么是激光熔覆技术典型的熔覆材料有哪些

定义：将粉末状的涂层材料涂覆在工件表面，用大功率密度激光束照射使之熔化，金属表面

微量熔融，激光束移开后，迅速凝固，形成与金属基体冶金结合的熔覆层。

材料：铁基、银基、钻基合金、碳化鸨复合材料。

6、什么是激光表面合金化技术其和激光熔覆的区别在哪里

定义：利用激光束将一种或多种合金元素快速熔入基体表面，从而使基体表层具有特定的合

金成分的技术。

区别：（1）激光熔覆基体微熔而添加物全熔，基体对表层合金的稀释率小，获得具有升基体

组织结构不同的强化层。（2）激光合金化是将合金元素熔入基体表面，在基体表面形成固溶

相或合金相。

7、激光表面合金化的优点是什么

（1）利用激光的深聚焦，在不规则的零件上可得到均匀的合金化深度：

（2）能准确地控制功率密度和控制加热深度，减小变形；

<3）可形成具有特殊性能的非平衡相、晶粒细化，提高合金元素的固溶度和改善铸造零件

的成分偏祈。

8、什么是激光清洗技术其主要特点是什么

定义：用功率密度很高（10^10uw/cm2）的激光束，在极短的脉冲持续时间内（10^103s）

照射零件表面使污物、颗粒、锈斑等附着物气化，从而达到洁净化的工艺过程。

特点：干式清洗；不损伤基材表面；绿色清洗工艺。

第11章热浸镀技术

热浸镀技术概述

1、什么是热浸镀技术

将一种基体金属浸在熔融状态的另一种低熔点金属中，在其表面形成一层金属镀层的方法。

2、按照镀材的不同，热浸镀的种类主要有哪些

锡、锌、铝、铅

3、热浸镀的目的是什么

答：（1）提高零件耐蚀性；（2）提高耐磨性；（3）提高耐热性。

4、按照前处理工艺的不同，热浸镀可分为那两大类各自的工艺特点是什么

（1）熔剂法

热浸镀之前，在清洁的合属表面涂一层助镀剂。浸入镀液后，助镀层分解，起到清除基

体表面氧化物、降低熔融会属表面张力的作用，提高镀层质量。

基本工艺流程：物或洗一酸洗一水洗一稀盐酸处理一水洗一溶剂处理一烘干一热浸镀一后

处理-*制品

（2）保护气体还原法（森吉米耳法）

a氧化：将待镀钢材先通过煤气或天然气加热，将钢材表面残余的油污、乳化液等烧掉一钢

材表面被氧化成氧化薄膜，

b还原：进入还原炉，将钢材表面的氧化皮还原为适合热浸镀的多孔性海绵状纯铁。

c浸镀：在保护性气氛中，钢材被冷却到合适温度（470-480C）,浸镀。

5、热浸镀层的主要性能特点是什么

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（1）冶会结合：镀层的形成主要依靠加热扩散的作用，镀层与基体之间冶会结合。

（2）合金层：是由两种金属组成的金属间化合物，存在于镀层金属和基体金属之间。

（3）合金层较脆，对镀层的力学性能有害，在热浸镀操作中要控制镀层厚度。

（4）热浸镀的金属层一般较厚，因此能在某些腐蚀环境中长期使用（镀锌与镀锡等），或作

为抗特种介质腐的防蚀镀层（如镀锡与镀铅一组合制品等）。

热浸镀锌工艺

1、热浸镀锌镀层的形成过程是什么

（1）分批浸镀工艺

物件一喷砂一脱脂一水洗一酸洗一水洗一浸助熔剂一烘干一热浸镀锌一水淬

（2）连续浸镀工艺

物件一还原退火一热浸镀锌一气刀（镀锌较）一整平一冷却

2、热浸镀锌层在结构上有什么特点

热浸镀锌镀层从表面的纯锌到钢材依序会形成n（eta）（六方最密堆积）、€（zeta）（单

斜）、8（delta）（六方最密堆积）、r（gamma）（立方）等不同的相。

3、影响热浸镀锌镀层生长的因素有哪些

（1）锌液的温度；（2）浸镀时间；（3）基材的厚度；（4）基材的成分

热浸镀铝工艺

1、简述热浸镀铝镀层的形成过程。

钢材表面的热镀铝过程发生液态铝和固态铁的相互浸润、溶解、吸附、不同元素间化学

作用及物理扩散等过程。

（a）铁浸于熔融铝，表面发生浸润、溶解和相互扩散形成扩散层。

（b）铝中铁浓度增大，形成金属间化合物FeAh

（c）随着金属原子的相互扩散，镀层厚度增大，出现Fe2A15相

（d）n（eta）相柱状晶生长，由于Fe2Als的生长和铁向铝中扩散速度的增大，使铝在铁中

的固溶消失

（e）在整个扩散层中，除n（eta）相外几乎无其他相存在

2、热浸镀铝的主要工艺流程有哪些

利用溶剂的化学作用对钢材表面保护，并对其活化，使铝液与钢材表面发生浸润、化学

反应和扩散形成合金涂层

工件一碱洗一酸洗一劲镀一烘干一浸镀一水冲一成品

3、影响热浸镀铝镀层的主要因素有哪些

（1）铝液温度和浸镀时间；（2）钢材成分的影响；（3）铝液中各种添加元素。

4、镀铝钢材的主要优点和缺点有哪些

优点：（1）良好的耐热性；（2）良好的耐蚀性；（3）对光和热的良好反应性

缺点；（1）镀层含有金属间化合物脆性相，使其加工性变坏；（2）钢材表面被铝液侵蚀并

溶解在铝液中，而使铝层含有杂质铁，从而影响其耐腐蚀性；（3）镀铝的温度仍然偏高，

而影响铝锅的使用寿命