1、第一章表面技術的含義：表面技術是指通過表面涂覆、表面改性或多種表面技術復合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態、化學成分、組織結構和應力狀態，以獲得所需表面性能。表面技術的目的：提高材料抵御環境作用的能力。賦予材料表面某種功能特性，包括光、電、磁、熱、聲、吸附、分離等各種物理和化學性能。實施特定的表面加工來制造構件、零部件和元器件等。表面技術的實施方法：1.施加各種覆蓋層2.表面改性：表面技術的分類：4種基本類型：原子沉積。顆粒沉積。整體覆蓋。表面改性。廣義表面技術包括表面技術的基礎和應用理論。表面處理技術，它又包括表面覆蓋技術、表面改性技術和復合表面處理技術3部分。表面加工技術。表面分析

2、和測試技術。表面工程技術設計。表面技術的應用理論(1)表面失效分析(2)摩擦與磨損理論(3)表面腐蝕與防護理論(4)表面結合與復合理論表面處理技術表面覆蓋技術表面改性技術復合表面處理技術表面技術的應用概況一、結構材料應用1材料防護主要指材料表面防止化學腐蝕和電化學腐蝕的能力。2提高材料耐磨性3表面強化4表面修復5表面裝飾二、功能材料應用三、生活環境應用四、新材料開發應用1金剛石薄膜2類金剛石碳膜3立方氮化硼膜第二章表面的范圍：金屬為1-3個原子層；半導體4-6層；絕緣體為十至幾十層。表面的分類：1理想表面2清潔表面3實際表面一、理想表面一種理論上的結構完整的二維點陣平面。表面原子排列與晶體內部

3、相同。理想表面實際上是不存在的。、清潔表面經過徹底清洗、烘干、濺射，并進行熱處理后，保存在超高真空(10-12Torr)下的不存在任何污染的化學純表面，稱為清潔表面。清潔表面結構：由于表面能的作用，在原子清潔的表面上可以發生多種與體內不同的結構和成分變化。如：表面弛豫，表面重構，表面偏析，表面吸附，表面化合物，表面臺階(TLK模型)。三、實際表面有一定的粗糙度、貝爾比層、殘余應力、表面吸附及沾污等。由于表面特殊的結構和表面能，使得表面有許多與晶體內部不同的性質。例如，表面吸附、表面潤濕、原子的表面擴散等。二、表面吸附表面吸附按其作用力的性質可分為兩類：物理吸附和化學吸附。在吸附過程中，一些能量

4、較高的吸附分子，可能克服吸附勢的束縛而脫離固體表面，稱為“脫附”或解吸”。當吸附與解吸達到動態平衡時，固體表面保存著一定數量的相對穩定的吸附分子，這種吸附，稱為平衡吸附。物理吸附的作用力是表面原子與吸附原子之間的范得瓦爾斯力（VanderWaals）。化學吸附，在吸附劑和吸附物的原子或分子間發生電子的轉移，形成了化學鍵。如，氧化。物理吸附和化學吸附特性對比特性物理吸附化學吸附吸附力分子間引力化學鍵力吸附熱萩小.近于液化熱莪大，位于化學反應熱選擇性無選擇性有選擇性吸附是單分子或多分子層單分子層用于判別化學吸附和物理吸附的另一個判據是活化能。物理吸附無需活化能。三、表面潤濕在干凈的玻陶板上滴上一滴

5、水，由于玻璃表面對水有親和力，所以水滴很快展開，其接觸角潤海角）C90工接觸角B是度量液體對固體表面洞濕程度的一個更要參數。6=0，完全潤濕；。刖）。，不能潤濕；G180,完全不潤濕“表面預處理技術分類：表面預處理技術主要包括機械性清理、脫脂、除銹等幾個部分。表面預處理技術主要包括機械性清理、表面清潔（脫脂、除銹）、表面拋光、噴砂或噴丸。一、機械性清理包括：1）機械磨光和拋光2）滾光和刷光第三章（熱噴涂的定義、目的、質量、特點、如何結合、類型有哪些）熱噴涂是采用不同的熱源，將噴涂材料加熱至熔融或半熔融狀態，用高壓氣流將其霧化，并以一定的速度噴射到經過預處理的工件表面，從而形成附著牢固的表面層的

6、加工方法。熱噴涂用的熱源：氣體或液體燃料、電弧、等離子弧、激光等。熱噴涂材料：金屬、合金、金屬陶瓷、氧化物、碳化物、塑料或復合材料。工件材料：金屬、合金、陶瓷、水泥、塑料、石膏、木材、玻璃等幾乎所有固體材料。噴涂層的性能：耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化、潤滑等。噴涂層的厚度：0.5-5mm。應用：宇航、國防、機械、冶金、石油、化工、機車車輛、電力等部門。如果將噴涂層再加熱重熔，產生冶金結合，稱為噴熔。熱噴涂過程：熔化-霧化-噴射-沉積涂層的金相組織：層狀結構，內有孔洞。涂層性能：各向異性。重熔處理一、熱噴涂原理3.涂層結合機理涂層與基體的結合：結合力；涂層內部的結合：內聚力。涂層與基體的結合：1)機

7、械結合2)冶金-化學結合：3)物理結合：涂層內部的結合：主要以機械結合為主。降低殘余應力的方法：(1)基體預熱；(2)基體表面預處理：吹砂、開溝槽、車螺紋二、熱噴涂的種類和特點1 .熱噴涂種類根據涂層加熱和結合方式分：噴涂和噴熔。根據加熱噴涂材料的熱源種類分：火焰、電弧、高頻、等離子弧(超音速)、爆炸、激光(噴涂、重熔)、電子束。二、熱噴涂的種類和特點2 .熱噴涂特點(1) 適用范圍廣。噴涂材料、工件材料。(2) 工藝靈活。(3) 噴涂厚度可調。幾微米至幾毫米。(4) 工件受熱影響小。基體變形小、組織、性能變化小。(5) 生產率高。缺點：粉塵、煙霧大、噪聲大。三、熱噴涂工序1 .表面預處理(1

8、)基體表面的清洗、脫脂：堿性溶液或丙酮、汽油。(2)基體表面氧化膜處理(3)基體表面粗化處理：提高涂層與基體結合強度(噴砂、機械加工如開槽、車螺紋、滾花等)(4)基體表面預熱處理：提高涂層與基體結合強度(5)非噴涂表面的保護2 .噴涂(1)噴涂打底層：Mo、Ni-Cr、Ni-Cr-Al等。厚度50-100微米。(2)噴涂工作層。3 .激光重熔。四、熱噴涂材料(一)熱噴涂線材：(1)鋅及鋅合金線材，(2)鋁及鋁合金線材(3)銅及銅合金。(4)饃及饃合金(5)不銹鋼絲(二)熱噴涂粉末：金屬粉末、合金粉末、陶瓷粉末、復合粉末(三)塑料等離子噴涂的工作氣體：最常用的有氮氣、僦氣，此外，也可用氫氣、氨氣

9、陰極是電子發射源，選用熔點高和電子發射能力強的材料制成，一般采用鴇電極。噴嘴為陽極，通過其孔道對電弧進行壓縮而形成等離子弧。等離子弧是壓縮電弧，按接電的方法不同，等離子弧有三種形式：非轉移弧；正極接在噴嘴上，工件不帶電；轉移弧：噴嘴不接電源，工件接正極；聯合弧：噴嘴、工件均接正極。等離子弧和自由電弧相比較，其弧柱細，電流密度大，氣體電離度高，因此具有溫度高、能量集中、弧穩定性好等特點。第四章電鍍是一種表面加工工藝，它是利用電化學方法將金屬離子還原為金屬，并沉積在金屬或非金屬制品的表面上，形成符合要求的平滑致密的金屬覆蓋層。電鍍的目的主要有三：1）賦予制品表面裝飾性外觀；2）賦予制品表面某種特殊

10、功能，例如提高耐腐蝕性、硬度、耐磨性、導電性、磁性、釬焊性、抗高溫氧化性、減小接觸面的滑動摩擦、防止鋼鐵件熱處理時的滲碳和滲氮等；3）提供新型材料，例如制備具有高強度的各種金屬基復合材料，合金、非晶態材料，納米材料等。電鍍層的分類（按照鍍層的使用目的來分類）：1）防護性鍍層：提高金屬制品的耐腐蝕能力。2）裝飾性鍍層：如仿金鍍層等。3）功能性鍍層：耐磨和減磨鍍層、抗高溫氧化鍍層、導電性鍍層、磁性鍍層、熱處理用鍍層、修復性鍍層、可焊性鍍層一）根據主鹽性質的不同，可將電鍍溶液分為簡單鹽電鍍溶液和絡合物電鍍溶液兩大類。（一）電鍍液組成1 .主鹽：能夠在陰極上沉積出所要求的鍍層金屬的鹽。2 .絡合劑：在

11、溶液中能與金屬離子生成絡合離子的物質稱為絡合劑。3 .附加鹽（導電鹽）：主要用于提高溶液的電導率。4 .緩沖劑：穩定電鍍液的酸堿度（PH值）。5 .陽極活化劑：提高陽極開始鈍化的電流密度，保證陽極處于活化狀態。6 .添加劑：改善鍍層質量。2.極化當電流通過電極時，電極電位偏離平衡電極電位，稱為極化。（1）電化學極化（2）濃差極化陽極極化：（1）電化學極化由于陽極表面金屬氧化速度小于陽極電子通過導線流向陰極的速度，使得陽極電極電位往正的方向移動，稱為電化學極化。（2）濃差極化由于陽極表面的金屬離子向溶液中的擴散速度慢，導致陽極表面金屬離子濃度升高，抑制了陽極表面金屬氧化速度，使得陽極表面金屬氧化

12、速度小于陽極電子通過導線流向陰極的速度，導致陽極電極電位往正的方向移動。無論電化學極化，還是濃差極化，都是使陽極電極電位向正方向偏移。陰極極化：（1）電化學極化由于陰極表面金屬離子的還原速度小于陰極電子的供給速度，使得陰極電極電位向負方向偏移，稱為電化學極化。（2）濃差極化由于溶液中的金屬離子向陰極表面的擴散速度慢，導致陰極表面金屬離子濃度低，陰極表面金屬離子的還原速度小于陰極電子的供給速度而產生的極化。無論電化學極化，還是濃差極化，都是使陰極電極電位向負方向偏移。（五）影響電鍍質量的因素1.PH值的影響2.添加劑的影響3.電流密度的影響4.電流波形的影響5.溫度的影響6.攪拌的影響二、電鍍金

13、屬（一）鍍鋅用途：裝飾、耐腐蝕鋅鍍層主要鍍覆在鋼鐵制品的表面，作為防護性鍍層。（二）鍍銅用途：作為其他鍍層的中間層或底層、作為不滲碳部位的防滲碳層（三）鍍饃用途：裝飾、耐腐蝕、耐磨（四）鍍銘用途：裝飾、耐腐蝕、耐磨化學鍍的概念：化學鍍是指在沒有外電流通過的情況下，利用還原劑使溶液中的金屬離子還原為金屬原子，并沉積在基體表面，形成鍍層。化學鍍與電鍍相比，優點：（1）不管零件形狀多么復雜，鍍層厚度很均勻，鍍層外觀良好，晶粒細小，無孔，耐蝕性好；（2）無需電解設備及附件；（3）可在金屬、非金屬、半導體材料沉積。缺點：溶液穩定性差，使用溫度高，壽命短，增加了溶液維護、調整、再生的成本。基本原理：電刷鍍

14、依靠鍍筆在工件表面移動形成電鍍層。電刷鍍的鍍液主要有三類：單金屬鍍液、合金鍍液、復合金屬鍍液。電刷鍍鍍液的特點：大多數鍍液是金屬絡合物水溶液，在水中溶解度大，穩定性好，可長期保存。鍍液中金屬離子含量高，導電性好；鍍液的分散能力和覆蓋能力好；鍍液無毒、不燃、不爆，腐蝕性小，安全可靠，便于運輸；鍍液有專業廠家生產，可長期存放。第五章氣相沉積技術是利用氣相中發生的物理、化學過程，在各種材料或制品表面沉積單層或多層薄膜，從而使材料或制品獲得所需的各種優異性能。物理氣相沉積（PVD）:在真空條件下，利用各種物理方法，將鍍料氣化成原子、分子或使其離子化為離子，直接沉積到基體表面上的方法。主要包括真空蒸鍍、

15、濺射鍍膜、離子鍍膜等。化學氣相沉積（CVD）:把含有構成薄膜元素的一種或幾種化合物、單質氣體供給基體，借助氣相作用或在基體表面上的化學反應在基體上制得金屬或化合物薄膜的方法。氣相沉積技術一般可分為兩大類：物理氣相沉積（PVD開口化學氣相沉積（CVD）。物理氣相沉積主要包括真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍膜等。薄膜生長模式：1）島狀生長；2）層狀生長；3）層狀加島狀生長二、真空的特點和應用1 .表面保護作用2 .表面凈化作用3.減少氣體分子之間的碰撞次數。4 .真空的絕熱性好。5.可降低物質的沸點或氣化點。真空蒸鍍定義：在10A-3-4pa的真空條件下，采用各種熱能轉化方式，使鍍膜材料蒸發為具有一定能

16、量的氣態粒子（原子、分子或原子團），然后凝聚沉積于工件表面形成膜層的方法。蒸鍍只用于鍍制對結合強度要求不高的某些功能膜蒸鍍用于鍍制合金膜時，在保證合金成分這點上，要比濺射困難得多，但在鍍制純金屬時，蒸鍍可以表現出鍍膜速度快的優勢。（一）蒸發方式及蒸發源真空蒸鍍可采用的不同的加熱方法，主要有：電阻加熱法、電子束加熱、高頻感應加熱法、激光加熱法。利用氣態化合物或化合物的混合物在基體材料表面（通常為熱表面）上發生氣相化學反應，從而在基材表面上形成鍍膜的技術稱為化學氣相沉積（CVD）。CVD法制備薄膜的過程，可以分為下面幾個主要的階段：反應氣體擴散至工件表面；反應氣體分子被基材表面吸附；在基材表面發生

17、化學反應；反應生成的氣相副產物由基片表面脫離，被真空泵抽掉；在基片表面留下的固體反應產物在基片表面擴散、形核，形成薄膜。濺射鍍膜：在真空室中，利用荷能粒子轟擊材料表面，使其原子獲得足夠的能量而濺出進入氣相，然后在工件表面沉積的過程。（一）濺射鍍膜的特點（與真空蒸鍍相比）1）濺射出的原子能量高，形成的薄膜結合好；2）可用于任何材料的鍍膜；3）膜層厚度均勻；4）除磁控濺射外，沉積速率低.具體的濺射工藝很多，如二極（直流）濺射、射頻濺射、磁控濺射、反應濺射、對向靶濺射、離子束濺射、吸氣濺射等等。離子鍍是結合蒸發與濺射兩種薄膜沉積技術而發展的一種物理氣相沉積方法。輝光放電是濺射的基礎，輝光放電屬于低氣

18、壓放電影響濺射產額的因素主要有：入射離子與靶有關與溫度有關第六章常用的金屬材料表面形變強化方法主要有噴丸、滾壓和內孔擠壓等強化工藝。噴丸強化，即利用高速彈丸強烈沖擊零件表面，使之產生形變硬化層并引進殘余壓應力。已廣泛用于彈簧、齒輪、鏈條、鈾、葉片、火車輪等零部件，可顯著提高金屬的抗疲勞，抗應力腐蝕破裂、抗腐蝕疲勞、抗微動磨損、耐點蝕等的能力。噴丸強化原理：1）通過機械手段在金屬表面產生壓縮變形，形成形變硬化層，在此層內產生兩種變化：一是亞晶粒極大的細化，位錯密度增高，晶格畸變增大；二是形成了高的宏觀殘余壓應力。2）表面粗糙度略有增大，但卻使切削加工的尖銳刀痕圓滑。噴丸強化用的彈丸1）鑄鐵彈丸2

19、）鋼彈丸3）玻璃彈丸表示噴丸強化質量的三個參數：噴丸強度、覆蓋率、表面粗糙度。1）影響噴丸強度的工藝參數主要有：彈丸直徑、彈流速度、彈丸流量、噴丸時間噴丸后，表面產生大量的凹坑形式的塑形變形，表層位錯密度大大增加，而且還會出現亞晶界和晶粒細化現象。噴丸后工件如果受到交變載荷或溫度的影響，表層組織結構將產生變化，由噴丸引起的不穩定結構向穩定態轉變，有效提高金屬表面強度，耐應力腐蝕和抗疲勞性能。表面淬火是指采用快速加熱，使鋼件表層奧氏體化并立即快冷獲得馬氏體，而心部仍保持原始組織的一種淬火工藝。表面淬火的加熱方法有多種，如感應加熱、火焰加熱、接觸電阻加熱、電解液加熱，高密度能量加熱表面淬火。其中最

20、常用的是火焰加熱和感應加熱兩種。（一）化學熱處理原理將工件置于含有欲滲元素的活性介質中加熱到一定溫度，使活性介質分解出欲滲元素的活性原子，活性原子被工件表面吸附并向工件內部擴散，以改變工件表層的化學成分。通常，在工件表層獲得高硬度、耐磨損和高強度的同時，心部仍保持良好的韌性，使被處理工件具有抗沖擊載荷的能力。組織：單相固溶體；化合物。滲層的形成主要依靠加熱擴散的作用，所得滲層與基體金屬之間是靠形成合金來結合的，即形成冶金結合，因而結合非常牢固，滲層不宜脫落。化學熱處理定義：利用元素擴散性能，是合金元素滲入金屬表層的一種熱處理工藝。目的：1,提高金屬表面的強度、硬度和耐磨性；2,提高材料疲勞強度

21、；3,使金屬表面具有良好的抗粘著、抗咬合的能力和降低摩擦系數；4,提高金屬表面的耐蝕性。滲層形成基本過程活性原子的供給。活性原子在基體金屬表面上吸附，并被基體金屬吸收。已溶入的滲劑原子在滲鍍的高溫下向基體金屬內部擴散。影響擴散速度的參數主要有兩個，即擴散系數和濃度梯度溫度晶體結構晶體缺陷基體合金成分滲劑金屬原子濃度的影響根據滲入元素的介質所處狀態的不同，金屬表面化學熱處理可分為：固體滲（粉末滲）、液體滲（鹽浴法）、氣體滲、等離子滲滲硼層組織：FeB-Fe2B-擴散層-心部組織滲硼層性能（1）高硬度和高耐磨性（2）高的熱硬性（3）良好的高溫抗氧化性能及抗蝕性（4）脆性滲硼層硬度很高，但脆性較大。

22、滲碳目的是在低碳鋼或低碳合金鋼零件的表面得到高的含碳量（高于0.8%）。其后經淬火、低溫回火得到高的硬度和耐磨性的滲碳層，而零件的內部具有高的強韌性。但缺點是處理溫度高（900C左右），工件畸變大。滲碳層深度一般為0.7-1.5mm、碳的質量分數為0.7%-0.9%。滲碳層組織特點；由表及里：網狀碳化物+珠光體-珠光體-珠光體+鐵素體-珠光體減少，鐵素體增多。滲碳層不允許出現過多的網狀碳化物，防止滲碳層和零件變脆。只要控制滲碳介質的活性或碳勢（鋼表面的含碳量），就可以加以控制。組織：表面（層）為高碳回火馬氏體組織、心部為低碳回火馬氏體組織。按照滲碳介質的狀態，滲碳方法分為：氣體滲、液體滲、固體

23、滲。滲氮（又稱氮化），是使氮原子向金屬工件表層擴散的化學熱處理工藝。鋼鐵滲氮后，可形成以氮化物為主的表層。當鋼中含有銘、鋁、鋁等氮化物時，可獲得比滲碳層更高的硬度、更高的耐磨、耐蝕和抗疲勞性能。氣體滲氮是把工件放入密封容器中，通以流動的氨氣并加熱，保溫較長時間后，氨氣熱分解產生活性氮原子,不斷吸附到工件表面，并擴散滲入工件表層內，形成滲氮層。（2NH3=2N+3H2）離子氮化層通常可能出現以下三種典型組織：（1）只有擴散層；（2）丫化合物層+擴散層；（3）e+丫復相化合物層+擴散層e相是以Fe2-3N為基的固溶體，氮濃度范圍很寬丫相是以Fe4N為基的固溶體，氮濃度范圍比較窄，純擴散層為氮原子在

24、a-Fe中的固溶體組織碳氮共滲和氮碳共滲是在金屬工件表層同時滲入碳、氮兩種元素的化學熱處理工藝。前者以滲碳為主，與滲碳相比，共滲件淬冷的畸變小，耐磨和耐蝕性高，抗疲勞性能優于滲碳。后者則以滲氮為主，它的主要特點是滲速較快，生產周期短，表面脆性小且對工件材質的要求不嚴，不足之處是工件滲層較薄，不宜在高載荷下工作。固體粉末滲劑的組成：1）金屬合金粉末2）填充劑（又稱分散劑）3）活化劑離子化學熱處理是最為先進的化學熱處理技術。該技術是將工件置于低壓容器內，利用低壓氣體放電將氣體電離，在電場作用下，帶電離子轟擊工件表面，使其溫度升高，利用熱擴散實現原子滲的一種化學熱處理方法。產生等離子體的方法主要著重點是使中性粒子電離：（1）利用電子碰撞法（2）利用粒子熱運動法（3）利用電磁波能量（4）利用高能粒子的方法按照產生的形式，等離子體可以分為：（1）天然等離子體（2）人工等離子體離子氮化是在密閉的真空爐內，將清洗后的被滲工件放置在陰極盤上。將真空爐抽真空至一定的真空度后，充入一定流量的含氮氣體，并將氣壓保持在1.33X1021.33x103Pa左右，在陰極（工件）和陽極（真空室殼）之間施加直流電壓，將含氮氣體電離成N+、H