表面工程技术的作用
表面工程技术的作用是多种多样的，但其最重要的作用为提高金属机件的耐蚀性、耐磨
性及获得电、磁、光等功能性表面层。
1）腐蚀保护性即可以提高基体材料的耐大气、海洋大气、天然水及某些酸碱盐的腐蚀作用。例如若在钢构件上喷涂一层8515AI15合金，可使构件在海水中耐腐蚀20-40年。
2）抗磨性包括抗磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损等。例如若在刀具表面镀上一层TiC、TiN或Al 203薄膜，成为防止钢屑粘结的表面薄层，从而提高刀具寿命3-6倍。
3）电性能包括绝缘性、导电性等。
4）耐热性包括抗高温氧化、热疲劳等性能。
5）光学特性包括反光性、光选择吸收性、吸光性等性能。
6）电磁特性包括磁性、半导体性、电磁屏蔽性等性能。
7）密封性。
8）装饰性包括染色性、光泽性等性能。
9）其它表面特性诸如耐疲劳性、保油性、可焊接性等性能。
表面技术的应用使基体材料表面具有原来没有的性能，这就大幅度地拓宽了材料的应用领域，充分发挥了材料的潜力。举例如下：
1）可用一般的材料代替稀有的、昂贵的材料制造机器零件，而不降低甚至超过原机件的质量。
2）可以把两种以上的材料复合，各取所长，解决单一材料解决不了的问题。
3）延长在苛刻条件下服役机件的寿命。
4）大幅度提高现有机件的寿命。
5）赋予材料特殊的物理、化学性能，有助于某些尖端技术的发展。
6）可成功地修复磨损、腐蚀的零件。
表面工程技术的分类
表面工程技术目前还没有统一的分类办法，但一般均认为表面工程技术包括表面涂镀技术、
表面扩渗技术和表面处理技术三个领域。表面涂镀技术是将液态涂料涂敷在材料表面，或者
将镀料原子沉积在材料表面，从而获得晶体结构、化学成分和性能有别于基体材料的涂层或镀层，此类技术有有机涂装、热？镀、热喷涂、电镀、化学镀和气相沉积等；表面扩渗技术是将原子渗入（或离子注入）基体材料的表面，改变基体表面的化学成分，从而达到改变其
性能，它主要包括化学热处理、阳极氧化、表面合金化和离子注入等；表面处理技术是通过
加热或机械处理，在不改变材料表层化学成分的情况下，使其结构发生变化，从而改变其性
能，常用的表面处理技术包括表面淬火、激光重熔和喷丸等。可见，表面工程技术远远超出
了最初的化学热处理、电镀的范畴。
表面工程技术发展的主攻方向
目前，对新型金属表面技术主要集中力量开发的为以下三方面技术：
1. 离子技术
2. 激光技术
3. 激光熔融
随着机械加工工业水平的提高，对刀具提出了新的要求。除了传统的提高使用寿命外还要求减少切削时污染，尽可能使用干切削。若不能取消切削液则希望其中只含防锈剂而无有机物，这样可以使循环回收的成本大为降低。由于切削工具种类很多，选用陶瓷刀具或镀层
又取决于刀具的工作状态。车削和钻孔不同，铳刀又应考虑其断续冲击的特点。本文就刀具
镀层发展过程及今后的要求，结合我们所作的研究对这一领域的发展作一概述。
切削加工的现状
切削加工是金属材料最基本的成型手段之一，在一个国家的机械制造业中起着举足轻
重的作用。据美国统计，目前每年用于切削加工的费用在1000亿美元以上，切削加工创造
的总产值为5580亿美元。据1991年的统计资料，我国拥有的金属切削机床为300多万台,
所创造的总产值为1000多亿元。
随着工业产品的技术水平日益提高，新材料尤其是难加工材料（如高强度、高抗磨性、
低导热系数材料等）相继出现，从而迫使人们不断寻找新的切削材料，促进了刀具材料的发展。进入20世纪以来，新的刀具材料不断涌现（高速钢、硬质合金、金属陶瓷和立方氮化硼
等），从而使切削加工技术有了很大发展。
镀层刀具材料是在刀具材料（如硬质合金、高速钢等）的基体上，用气相沉积的方法沉积一层几微米厚的高硬度、高耐磨损性的镀层。这种刀具材料既有基本的韧性、又有很高的硬
度，因而性能优异。从二十世纪八十年代中期开始，随着等离子体技术在镀层技术中的迅速
发展，先进国家逐渐推广应用，开发了纳米、非晶等多种硬质镀层。据统计国外一半以上刀具已采用了镀膜，模具的镀膜比例也在逐年增加。
刀具磨损的主要原因
在金属切削加工过程中，刀具与工件之间发生了强烈的摩擦、热和化学作用，使得刀具
切削部分逐渐磨损或局部破损，最终失去切削能[6-9]。工件材料中的硬质点，如各种碳化物、
氧化物等，在刀具表面刻划沟纹而造成的磨粒磨损；在足够大的切削力和切削温度作用下，
刀具材料与工件、切屑发生粘结现象(冷焊)。粘结点逐渐地被工件或切屑剪切、
撕裂而带走，
发生粘结磨损。电化学性质相近的金属，粘结倾向越大；刀具与工件、切削的接触面，在高 温下双方金属中的化学元素从高浓度向低浓度处迁移，
这种固态下元素相互迁移而造成的刀
具磨损称为扩散磨损；切削温度过高，切削刃处材料易被氧化 ，形成氧化膜，导致氧化磨损；
刀尖负荷过大以及刃口热裂纹造成的崩刃等。
基于以上原因，导致刀具很快发生磨损、
氧化、崩刃和变钝从而失效。
由于材料磨损主
要发生在表面，因此在表面镀上一层硬度高、耐磨损、化学性能稳定、不易氧化、抗粘结性 好、和基体附着牢固的硬质镀层，对于改善刀具的切削性能，提高刀具的耐用度效果明显。 气相沉积技术简介和其在硬质镀层上发展及应用
气相沉积技术利用气相之间的反应，在材料或者制品表面沉积各种成分、形式的薄膜， 从而使材料或者制品获得所需的各种优异性能。一般可以将其分成两大类：化学气相沉积 (Physical Vapor Deposition)和物理气相沉积(Chemical Vapor Deposition)
［1,10］
硬质镀层首先是用 CVD 技术进行沉积的⑶。1890年，德国的Erlwein 利用化学气相沉 积技术首先在白炽灯丝上形成 TiC
［11］
。后Arkel 在灯丝上用CVD 方法制备出高熔点金属碳
化物薄膜
［12］
。1900年，Balzers 制备出金属氮化物 CrN ，当时他称之为 BALINIT D-CrN
［13］
。 然而，直
到1952年莱茵金属公司才在 Fe 基材料上成功地制备出具有良好结合力的硬质 TiC
镀层。CVD 技术真正应用于工模具表面改性，则始于 1969年
［14］
，到1970年瑞典，美国， 德国等工模具
制造公司纷纷开始大规模镀层工具的研究与生产。化学气相沉积具有绕镀性 好，膜基结合强度高，膜层质量稳定，易于大规模生产等优点。但由于
CVD 沉积工艺温度
高(900-1000 C )，超过了常规工模具钢的回火温度，一般多用于硬质合金工模具的表面镀层 制备。但近年来的研究发现
CVD 处理的高温也会使硬质合金组织发生变化，性能下降
［15］
。
此外，CVD 易于造成环境的污染，使其应用范围受到一定程度的限制。
由于CVD 技术的这些缺点推动了
PVD 技术的发展。这种镀膜技术无公害、节能、沉
积温度较低，其沉积工艺温度通常低于高速钢的回火温度，
从而避免了高速钢镀膜后的二次
热处理，节省了能源，降低了废品率，能很好地满足工业生产地要求。现在工模具 PVD 技
术中常用的离子镀最早是由
D.M.Mattox 于1963年提出并付诸实现的
［16］
。随后各种离子镀
技术(多弧离子镀、溅射离子镀、活性反应离子镀等) 逐渐发展和完善，始于60年代初Bell 实验室和 WE 公司利用溅射方法制取集成电路上的
Ta 膜，从而开始了它在工业上的应用。
特别是1974年，J.Chapin 发明了磁控溅射技术，使高速、低温溅射成为现实 ［17］
。由于磁控
溅射的日臻完善，使其能以崭新的面貌出现在技术和工业领域中。
磁控溅射基本原理及发展
早期溅射镀膜最大缺点是溅射速率较低，与蒸镀相比要低一个数量级
［5,10］
此人们一直在 寻找一种高速
溅射源。磁控溅射由于其高效的特点，得到大家的重视，并迅速被应用到工业 生产中。与二级溅射相比，传统的磁控溅射由于采用了辅助磁场， 通过控制电子的运动轨迹，
增加了气体的离化率，降低工作气压，提 高离子电流密度，不仅提高了沉积速度， 而且镀层质量也较好
［2,5］
。图1.1为平面型 磁控溅射的原理图。 在过去的十几年里，由于市场不断增 长的需
求，传统的磁控溅射难以满足要求。 非平衡磁控溅射，闭合场非平衡磁控溅射 等［24,25］
新型的磁控溅射
技术已成为众多科
图1.1平面磁控溅射原理[5]
Fig.1.1 Schematic of magn etron arra ngeme nt
■;!J
研工作者的研究对象。图 1.2中为传统磁控溅射、非平衡磁控溅射和闭合场磁控溅射的原理 图。非平衡磁场分布将磁场区域延伸到基体的表面；闭合场磁场分布形成了闭合的磁场线，
阻止电子流失到炉壁因而极大地提高了离子电流密度， 离子轰击效果增强，可获得更佳的镀 层质量。并且目前也有将磁控溅射和离子镀相结合的磁控溅射离子镀，如 Teer 公司的非平 衡磁控溅射离子镀设备，进一步提高了离子电流密度。
图1.2传统磁控溅射、非平衡磁控溅射及非平衡闭合场磁控溅射原理图
Fig.1.2 Theoretic diagram of conven tio nal magnetron sputteri ng, un bala nee magn etro n sputteri
ng
and un bala nee close-mag netic field sputteri ng
采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术对于工业生产而言具有独特的优势:
1） 非平衡磁控溅射离子镀设备具有优良的稳定性和可重复性，适于大规模生产； 2）
非平衡闭合磁场提高了气体离化率， 可在较低的气压、基体
偏压下获得高离子电流密度。
提高了膜基结合强度，而膜基结合强度的提高使工模具能够承受更高的工作速度与负荷 ，
提
高工作效率且延长其使用寿命；
3）镀层性能优异，膜层致密、空洞少、晶粒细小，机械性能好，且均匀性好;
4）靶材和气源可以方便更换，工艺参数易于控制，有利于研制具有优良性能的新型膜层， 如化合物膜、合
金膜、梯度膜和多层膜等。目前利用非平衡磁控溅射离子镀技术对工模具等 进行表面改性已得到广泛应用，并且越来越受到世界各国的重视。
[CD v 1
Convenlional Magnairan
Unbalanced Magrwlron
[24]
ICD 2
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ICD 5-20 rnA^cm*2
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Magnetron
材料表面工程技术期中测试题 姓名： 一、名词解释 1.溅射镀膜： 2.分子束外延： 3.激光合金化技术： 4.物理气相沉积： 5.真空蒸镀： 6.热喷涂工艺： 7.气相沉积： 8.合金电镀： 9.腐蚀：10.电镀：11.堆焊：12.化学转化膜：13.表面工程技术： 14.磨损：15.极化：16.钝化：17.表面淬火：18.喷丸强化：19.热扩渗：20.热喷涂：21.热喷焊：22.电镀：23.化学镀： 二、填空题 1.钢件渗碳后，表面为（）钢，心部仍保持（）状态。再通过（）及（）工艺，可使渗碳件具有表面硬度高，耐磨损，心部硬度低，塑性和韧性好的特点。 2.感应加热表面淬火的原理是利用感应电流的（），（）和（）。 3. （）、（）和（）是衡量气体渗碳件是否合格的三大主要性能指标，它们基本决定了渗碳件的综合力学性能。 4.热喷涂时，熔滴撞击基材后扩展成（），撞击时的高能量有助于熔滴的扩展，但会因为（）和（）而停止扩展，并凝固成一种（）结构。 5.热扩渗时，渗剂元素原子扩散的机理主要有（）、（）和（）三种。 6.腐蚀按材料腐蚀原理分为（）和（）两种。 7.热喷涂时，当熔滴撞击基体并快速冷却凝固时，颗粒内部会产生（），而在基体表面产生（）。喷涂完成后，涂层内部残余应力大小与 （）成正比。 8.磨损分为（）、（）、（）、（）微动磨损、冲蚀（包括气蚀）磨损高温磨损。 9.离子镀膜是（）与（）相结合的一种镀膜工艺。 10.常用的热喷涂工艺方法有（）、（）和（）。
三、简答题 1．表面淬火技术与常规淬火技术有何区别？ 2．简述复合镀的原理和需要满足的基本条件？ 3．最基本的金属腐蚀的主要形式和金属材料腐蚀控制及防护方法？4．简述热喷涂涂层的形成过程。 5.简述离子镀膜的特点？ 7．简述CVD的沉积条件？ 8．简述等离子体热扩渗与普通气体热扩渗技术相比都有哪些基本特点？ 9.简述离子镀膜的特点？ 10.简述形成热扩渗层的基本条件？ 11.简述热扩渗层的形成机理？ 12.简述化学镀的原理与特点. 四、论述题 1.试述常用的热喷涂工艺方法及其基本特点? 2.试述热喷涂涂层结合的三种机理? 3.试述表面淬火和化学热处理的概念及区别？ 4.试述什么是堆焊？堆焊层有哪些特点？ 5.试述堆焊与一般焊接的区别及特性？ 6.试述物理与化学气相沉积原理，特点及分类? 7.试述几种典型表面淬火工艺及特点？
材料表面工程技术练习题（答案） 一、解释名词 1.喷丸强化技术:利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料在再结晶温度下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗压力腐蚀能力的表面工程技术。 2.干法热浸渗:先将经常规方法脱脂除锈清洗后的清洁工件或钢材进行溶剂处理，干燥后再将工件浸入欲渗金属溶液中，保温数分钟后抽出，水冷。 3.粘结底层:某些材料能够在很宽的条件下喷涂并粘结在清洁、光滑的表面上，而且这类涂层表面粗糙度适中，对随后喷涂的其它涂层有良好的粘结作用。 4.溅射镀膜:用高能粒子轰击固体表面，通过能量传递，使固体的原子或分子逸出表面并沉积在基片或工件表面形成薄膜的方法。(在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面沉积的过程。) 5.分子束外延:在超高真空环境中，将薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到温度适宜的衬底表面上，在合适的条件下就能沉积出所需要的外延层。 6.激光合金化技术:激光合金化就是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。换言之，它是一种利用激光改变金属或合金表面化学成分的技术。 7.物理气相沉积:在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子或使其粒子化为离子，直接沉积到基体表面上的方法。 8.真空蒸镀:在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法。
9.热喷涂工艺:热喷涂是用专用设备把某种固体材料熔化并使其雾化,加速喷射到机件表面,形成一特制薄层,以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的一种工艺方法。 10.气相沉积:气相沉积技术也是一种在基体上形成一层功能膜的技术，它是利用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。 气相沉积技术一般可分为两大类:物理气相沉积(pvd)和化学气相沉积(cvd)。 11.合金电镀:在一个镀槽中，同时沉积含有两种或两种以上金属元素镀层称为合金电镀。 12.腐蚀:材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。 13.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，在基体表面上获得结合牢固的金属膜的表面工程技术。 14.堆焊:在零件表面熔敷上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金层的技术。 15.离子镀膜: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，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体(基片/基板/衬底、工件)表面，凝结形成固态薄膜的方法。 16.化学转化膜:通过化学或电化学方法，使金属表面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。 17.表面工程技术:为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理方法与工艺。 18.表面能:严格意义上指材料表面的内能，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。
现代表面工程与技术 Modern Surface Engineering and Technology 什么是表面工程？ 表面工程是将材料的表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。 第一章表面技术概论 表面技术是直接与各种表面现象或过程相关的，能为人类造福或被人们利用的技术----宽广的技术领域。 一、使用表面技术的目的 1、提高材料抵御环境作用能力。 2、赋予材料表面功能特性。 3、实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件。 途径： 表面涂覆：各种涂层技术（电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、气相沉积、包箔、贴片）。 表面改性：喷丸强化、表面热处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理。 二、表面技术的分类 1、按作用原理 (1)原子沉积 电镀、化学镀、物理、化学气相沉积 (2)颗粒沉积 热喷涂、搪瓷涂敷 (3)整体覆盖 包箔、贴片 (4)表面改性 2、按使用方法 (1)电化学法 电镀、电化学氧化（阳极氧化） (2)化学法 化学转化膜、化学镀 (3)真空法 物理、化学气相沉积、离子注入 (4)热加工法 热浸镀、热喷涂、化学热处理、堆焊 (5)其它方法 涂装、机械镀、激光表面处理
三、表面技术的应用 1、广泛性和重要性 (1)广泛性 内容广 基材广 种类多 遍及各行业，用于构件、零部件、元器件，效益巨大 (2)重要性 ?改善耐腐蚀、磨损、氧化、疲劳断裂、辐照损伤 ?提高产品长期运行可靠性、稳定性 ?满足特殊要求（必不可少或唯一途径）
?生产各种新材料、新器件（在制备临界温度超导膜、金刚石膜、纳米多层膜、纳米粉末、纳米晶体材料、多孔硅中起关键作用；又是许多光学、微电子、磁性、化学、生物等功能器件研究和生产的基础） 2、在结构材料及构件和零部件上的应用 表面技术作用：防护、耐磨、强化、修复、装饰 3、在功能材料和元器件上的应用 制造装备中具独特功能的核心部件。 表面技术可制备或改进一系列功能材料及元器件 物理特性： ?光学 反射镜材料，防眩零件 ?热学 散热材料，耐热涂层，吸热材料 ?电学 表面导电玻璃，绝缘涂层 ?磁学 磁记录介质，电磁屏蔽材料，磁泡材料 化学特性： 分离膜材料 4、在人类适应、保护和优化环境方面的应用 (1)净化大气 原料、燃料→CO2、NO2、SO2 措施：回收、分解 方法：制备触媒载体（钯炭、铂炭、钌炭、铑炭） (2)净化水质 制备膜材料，处理污水、化学提纯、水质软化、海水淡化 (3)抗菌灭菌 TiO2（粉状、粒状、薄膜状）可将污染物分解 ?当光照射半导体化合物时，并非任何波长的光都能被吸收和产生激发作用，只有能量E满足式(1)的光量子才能发挥作用。 ?光子波长 h-普朗克常数，4.138×10-15 eV·s； c-真空中光速，2.998×1017 nm/s 锐钛型TiO2的Eg = 3.2eV ?在TiO2粒子表面上，有还原作用；产生氧化作用。 在界面处的还原作用：
表面工程技术的作用 表面工程技术的作用是多种多样的，但其最重要的作用为提高金属机件的耐蚀性、耐磨 性及获得电、磁、光等功能性表面层。 1) 腐蚀保护性即可以提高基体材料的耐大气、海洋大气、天然水及某些酸碱盐的腐蚀作 用。例如若在钢构件上喷涂一层8515AI15合金，可使构件在海水中耐腐蚀20 - 40年。 2) 抗磨性包括抗磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损等。例如若在刀具表面镀上一层 TiC、TiN或Al 203薄膜，成为防止钢屑粘结的表面薄层，从而提高刀具寿命3 - 6倍。 3) 电性能包括绝缘性、导电性等。 4 ) 耐热性包括抗高温氧化、热疲劳等性能。 5) 光学特性包括反光性、光选择吸收性、吸光性等性能。 6) 电磁特性包括磁性、半导体性、电磁屏蔽性等性能。 7) 密封性。 8) 装饰性包括染色性、光泽性等性能。 9) 其它表面特性诸如耐疲劳性、保油性、可焊接性等性能。 表面技术的应用使基体材料表面具有原来没有的性能，这就大幅度地拓宽了材料的应用领域，充分发挥了材料的潜力。举例如下： 1) 可用一般的材料代替稀有的、昂贵的材料制造机器零件，而不降低甚至超过原机件的质 量。 2) 可以把两种以上的材料复合，各取所长，解决单一材料解决不了的问题。 3) 延长在苛刻条件下服役机件的寿命。 4) 大幅度提高现有机件的寿命。 5) 赋予材料特殊的物理、化学性能，有助于某些尖端技术的发展。
6) 可成功地修复磨损、腐蚀的零件。 表面工程技术的分类 表面工程技术目前还没有统一的分类办法，但一般均认为表面工程技术包括表面涂镀技术、 表面扩渗技术和表面处理技术三个领域。表面涂镀技术是将液态涂料涂敷在材料表面，或者 将镀料原子沉积在材料表面，从而获得晶体结构、化学成分和性能有别于基体材料的涂层或镀层，此类技术有有机涂装、热？镀、热喷涂、电镀、化学镀和气相沉积等；表面扩渗技术是将原子渗入(或离子注入)基体材料的表面，改变基体表面的化学成分，从而达到改变其 性能，它主要包括化学热处理、阳极氧化、表面合金化和离子注入等；表面咫理技术是通过 加热或机械处理，在不改变材料表层化学成分的情况下，使其结构发生变化，从而改变其性 能，常用的表面处理技术包括表面淬火、激光重熔和喷丸等。可见，表面工程技术远远超出 了最初的化学热处理、电镀的范畴。 表面工程技术发展的主攻方向 目前，对新型金属表面技术主要集中力量开发的为以下三方面技术：
《材料表面工程基础》课后习题目录及答案 1.材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展? 2.表面工程技术的目的和作用是什么? 3.为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科? 4.为什么会造成表面原子的重组？ 5.什么是实际表面？什么是清洁表面？什么是理想表面？ 6.常用的材料表面处理预处理种类及方法有哪些？ 7.热喷涂技术有什么特点？ 8.热喷涂涂层的结构特点是什么？其形成过程中经历了哪几个阶段？ 9.简单分析热喷涂涂层的结合机理？ 10.热喷涂只要有哪几种喷涂工艺？各有什么特点？ 11.热喷涂材料有哪几大类？热喷涂技术在新型材料开发方面可以做什么工作？ 12.镀层如何分类？怎样选择使用？ 13.金属电镀包括哪些基本步骤？说明其物理意义。 14.电镀的基本原理？ 15.共沉积合金的相特点有几种类型？ 16.电刷镀的原理及特点是什么？ 17.什么叫化学镀？实现化学镀过程有什么方式。 18.与电镀相比，化学镀有何特点？ 19.热浸镀的基本过程是什么？控制步骤是什么？其实质是什么？ 20.形成热浸镀层应满足什么条件？
21.简述钢材热镀铝时扩散层的形成过程。 22.热镀铝的优缺点怎样？ 23.表面淬火与常规淬火的区别：临界温度上移、奥氏体成分不均匀、晶粒细化、硬度高、耐磨性好、抗疲劳强度高。 24.表面淬火层组成：淬硬区、过渡区和心部区。 25.硬化层厚度的测定：金相法和硬度法。 26.喷丸强化技术原理、特点、应用围。 27.感应加热淬火原理、涡流、集肤效应。 28.工件感应加热淬火的工艺流程。 29.各种表面淬火的特点和应用围。 30.什么是表面工程？表面工程技术的作用是什么？ 31.金属离子电沉积的热力学条件是什么？金属离子从水溶液中沉积的可能性取决于什么？ 32.什么是热喷涂技术？试简述热喷涂的特点。 33.热喷涂的涂层结构特点是什么？其涂层与基体的结合机理是什么？一般的等离子喷涂层不可能形成太厚的涂层，为什么？而HVOF技术则可以获得10余毫米厚的超厚涂层，又是为什么？ 34.化学镀的基本原理是什么？有哪些特点？ 35.材料表面工程技术是我校材料科学的学科优势之一？你对于我校材料表面技术的发展有什么想法和建议？ 36.材料表面耐腐蚀的技术有哪些？我国规定煤矿系统的井筒井架、电力塔架、广播发射塔等必须要进行钢结构长效防腐处理。一般的寿命要求30～50年。请
材料表面工程教案 李远睿编写 重庆大学材料科学与工程学院 2005年4月 前言Foreword 金属材料表面工程学科是涉及范围较广的学科。总的目的是：在保证材料整体强度水平不降低的基础上设法应用不同的现代技术手段赋予材料表面各种所需要的性能。本课程在介绍了金属表面的有关基础知识后，结合国内外最新的资料和信息及老师的科研实践，分别讲解：表面准备、表面冷塑性变性强化、表面覆层强化，高能量密度表面强化与改性、表面淬火强化，化学热处理表面强化及表面特殊涂覆处理和表面复合处理技术等内容。由于在热处理工艺学中学习了表面淬火强化和化学热处理等方面的内容，则在本课程中不再详细讨论了。 一综述： 1．金属材料表面工程学的地位。 金属材料，特别是钢铁材料，目前仍旧是机械,设备和工程构件的主要材料。国内机械行业曾对114 个大型企业耗用材料的统计资料表明：钢铁材料占93.13%；有色金属占1.85%；非金属材料占5.2%。目前存在的主要问题是：材料消耗多、利用率低、质量欠稳定、制成的零部件或工程结构失效较早等。 2．机械零件失效的主要形式： a 塑性变形。原因是材料强度不足或过载使用； b 断裂。有韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂三种类型； c 磨损。按磨损机理分为磨料磨损、冲蚀磨损、粘着磨损和疲劳磨损四类，各类磨损又可以细分为更具体的一些形式。 d 腐蚀。在环境及周围介质作用下，对金属材料及零件的腐蚀。
在以上四种失效形式中，磨损、疲劳和腐蚀占80%以上。由现代理化手段分析后证实：失效通常是从材料的表面开始的，而且往往是因其表面性能不高所致。故研究金属材料的表面及其相应的强化方法有十分重要的意义。 二表面强化技术的分类及概况。 1．分类。通常按表面强化技术的性质分类，可以分为： a化学热处理表面强化；b表面淬火强化；c表面覆层（化成处理覆层、覆衬、CVP、PVD薄膜和热浸渗）强化及装饰；d表面冷塑性变形强化；e表面复合强化；f表面高能量密度改性与强化。 2．各类表面强化的概况。 a 化学热处理表面强化。即用渗入原子在材料表层内扩散而形成人工内污染层，以改变表层的化学成分为先决条件，再进行不同处理后赋与表面和内部不同的组织，从而具有不同性能的表面强化方法。例如：钢的渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、热浸渗和渗金属等等。 b 表面淬火。不改变材料的化学成分，只是因表层相变而产生的强化方法称为表面淬火。例如：高频、中频和表面感应加热淬火、火焰加热表面淬火、电子束、激光（Laser）束加热表面淬火等。 c 表面冷塑性变形强化。在金属材料的再结晶温度之下，使其表层发生冷塑性变形后达到表层加工硬化，弥补其表面轻微脱碳和细小缺陷并形成表层残余压应力的强化方法称为表面冷塑性变形强化。其显著作用就是提高金属材料及其制品的高周疲劳寿命，且材料本身强度愈高，其表面强化效果愈显著。表面冷塑性变形强化的方法有：表面滚压、内孔挤压和表层喷丸强化。其中，喷丸强化用得最普遍。 d 表面覆层强化及装饰。使金属表面获得特殊的覆盖层，以提高其耐磨、耐蚀、抗疲劳及装饰等目的工艺方法都称为表面覆层强化及装饰。它分为：表面镀膜，化成处理和表面覆衬。表面镀膜主要有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和分子外延技术等；化成处理主要有：化学镀、电镀、发蓝、发黑、磷化和铝的阳极氧化等；表面覆层主要为热喷涂、热堆焊覆层（衬）和用玻璃和地沥清等覆衬于其表面，以达到耐热、耐蚀、防滑、修复尺寸和防腐等目的。 e高能量密度表面强化。以极高密度的能量作用于金属表面使其发生物理、化学变化，达到强化或表面改性的目的称为高能量密度表面强化。特点是：方法简单、时间短、变形小、高效率等，但设备复杂，造价高。采用：电子束、激光束、太阳能和高频冲击表面感应加热等。能量密度：以电子束和激光束提供的能量密度最高，可达到：
“材料表面工程”复习题 一、名词解释 表面工程技术：为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理方法与工艺。 表面能：严格意义上指材料表面的内能，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。 洁净表面：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表面。 清洁表面：一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后的表面。 区别：洁净表面允许有吸附物，但其覆盖的几率应该非常低。洁净表面只有用特殊的方法才能得到。清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。洁净表面的“清洁程度”比清洁表面高。 吸附作用：物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围其它物质(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残余变形的现象。 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：由于金属表面状态的改变引起金属表面活性的突然变化，使表面反应速度急剧降低的现象。(阳极反应受阻的现象) 表面淬火：用特定热源将钢铁材料表面快速加热到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，形成表面强化层的工艺过程。 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表面，使表层材料在再结晶温度之下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。(喷丸强化技术) 热扩渗：将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层(或掺杂层)的工艺。(化学热处理技术) 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表面形成涂层的工艺过程。 热喷焊：采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙的表面处理技术。(喷焊) 堆焊：在零件表面熔敷上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金层的技术。
表面工程技术的开发和应用 表面工程学是一门新兴的学科，发展迅速，应用前景广阔。文章阐述了开展表面工程学研究的目的和意义。评述了表面工程学在人类文明和生活、在先进制造技术、在设备仪器维修、在电子通讯技术、在高新技术以及在节约资源、保护环境中的作用和应用。 关键词表面工程学表面技术应用 1.前言 表面科学与工程以表面为研究对象。表面问题是一个古老的问题。然而，早在二十多年以前，所有固体物理的研究均假设材料是无穷大的，没有表面，抛开表面问题来研究材料，说明表面有其特殊的复杂性。美国材料界有“上帝创造了物质、魔鬼给了一个表面”之说，可见表面问题是比较困难的。 表面工程学科发展的重要标志是1983年英国伯明翰大学成立了Wolfson表面工程学院[1], 并在1985年创办了国际性杂志《表面工程》。认识到这一新兴学科的重要性，1986年在布达佩斯第5届国际材料热处理大会上，将国际热处理学会更名为国际热处理与表面工程学会。中国机械工程学会于1987年成立了表面工程研究所，1988年出版了中文版《表面工程》杂志，1993年成立了中国机械工程学会表面工程分会。自1989年以来，我国先后多次召开全国性或国际性的表面工程学术会议和表面科学与工程学术会议。 2、表面工程学的研究意义和目的 物体的相互作用首先是通过物体表面进行的。表面及表面层的结构与性能在科学、技术和日常生活中的重要性是不言而喻的。如催化剂的催化行为是由表面成分和结构决定的；在半导体材料中，各种电性能通常是由材料的最外层微米数量级厚度的成分和结构控制的。工程中常见的三大失效形式—磨损、腐蚀和断裂，前两者是因表面破坏
而失效，即使是疲劳断裂，也往往是从受力最大的表面开始而逐渐向内部发展。失效破坏导致零部件报废，设备停产，给国民经济造成巨大的损失。表面工程学能直接针对许多贵重零部件的失效原因，实行局部表面强化或修复，对零部件进行预保护或重新恢复其使用价值，它的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，这层表面材料与制作部件的整体材料相比，厚度薄，仅占工件整体厚度的几百分之一到几十分之一，但却赋于基体材料表面的原来没有的特殊性能，从而满足工程上对材料表面性能的要求。因此，开展表面工程学的研究，改善材料的表面性能，对于提高零件的使用寿命和可靠性；对于改善机械设备的性能、质量，增强产品的竞争能力；对于推动高新技术的发展；对于节约资源、美化人类生活，减少环境污染等方面都具有重要意义，其经济效益和社会效益是显而易见的。 开展表面工程学的研究，不仅在于其经济意义，还在于其具有重要的学术价值。美国工程科学院为美国国会提供的2000年前集中力量加强发展的9项新科学技术中，有关材料方面的仅有材料表面科学与技术的的研究[2]。在我国材料表面改性作为传统材料性能优化的基础研究也列入国家自然科学基金“九五”优先资助领域。在国家的节能节材九五规划中建议将发展表面工程作为重大措施之一，并列出节能、节材示范项目[3]。表面科学的研究可为表面技术的研究提供一定的理论指导；表面新技术的开发和完善又提出许多新的学术课题，表面工程学的研究也有力地促进了相关学科的发展。 表面工程学研究的目的是赋于材料表面具有原来没有的特殊性能： 1)物理性能：包括电磁特性(导电性、绝缘性、半导体性、磁 性、电磁屏蔽性)，光学特性(吸光性、反光性、光导、光电 效应)，热特性(热传导性、耐热性)，声特性及防辐射等；
1．使用表面技术的目的？ （1）提高材料抵御环境作用能力。 （2）赋予材料表面某种功能特性。包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等等各种物理和化学性能。 （3）实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件。 2 按学科特点将表面技术大致划分为三个方面 1）表面合金化：包括喷焊、堆焊、离子注入、激光溶敷、热渗镀等。 2）表面覆层与覆膜技术：包括热喷涂、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金属染色、热浸镀等。 3）表面组织转化技术：包括激光、电子束热处理技术以及喷丸、辊压等表面加工硬化技术。 3.表面技术:表面技术主要通过表面涂覆和表面改性技术来提高材料抵御环境作用能力和赋予材料表面某种功能特性。 表面涂覆：主要采用各种涂层技术。 表面改性技术：用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。 4．表面粗糙度常采用如下方法表示，请用线段连接相应的采示符号。 轮廓算术平均偏差： R a 微观不平度+点高度R z 轮廓最大高度R y 5电镀的基本原理及其分类？ 电镀是指在直流电的作用下，电解液中的金属离子还原，并沉积到零件表面形成有一定性能的金属镀层的过程。电解液主要是水溶液，也有有机溶液和熔融盐。从水溶液和有机溶液中电镀称为湿法电镀，从熔融盐中电镀称为熔融盐电镀。 6．电沉积的基本条件 金属离子以一定的电流密度进行阴极还原时，原则上，只要电极电位足够负，任何金属离子都可能在阴极上还原，实现电沉积。但由于水溶液中有氢离子、水分子及多种其它离子，使得一些还原电位很负的金属离子实际上不可能实现沉积过程。所以金属离子在水溶液中能否还原，不仅决定于其本身的电化学性质，还决定于金属的还原电位与氢还原电位的相对大小。若金属离子还原电位比氢离子还原电位更负，则电极上大量析氢，金属沉积极少。 7．合金共沉积的条件？ 两种金属离子共沉积除需具备单金属沉积的基本条件外，还应具备以下两个基本条件：①两种金属中至少有一种金属能从其盐的水溶液中沉积出来。有些金属如W，Mo等不能从其盐的水溶液中沉积出来，但它可以借助诱导沉积与铁族金属共沉积。②共沉积的两种金属的沉积电位必须十分接近。如果相差太大，电位较正的金属优先沉积，甚至完全排斥电位较负的金属析出。
材料表面工程技术-考试复习资料． 1.表面工程:从材料表面的实际应用出发，科学设计工艺方法，严格监控工艺过程，实际检验施工质量，并对全过程进行记录和总结，改进其中的不足，不断提高技术水平，丰富理论内涵，开发新的用途和应用领域。采用表面技术，在零部件或工件表面涂覆一层或多层表面层而形成的技术，主要包 2.括电镀和化学镀、热喷涂、化学转化膜、热浸镀、涂料涂装、气相沉积、堆焊与熔结、
搪瓷和陶瓷涂覆、粘涂、溶胶-凝胶等。表面现象有关的一些表面技术: 1）表面湿润和反湿润技术. 2）表面催化技术3.3）膜技术4）表面化学技术 4.
表面5.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松弛、重构和表面台阶结构。从微观水平看，即使宏观看来非常光滑平整的表面实际上也是凹凸不平的，即表面6. 是粗糙的。吸附、吸收和化学反应是固体与气体发生作用的三种表现。7. 晶体表面缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类. 8.表面平整一般采用磨光、滚光、抛光及刷光和振动磨光。9.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，还可用于装饰目的进行丝纹刷光和缎面刷光等。
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：10. 打基础；)如电镀、热喷涂等(作为前序处理工艺的一部分，为下一涂装或其他表面加工． 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。 表面清洗主要包括除油和除锈。 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11.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。喷砂的主要用途有：
材料表面工程(材料化学专业) 目的和要求 材料表面工程是一门新的边缘学科, 它不但涉及到诸如表面物理学、表面化学、金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学等多个学科的理论, 而且其本身也溶入了诸多学科的新技术. 本课程首先概要介绍表面物理化学和表面强度等材料表面工程基础理论知识, 然后就表面工程中10个大类表面技术的原理、工艺特点和应用领域进行重点介绍, 最后简要介绍材料表面工程中常用的一些分析和测试方法和技术. 本课程作为材料系高年级学生一门专业选修课, 目的在于给学生一个向导的作用, 让学生掌握整个材料表面工程的基本知识, 为学生将来从事这方面的工作或研究奠定一个较为扎实的基础, 课程以介绍各个相关表面工程技术的基本原理和研究方法为主, 也兼顾介绍一些生产工艺和发展方向等. 基本内容及学时分配 第一章绪论 (2学时) 1.1材料表面工程技术的意义、目的和作用 1.2材料表面工程技术的发展与分类 第二章表面物理化学基础 (4学时) 2.1 表面能与表面张力 2.2 固体表面结构 2.3 固体表面的润湿和吸附理论 2.4 Kelvin公式及其应用 2.5 表面原子的扩散 第三章表面强度 (2学时) 3.1 表面活性介质对力学性能的影响 3.2 表面膜层的应力 3.3 表面抗磨强度
3.4 表面抗腐蚀强度 3.5 疲劳载荷下的表面强度 第四章热渗镀 (2学时) 4.1 热渗镀原理 4.2 热浸镀 4.3 离子氮化 4.4 离子渗碳 第五章热喷涂 (2学时) 5.1 热喷涂原理 5.2 火焰喷涂 5.3 等离子喷涂 5.4 热喷涂涂层的特性和设计第六章堆焊 (2学时) 6.1 堆焊原理 6.2 电弧堆焊 6.3 等离子堆焊 第七章电镀 (2学时) 7.1 电沉积的基本原理 7.2 影响电镀层质量的基本因素7.3 合金镀 7.4 复合镀 7.5 电刷镀 第八章化学镀 (2学时) 8.1 化学镀基本原理 8.2 化学镀镍 8.3 化学镀铜
《材料表面工程基础》课后习题目录及答案1 1.材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展? 2.表面工程技术的目的和作用是什么? 3.为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科? 4.为什么会造成表面原子的重组？ 5.什么是实际表面？什么是清洁表面？什么是理想表面？ 6.常用的材料表面处理预处理种类及方法有哪些？ 7.热喷涂技术有什么特点？ 8.热喷涂涂层的结构特点是什么？其形成过程中经历了哪几个阶段？ 9.简单分析热喷涂涂层的结合机理？ 10.热喷涂只要有哪几种喷涂工艺？各有什么特点？ 11.热喷涂材料有哪几大类？热喷涂技术在新型材料开发方面可以做什么工作？ 12.镀层如何分类？怎样选择使用？ 13.金属电镀包括哪些基本步骤？说明其物理意义。 14.电镀的基本原理？ 15.共沉积合金的相特点有几种类型？ 16.电刷镀的原理及特点是什么？ 17.什么叫化学镀？实现化学镀过程有什么方式。 18.与电镀相比，化学镀有何特点？ 19.热浸镀的基本过程是什么？控制步骤是什么？其实质是什么？ 20.形成热浸镀层应满足什么条件？ 21.简述钢材热镀铝时扩散层的形成过程。 22.热镀铝的优缺点怎样？ 23.表面淬火与常规淬火的区别：临界温度上移、奥氏体成分不均匀、晶粒细化、硬度高、耐磨性好、抗疲劳强度高。 24.表面淬火层组成：淬硬区、过渡区和心部区。 25.硬化层厚度的测定：金相法和硬度法。 26.喷丸强化技术原理、特点、应用范围。 27.感应加热淬火原理、涡流、集肤效应。 28.工件感应加热淬火的工艺流程。 29.各种表面淬火的特点和应用范围。 《表面技术概论》习题 30.什么是表面工程？表面工程技术的作用是什么？ 31.金属离子电沉积的热力学条件是什么？金属离子从水溶液中沉积的可能性取决于什么？ 32.什么是热喷涂技术？试简述热喷涂的特点。 33.热喷涂的涂层结构特点是什么？其涂层与基体的结合机理是什么？一般的等离子喷涂层不可能形成太厚的涂层，为什么？而HVOF技术则可以获得10余毫米厚的超厚涂层，又是为什么？ 34.化学镀的基本原理是什么？有哪些特点？ 35.材料表面工程技术是我校材料科学的学科优势之一？你对于我校材料表面技术的发展有什么想法和建议？ 1 ■■■■■■■■■■■■■■■524宿舍整理■■■■■■■■■■■■勿删■■■■■■■■■■■■
金属材料表面纳米化技术 摘要 材料表面纳米化技术是指在材料表面制备出一定厚度的纳米结构表层的方法。它的工艺设计必须满足以下三个条件：外加载荷必须足够大,使材料表面产生塑性变；外加载荷反复作用于材料的表面,保证表面积累足够大的塑性变形量;外加载荷与材料表面的接触必须光滑,避免材料表面发生损伤。本论文概述了金属材料表面纳米化研究的现状，包括表面纳米化的基本原理、制备方法、结构特征、功能特性以及应用等，并对表面纳米化研究的发展进行展望。 关键词金属材料表面纳米化结构性能研究进展应用 1前言 表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性和表面复合处理技术，改变固体金属表面或非金属表面的化学成分、组织结构、形态和应力状态等，以获得所需表面性能的系统工程。主要包括表面涂覆、表面改性和表面复合处理技术。表面工程的概念由英格兰伯明翰大学教授汤·贝尔于1983年首次提出，现已发展成为跨学科的边缘性、综合性、复合型学科。表面工程以最经济和最有效的方法改变材料表面及近表面区的形态、化学成分和组织结构，或赋予材料一种全新的表面。一方面它可有效地改善和提高材料和产品的性能（耐蚀、耐磨、装饰性能），确保产品使用的可靠性和安全性，延长使用寿命，节约资源和能源，减少环境污染；另一方面还可赋予材料和器件特殊的物理和化学性能[1]。 工程金属材料在工业上用途广、用量大，利用纳米技术提高工程金属材料的综合性能和使用寿命有着巨大的应用潜力。自H．Gleiter教授利用金属蒸发冷凝一原位冷压成型法制备出纳米材料以来，人们又相继开发出多种制备方法，如非晶晶化法、机械研磨法和强烈塑性变形法等[2]。但是，由于制备工艺复杂、生产成本高和材料外形尺寸有限、内部存在界面污染、孔隙类缺陷多等因素的制约，现有的制备技术还未能在工程金属材料上取得实际应用。而在服役环境下，金属材料的失稳多始于表面，因此只要在材料上制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化，就可以通过表面组织和性能的优化提高材料的整体性能和服役行为[3]。 表面纳米化技术是对金属材料表面进行一定的处理，使其表面层组织细化至纳米量级，在块体金属表面获得一层（几十微米厚）的纳米晶组织。由于表面纳米化将使金属表面呈压应力状态，所以当金属受到拉应力时，压应力可抵消掉一部分或全部拉应力，从而减小裂纹扩展速率，提高金属材料抗疲劳性能。与其它纳米材料制备方法不同的是，表面纳米化采用常规表面处理技术或对表面处理技术进行改进即可实现。此外，表面纳米化材料的组织沿厚度方向呈梯度变化，这些技术在工业上应用并不存在明显的障碍；在使用过程中不会发生剥层和分离[4]。因此，这种新材料有着开发应用的潜力。最近，表面纳米化已引起国际同行的广泛关注，被认为是今后几年内纳米材料研究领域最有可能取得实际应用的技术之一。
纳米表面工程 1、引言 表面工程技术是表面处理、表面涂镀层及表面改性的总称。表面工程技术是运用各种物理、化学和机械工艺过程来改变基材表面的形态、化学成分组织结构或应力状态而使其具有某种特殊性能，从而满足特定的使用要求。 随着纳米科技的发展,微机电系统的设计、制造日益增多,制造技术与加工技术已由亚微米层次进入到原子、分子级的纳米层次。如日本已研制成功直径只有1mm～2mm的静电发动机、米粒大小的汽车。美国已研制成功微型光调器,并计划研制微电机化坦克、纳米航天飞机、微型机器人。在光电子领域,日本NEC公司在GaAs基体表面上,利用分子外延技术,把所需的原子喷射到一块半导体表面上,形成特定的岛状晶体而成功制作出具有开关功能的量子点阵列。美国已制造出可容纳单个电子的量子点,而量子点小到可在一个针尖上容纳几亿个。这些技术都是在特定表面上实现的,属表面工程范畴。但随着尺度的减少,表面积与体积之比相对增大,表面效应增强,表面影响加大,传统的表面设计和加工方法已不再适用。为适应纳米科技发展带来的变化,需建立与之相适应的表面工程——纳米表面工程。 纳米粒子的表面效应使杂质在界面的浓度大大降低,从而改善了材料的力学性能。同一材料, 当尺寸减小到纳米级时,由于位错的滑动受到限制,表现出比基体相材料高得多的硬度,其强度和硬度可提高4一5倍。如n一Fe晶断裂强度比普通铁高12倍;纳米碳管密度仅为钢的1/6,但其强度比钢高100倍,杨氏模量估计可高达5TPa,这是目前可制备的最高比强度的材料12,3]。研究发现,骨、牙、珍珠和贝壳之所以具有很高的强度,是因它们由纳米轻基磷酸钙、纳米磷酸三钙与少量的生物高分子复合组合而成。纳米材料界面量大,界面原子排列混乱,原子受外力作用产生变形时,很容易迁移、扩散,表现出甚佳的塑性、韧性、延展性,比粗晶高1016-1019倍的扩散系数。如28nm的n一20Ni一P在280oC时的伸长极限比257nm的高3.7倍,n-euFZ和n-TIOZ室温下的塑性变形也有类似现象。具有高强度、高塑性甚至超塑性的纳米材料,对材料的表面改性具有特殊意义。小尺寸效应使纳米材料的热容和散射率比同类其它材料大,其熔点和烧结温度显著下降,在常温和次温条件下加工陶瓷和合金成为可能。另外,纳米材料电磁性能的改变及极高的光吸收率(夕99%),可用于制作红外敏感元件、雷达波吸收材料等J军事上有特殊的应用前景。纳米材料在力电声光热磁等方面的许多特性,对加工具有特殊表面功能的材料提供了前所未有的机遇。 纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础,通过特定的加工技术或手段对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能的系统工程。简言之,纳米表面工程就是将纳米材料和纳米技术与表面工程交叉、复合、综合并开发应用。因纳米表面工程以具有许多特质的低维非平衡材料为基础,它的研究和发展将产生具有力、热、声、光、电、磁等性能的许多低维度、小尺寸、功能化表面。与传统表面工程相比,纳米表面工程取决于基体性能和功能的因素被弱化,表面处理、改性和加工的自由度扩大,表面加工技术的作用将更加突出。 2、国内外发展现状： 2.1、纳米结构电镀层 众所周知,镀锌经常作为钢铁材料表面的有效保护涂层。它的耐腐蚀性决定了镀层的使用寿命。HEjian-ping等在电镀液中添加5g.dm3的CeO2纳米颗粒后,所得镀层中Ceo2的含量为0.22%,此时镀锌层的耐蚀性比纯锌镀层的提了40%八60%。分析其原因,认为这是由于Ceo2纳米颗粒的存在使得电镀层的微观结构更加均匀、细密,并使得晶面生长的择优取向由纯锌的(101)和(103)变为单一的(101)所致。 2.2、利用碳纳米管制备复合涂层 纳米碳管(CbaronNnoaubtes,简称CNTs)即管状的纳米级石墨晶体,是单层或多层石墨片
5 weIding TeclnOIOgy VOI.30NO.4Aug.2001 收稿日期：2001-03-18 作者简介：周永强(1975—)，男，在读硕士，现从事焊接材料与冶金方面研究. 表面工程技术是表面处理、表面涂（镀）层及表面改性的总称，是20世纪80年代世界十项关键技术之一，将成为21世纪主导技术之一。表面工程技术是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程来改变基材表面状态、化学成分、组织结构或形成特殊覆层，使基体表面具有不同于基体的某种特殊性能，从而达到特定的使用要求。该技术不仅用于维修业，还用于制造业，是先进制造技术的重要组成部分，表面工程技术日益受到世界各国的重视，发展了各种用于表面工程的新型工艺技术，包括表面改性技术、表面薄膜制备技术和表面涂层技术。 1 热喷涂[1，2] 热喷涂是一种重要的表面工程技术，通过在普通材料的表面喷涂保护层、强化层和装饰层，来实现耐磨、耐蚀、耐高温、绝缘、导光的功能特性。近20年来发展迅速，由早期制备一般的装饰性和防护性涂层发展到各种功能性涂层，由产品的维修发展到大批量的产品制造；由单一涂层发展到包括产品失效分析、表面预处理、喷涂材料和设备的选择、涂层后加工的热喷涂系统工程。其应用领域从宇航业开始，迅速发展到各民用工业部门。热喷涂所用热源从电弧到等离子体、激光、电子束等，其喷涂粒子飞行速度从最初的几十m /S 提高到1000m /S （爆炸喷涂），在我国“六五”、“七五”、“八五”期间连续被列为重点推广项目。 热喷涂技术有许多工艺方法，目前应用比较广泛的主要有火焰喷涂（丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂）、等离子喷涂和电弧喷涂，其所占市场份额见表1。 表1 主要热喷涂方法的应用比例(%)热喷涂方法火焰喷涂 等离子喷涂 电弧喷涂 丝材(粉末) 超音速1980年39—55482000年 4 25 6 15 由于电弧性能不断改善，电弧喷涂在20世纪80年代再次兴起。其原理是通过送丝装置将两根丝状金属喷涂材料送进喷极中两导电嘴内，作为阴、阳极，利用其接触短路生成电弧，熔化丝材，并用压缩空气雾化喷射到工件表面形成致密结合层。由于用电能作为能源，在节能和经济方面都优于其它喷涂 方法，喷涂效率高，涂层结合强度高，对于恶劣环境下的工件防腐，如煤矿井筒、水冷壁十分有效，用电弧喷涂Cr13修复造纸烘缸既耐磨又耐蚀。目前我国的研究主要集中在封闭式电弧喷枪、推丝式送丝机构、平特性电源、药芯丝材喷涂材料等方面，国际上已研究高速射流电弧喷涂技术。 喷涂粒子的飞行速度对涂层的质量有很大影响。近年来，国际上喷涂技术正向高能高速方向发展，以超音速火焰喷涂和超音速等离子弧喷涂为代表。文献[3]指出：超音速火焰喷涂尤其适用金属合金及有粘结相的碳化物粉末涂层，而超音速等离子弧喷涂对高熔点材料陶瓷粉末最具优势。 塑料粉末喷涂是新兴技术。由于塑料喷涂的不断完善及新型塑料粉末品种出现，20世纪70年代才得以在生产中应用，在防腐、装饰方面尤有优势。塑料涂层具有良好化学稳定性、良好的耐蚀性(酸碱及有机液)、吸震性、重量轻等优点。塑料粉末火焰喷涂原理是用压缩空气将塑料粉末通过喷枪中心管道喷出，在塑料粉末外因喷枪中冷却压缩空气在最外层，为可燃气体火焰，通过空气层来加热塑料粉末至熔融状态，其要点在于粉末加热程度的控制。美国和德国已生产出不预热可直接喷涂EVA 的特殊塑料粉末。我国尚处于开始阶段，装甲兵工程学院、北京新迪表面技术工程公司现已开发出了塑料喷涂装置。 对等离子弧喷涂机理的最新研究表明：粒子的温度是影响喷涂层结合的主要原因，等离子电弧功率的提高不能有效增加粒子温度。低速等离子弧喷涂通过延长粒子加热时间获得高硬度涂层，已经试验证明。 喷焊在范畴上也属于热喷涂，是在喷涂层的基础上，加热保温使涂层与基体形成冶金结合，大致可分为火焰喷焊与等离子弧喷焊两类。等离子弧喷焊涂层的形成与随后的加热是同时发生的，火焰喷焊通常是先形成涂层，然后再用火焰加热涂层，又称其为“重熔”处理。经喷焊涂层与基体形成的是牢固的冶金结合，对高温下承受热冲击的热模具处理尤为适用。热喷涂的具体应用可参见文献[4]。2 激光表面处理 激光表面处理技术是把传统的表面热处理与焊接技术相结合的一门新技术，与其它传统的表面工程技术如热喷涂等相 ?专题综述?表面工程技术的发展与应用 文章编号：1002-025X (2001)04-0005-03 周永强，李午申，冯灵芝 （天津大学材料科学与工程学院，天津300072） 摘要：表面工程技术是20世纪80年代世界十项关键技术之一，突出特点在于无需整体改变材质而获得原基体所不具备的某些特殊性能，在科研、生产中得到了广泛应用，取得了良好的经济效益。简要概述了热喷涂技术、激光表面工程技术、堆焊表面工程技术及其它表面工程技术的特点、应用范围、研究现状和发展中存在的问题。关键词：表面工程技术；热喷涂；堆焊；激光表面技术；现状；发展中图分类号：0485，TG174.44 文献标识码：B