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材料表面工程第三章

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第三章 电镀和化学镀

第三章 电镀和化学镀

第三章 电镀和化学镀 1.1 电镀
电镀的目的主要有三：
1）赋予制品表面装饰性外观； 2）赋予制品表面某种特殊功能，例如提高耐腐蚀 性、硬度、耐磨性、导电性、磁性、钎焊性、抗高温 氧化性、减小接触面的滑动摩擦、防止钢铁件热处理 时的渗碳和渗氮等；
3）提供新型材料，例如制备具有高强度的各种金 属基复合材料，合金、非晶态材料，纳米材料等。
第三章 电镀和化学镀 1.1 电镀
（一）电镀液组成
6.添加剂：改善镀层质量。
镀层细化剂：它是能使镀层结晶细化并具有光泽的 添加剂。如碱性镀锌溶液中的DE、DPE等添加剂。
抑雾剂：这是一类表面活性剂，具有发泡作用，在 气体或机械搅拌的作用下，可以在液面生成一层较 厚的稳定的泡沫以抑制气体析出时带出的酸雾、碱 雾或溶液的飞沫。
第三章 电镀和化学镀 1.1 电镀
电镀层的分类(按照镀层的使用目的来分类) ： 1）防护性镀层：提高金属制品的耐腐蚀能力。 如：镀锌层，防护钢铁材料免遭大气腐蚀。 2）装饰性镀层：如仿金镀层等。
第三章 电镀和化学镀 1.1 电镀
电镀层的分类： 3）功能性镀层： 一、耐磨和减磨镀层
多采用镀硬铬，如各种轴和曲轴的轴颈、印花 辊的辊面、发动机的汽缸内壁和活塞环、冲压模具 的内腔等。
无论电化学极化，还是浓差极化，都是使阳极 电极电位向正方向偏移。
第三章 电镀和化学镀 1.1 电镀
阴极极化： （1）电化学极化
由于阴极表面金属离子的还原速度小于阴极电 子的供给速度，使得阴极电极电位向负方向偏移， 称为电化学极化。
（2）浓差极化 由于溶液中的金属离子向阴极表面的扩散速度
慢，导致阴极表面金属离子浓度低，阴极表面金属 离子的还原速度小于阴极电1.1 电镀

表面强度 (1)

表面强度 (1)
根据Hoffman模型，内应力将随沉积速度增大而增大。 但有些薄膜的内应力却相反变化，即随沉积速率增 大而减小。
(4)膜厚：有些薄膜的应力与膜厚的关系是一个N形。
(5)热处理：薄膜在空气中烘烤对于消除缺陷、减小应力有着重要的 作用。
在低温退火时，原子主要通过晶格振动交换能量，使位于畸变位置 的原子得到恢复；在较高温度下，产生体内和界面扩散，发生再结 晶，使晶粒增大，晶界减小，应力降低。
反之，碱金属卤化物的热膨胀系数约为(30～40)106／℃，金属沉积 在碱金属卤化物基板上时， f s 0，当T>0时，T 0，即金属膜 的热应力为压应力。
通过选择基板材料和沉积温度可以调节热应力的大小 和性质。
不过沉积温度的可调范围一般是有限的。 一般是调节膜层和基板材料的热膨胀系数。
内应力又称本征应力，它主要取决于薄膜的微观结构和缺陷等因素。
3-2 表面膜层的应力
以覆膜的方法对材料进行表面强化，在表面工程中占有很大的比重。 一般情况下膜层与基体材料的成分和结构是不一样的，因此难免在 界面上产生应力，应力的存在将对膜层的强度产生重大的影响。
几乎所有薄膜都存在着巨大的应力，它对薄膜的性能，特别是结合力 产生很大的威胁。
薄膜应力通常分为张应力和压应力，习惯上把张应力取正号， 压应力取负号。
S = (1 +2)／d
热应力是由于膜层与基板之间的热膨胀系数不同而引起的，可表示为:
TS 和TM分别为沉积和测量时的基板温度；f和s分别为薄膜和基板的 热膨胀系数；Ef为薄膜的杨氏模量。
如果Ef，f和s不随温度而变化，则上式改写成 T = (f s) Ef T
式中T= TS TM。
金属的热膨胀系数范围为(10～20)106／℃，玻璃的热膨胀系数约为 8106／℃，若以玻璃为基体，f s >0；在室温下测定高温时沉积于 玻璃上的金属膜，T>0，因此T >0，即金属膜的热应力是张应力。

第三章 全面腐蚀与局部腐蚀

第三章 全面腐蚀与局部腐蚀
合理选择耐蚀材料：使用含有抗小孔腐蚀最为有效 的元素如Cr、Mo、Ni等的不锈钢，在含氯离子介质中 可得到较好的抗孔蚀性能，这些元素含量愈高，抗蚀 性能愈好。应根据对耐蚀性的要求，介质的侵蚀性以 及经济性能等各方面的要求选用适当的材料。
3.3、缝隙腐蚀
1、定义 金属部件在介质中，由于金属与金属或金属与
间或有ＦｅCｌ ．４Ｈ Ｏ结晶
２
２
Ｃｌ－ Ｃｌ－
Ｆｅｃｌ２ Ｈｃｌ ＨＳ
２
Fe2+
ｅ ２Ｈ＋＋２ｅＨ
２
ｅ
Ｆｅ２＋＋Ｈ２ＯＦｅＯＨ＋＋Ｈ＋
ＦｅＦｅ２＋+２ｅ
蚀孔形成后，为什么具有“深挖”动力？ 孔蚀的过程是怎么样进行的？ 蚀坑的深挖是从形成闭塞电池开始， “自催化酸化作用”是导致腐蚀加速的根 本原因
均匀腐蚀实例：
（一端腐蚀较重 腐蚀产物较疏松）
剖管的管内壁形貌
点蚀实例：
铝合金点蚀形貌
二、小孔腐蚀特征:
1、蚀孔小而深，具有深挖特征 2、一般蚀孔口有腐蚀产物覆盖 3、存在诱导期 4、孔蚀位置不可预测 5、在易钝化的金属上易发生
金属小孔腐蚀的特征（一）
小孔腐蚀的产生与临界电位有关，只有 金属表面局部地区的电极电位达到并高于临界 电位值时，才能形成小孔腐蚀，该电位称作 “小孔腐蚀电位”或“击穿电位”，一般用Ｅ b表示。这时阳极溶解电流显著增大，即钝化 膜被破坏，发生小孔腐蚀。
四、影响小孔腐蚀的因素:电位与pH值
Pourbaix实测了铁在10-2mol/L氯化物系统的 E—pH图，并叙述了临界电位即钝态区和孔蚀区 的界限。
实验现象：随着电极电位升高，小孔腐蚀敏 感性加剧；而随着pH值的增高，小孔腐蚀倾向反 而减小。
实验结论：小孔腐蚀与电极电位和pH值有着 密切的关系。

第三章表面摩擦和磨损

第三章表面摩擦和磨损

矿物油湿润表面 加油性添加剂的油润滑：
钢-钢；尼龙-钢 尼龙-尼龙
0.15～0.30
0.05～0.10 0.10～0.20
流体 液体动力润滑 润滑 液体静力润滑
0.08～0.20 <0.001 (与设计参数有关)

滚动 摩擦
滚动摩擦系数与接触面材料的硬度、粗糙度、湿度等有关。球和圆柱滚子轴承
的摩擦大体与液体动力润滑相第近三章，表其面摩它擦和滚磨子损 轴承则稍大
第3章 表面摩擦、磨损与润滑
第三章表面摩擦和磨损
1
概述 摩擦 磨损 润滑
主要内容
第三章表面摩擦和磨损
2
概述
摩擦学是研究相对运动的作用表面间的 摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的 理论与应用的一门边缘学科。
摩擦 两个接触的物体在相互运动过程中， 表面之间所产生的阻碍运动的效应；
磨损 由于摩擦而造成的物体表面材料的损 失或转移；
16
3.2 磨损
磨损的定义
磨损（Wear）---由于摩擦而造成的物体表 面材料的损失或转移的现象称为磨损。
磨屑的形成是材料发生变形和断裂的结果。磨损是发
生在材料表面的局部变形与断裂，这种变形与断裂是反
复进行的，具有动态特征。这种动态特征的另一标志是
材料表层组织经过每次循环后总要变到新的状态。所以
由常规试验得到材料力学性能不一定能如实反映出材料
耐磨性的优劣。
第三章表面摩擦和磨损
17
材料的磨损除主要由力学因素引起外，在整个过程中材 料还将发生一系列物理、化学状态的变化。
如因表面材料的塑性变形引起的形变硬化及应力分布的 改变，因摩擦热引起的二次相变淬火、回火及回复再结晶， 因外部介质产生的吸附和腐蚀作用等都将影响材料的耐磨 性能。

道路工程材料-第3章沥青混合料

道路工程材料-第3章沥青混合料

试件尺寸：
（1）Ф101.6mm×63.5mm（±1.3mm，两侧高度差不大于
2mm）。适用于公称最大粒径<26.5mm的混合料，试件成型
击实次数根据公路等级、混合料类型、气候条件选择，一般
为75次或50次。试验中一组试件需平行试件通常为4个。
（2） Ф152.4mm×95.3mm(±2.5mm，两侧高度差不大于
1.6 沥青混合料的结构强度理论
影响φ 和 C 的因素
沥青性质对粘结力的影响： 沥青粘结性↑（粘度↑）→粘聚力C↑→抗剪强度τ↑ 沥青与矿料相互作用 矿粉对涂敷于周围的沥青分子有吸附作用→靠近界面处粘度↑
→ 扩散溶剂化膜(10um) 膜内—结构沥青：粘度高 → C大 膜外—自由沥青：粘度小 → C小
道路工程材料
第三章沥青混合料
全自动车辙试验机
道路工程材料
第三章沥青混合料
车辙试验试模及成型试件
道路工程材料
第三章沥青混合料
道路工程材料
第三章沥青混合料
道路工程材料
第三章沥青混合料
道路工程材料
第三章沥青混合料
道路工程材料
第三章沥青混合料
道路工程材料
第三章沥青混合料
2 沥青混合料的技术性能
摩阻角就愈高。
道路工程材料
第三章沥青混合料
1 沥青混合料的类型与组成结构
1.6 沥青混合料的结构强度理论 影响抗剪强度τ的因素
温度及形变速率对沥青混合料抗剪强度的影响 随温度升高，沥青的粘聚力 C 值减小，而变形能力增强。
温度降低，可使混合料粘聚力提高，强度增加，变形能力降 低。温度过低会使沥青混合料路面开裂。
1、库仑理论：在常温或较高温度下，粘结力不足引起的变 形，及抗剪强度不足引起的推挤波浪、拥包等破坏。

《表面工程》教学大纲

《表面工程》教学大纲

00107752《表面工程》教学大纲课程名称：表面工程英文名称：Surface Engineering课程编号：00107752课程学时：32课程学分：2课程性质：选修课适用专业：材料科学与工程预修课程：物理、化学、材料科学基础、热处理原理与工艺、材料力学性能大纲执笔人：赵秀娟一、课程目的与要求向学生全面阐述表面技术的一些基本概念和理论，围绕金属材料表面强化，集中论述一些主要表面处理技术，给学生一个向导作用，以此让学生遨游几乎整个材料表面工程的世界，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。

通过本课程学习，学生应达到以下基本要求：1、掌握电镀、化学镀、热喷涂、表面纳米化、物理气相沉积和化学气相沉积表面处理技术的基本原理、基本工艺；2、理解材料成分、处理工艺、组织结构和性能的关系；3、了解不同工艺技术的优缺点、选用原则以及最新进展；4、能够运用所学表面处理技术解决实际问题。

二、教学内容及学时安排第一章表面技术概论 2 学时一、表面工程的涵义二、表面技术的分类、主要内容及目的意义三、表面技术的应用和发展动态概述第二章表面科学中某些基本概念和理论 2 学时一、固体材料及其表面二、表面晶体学三、表面热力学与动力学第三章电镀与化学镀 4 学时一、电镀二、电刷镀三、化学镀第四章表面涂覆技术 4 学时一、堆焊二、热喷涂三、陶瓷涂层熔结第五章表面改性技术 10 学时一、表面形变强化二、表面纳米化三、表面化学热处理四、等离子体表面处理五、激光表面处理六、电子束表面处理七、离子注入表面改性第六章气相沉积技术 6 学时一、薄膜及其制备方法二、真空蒸镀三、溅射镀膜四、离子镀五、化学气相沉积第七章复合表面处理技术简介 2 学时课堂讨论 2 学时三、教材及主要参考书1、钱苗根、姚寿山编著，《现代表面技术》,机械工业出版社，1999年，第1版2、郦振声等主编，《现代表面工程技术》，机械工业出版社，2007年，第1版3、赵文轸主编，《材料表面工程导论》, 西安交通大学出版社，1998年，第1版4、胡赓详等主编，《金属学》，上海科学技术出版社，1980年，第1版5、吴承建等主编，《金属材料学》，冶金工业出版社，2000年，第1版6、付献彩主编, 《物理化学》，高等教育出版社，2006第，1版7、束德林主编，《金属力学性能》，机械工业出版社，1987年，第1版。

建筑材料第三章复习题

建筑材料第三章复习题

建筑材料第三章复习题一、选择题1.为了消除________石灰的危害，应提前洗灰，使灰浆在灰坑中________两周以上。

()A.过火，碳化B.欠火，水化C.过火，陈伏D.欠火，陈伏2.石膏在硬化过程中，体积产生()A.微小收缩B.不收缩也不膨胀C.微小膨胀D.较大收缩3.石灰的碳化反应式是()A.Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2OB.CaO+H2O=Ca(OH)2C.Ca(OH)2+CO2+nH2O=C aCO3+(n+1)H2OD.CaCO3=CaO+CO24.石灰熟化过程中的“陈伏”是为了()A.有利于结晶B.蒸发多余水分C.消除过火石灰的危害D.降低发热量5.石灰在硬化过程中，体积产生()A.微小收缩B.不收缩也不膨胀C.微小膨胀D.较大收缩6.高强石膏的强度较高，这是因其调制浆体时的需水量()。

A.大B.小C.适中D.可大可少7.()浆体在凝结硬化过程中，其体积发生微小膨胀。

A.石灰B.石膏C.菱苦土D.水玻璃8.高强石膏的强度较高，这是因其调制浆体时的需水量()。

A.大B.小C.中等D.可大可小9.熟石膏的分子式是()。

A.CaSO4·2H2OB.CaSO4C.CaSO4·10.生石膏的分子式是（）。

A.CaSO4·2H2OB.CaSO4C.CaSO4·1H2OD.CaO21H22D.CaO11.石灰熟化过程中的“陈伏”是为了（）。

A.有利于结晶B.蒸发多余水分C.消除过火石灰的危害D.降低发热量12.水玻璃中常掺用的促硬剂为（）A.NaFB.Na2SO4C.Na2SiF6D.Na2S2O313.以下哪种材料硬化后耐水性最差？（）A.灰土B.石膏C.三合土D.水泥14.下述材料在凝结硬化时体积发生微膨胀的是（）A.石灰B.石膏C.普通水泥D.水玻璃15.高强石膏的强度较高，这是因其调制浆体时的需水量()。

A.大B.小C.适中D.可大可小16.为了充分发挥吸声材料的作用，应将吸声材料安装在室内()上。

表面处理3-前处理

表面处理3-前处理

第三章前處理3.1前處理的意義一般前處理工程過程為,研磨預備洗淨水洗電解脫酯水洗酸浸及活性化水中和水洗電鍍。

3.1.1 前處理的目的前處理的目的是為了得到良好的鍍層，由於鍍件在製造、加工搬運、保存期間會有油酯、氧化物銹皮、氫氧化物、灰塵等污物附著於鍍件表面上，若不去除這些污物而進行電鍍將得不到良好的鍍層。

鍍· 件品質，前處理占很重要的地位。

3.1.2 前處理不良所造成之鍍層缺陷前處理不良所造成之鍍層缺陷，有下列幾項：(1)剝離，(2)氣脹，(3)污點，(4)光澤不均，(5)凹凸不平，(7)小孔(8)降低耐蝕性，(9)脆化。

電鍍之不良，前處理佔很大的原因。

3.1.3 汙物的種類污物的種類，可分為有機物及無機物。

有機物污物主要是動物性油酯，植物性油酯及礦物性油酯，無機物污物是金屬氧化物、鹽類、塵埃、及砂土。

另外由有機物和無機物污物之物如研磨屑、研磨材料。

動物性及植物性油酯可被化緘劑皂去除。

礦物性油污無法被緘劑皂去除需用三菉乙烯、汽油、石油溶劑乳化劑等去除。

無機物污物可被酸或緘溶解，利用酸、緘浸漬、化學或電解方法去除及機械研磨方法去除。

無機、有機混合污物，去除較困難，除了利用化學方法，亦須用電解，機械研磨等方法聯合應用去除。

3.1.4 電鍍前處理去除的典型汙物(1) 潤滑油(6) 淬火殘留物(2) 切削油(7) 熱處理鹽(3) 研磨油(8) 熱處理鹽(4) 熱斑 (9) 汙跡(5) 銹及腐蝕物 (10) 油漆及油墨3.1.5 表面清潔測定表面清潔度測定，在工場最實用的方法是用水沖(water-beaktest)，檢查表面水是否均勻潤濕，如果是均勻潤濕則為清潔表面，反之則不清潔。

其它方法有，Nielson method，Atomizertest，Fluoresent method，weight of residual soil，wip-ing method，residual patlern method 及Radioisotope tracer technique。

第三章 工程材料第二节 建筑装饰材料综合练习与答案

第三章 工程材料第二节 建筑装饰材料综合练习与答案

第三章工程材料第二节建筑装饰材料综合练习与答案一、单选题1、（）也叫胶粘剂，是将其他成分粘结成一个整体，并能牢固附着在被涂基层表面形成坚韧的保护膜。

A.主要成膜物质B.次要成膜物质C.辅助成膜物质D.溶剂【参考答案】：A【试题解析】：本题考查的是建筑装饰涂料。

建筑装饰涂料的基本组成中的主要成膜物质也叫胶粘剂，是将其他成分粘结成一个整体，并能牢固附着在被涂基层表面形成坚韧的保护膜。

2、钢化玻璃是用物理或化学方法，在玻璃表面上形成一个（）。

A.压应力层B.拉应力层C.防脆裂层D.刚性氧化层【参考答案】：A【试题解析】：本题考查的是建筑玻璃。

钢化玻璃是用物理或化学的方法，在玻璃的表面上形成一个压应力层，而内部处于较大的拉应力状态，内外拉压应力处于平衡状态。

3、不属于彩色涂层钢板按涂层分类的是（）。

A.无机涂层B.刚性涂层C.有机涂层D.复合涂层【参考答案】：B【试题解析】：本题考查的是建筑装饰钢材。

彩色涂层钢板按涂层分为无机涂层.有机涂层和复合涂层三大类。

4、夹层玻璃的层数最多可达（）层。

A.3B.5C.7D.9【参考答案】：D【试题解析】：本题考查的是建筑玻璃。

夹层玻璃的层数有2.3.5.7层，最多可达9层。

5、涂料组成成分中，次要成膜物质的作用是（）。

A.降低黏度便于施工B.溶解成膜物质，影响成膜过程C.赋予涂料美观的色彩，并提高涂膜的耐磨性D.将其他成分粘成整体，并形成坚韧的保护膜【参考答案】：C【试题解析】：本题考查的是建筑装饰涂料。

次要成膜物不能单独成膜，它包括颜料与填料，颜料不溶于水和油，赋予涂料美观的色彩。

填料能增加涂膜厚度，提高涂膜的耐磨性和硬度。

6、耐磨性和耐久性好，吸水率小，适合作为室内高级装饰材料的天然饰面石材是（）。

A.大理石板材B.花岗石板材C.水磨石板材D.合成石面板材【参考答案】：A【试题解析】：本题考查的是饰面材料。

大理石板材耐磨性和耐久性好，吸水率小，适合作为室内高级装饰材料。

表面工程-03 表面失效

表面工程-03 表面失效

金属表面形成保护膜也会促进极化
3.1.3 腐蚀速率与极化
极化曲线：表示电极电位随电流密度的变化而改变的关系曲线叫做极化曲
线 。
金属在酸性溶液中的腐蚀极化图
两曲线的交点对应的电流密度ICORR即腐蚀电流密度，对应的电位即腐蚀电 位 ECORR 。
3.1.3 腐蚀速率与极化
在实际研究中，常用外加电流方法来判定金属的阳、阴极 极化曲线。其原因在于：
（如氧﹑水﹑酸）的分子或原子相互作用。
电化学腐蚀：是最常见的腐蚀，金属腐蚀中的绝大部分均属于电化学腐
蚀。
3.1.2 腐蚀的机理
电化学腐蚀机理与纯化学腐蚀的基本区别是：
化学腐蚀过程中, 金属的氧化与氧化剂的还原是同时发生的，电
子从金属原子直接转移到接受体。
电化学腐蚀时,
有两个独立的共轭电化学反应：
阳极过程--金属原子直接转移到溶液中，形成水合金属离子或溶 剂化金属离子； 阴极过程--留在金属内的过量电子被溶液中的电子接受体或去极 化剂接受而发生还原反应。
3. 斜线：平衡条件既与电位有关又与溶 液的PH值有关，判断反应方向要综合 上述两条来判断。
E-pH diagram
E-pH diagram for Ni
E-pH diagram for Fe
E-pH diagram
E—pH 图中汇集了金属腐蚀体系的热力学数据，并且指出了金属 在不同pH值或不同电位下可能出现的情况，从而提示人们可借助 于控制电位或改变pH值以达到防止金属腐蚀的目的。 但是，如果不加分析地用E-pH图去说明实际条件下金属的腐蚀状 况，则可能引起夸大或贬低其作用的倾向，甚至错误地认为，只 要测得溶液中的pH值，就可能准确地知道已知电位(或控制电位) 下，金属能否被腐蚀。

表面工程 考点汇总

表面工程 考点汇总

表面工程葵花宝典第一章：表面工程技术概论考点1：表面工程的概念：从材料的表面特性出发，利用表面改性技术、涂镀层技术和薄膜技术，使材料表面获得原来没有的新性能的系统工程。

考点2：润湿：固体表面与液体接触时原来的固相-气相界面消失，形成新的固相-液相界面的现象。

润湿是液体与固体表面接触时产生的一种表面现象，液体对固体表面的润湿程度可以用液滴在固体表面的散开程度来说明考点3：表面技术按作用原理分类：原子沉积、颗粒沉积、整体覆盖、表面改性。

第二章：材料表面工程技术基本理论考点4：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弛豫、表面重构和表面台阶结构、表面偏析、化合物、化学吸附考点5：表面粗糙度是指加工表面上具有的较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度考点6：吸附、吸收和化学反应是固体与气体发生作用的三种表现考点7：按几何特征，晶体表面缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类考点8：表面平整一般采用磨光、滚光、抛光及刷光和振动磨光(1)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(2)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(3)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(4)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(5)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考点9：基体表面清洁的目的是：(1)作为前序处理工艺的一部分，为下一涂装或其他表面加工(如电镀、热喷涂等)打基础(2)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)；(3)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，有利于人体健康考点10：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考点11：喷丸的原理和设备与喷砂相似，只是采用的磨料不同。

材料表面工程技术-3堆焊技术

材料表面工程技术-3堆焊技术

材料表面工程技术-堆焊技术
江苏科技大学 材料科学与工程学院 qikailx@

埋弧堆焊




单丝、多丝和带极埋弧堆焊等多种。单丝埋弧堆焊的 熔深大、稀释率高(30％～60％)、生产率中等。 采用焊丝摆动法、加入填充丝(冷丝或热丝)等，以增 加熔敷率和降低稀释率。 双丝、三丝及多丝埋弧堆焊，电弧将周期性地从一根 焊丝移向另一根焊丝，使熔敷率大大提高，而稀释率 大为降低，带极埋弧堆焊是用金属带来代替焊丝作电 极，其熔深浅、稀释率低，而熔敷率很高。 多丝埋弧堆焊和带极埋弧堆焊在机车轮缘堆焊、轧辊 表面堆焊、化工设备不锈钢衬里堆焊等方面得到了广 泛的应用。
2.镍基堆焊合金

高镍合金用于铸铁堆焊时作过渡层 镍铬硼硅合金 镍铬钼钨合金。
材料表面工程技术-堆焊技术
江苏科技大学 材料科学与工程学院 qikailx@

镍铬硼硅系列堆焊合金
C:1％，Cr:0％～18％，B:1％～4.5％。 熔点:1040℃，润湿性、流动性较好 主要用于等离子粉末堆焊和氧-乙炔火焰喷熔。 堆焊层的组织是奥氏体+硼化物+碳化物。 具有优良的抗低应力磨料磨损性和抗金属间磨损性能， 好的耐腐蚀、耐热和高温(最高可达950℃)抗氧化性能， 但抗高应力磨料磨损性和耐冲击性都不好。这类合金堆 焊层只能磨削加工，主要用于腐蚀或高温环境中受到低 应力磨料磨损的场合，但高镍合金易受硫和硫化氢的腐 蚀，因而不适于在含硫的还原性气氛中工作。
材料表面工程技术-堆焊技术
江苏科技大学 材料科学与工程学院 qikailx@
4．铜及铜合金堆焊材料
铜及铜合金堆焊材料有紫铜、黄铜、青铜和白铜
5．碳化4.0%，钨95％～96％， 它是WC-W2C的混合物。这类合金硬度高，耐磨 性好，但脆性大，易在工作过程中碎裂并脱落。 烧结碳化钨大多是用钴作粘结金属的，随着钴含 量的提高，硬度下降，韧性提高，同时碳化钨晶 粒越细，其耐磨性就越高。

表面工程复习

表面工程复习

第三章表面工程技术的预处理与作业环境关键因素: 表面工程预处理,指标:1表面清洁度 2表面粗糙度第一节：表面预处理工艺机械性清理: 1滚光和刷光2机械磨光和抛光3喷砂或喷丸脱脂：化学脱脂，有机溶剂脱脂，水剂脱脂，电化学脱脂。

第四章第一节表面淬火技术的原理与特点1.2、表面淬火技术与常规淬火技术的区别1）提高加热速度将使钢的相变点温度A c3与Ac cm大幅度提高，但使A c1温度升高有限；快速加热可使A晶粒及其中亚结构细化；2）快速加热条件下渗碳体难以充分溶解，形成的奥氏体成分也相当不均匀。

不均匀A包括未溶碳化物、高碳偏聚区和贫碳区，淬火后形成高碳和低碳马氏体区域，造成显微硬度的微观不均匀。

因此需要预先热处理（调质、正火、球化退火处理）1.3、表面淬火层的组织与性能硬度分布图P51表面淬火层的组织:工件加热以后的金相组织与加热温度沿加热温度沿试样横截面分布有关，一般分为淬硬层、过渡区及心部组织.性能:硬度比普通淬火高2~5HRC耐磨性比普通淬火好2.2、感应加热淬火工艺流程1预先调质处理目的：为感应加热淬火作好组织准备和使工件在整个截面上具备良好的力学性能。

2确定加热温度与加热方式存在一最佳的温度范围，在此范围内加热所得工件硬度与强度比普通淬火高2~3HRC；同时加热方式和连续加热方式。

3根据工件要求选择比功率比功率越大，加热速度快，工件表面温度高；不足，加热深度层增加，过渡区增大；大小由淬硬层深度和淬火区温度确定4设计感应加热器5确定冷却方式与冷却介质喷射冷却法；可调节介质的喷射压力，温度与时间等参数来控制冷速6制定回火工艺参数回火温度略低于常规工艺淬火时的温度，得到淬硬层保持有较高的残余应力。

局限性1与普通淬火相比，设备的成本较高； 2感应加热时，容易使零件的尖角棱边处过热，即导致所谓“尖角效应”； 3对于一些形状复杂的零件而言，感应加热淬火难以保证所有的淬火面都能够获得均匀的表面淬火层。

第四节激光淬火与电子束淬火技术4.1、激光淬火技术分类：CO2激光淬火和YAG激光淬火影响因素：1材料成分1）通过影响材料的淬硬性和淬透性来影响激光淬硬层深度与硬度；2随钢中含碳量增加，淬火后马氏体的含量也增加，激光淬硬层的显微硬度也越高。

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第二节 外表工程技术的专业环境
平安第一！ 安康第一!
一般的外表技术运用对环境没有什么特殊要求，局部 外表工程技术如涂装技术、气相沉积、外表微细加工对专 业环境有特色要求。 1 喷涂工作环境的要求 1)最好是在无人的封闭工作间内进展； 2) 要有强排风装置，防止粉尘危害；
3)等离子喷涂应有防噪音措施，如戴耳 塞。
2、有机溶剂脱脂 用于金属零件的初步脱脂,如汽油、苯、四氯化碳等。一
般在常温下脱脂。 特点：脱脂速度快、效果好，但溶剂易挥发、易燃、有毒性， 使用时应注意通风。
安阳工学院 表面工程学 梁永政
第三章 外表工程技术的预处理工艺与专业环境
第一节 外表预处理工艺
3、水剂脱脂 以水溶剂作为清洗液去除待处理外表油污的清洗方法。
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第三章 外表工程技术的预处理工艺与专业环境
第一节 外表预处理工艺
磨料的选择 滚光磨料有浮石、石英砂、花岗石，皮革角、贝壳、
铁屑，钢砂和陶瓷碎片等 。
刷光：利用金属丝轮或金属丝刷，在刷光机上或用手工 进展刷光的外表清理过程。
作用：去除金属外表上的毛刺、氧化物、 残存的油污及侵蚀后的黑膜等。
第三章 外表工程技术的预处理工艺与专业环境
第一节 外表预处理工艺
〔1〕 热固性塑料、ABS塑料、聚苯乙烯等：用溶剂或清洗 剂去除外表油垢、脱模剂等杂质，并进展粗化处理以使塑 料外表微观粗糙，以提高塑料外表与覆层之间的结合力。 〔2〕 聚烯烃、聚乙烯缩醛等塑料：必须进展外表氧化、酸 处理、电晕放电、紫外线等处理，改变其外表极性，提高 涂膜的附着力和亲水性。
等离子弧外表淬火
电阻外表淬火
安阳工学院 表面工程学 梁永政
第四章 外表淬火和形变强化技术
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3-2
表面膜层的应力
以覆膜的方法对材料进行表面强化，在表面工程中占有很大的比重。
一般情况下膜层与基体材料的成分和结构是不一样的，因此难免在 界面上产生应力，应力的存在将对膜层的强度产生重大的影响。
几乎所有薄膜都存在着巨大的应力，它对薄膜的性能，特别是结合力 产生很大的威胁。
薄膜应力通常分为张应力和压应力，习惯上把张应力取正号，
压应力取负号。
在张应力作用下，薄膜本身有收缩趋势，如果膜层的张应
力超过薄膜的弹性限度，薄膜就会破裂，破裂时离开基板 而翘起。
压应力使薄膜向基板内侧卷曲。
3-2-1 薄膜应力的起因
薄膜应力是由表面张力S、热应力T和内应力I 三部分组成的。 表面张力也是一种应力，如果膜层上表面的表面张力为1，膜层与基板 表面的张力为2，薄膜厚度为d，则由此产生的表面张力: S = (1 +2)／d 热应力是由于膜层与基板之间的热膨胀系数不同而引起的，可表示为:
(2)真空度：真空室中残余氧、氮和水气对应力都有影响。
在沉积SiO时，随着水气分压升高，其应力从张应力逐渐变 为压应力。 在沉积Al膜时，若真空度低于102 Pa，则A1膜由通常的张应 力变为压应力，其它金属也有类似现象。这是因为气体渗入 金属晶格，从而抑制了金属晶格的膨胀。
(3)沉积速率：沉积速率对应力的影响缺乏规律性。 根据Hoffman模型，内应力将随沉积速度增大而增大。 但有些薄膜的内应力却相反变化，即随沉积速率增 大而减小。
力集中，削弱机件的表面强度。
Rebingry效应属于后者，是可逆的，该效应也可以显著地改变材料
表面的机械性能。
Rebingry效应最普遍最重要的表现形式有两点： ①使塑性增加——降低屈服极限和硬化指数。 ②使脆性增加——塑性和强度急剧降低。 这种效应一般是分子性质与该固体分子相近 的液体所引起。对于金属来说，与其相近的 金属熔体就可产生此种效应。如黄铜和锌有 水银时就变脆(图3-14)。 熔盐可剧烈降低离子晶体的强度和塑性，熔 融的碱金属和铝对石墨有显著影响，而有机 固体则对有机液体十分敏感。
保证固体金属件不被熔融物浸润，从而阻止吸附引起的强度降低。
3-4 表面抗磨强度
与固体物质接触并发生相对运动的机件表面都要承受摩擦磨损，提
高机件的抗磨强度是表面工程技术的重要目标之一。
在摩擦面之间加润滑剂是减少磨损的有效方法。
润滑剂减少磨损的主要机理是：
流体膜润滑即流体膜把两金属隔开，把磨损减到最低限度； 固体润滑即在固体表面采取固体润滑剂或使用的添加剂能与金属的 表面发生反应生成厚为40～400nm的氧化物或硫化物，可以避免金 属与金属之间的接触。
3-3-2
影响Rebingry效应的因素
1．固体和液体金属的本质
降低固体和环境介质界面的表面自由能对出现Rebingry效应有关键
的作用。
固体和使表面能强烈降低的介质接触，引起的后果之一就是急剧改 变其表面的机械性能。
液体金属在固体中的溶解度越小，则在相应的界面上表面能的降低 越强烈。 与形成共晶体的金属接触时，会使强度降低；而与形成金属间化合 物的金属接触时，强度则不会降低。 因此，若熔融物可和固态金属形成共晶体，不形成金属间化合物， 且在固相中溶解度较小(不高于百分之几)，则这样的熔融物可 能使固态金属的强度和塑性强烈下降。
2．温度和变形速度
温度和变形速度对Rebingry效应的出现有很大影响。
3．固态金属的结构
固态金属的结构对存在液体金属时的脆性的发生也有很大的影响。 一般来说，原始材料塑性愈差，则在相应的熔融物的影响下愈易由塑 性断裂变为脆性断裂。所以像加工硬化、时效、辐照、缺口等一 切降低塑性的因素，往往会促进有熔融金属存在时脆性的发生。
任何固体存在这种效应。例如，玻璃和石膏吸附水蒸气后，其强度
明显下降。铜表面覆盖熔融的铋薄膜后，会使铜原来的高塑性丧失， 在远比空气中拉伸低得多的应力下发生脆性破坏。
从热力学的观点来看，固体表面和环境介质的作用可分两类： 一类是不可逆的，一类是可逆的。
腐蚀属于前者，是不可逆的， 腐蚀会使表面出现腐蚀坑，产生应
1．表面的机械处理
喷丸、冷滚压等机械处理，在服役的表面形成有残余压应力的薄层， 对提高疲劳抗力是行之有效的表面强化方法。 表层压应力的存在，降低了外加交变应力中容易造成损伤的拉应力 分量，从而可大幅度提高疲劳裂纹的萌生寿命。
2．表面的腐蚀
腐蚀作用使金属表面变为粗糙，形成腐蚀坑等应力集中点，在交变 应力的作用下，裂纹萌生的寿命很短，使疲劳强度大大降低。 一般说来，在较强的腐蚀环境下，材料对于腐蚀疲劳的基本抗力主 要取决于材料对腐蚀的抗力，即增加材料对腐蚀的抗力比增加其疲 劳强度更为重要。 残余压应力可以减慢侵蚀介质向物体内的浸透，减慢腐蚀损伤即疲 劳裂纹源的形成和发展。采用金属和非金属涂层保护层，并在表面 上制造合适的压应力，对于抑制腐蚀损伤具有重大的意义。
第三章
材料表面强度
3-1 疲劳载荷下的表面强度
3-1-1 疲劳裂纹萌生于表面 在载荷的反复作用下，任何材料都会产生疲劳问题。据统计 约有50％～90％的机械结构的破坏是属于疲劳破坏。
引起疲劳破坏的原因很多，但表面的影响是最大的，几乎所 有的疲劳开裂都自表面(或表面层)开始。
疲劳破坏主要包括裂纹的萌生和发展两个阶段。从原始表 面到产生0.076mm长裂纹的过程即为裂纹的萌生。 疲劳裂纹总是在应力最高、强度最弱的机件表面上形成。 机件表面上机械加工的切削纹、表面擦伤、结构上的内圆
可导致金属的脆性破坏。在个别情况下，试样表面有几滴表面活性
的熔融金属润湿，就可引起低应力脆断。
③ 表面活性熔融物质的作用十分迅速。例如，对固体进行切削和磨 削加工，虽然加工速度达几十米每秒，活性物质的影响仍然十 分显著。 ④ 影响可逆，即从固体表面去除活性物质后，其表面机械性能一般 可以恢复。 ⑤ 拉应力和表面活性物质同时存在作用更明显。
(4)膜厚：有些薄膜的应力与膜厚的关系是一个N形。
(5)热处理：薄膜在空气中烘烤对于消除缺陷、减小应力有着重要的 作用。
在低温退火时，原子主要通过晶格振动交换能量，使位于畸变位置 的原子得到恢复；在较高温度下，产生体内和界面扩散，发生再结 晶，使晶粒增大，晶界减小，应力降低。
(6)时效：随着薄膜吸潮，应力可减小。对MgF2单层膜，应力可降低 50％左右。
(7)混合膜和多层膜：用具有压应力和张应力两种材料混合的单层膜 或由它们组成的多层膜可显著降低薄膜应力。
3-3 3-3-1
表面活性介质对力学性能的影响 Rebingry效应
固体的机械性能，诸如强度、塑性、耐磨性等都可能受到与其表面 接触的气体和液体的影响而产生显著变化。在许多情况下，这些环 境介质的作用会使固体强度大大降低。 因环境介质物理、化学的影响及表面自由能减小而导致固体表面强 度降低的现象，称为Rebingry效应。
内应力又称本征应力，它主要取决于薄膜的微观结构和缺陷等因素。 产生内应力的主要原因包括：
（1）沉积时真空室中的残余气体或者溅射时的工作气体进入薄
膜，薄膜晶格结构偏离于块状材料；
（2）薄膜晶格常数与基板晶格常数失配；
（3）薄膜中的再结晶；宏观微孔和薄膜相变等。
3-2-2
沉积工艺对应力的影响
(1)基板温度：基板温度既影响热应力，又影响内应力。 随着基板温度升高，内应力减小，热应力增加。
3．其它表面处理方法
表面处理的方法是多种多样的，各种处理方法对疲劳强度的影响 还有待于人们进一步的研究。 任何一种处理都会影响到表面对疲劳的抗力，但是究竟是增加还 是减少，增加或减少的程度如何，比较复杂。因为即使对于同一 种处理方法，例如电镀，镀层的种类可达上百种，各种镀层特性 不可能相同，因而会得出不同的结果。
Rebingry效应具有以下特点：
① 环境介质的影响有明显的化学特征，即并非任何液体金属都会改变 某一固体的金属性能，只有一定的对该固体表面具有活性的液体金 属才有上述的效果。如水银可降低锌的强度和塑性，但对同族元素 镉的机械性能无影响，尽管镉与锌的点阵类型也一样。 ② 溶解和腐蚀需要大量的介质，而Rebingri效应只需少量的表面活 性物质即可。在固体金属的表面仅需微米数量级的液体金属薄膜就
反之，碱金属卤化物的热膨胀系数约为(30～40)106／℃，金属沉积
在碱金属卤化物基板上时， f s 0，当T>0时，T 0，即金属膜 的热应力为压应力。
通过选择基板材料和沉积温度可以调节热应力的大小 和性质。 不过沉积温度的可调范围一般是有限的。 一般是调节膜层和基板材料的热膨胀系数。
TS 和TM分别为沉积和测量时的基板温度；f和s分别为薄膜和基板的 热膨胀系数；Ef为薄膜的杨氏模量。
如果Ef，f和s不随温度而变化，则上式改写成 T = (f s) Ef T 式中T= TS TM。 金属的热膨胀系数范围为(10～20)106／℃，玻璃的热膨胀系数约为 8106／℃，若以玻璃为基体，f s >0；在室温下测定高温时沉积于 玻璃上的金属膜，T>0，因此T >0，即金属膜的热应力是张应力。
要提高机件的耐磨寿命，最重要的有两点： 一是工程上的合理设计； 二是耐磨件的表面强化。 1．耐磨设计
耐磨性是由多个独立的理化或机械性质综合作用决定的，并不完全
依靠材料的某一种内在性质。
设计时应对零件的重要性、维修难易程度、产品成本、使用特点、
环境特点等预先进行综合考察。
2．抗磨材料的选择 在选择抗磨材料时必须查清影响产品寿命的基本因素和磨损 过程是否始终以同样的磨损机理进行等情况，然后进行选材。
在大部分情况下，Rebingry效应都是有害的
固体金属和金属熔融物接触是生产中最常见的情况。金属钎焊和焊接、
轴承熔化，用液体金属作润滑剂、原子反应堆、火箭装置、内燃机等
均有这种接触。
要减少其危害，可根据各种具体情况选用敏感性小的材料或低活性的