材料工程基础课件作者毕大森6材料工程基础第六章节金属表面工程技术.ppt
材料工程基础机械工业出版社2011年2月第六章金属表面工程技术第六章金属表面工程技术6.1概述6.1.1表面工程及其作用1.表面工程的概念表面工程概念最早提出于20世纪80年代，1983年英国伯明翰大学沃尔夫森表面工程研究所的建立和1985年国际期刊《表面工程》的创刊是表面工程发展的重要标志。第六章金属表面工程技术表面工程是运用物理、化学、物理化学、电化学、冶金和机械等各种方法和原理，在表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术相结合来改变固体金属或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，获得所需表面性能的系统工程技术。 第六章 金属表面工程技术 2、表面工程的作用 1）提高耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗氧化、防辐射等性能； 2）提高处理表面的导热性或隔热性； 3）提高处理表面的导电性或绝缘性； 第六章 金属表面工程技术 4）提高处理表面的导磁性或电磁屏蔽性； 5）提高处理表面的光学性能（增光、反射性）或吸波性； 6）提高处理表面的黏附性或不黏性； 第六章 金属表面工程技术 7）提高处理表面的摩擦系数（增大或减小）； 8）提高处理表面的吸油性或干摩擦性； 9）实现表面装饰性或仿古效果。
第六章 金属表面工程技术 6.1.2 表面工程技术的分类 表面工程技术分为三大类，即表面改性、表面处理和表面涂覆。 表面改性是指通过改变基体表面的化学组成，达到改善表面结构和性能的目的。这种技术包括扩散注入、离子注入和转化化学膜技术等。 第六章 金属表面工程技术 表面处理是指在不改变基体表面化学组成的前提下，改变基体材料的表面结构，以提高其性能。这种技术包括表面变形处理、表面淬火和表面纳米处理等。 第六章 金属表面工程技术 表面涂覆是在基体表面形成涂覆（膜）层。涂覆层的厚度从几微米到几毫米，并且涂覆层的成分和结构与基体无关。因此，这种技术的应用非常广泛。 这类技术包括化学沉积、气相沉积、热喷涂、堆焊、熔覆、热浸镀、黏结涂覆等。 第六章 金属表面工程技术 6.1.3 表面工程技术的研究方向 表面工程的处理对象是金属或非金属固体表面，它以表面科学为理论基础，以表面与界面行为为研究对象，表面工程技术的目的是使基体表面经过表面处理后具有特定的性能。 第六章 金属表面工程技术 表面工程是一项系统工程，需要我们从多个科学领域去认识和研究，包括效能分析、检测技术、加工技术、表面质量控制、使用寿命评估、技术经济分析等。 第六章 金属表面工程技术 6.2 表面涂层技术 6.2.1 热喷涂技术 热喷涂技术是表面工程的重要组成部分，是一种对材料表面进行强化和改性的技术，可以使基体表面具有耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减摩和密封等性能。
第六章 金属表面工程技术 1.热喷涂的概念 热喷涂技术是利用火焰、等离子流、电弧等热源将粉末状（或丝状、或棒状）材料加热至熔融或半熔融状态，并加速（或雾化后加速）形成高速熔融液滴，以高速撞击基体，经展平、迅速冷却、凝固并沉积在基体表面形成覆盖层的成型工艺。 第六章 金属表面工程技术 热喷涂技术有以下特点。 1)基体材料选择范围广，喷涂前后基体材料性能几乎不发生变化。 2)喷涂材料选择范围广，种类多。 3)喷涂对象的大小和形状不受限制。 4)喷涂层内无气孔、氧化夹杂和残余应力。 第六章 金属表面工程技术 2.热喷涂技术的分类 根据热源形式的不同，热喷涂技术可分为四大类。 即火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和特种喷涂。 第六章 金属表面工程技术 热喷涂方法的分类 第六章 金属表面工程技术 3.热喷涂技术 （1）火焰喷涂技术 火焰喷涂是利用氧-燃料气体火焰为热源，将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，在高速气流作用下形成雾化粒子，高速冲击工件表面，从而形成具有一定性能涂层的工艺。 第六章 金属表面工程技术 1）丝材火焰喷涂。 喷枪通过气阀通入乙炔、氧气和压缩空气，在喷嘴出口产生燃烧火焰。喷枪内的驱动机构将丝材通过喷嘴中心孔连续地送入火焰中。 焊丝末端被火焰熔化，压缩空气使熔化的末端与焊丝分离并雾化，形成微小的雾化颗粒。
在火焰和气流的推动下，雾化粒子以高速撞击预处理的基体表面，形成涂层。 第六章 金属表面工程技术 丝材火焰喷涂基本原理 第六章 金属表面工程技术 2）粉末火焰喷涂。喷枪分别通过气阀引入燃料气和氧气，混合后在环形或梅花形喷嘴出口产生燃烧火焰。喷枪上装有粉斗或进粉管。利用送粉气流产生的负压和粉末自身的重力，将粉斗中的粉末吸入，使粉末随送粉气流进入火焰，被加热到熔融或半熔融状态。火焰流推动熔融的熔滴以一定的速度撞击预处理的基体表面，形成涂层。 第六章 金属表面工程技术 粉末火焰喷涂基本原理 第六章 金属表面工程技术 3）高速（超音速）火焰喷涂。 其系统由喷枪、控制台、送粉器、冷却系统等组成，又分为气体高速火焰喷涂和燃料高速火焰喷涂。火焰和喷涂粒子速度较高，粒子与周围大气接触时间短，不易被氧化，因此高速火焰喷涂涂层致密，结合强度高（可达），表面粗糙度低。第六章金属表面工程技术（2）电弧喷涂技术电弧喷涂是利用两根待喷涂的金属丝作为自耗电极，通入交流或直流电，利用两丝端部接触时短路产生的电弧作为热源，使金属熔化的一种工艺。高压气体将电弧熔化的金属雾化，形成雾化粒子，雾化粒子以高速冲击到工件表面上，从而形成具有一定性能的涂层。
第六章 金属表面工程技术 电弧喷涂原理图 第六章 金属表面工程技术 电弧喷涂技术具有热效率高、生产率高、与基体的结合强度高、喷涂成本低、设备简单、操作方便等特点，因此电弧喷涂技术在现代工业生产中得到广泛的应用，可应用于机械、冶金、交通运输等许多领域的防腐、耐磨、维修等。但电弧喷涂只能喷涂导电材料，在一定程度上限制了它的应用。 第六章 金属表面工程技术 （3）等离子喷涂技术 等离子喷涂法是采用刚性非转移等离子弧作为高温热源，主要喷涂粉末材料，将喷涂粉末加热到熔化或熔融状态，在等离子射流的加速作用下获得很高的速度，喷涂到基体表面形成涂层。 第六章 金属表面工程技术 等离子喷涂技术具有喷涂效率高、涂层致密（孔隙率可控制在1%~10%）、与基体的结合强度高（可达60~70 N/mm2）、受零件热变形影响极小等优点，因此等离子喷涂技术在现代工业和尖端科学技术领域中得到了广泛的应用。 第六章 金属表面工程技术 1）气体稳定等离子喷涂。气体稳定等离子喷涂主要用于制备耐磨、耐蚀、隔热、绝缘、耐高温等质量要求较高的涂层。 2）水稳定等离子喷涂。水稳定等离子喷涂的离子弧具有氧化性，不宜喷涂易氧化的金属粉末，主要用于制备陶瓷涂层。 第六章 金属表面工程技术 气体稳定等离子喷涂的基本原理 第六章 金属表面工程技术 水稳定等离子喷涂的基本原理 第六章 金属表面工程技术 (4)其他喷涂技术 1)爆炸喷涂。
气体爆炸喷涂技术是利用可燃气体混合物的定向爆炸，加热、加速、轰击被喷涂粉末材料到基体表面，形成具有一定性能涂层的喷涂技术。 第六章 金属表面工程技术 2）冷喷涂。冷喷涂是利用高速固体粒子与工件发生塑性碰撞，沉积在工件上获得涂层的一种新工艺。冷喷涂涂层组织致密，结合强度高，无氧化夹杂物；涂层内残余应力小，压缩性好，容易制备较厚的涂层；可以喷涂易氧化、对温度敏感的材料，粉末颗粒可回收再利用。对基体几乎没有热影响。 第六章 金属表面工程技术 4.热喷涂工艺 第六章 金属表面工程技术 （1）工件表面预处理 工件表面预处理是将待喷涂的基体表面清理、粗化、修整成适当的形状，以提高涂层与基体的结合性能。 它是工件喷涂前必不可少的一道工序，是保证涂层与基体结合强度的主要手段之一。 第六章 金属表面工程技术 （2）预热 工件预热有助于活化工件表面，增加涂层与基体结合强度；有助于降低熔融熔滴的冷却速度，减少内应力；有助于降低涂层与基体之间的温差，降低涂层残余应力。一般采用氧-乙炔火焰预热，预热温度一般为80~120℃。 第六章 金属表面工程技术 （3）底涂 采用结合基体材料的底涂，不但能与洁净、光滑的表面结合形成结合牢固的涂层，而且能与随后喷涂的工作涂层有良好的结合。
用结合底漆打底的涂层通常比未打底的涂层结合强度高，其中Ni-Al结合底漆高温性能好，应用最为广泛。 第六章 金属表面工程技术 (4)喷涂工作层 制备热喷涂涂层时，喷涂方法和喷涂工艺参数的选择非常重要。不同的喷涂方法各有优缺点，应根据实际需要合理选择；影响涂层质量的喷涂工艺参数涉及热源、材料、雾化、操作等多个方面，主要工艺参数多达十几个。 第六章 金属表面工程技术 (5)涂层的后处理 大多数热喷涂涂层都采用后处理的方法来提高涂层的性能。常见的涂层后处理方法有：封孔处理、强化处理、扩散处理和机械加工等。 第六章 金属表面工程技术 6.2.2 表面涂层技术 1.电镀技术 (1)电镀的基本原理 电镀是金属电沉积技术之一。 它是用电化学方法在固体表面上沉积一层金属或合金的过程。 第六章 金属表面工程技术 （2）单金属电镀 单金属电镀是指镀液中只含一种金属离子，镀后形成单一金属镀层的方法。 常用的单金属电镀方法有镀锌、镀铜、镀镍、镀铬、镀锡等，不仅可作为钢铁件的防腐，而且还有装饰功能和改善焊接性的特点。 第六章 金属表面工程技术 1）镀锌。锌的标准电极电位为-0.76V。对于钢铁基体来说，锌镀层属于阳极镀层，主要用于防止钢铁的腐蚀。
电镀锌工艺分氰化物镀锌和非氰化物镀锌两大类。 2）电镀铜。铜的电位比铁正，镀铜层的化学稳定性差，钢件上的镀铜不能起到很好的防腐作用。 第六章 金属表面工程技术 3）电镀镍。为了满足耐蚀性、力学性能、物理性能、装饰性能等多种用途的需要，已开发出各种类型的镀镍溶液。镍镀层相对于铁基体而言属阴极镀层，防护性能与孔隙率密切相关，镍镀层往往呈多孔状，因此在钢件上常采用铜镍铬防护层。 第六章 金属表面工程技术 4）电镀铬。铬是最重要的防护装饰镀层之一，镀层硬度高，耐磨，常用于零件修复或易磨损件的电镀。 包括普通镀铬和硬铬镀层。 第六章 金属表面工程技术 (3)电镀合金 电镀合金是利用电化学方法将两种或两种以上金属(包括非金属)共同沉积的过程。合金镀层是指含有两种或两种以上金属的镀层。合金电镀的镀液大致可分为简单盐镀液、复合镀液、有机溶剂镀液和熔融盐镀液四个体系。 第六章 金属表面工程技术 (4)复合电镀 复合电镀是将不溶于镀液的某种固体粒子通过搅拌，使固体粒子均匀地悬浮在镀液中，用一般电镀或化学镀的方法，将镀液中的某种单一金属或合金组份共同沉积在阴极上的过程。 第六章 金属表面工程技术 复合电镀有以下特点： ①复合镀不需要加热； ②在同一基体金属或合金中可以沉积一种或多种不同性质的固体粒子，相同的固体粒子也可以沉积在不同基体金属或合金中，从而获得各种各样复合镀层；③复合电镀的经济效益十分显著；第四章 金属表面工程技术④适当设计阳极、夹具和施镀参数，可以在形状复杂的基体上获得均匀的复合镀层，在局部部位也能镀上复合镀层；⑤与其他复合材料制备技术相比，复合电镀投资少，操作简单，容易控制，生产成本低，能耗少。
第六章 金属表面工程技术 2.刷镀技术 （1）刷镀工作原理 电源正极接镀笔，为阳极。电源负极接零件，为阴极。镀笔以一定的相对速度，并保持适当的压力在零件表面刷镀。这样，在镀笔接触零件的部位，镀液中的金属离子在电场力的作用下向零件表面扩散，形成镀层。 第六章 金属表面工程技术 刷镀工作原理示意图 第六章 金属表面工程技术 （2）刷镀技术的特点 1）刷镀设备的特点。主要特点是刷镀设备多为便携式或移动式，体积小，重量轻，便于现场使用和现场修复。 第六章 金属表面工程技术 2）刷镀溶液的特点。大多数金属镀液都是有机螯合物的水溶液； 除极少数有特殊要求的镀液(金、银)外，其余镀液均不含氰化物；镀液中金属离子含量高，沉积速度快；多数溶液的pH值在4～10之间，腐蚀性较低。第六章金属表面工程技术3)刷镀的工艺特点。 工序号 工序名称 工序内容及目的 备注 1 表面准备 脱脂、打磨表面，保护非镀层表面 2 电清洗 电化学脱脂 一般为正极 3 强活化 电蚀表面，除锈，去除疲劳层 极性为反极 4 弱活化 电蚀表面，去除碳钢表面炭黑 极性为反极 5 底镀 良好的底镀层，提高界面结合强度 极性为正极 6 定径镀层 迅速恢复工件尺寸 极性为正极 7 工作层镀层达到尺寸精度，满足表面性能要求 极性为正极 8 镀后处理 吹干、烘干、脱脂、低温回火、打磨、抛光等 根据要求选择 第六章 金属表面工程技术 (3) 刷镀 镀层性能及试验方法 刷镀技术主要用于修复机械零件，因此通常要求镀层具有优良的力学性能，特别是要有良好的结合强度。
第六章 金属表面工程技术 常见的镀层检测有：镀层外观检查、镀层厚度测量、镀层与母材结合强度测量、镀层硬度、耐磨性、镀层应力、孔隙率、耐腐蚀性、疲劳强度、氢脆及金相组织检测等。 第六章 金属表面工程技术 3、化学镀技术 1）化学镀是在不借助外加电流的情况下，在金属表面的催化作用下，通过可控的化学还原作用进行的金属沉积过程。化学镀是由溶液中的化学反应提供的，更确切地说是由化学反应物之一的还原剂提供的。这个过程的本质是氧化还原反应，仍有电子的转移，但它是不需要外加电源的化学沉积过程。 第六章 金属表面工程技术 1）置换法。把一种具有强还原性的金属放入另一种具有强氧化性的金属盐溶液中，强还原性的金属作为还原剂，它给出的电子被溶液中的金属离子接受后，在母材金属表面沉积一层由溶液中所含的金属离子构成的金属镀层。 第六章 金属表面工程技术 2）接触镀。将待镀金属工件与另一辅助金属接触，然后浸入沉积有金属盐的溶液中，辅助金属的电位应低于沉积金属的电位。金属工件与辅助金属浸入溶液后，形成原电池，后者活性很强，为阳极，被镀层被溶解并放出电子，由溶液中的金属离子还原而成的金属层将沉积在阴极工件上。 第六章 金属表面工程技术 3）还原法。在溶液中加入还原剂，它被氧化后所提供的电子将还原而沉积出金属镀层。
（2）化学镀的特点 1）镀层厚度均匀； 2）镀层外观良好； 3）不需要电解设备及辅件； 4）可沉积在非金属上。 第六章 金属表面工程技术 （3）化学镀的种类及各自的用途 1）化学镀镍 2）化学镀铜 3）化学镀钴 4）化学镀银 5）其他化学金属镀层 第六章 金属表面工程技术 6.2.3 表面沉积技术 1.物理气相沉积技术 物理气相沉积（Vapor，简称PVD）是利用热蒸发、溅射或辉光放电、电弧放电等物理过程，在基体表面沉积所需镀层的技术。 第六章 金属表面工程技术 用物理气相沉积可以镀各种金属、合金、氧化物、氮化物、碳化物等，也可以镀金属与化合物的多层或复合层；镀层结合力强； 其工艺温度较低，工件一般不会发生热变形、材料劣化等问题；另外该过程主要通过电参数控制，易于调整；不污染环境。但设备通常较复杂，一次性投资较大。 第六章 金属表面工程技术 （1）真空蒸镀 真空蒸镀是将蒸镀材料在真空容器中加热，当达到适当温度时，大量分子或原子离开表面进入气相，直接到达基体表面凝结成膜。 第六章 金属表面工程技术 真空蒸镀原理图 第六章 金属表面工程技术 （2）溅射 溅射是在真空条件下通入氩气，使其发生辉光放电，电离出带正电的高能氩离子。 在强电场作用下，轰击阴极靶材，溅射出原子或其他粒子，这些粒子沉积并凝聚在基片表面形成薄膜，这就叫溅射。
溅射沉积面积大，可连续生产，能溅射任何材料，镀层结构致密，无孔隙。第六章金属表面工程技术二极管直流溅射装置示意图第六章金属表面工程技术四极子溅射原理示意图第六章金属表面工程技术3）磁控溅射。在垂直于靶阴极电场的方向加横向磁场，在电磁场作用下，从靶面射出的初始电子被压缩在靶面附近做回旋运动，延长了到阳极的距离，大大增加了与气体原子碰撞的几率，从而提高了溅射速率。电流密度为3~10mA/cm2。沉积速率为6000埃/分。 第六章 金属表面工程技术 磁控溅射原理示意图 第六章 金属表面工程技术 （3）离子镀 在真空条件下，利用惰性气体与反应气体为介质，利用气体放电使气体或蒸发物质发生电离，在气体离子或蒸发物质离子轰击的同时，使蒸发物质或其反应物在基体上形成薄膜。这种技术称为离子镀。 第六章 金属表面工程技术 离子镀装置示意图 第六章 金属表面工程技术 2、化学气相沉积技术 化学气相沉积（CVD）是一种化学气相生长法。该方法是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物或简单气体供给到基体上，通过气相作用或化学反应在基体表面生成所需的薄膜。 第六章 金属表面工程技术 典型CVD系统示意图（沉积TiN薄膜） 第六章 金属表面工程技术 典型的CVD反应有： 1）热分解反应：如SiH4——Si+2H2； 2）还原反应：如WF6+3H2——W+6HF；SiCl4+2H2——Si+4HCl； 3）氧化反应：如SiH4+O2——SiO2+2H2； 4）水解反应：如+3H2O——Al2O3+6HCl； 第六章 金属表面工程技术 5）合成或置换反应：如SiCl4+CH4——SiC+4HCl；+2N2+4H2——2TiN+N2+8HCl；TiCl4+CH4+H2——TiC+H2+4HCl。
许多涂层的沉积过程都包括上述两个或多个基本反应。 第六章 金属表面工程技术 CVD法与PVD相比，有以下特点： ①设备简单，操作维护方便，灵活性强，只要稍加改变原料气体和采用不同的工艺参数，就能够制备出不同性能的单一或复合涂层； ②适用于涂覆各种复杂形状的工件。由于其施镀性能良好，所以可以在带有凹槽、沟渠、孔洞，甚至盲孔的工件上进行涂覆； 第六章 金属表面工程技术 ③由于沉积温度高，涂层与基体结合良好，使得经过CVD处理的工件即使在非常恶劣的加工条件下也不会脱落； ④涂层致密均匀，其纯度、组织和晶粒尺寸可以控制。 第六章 金属表面工程技术 6.3 特种表面技术 6.3.1 烧结技术 1.烧结技术概念 烧结技术是一种新兴的现代表面冶金技术，是通过改变基体材料工作表面的成分和组织，从而获得能满足耐磨、耐腐蚀等各种使用要求的物理和化学性能。 第六章 金属表面工程技术 烧结技术可用来制备各种玻璃陶瓷材料和合金涂层。它可以单独使用，也可以与喷涂、电镀等其它工艺配合使用。最常用的烧结技术有：烧结钎焊、烧结成型、烧结封孔、涂层制备等。 第六章 金属表面工程技术 2.烧结方法 （1）火焰粉末喷涂 火焰粉末喷涂是利用火焰作为热源来产生熔覆层，它包括喷涂和重熔两道工序。
喷涂过程与第6章金属表面工程技术相同（2）真空烧结的烧结技术是将足够的热能在某些真空状态下涂层的倒数金属表面，以便在基本表面上预先涂层的涂层在基本表面上融化并在短时间内散发涂层，然后散发涂层。在一定程度上，将在涂层的内部界面和基座的内部界面上形成狭窄的溶解区。在内部，非常小且易于控制。 第6章金属表面工程技术很大，可以准确地引导到表面的不同部分或在某个区域中扫描。并具有易于传输，开关和自动控制的优势。 热量从工件的表面迅速转移到矩阵的内部，表面迅速冷却（冷却速率可以达到104℃/s甚至1016℃/s），这是一种自冷淬火的过程方法，因此也称为激光淬火。
第6章金属表面工程技术2.激光表面激光表面合金化是一种使用激光束融化合金粉末和衬底的方法，然后迅速固化，在表面上获得合金层，不仅会变化。合金。它使用激光加热仅在底物材料的表面上融化，同时添加其他合金组件，然后融化在一起，然后迅速固化，以形成新的合金合金材料。 ER到零件的表面，并为零件提供特殊的功能。 第6章金属工程技术2.表面涂料过程通常包括以下步骤：确定表面处理，固化，检查和后处理。它也可以在设备维护中发挥重要作用。
第6章金属表面工程技术由润滑剂中的活跃成分组成，在固体表面上形成了固体膜的存在，可以减少摩擦和低速度的摩擦。物理吸附膜主要作用于分子的力量，因此粘结能量较弱。吸附膜通常会首先形成物理吸附，然后在界面上进行吸附反应，以转化化学吸附膜。 第6章金属表面工程技术3.氧化物氧化物膜很容易在与含氧的大气中接触，尤其是在没有润滑油的情况下，氧化物膜的形成过程首先发生氧化物化学吸附剂，然后是氧气表面反应的化学反应。并且润滑油中的添加剂（有时还包括气体介质）。
第6章金属工程技术的应用可以减少机械设备的摩擦和磨损，并降低能量消耗的关键。火焰的原理，弧形喷涂4.电镀和刷子的基本原理是什么？