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1、材料成形技术基础材料成形技术基础 第第七章七章 表面技术表面技术第1页，本讲稿共44页第八章第八章 表面技术表面技术采用合理的表面技术，可以有效提高材料的表面性能，加强材料的表面防护，延长零件的使用寿命。表面技术的费用一般只占产品价格的5%10%，却可以大幅度地提高产品的性能和附加值。第2页，本讲稿共44页7.1 表面技术的基本原理表面技术的基本原理1表面技术概述表面技术概述 2.材料的表面特性材料的表面特性第3页，本讲稿共44页7.1 表面技术的基本原理表面技术的基本原理q表面技术表面技术(surface technology)是应用物理、化学、机械等方法，改变或控制材料表面的化学成分或组织
2、结构，以获得所需要的表面状态和性能，提高产品可靠性或延长产品使用寿命的各种技术的总称。7.1.1 表面技术概述1.表面技术的含义第4页，本讲稿共44页q按照表面技术的方法和手段分类，可以将表面技术分为三个大类：表面涂镀技术、表面改性技术和表面处理技术，如表7-1所示 2.表面技术的分类第5页，本讲稿共44页（1）表面涂镀技术）表面涂镀技术 q表面涂镀技术是通过涂覆或原子沉积等方式，在材料基体表面形成一层新的涂层或镀层，统称为覆盖层。第6页，本讲稿共44页（2）表面改性技术）表面改性技术 q表面改性技术是通过原子渗入或离子注入等方式，改变材料基体表层的化学成分，从而达到改变材料表面性能的目的。q
3、表面改性包括：化学热处理、离子注入、等离子扩散、阳极氧化、表面合金化等。第7页，本讲稿共44页（3）表面处理技术）表面处理技术 q常用的表面处理技术有表面热处理、激光重熔、喷丸强化等。第8页，本讲稿共44页3.表面技术的应用表面技术的应用（1）表面技术应用于结构材料（2）表面技术应用于功能材料 （3）表面技术应用于新材料的研究与开发 第9页，本讲稿共44页二、材料的表面特性二、材料的表面特性 q材料内部向表面依次为金属基体(metal substrate)、加工硬化层(work-hardened layer)、非晶态层(amorphous layer)、氧化层(oxide layer)、吸附气
4、体层(adsorbed gas)和污染层(contaminant)1.表面结构第10页，本讲稿共44页q固体表面具有吸附其他物质的能力。2.表面吸附（1）固体表面上气体的吸附 固体表面对气体的吸附可分为物理吸附和化学吸附两类。第11页，本讲稿共44页6.1 表面技术的基本原理表面技术的基本原理第12页，本讲稿共44页（2）固体表面上液体的吸附 固体表面对液体的吸附包括对电解质的吸附和非电解质的吸附。（3）固体表面之间的吸附 当两个固体表面之间接近到表面力作用的范围内（即原子间距离范围内）时，固体表面之间的将产生吸附作用。固体表面的污染会使粘附力大大减小。第13页，本讲稿共44页3.表面扩散表面
5、扩散q表面扩散表面扩散是指原子、离子、分子等单个实体在物体表面上的运动，其基本原因是通过热运动而活化的。q固体表面上的扩散包括两个方向的扩散：平行平行表面方向表面方向的扩散运动和垂直表面向内部垂直表面向内部的扩散运动。第14页，本讲稿共44页4.表面的钝化与活化表面的钝化与活化q金属表面钝化金属表面钝化是指由于金属表面状态的改变引起金属表面活性变化，使表面反应速度降低的现象。q金属在介质中，当在表面上生成一层致密的、覆盖完整的保护膜时，可以把金属与介质隔开，使表面反应速度明显下降，金属表面即转化为“钝化态钝化态”，这层保护膜称为“钝化钝化膜膜”。q金属的活化过程是钝化的相反过程，能够消除金属表
6、面钝化状态的因素都具有活化作用。第15页，本讲稿共44页8.2 表面成形的方法及设备表面成形的方法及设备1热喷涂热喷涂2.电镀电镀第16页，本讲稿共44页q热喷涂热喷涂(thermal spraying)是一种采用专用设备，利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高温气流将其吹成微小颗粒并喷射到零件表面，最终形成喷涂层的一种表面技术。1热喷涂 1.热喷涂概述第17页，本讲稿共44页从喷涂材料进入热源到形成涂层，喷涂过程一般经过如下4个阶段：（1）喷涂材料被加热熔化；（2）熔化的喷涂材料被雾化；（3）微细颗粒的喷射飞行；（4）颗粒在基体材料表面发生碰撞、变形、凝固和沉积。第18页，本讲稿共4
7、4页q涂层(coating)的形成过程表明，涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起而形成的层状组织结构，如图7-8所示。第19页，本讲稿共44页q涂层的结合包括涂层与基材表面的结合及涂层内聚的结合。前者的结合强度称为结合力，后者的结合强度称为内聚力。（1）机械结合 （2）冶金-化学结合 (3)物理结合一般情况下，涂层与基材表面的结合以机械结合为主。第20页，本讲稿共44页2.热喷涂技术的分类和特点热喷涂技术的分类和特点第21页，本讲稿共44页q热喷涂技术具有以下特点：（1）方法多样。（2）基材不受限制 。（3）可喷涂材料极为广泛 。（4）涂层广泛 （5）涂层厚度可以控制 （6）工艺简便
8、（7）操作环境差。第22页，本讲稿共44页3热喷涂技术的材料与设备热喷涂技术的材料与设备q热喷涂材料按形状分为：粉末、丝材、棒材三类；q从成分上主要分为：金属合金、陶瓷、复合、高分子四类；q从使用性能上又可分为：耐磨、耐蚀、抗高温、抗氧化、隔热、密封、吸波、润滑、减磨、防滑、绝缘和导电等类别。q工艺操作上又有底层材料、面层材料之分。第23页，本讲稿共44页第24页，本讲稿共44页q典型的线材火焰喷涂设备如图7-12所示，包括氧乙炔供给系统、压缩空气供给系统、气喷枪、控制装置等。第25页，本讲稿共44页4热喷涂技术的应用热喷涂技术的应用q（1）对于承载低的耐磨涂层和提高机件抗腐蚀性的耐蚀涂层，当
9、喷涂材料的熔点不超过2500C时，可采用设备简单、成本较低的火焰喷涂。（2）对于涂层性能要求较高或较为贵重的机件，特别是喷涂高熔点涂层材料时，宜采用等离子喷涂。（3）工程量大的耐蚀、耐磨金属涂层，宜采用电弧喷涂。（4）要求高结合力、低孔隙率的金属或合金涂层可采用气体火焰超音速喷涂，要求结合强度高、孔隙率低的金属和陶瓷涂层可采用超音速等离子喷涂。第26页，本讲稿共44页热喷涂黄铜制作仿汇丰铜狮 供应喷锌加工、喷铝加工热喷涂加工第27页，本讲稿共44页二二、电镀、电镀q电镀(electroplating)是金属电沉积技术之一，是通过电化学方法在固体表面上获得金属沉积层的过程。1.电镀概述第28页，
10、本讲稿共44页2.电镀的分类及特点电镀的分类及特点（1）外加电流的电镀方法 （2）化学镀 （3）表面转化 广义的电镀可以分为三大类，有外加电流的电镀、化学镀以及基体材料表面的转化。第29页，本讲稿共44页(1)电镀过程发生氧化还原反应，反应过程存在电子交换。（2）设备简单、投资小。（3）可以制备出种类和性能各异的多种镀层，应用广泛。（4）电镀过程的影响因素较多，特别是各类添加剂对电镀过程影响复杂。（5）存在一定的环境污染，如废液、废气等。电镀技术具有以下特点：第30页，本讲稿共44页3.电镀材料与设备电镀材料与设备q电镀过程中的主要材料为电镀溶液和电极。q电镀设备主要包括镀槽和直流电源等，企业
11、一般采用电镀生产线，以提高效率第31页，本讲稿共44页4.电镀技术的应用电镀技术的应用（1）电镀 电镀广泛应用于各种金属和非金属的防护和装饰，赋予这些基体材料各种所需的性能或功能（2）化学镀 化学镀层厚度均匀，可以在金属、非金属以及半导体处理上施镀，能够在复杂镀件上获得均匀的镀层。化学镀既可以镀较大的基体，又可以镀覆细小的粉末基体。（3）转化膜转化膜几乎在所有金属表面都能生成第32页，本讲稿共44页电镀产品第33页，本讲稿共44页8.3 表面成形工艺设计表面成形工艺设计1基体表面的预处理基体表面的预处理 2.热喷涂表面成形工艺热喷涂表面成形工艺 第34页，本讲稿共44页6.3 表面成形工艺设计
12、表面成形工艺设计q表面成形过程划分为三个阶段：表面预处理、表面成形和成形后处理。q表面预处理是在表面成形之前对基体材料进行机械、化学或电化学等方式的处理，使基体材料表面净化、粗化或钝化。q成形后处理通常是为了增强表面覆盖层的性能，弥补表面覆盖层的缺陷。第35页，本讲稿共44页1、基体表面的预处理基体表面的预处理 1.除油 常用的除油方法有：碱液除油、有机溶液除油、电化学除油等。2.除锈 除锈的主要目的在于去掉工件表面的锈迹、氧化皮以及各种腐蚀产物。除锈的方法有化学法、手工法、机械法等。3.表面精整 表面精整通过对基体材料进行处理，获得具有一定表面纹理和粗糙度要求的表面，以提高覆盖层与基体的结合
13、强度，获得优质的涂层。常用的基体表面精整方法有：磨光、抛光、滚光、喷丸等。第36页，本讲稿共44页2、热喷涂表面成形工艺、热喷涂表面成形工艺1.工件表面预处理工件表面预处理 基体表面预处理十分重要，具体包括表面预加、表面净化表面粗化三个表面处理工序。2.预热预热 预热的作用主要是：提高工件表面与熔粒的接触温度，有利于熔粒的变形和相互咬合以及提高沉积率；降低熔粒的冷凝速度，降低晶格内应力；使基材产生适当的热膨胀，在喷涂后随涂层一起冷却时，减少两者收缩量的差别，降低涂层的内应力：去除工件表面的水分。第37页，本讲稿共44页3.喷涂喷涂 喷涂材料的供给速度取决于热源功率和喷涂材料的性质，供给速度直接
14、影响沉积效率和涂层质量。4.后处理后处理 后处理包括封孔处理、特种后处理和涂层的机械加工三个部分。第38页，本讲稿共44页6.4 表面工程新技术表面工程新技术1气相沉积技术气相沉积技术 2.高能束表面改性技术高能束表面改性技术 第39页，本讲稿共44页6.4 表面工程新技术表面工程新技术1气气相沉积技术相沉积技术 气相沉积气相沉积(vapor deposition)是利用气相中发生物理、化学过程，在材料表面形成具有一定性能的金属、非金属或化合物覆盖层的工艺方法。第40页，本讲稿共44页 2.气相沉积技术的分类气相沉积技术的分类 （1）物理气相沉积）物理气相沉积（physical vapor d
15、eposition，PVD）物理气相沉积是在真空条件下，采用各种物理方法将固态的镀料转化为原子、分子或离子态的气相物质后再沉积于基体表面，从而形成固体薄膜的一类薄膜制备方法。1）真空蒸镀真空蒸镀 2）溅射镀膜溅射镀膜 3）离子镀膜离子镀膜（2）化学气相沉积）化学气相沉积（chemical vapor deposition，CVD）化学气相沉积是将含有组成膜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要薄膜的一类薄膜制备方法。第41页，本讲稿共44页第42页，本讲稿共44页 3.真空蒸镀真空蒸镀真空蒸镀是将待镀材料和工件置于真空室内，采用一定的方法加热待镀材料，使其蒸发汽化，以分子或原子状态，沉积到工件表面，从而凝聚成膜的工艺。该方法的优点是能在金属、半导体、绝缘体，甚至塑料、纸张、织物等表面上沉积金属、半导体、绝缘体、不同成分比的合金、化合物及部分有机聚合物薄膜。缺点是常常不能获得最佳特性的薄膜。第43页，本讲稿共44页1.表面改性表面改性 表面改性(surface modification)是指采用某种工艺手段，使材料表面获得不同于基体的组织结构和性能的一种技术。2.高能束表面改性技术的分类高能束表面改性技术的分类激光表面改性技术、离子束表面改性技术和电子束表面改性技术。2.高能束表面改性技术第44页，本讲稿共44页