表面技術(shù)相關(guān)練習(xí)題及答案

1、表面技術(shù)相關(guān)作業(yè)題陳慶強(qiáng)第一章1. 找找看，在我們身邊有哪些使用了表面工程技術(shù)的物品? 答：金屬零件防腐，建筑物涂層，家具的涂層等。2. 表面工程技術(shù)的目的和作用是什么?答：表面工程技術(shù)的目的和作用主要是為了獲得更好的表面性能，如機(jī)械性能、可加工性、抗磨性、熱特性、電特性、電磁性、光特性、裝飾性等。3. 查閱資料，探討表面工程技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)、新方向? 答：發(fā)展方向主要有：新型涂層、發(fā)展復(fù)合表面技術(shù)、納米表面工程、傳統(tǒng)表面工程技術(shù)的創(chuàng)新、表面工程領(lǐng)域中的清潔生產(chǎn)等。第二章4. 為什么會(huì)造成表面原子的重組？答：大多數(shù)金屬表面上的點(diǎn)陣類型與體相的類型是一致的，即表面單胞等于體相單胞在表面的投影，或

2、為（1X1）表面結(jié)構(gòu)。但是表面使原子的周期排列受到破壞，尤其在表面吸附物質(zhì)的作用下，表面的鍵合作用難免會(huì)重新調(diào)整以達(dá)到平衡，即導(dǎo)致原子的重排。5. 什么是實(shí)際表面？什么是清潔表面？什么是理想表面？答：實(shí)際表面是指暴露在未加工控制的大氣環(huán)境中的固體表面，或者經(jīng)過一定加工處理（切割、研磨、拋光、清洗等），保持在常溫和常壓（也可能再低真空或高溫）下的表面。這種表面可能是單晶或多晶，也可能是粉體或非晶體。這是在日常工作和生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的表面，又稱真實(shí)表面；清潔表面是指經(jīng)過特殊處理后，保持在超高真空條件下，使外來污染少到不能用一般表面分析方法探測(cè)到的表面；理想表面是一種理論上結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面。它可

3、以想象成將一塊無限大的晶體，從中間剖開，將其分成兩部分后所形成的表面，并認(rèn)為半無限晶體中的原子位置和結(jié)構(gòu)的周期性與原來的無限晶體完全一樣，但這種理想表面在自然界中是不存在的。6. 清潔表面有什么特點(diǎn)？答：表面重構(gòu)：平行基底的表面上，原子的平移對(duì)稱性與體內(nèi)顯著不同，原子位置作了較大幅度的調(diào)整。表面馳豫：表面的原子周期性突然破壞，表面上的原子會(huì)發(fā)生相對(duì)于正常位置的上、下位移以降低體系能量，表面上原子的這種位移稱為表面馳豫。 表面偏析：表面原子從內(nèi)部分凝出來?；瘜W(xué)吸附：外來原子吸附于表面并形成化學(xué)鍵臺(tái)階：表面原子形成臺(tái)階結(jié)構(gòu)。 化合物：外來原子進(jìn)入表面，并與表面原子形成化合物第三章7. 表面預(yù)處理的

4、目的和重要性。答 清除被處理材料表面附著的雜質(zhì)，使表面潔凈并處于活性狀態(tài)！ 有利于提高涂層與基體材料之間的結(jié)合強(qiáng)度。 8. 預(yù)處理工藝：機(jī)械清理、脫脂、浸蝕。答：機(jī)械清理：借助機(jī)械力除去材料表面上的腐蝕產(chǎn)物、油污及其他各種雜物。方法主要有磨光、拋光、滾光、光飾和噴砂等。脫脂：去除被處理零件表面的油污，主要方法有：溶劑法、化學(xué)法、電化學(xué)法。浸蝕的目的是除去金屬表面的氧化物，有的還可以改變零件的表面狀況。它分為化學(xué)浸蝕和電化學(xué)浸蝕兩種。第四、五章9. 堆焊與一般焊接的區(qū)別及特性答：堆焊：用電焊或氣焊法把金屬熔化，堆在工具或機(jī)器零件上的焊接法。通常用來修復(fù)磨損和崩裂部分。堆焊的特點(diǎn)：堆焊層與基體金屬

5、的結(jié)合是冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，抗沖擊性能好。堆焊材料與基體往往差別很大，因而具有異種金屬焊接的特點(diǎn)。為保證堆焊層自身高性能，要求盡可能低的稀釋率。堆焊層厚度大，一般堆焊層厚度可在230mm 內(nèi)調(diào)節(jié)，更適合于嚴(yán)重磨損的工況。10. 什么是熔合區(qū)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是什么？答：熔合區(qū)指的是堆焊層與基體之間的分界區(qū)，一般包括熔合線和具有結(jié)晶層和擴(kuò)散層的過渡區(qū)段，該區(qū)段內(nèi)成分是不固定的，它與基體之間的界線成為融合線。熔合區(qū)的化學(xué)成分介于基材和堆焊層之間，性能也不同于基材。11. 等離子噴焊的特點(diǎn)？答: 屬高能束，能量集中、熱利用率高、熔敷速度高、熔深淺。稀釋率低，電弧穩(wěn)定、 挺直度好，易保持方向性，焊接填充材

6、料的送給是獨(dú)立控制的，所以稀釋率和堆焊層 尺寸便于控制。通過噴焊電流、電壓、送粉速度、槍-工件相對(duì)移動(dòng)速度、焊槍擺幅的調(diào)節(jié)，可使噴焊層厚度、寬度在很大范圍內(nèi)變化。(3)對(duì)經(jīng)預(yù)熱的自熔性合金粉末涂層再加熱至10001300，使顆粒熔化，造渣上浮到涂層表面，生成的硼化物和硅化物彌散在涂層中，使顆粒間和基體表面達(dá)到良好結(jié)合。(4)最終沉積物是致密的金屬結(jié)晶組織并與基體形成冶金結(jié)合，其結(jié)合強(qiáng)度約300-400MPa，抗沖擊性能較好、耐磨、耐腐蝕第七章12. 對(duì)比分析鋼鐵發(fā)藍(lán)、陽極氧化及微弧氧化工藝原理。答：鋼鐵發(fā)藍(lán)即鋼鐵的化學(xué)氧化，是指鋼鐵在含有氧化劑的溶液中進(jìn)行處理，使其表面生成一層均勻的藍(lán)黑到黑色

7、膜層的過程。氧化膜主要由Fe3O4組成，膜厚一般為0.51.5mm，最厚可達(dá)2.5mm。依據(jù)鋼鐵的成分、表面狀態(tài)和氧化操作條件的不同，氧化膜的顏色呈灰黑、深黑或藍(lán)黑色，故習(xí)慣上又稱為發(fā)藍(lán)或發(fā)黑。陽極氧化實(shí)際上是電化學(xué)氧化，鋼鐵表面化學(xué)氧化生成的氧化膜是由Fe3O4組成，這一轉(zhuǎn)化膜的形成是一種電化學(xué)和化學(xué)過程。電化學(xué)過程如下：l 由于鋼鐵表面是不均勻的，當(dāng)將其浸入電解質(zhì)溶液中時(shí)，表面上將形成無數(shù)微電池。l 在微陽極區(qū)發(fā)生鐵的溶解：Fe = Fe2+ + 2e l 在有氧化劑的強(qiáng)堿性介質(zhì)中，溶解的鐵發(fā)生轉(zhuǎn)化，生成鐵酸：6Fe2+ + NO2- + 11OH- = 6HFeO2 + H2O + NH

8、3 l 在微陰極區(qū)鐵酸被還原: HFeO2 + e = HFeO2- l 隨之，HFeO2與HFeO2- 相互作用，并脫水生成磁性氧化鐵l 2HFeO2 + HFeO2- = Fe3O4 + OH- + H2O 化學(xué)過程：l 鋼鐵表面在熱堿溶液和氧化劑作用下生成亞鐵酸鈉 4Fe + NaNO3 + 7NaOH = 4Na2FeO2 + 2H2O + NH3 ­ 3Fe + NaNO2 + 5NaOH = 3Na2FeO2 + H2O + NH3 ­ l 亞鐵酸鈉進(jìn)一步與溶液中的氧化劑反應(yīng)生成鐵酸鈉 2Na2FeO2 + NaNO3 + H2O = Na2Fe2O4 + Na

9、NO2 + 2NaOH 6Na2FeO2 + NaNO2 + 5H2O = 3Na2Fe2O4 + 7NaOH + NH3 ­ 鐵酸鈉(Na2Fe2O4)與亞鐵酸鈉(Na2FeO2)相互作用生成磁性氧化鐵 Na2Fe2O4 + Na2FeO2 +2H2O = Fe3O4 + 4NaOH氧化膜的形成：n 通過電化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)在鋼鐵表面附近生成Fe3O4。n 由于Fe3O4在濃堿溶液中的溶解度極小，很快就從 溶液中結(jié)晶析出，在鋼鐵表面形成晶核，n 晶核逐漸長大，形成一層連續(xù)致密的黑色氧化膜。掛灰：n 在形成Fe3O4的同時(shí)，部分鐵酸鈉發(fā)生水解變?yōu)闅溲趸F(含水氧化鐵) Na2Fe2O

10、4 + (m+1)H2O = Fe2O3·mH2O + 2NaOH n 含水氧化鐵在較高溫度下失去部分水而形成紅色沉淀物附在氧化膜表面，成為紅色掛灰而影響氧化膜的質(zhì)量。 氧化膜的后處理：為了提高化學(xué)氧化膜的抗蝕能力，氧化后應(yīng)進(jìn)行填充處理。方法是：Ø 3050g/L的肥皂水溶液，8090，浸泡12分鐘。Ø 5080g/L的重鉻酸鉀(K2Cr2O7)溶液，7080，浸泡510分鐘。Ø 微弧氧化微弧氧化又稱微等離子體氧化，是通過電解液與相應(yīng)電參數(shù)的組合，通過在鋁、鎂、鈦及其合金表面依靠弧光放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫高壓作用，生長出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜層。其實(shí)質(zhì)

11、是在普通陽極氧化的基礎(chǔ)上，通過弧光放電增強(qiáng)并激活在陽極上發(fā)生的反應(yīng)，從而形成了強(qiáng)化陶瓷膜。 涂層形成機(jī)理：將鋁、鎂、鈦合金樣品置于脈沖電場環(huán)境電解液中；樣品表面因受端電壓作用而發(fā)生微弧放電；所產(chǎn)生的高溫高壓條件使微區(qū)的鋁、鎂原子與溶液中的活化氧離子結(jié)合生成有陶瓷結(jié)構(gòu)特征的氧化層。反應(yīng)過程分為陽極氧化階段、火花放電階段、微弧氧化階段和熄弧階段。 放電結(jié)束后，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)歷了一個(gè)熔融、冷卻和凝固的過程，在放電通道內(nèi)積累，使陶瓷膜的厚度增長。第八章13. 物理與化學(xué)氣相沉積原理，特點(diǎn)及分類答：物理氣相沉積是指在真空條件下，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

12、的方法。包括真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍膜?；瘜W(xué)氣相沉積是指把含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物、單質(zhì)氣體供給基體，借助氣相作用或在基體表面上的化學(xué)反應(yīng)在基體上制得金屬或化合物薄膜的方法。CVD包括常壓化學(xué)氣相沉積、低壓化學(xué)氣相沉積、等離子化學(xué)氣相沉積。原理過程：反應(yīng)氣體擴(kuò)散至工件表面；反應(yīng)氣體分子被基材表面吸附；在基材表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形核等； 生成物從基材表面擴(kuò)散主要特點(diǎn)有： 在中溫或高溫下，通過氣態(tài)的初始化合物之間的氣相化學(xué)反應(yīng)而沉積固體； 可以在大氣壓(常壓)或者低于大氣壓(低壓)下進(jìn)行沉積。 采用等離子和激光輔助技術(shù)可以顯著地促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，使沉積可在較低的溫度下進(jìn)行； 鍍層的化學(xué)成分可

13、以改變，從而獲得梯度沉積物或者得到混和鍍層； 可以控制鍍層的密度和純度； 繞鍍性好，可在復(fù)雜形狀的基體上以及顆粒材料上鍍制；沉積層通常具有柱狀晶結(jié)構(gòu)，不耐彎曲。但通過各種技術(shù)對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行氣相擾動(dòng)，可以得到細(xì)晶粒的等軸沉積層可以形成多種金屬、合金、陶瓷和化合物層。14. 化學(xué)氣相反應(yīng)類型有哪些？答：熱分解反應(yīng)、還原反應(yīng)、氧化反應(yīng)、水解反應(yīng)、氮化反應(yīng)或氨解反應(yīng)、碳化反應(yīng)、歧化反應(yīng)、合成反應(yīng)、基體反應(yīng)、等離子體激發(fā)反應(yīng)、光激發(fā)反應(yīng)、激光激發(fā)反應(yīng)、第九章15. 激光淬火、激光熔凝、激光熔覆以及激光表面合金化有何相同處和不同處？答：它們都屬于激光表面改性的方法，激光淬火不改變基材表面成分，激光熔覆以及

14、激光表面合金化改變基材表面成分16. 什么是離子注入？ 答：離子束射到固體材料以后，受到固體材料的抵抗而速度慢慢減低下來，并最終停留在固體材料中，這一現(xiàn)象就叫做離子注入。第十章17. 熱浸鍍的基本過程是什么？控制步驟是什么？ 答: 熱浸鍍的基本過程是:預(yù)鍍件à 前處理 à 熱浸鍍 à 后處理 à 制品溶劑處理是保證熱浸鍍層質(zhì)量不可缺少的關(guān)鍵程序。18. 形成熱浸鍍層應(yīng)滿足什么條件？答：鍍層的形成主要依靠加熱擴(kuò)散的作用，所得鍍層（滲層）與基體金屬之間是形成冶金結(jié)合-結(jié)合牢固，不脫落 ；合金層是由兩種金屬組成的金屬間化合物。這一部分的鍍層有少量的基體金屬相微

15、量夾雜，因而使其結(jié)構(gòu)與性能也與純金屬有所不同。19. 簡述鋼材熱鍍鋁時(shí)擴(kuò)散層的形成過程。答：(1)當(dāng)鐵浸于熔融鋁時(shí)，表面發(fā)生浸潤、溶解和相互擴(kuò)散形成擴(kuò)散層。(2)鋁中鐵濃度增大，形成金屬間化合物FeAl3(3)隨著兩種金屬原子的相互擴(kuò)散，層的厚度達(dá)到一定值，并出現(xiàn)Fe2A15相(4) 柱狀晶生長，F(xiàn)e2A15轉(zhuǎn)變?yōu)镕eAl3(5)由于Fe2A15的生長和鐵向鋁中擴(kuò)散速度的增大，使鋁在鐵中的固溶區(qū)消失(6)在整個(gè)擴(kuò)散層中，除相外幾乎無其他相存在20. 熱鍍鋁的優(yōu)缺點(diǎn)怎樣？答：優(yōu)點(diǎn)：良好的耐熱性（抗高溫氧化性）、良好的耐腐蝕性、對(duì)光和熱的良好反應(yīng)性缺點(diǎn)：鍍層含有金屬間化合物脆性相，使其加工性變壞，鋼材表面被鋁液侵蝕并溶解在鋁液中，而使鋁層含有雜質(zhì)鐵，從而影響其耐腐蝕性；鍍鋁的溫度仍然偏高，而影響鋁鍋的使用壽命；鍍層表面易粘服鋁渣而影響其外觀等第十一章21. 鋼工件，滲碳熱處理后空冷，隨后進(jìn)行正常的淬火、回火處理，試分析工件在滲碳空冷后及淬火回火后，由表面到心部的組織。答: 緩冷后組織： 過共析 共析 亞共析 心部 P+Fe3C p P+F F + P少淬火后組織： 高碳M + Fe3 C +Ar 低碳M +F（少量） 硬度： 高 低22.