表面工程學(xué)-復(fù)習(xí)資料

第一章緒論表面工程技術(shù)：為滿足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、結(jié)構(gòu)和性能的化學(xué)、物理方法與工藝。表面工程技術(shù)內(nèi)涵：表面改性技術(shù)。能夠提高零部件表面的耐磨性、耐蝕性、抗高溫氧化性能，或使材料表面具有特殊功能（磁性能、光電性能）的有關(guān)技術(shù)。表面加工技術(shù)。能在單晶硅表面制作大規(guī)模集成電路的光刻技術(shù)、離子刻蝕技術(shù)。表面合成技術(shù)。借助各種手段在材料表面合成新材料的技術(shù)，離子注入制備或合成新材料。表面加工三維合成技術(shù)將二維表面加工累積成三維零件的快速原型制造技術(shù)。上述幾個要點的組合或綜合表面工程技術(shù)的分類：表面改性技術(shù)：表面組織轉(zhuǎn)換技術(shù)、表面涂鍍技術(shù)、表面合金化和摻雜技術(shù)表面微細(xì)加工技術(shù)表面加工三維成型技術(shù)——快速原型制造⑷表面合成新材料技術(shù)表面工程技術(shù)功能：①提高耐腐蝕、耐磨性、耐疲勞、耐輻射性能，表面自潤滑性；②實現(xiàn)表面自修復(fù)性（自適應(yīng)、自補償、自愈合），生物相容性。第二章表面工程技術(shù)的物理化學(xué)基礎(chǔ)理想表面：無限晶體中插進(jìn)一個平面，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電子密度都和原來的無限晶體一樣。潔凈表面：盡管材料表層原子結(jié)構(gòu)的周期性不同于體內(nèi)，但如果其化學(xué)成分仍與體內(nèi)相同，這種表面就成為潔凈表面。清潔表面：指零件經(jīng)過清洗（脫脂、浸蝕等）以后的表面，與潔凈表面必須用特殊的方法才能得到不同。典型固體界面分類：基于固相晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)差異形成的界面基于固相組織或晶體結(jié)構(gòu)差異形成的界面基于固相宏觀差異形成的界面：冶金結(jié)合界面、擴(kuò)散結(jié)合界面、外延生長界面、化學(xué)鍵結(jié)合界面、分子鍵結(jié)合界面、機械結(jié)合界面物理吸附和化學(xué)吸附的區(qū)別：P12表2-1摩擦分類（實際工作條件差別）干摩擦，邊界潤滑摩擦、流體潤滑摩擦、滾動摩擦固體潤滑覆膜分類：粘結(jié)固體潤滑膜化學(xué)反應(yīng)法固體潤滑膜電鍍和氣相沉積方法形成固體潤滑膜影響固體材料粘著磨損性能的因素：潤滑條件或環(huán)境。許多金屬在經(jīng)過切削或磨削后，潔凈表面在5min內(nèi)就產(chǎn)生了一層5~50分子的氧化膜，它在防止粘著方面有重大作用。良好的潤滑條件更是降低你粘著磨損的重要保障。硬度。材料的硬度越高，耐磨越好。晶體結(jié)構(gòu)和晶體的互溶性。其他條件相同時，密排六方的材料摩擦系數(shù)、磨損率最低，面心立方次之，體心最大。溫度。間接影響。T↑，硬度↓，摩擦副互溶性↑，磨損加劇磨粒磨損過程的影響因素：磨粒硬度。Ha（磨粒硬度）/Hm（材料硬度）<1.0，軟磨粒磨損，磨損速率很低；Ha/Hm>1.2,硬磨粒磨損，增加Ha對速率影響不大；1.0<Ha/Hm<1.2，速率隨Ha/Hm線性增加，磨損速率很高。磨粒形狀和粒度。磨粒<臨界尺寸，磨損率隨磨粒尺寸↑而↑；尖銳型磨粒>多角形>圓形磨粒（磨損速率）材料力學(xué)性能與微觀組織。同硬度條件，A、B耐磨性優(yōu)于P、M；夾雜、內(nèi)部缺陷使磨損過程中更易產(chǎn)生剝落，大大降低耐磨性。工況和環(huán)境條件。濕磨損由于能起到潤滑、冷卻作用，磨損率稍有下降；在腐蝕介質(zhì)和高溫條件下，磨損速率↑↑腐蝕分類：按原理分：化學(xué)腐蝕（金屬在干燥的氣體介質(zhì)中或不導(dǎo)電的液體介質(zhì)中發(fā)生的腐蝕，無電流產(chǎn)生）和電化學(xué)腐蝕（金屬在導(dǎo)電的液態(tài)介質(zhì)中因電化學(xué)作用產(chǎn)生的腐蝕，有電流產(chǎn)生）按環(huán)境不同：濕蝕、干蝕和微生物腐蝕按腐蝕形態(tài)不同：全面腐蝕和局部腐蝕第三章1．機械性清理：借助機械力出去材料表面上的腐蝕產(chǎn)物、油污及其他各種雜物，以獲得清潔表面的過程，就稱為機械性清理2．噴砂或噴丸：以壓縮空氣或機械離心力為動力，將石英砂、鐵砂、鋼珠或其他硬質(zhì)材料噴射或拋射材料表面，利用沖擊力和摩擦力來清理材料表面的方法3．脫脂方法：化學(xué)脫脂、有機溶劑脫脂、水劑脫脂、電化學(xué)脫脂第四章1．表面淬火技術(shù)：采用特定熱源將鋼鐵材料表面快速加熱到AC3(亞共析鋼)或者AC1（過共析鋼）之上，然后使其快速冷卻并發(fā)生馬氏體相變，形成表面強化層的工藝過程，就稱為表面淬火技術(shù)2．表面淬火技術(shù)分類：感應(yīng)加熱淬火、火焰淬火、激光淬火、電子束淬火3．表面淬火技術(shù)與常規(guī)淬火技術(shù)的區(qū)別：（1）提高加熱速度將使鋼的相變點溫度Ac3與Accm大幅度提高，但使Ac1溫度升高有限。快速加熱還可以使A晶粒及其中的亞結(jié)構(gòu)顯著細(xì)化。材料經(jīng)表面淬火后的硬度值比普通淬火后的要高（2）快速加熱下滲碳體難以充分溶解，形成的A成分也相當(dāng)不均勻。它們包括未溶碳化物、高碳偏聚區(qū)、貧碳區(qū)。表面淬火處理之前需要經(jīng)行預(yù)先熱處理（調(diào)質(zhì)、正火、球化退火處理），是碳化物或自由鐵素體均勻、細(xì)小的分布，以便有利于快速加熱時奧氏體的均勻化。4．受控噴丸對材料表面形貌與性能的影響：（1）對材料表面硬度影響一般地，彈丸強度或者動能越大，則變形層深度越大，噴丸后零件的表面硬度也越大，彈丸的硬度越高，噴丸強化層深度越深；其他條件相同時，被噴丸零件的硬度越高，則噴丸強化層越淺（2）對表面粗糙度影響受控噴丸以后的零件表面痕跡不同于切削加工表面，痕跡沒有方向性，有利于增加零件的疲勞強度（3）對疲勞壽命與康應(yīng)力腐蝕能力影響可以提高材料的疲勞壽命和抗拉應(yīng)力腐蝕能力；對純鐵、1Cr18Ni9Ti不銹鋼、20、45鋼、40Cr、60Si2Mn鋼噴丸后，疲勞強度提高14%~47%，40Cr、60Si2Mn提高幅度最大。第五章 熱擴(kuò)滲熱擴(kuò)滲：將工件放在特殊介質(zhì)中加熱，使介質(zhì)中某一種或幾種元素滲入工件表面，形成合金層的工藝，就稱為熱擴(kuò)滲技術(shù)滲層形成機理：產(chǎn)生滲劑元素的活性原子并提供給基體金屬表面建立熱擴(kuò)滲所必需的濃度梯度擴(kuò)滲層生長影響氣體滲碳工藝的主要因素：溫度和時間滲碳?xì)夥珍摰幕瘜W(xué)成分氣體滲碳的主要形式：滴注式氣體滲碳吸熱式氣氛滲碳氮基氣氛滲碳?xì)怏w滲氮：將氮滲入鋼件表面的過程稱為氣體滲氮碳氮共滲：520~580oc以滲碳為主 氮碳共滲：780~930oc以滲氮為主碳氮共滲是一種表面硬度高、耐磨損、抗疲勞、尺寸變形小的熱擴(kuò)滲工藝；與滲碳相比，碳氮共滲的疲勞強度、耐磨性、耐蝕性、抗回火穩(wěn)定性等都更高。液體熱擴(kuò)滲：將工件浸漬在熔融液體中，使表面滲入一種或幾種元素的熱擴(kuò)滲工藝方法稱為液體熱擴(kuò)滲。液體熱擴(kuò)滲根據(jù)工藝特點可以分為鹽浴法、熱浸法、熔燒法。固體熱擴(kuò)滲：把工件放入固體滲劑中或用固體滲劑包裹工件加熱到一定溫度保溫一段時間，使工件表面滲入某種元素或多種元素的工藝過程。固體熱擴(kuò)滲特點：設(shè)備簡單，滲劑配置容易，可實現(xiàn)多種元素的熱擴(kuò)滲，適用于形狀復(fù)雜的工件，并能實現(xiàn)局部熱擴(kuò)滲；但能耗大，熱效率和生產(chǎn)銷率低，工作環(huán)境差，工人勞動強度大，滲層組織和深度都難以控制。等離子體熱擴(kuò)滲：利用低真空中氣體輝光放電產(chǎn)生的離子轟擊工件表面，形成熱擴(kuò)滲層的工藝過程。等離子體熱擴(kuò)滲的特點：熱擴(kuò)滲速度快、可控制熱擴(kuò)滲層組織、使易氧化或鈍化的金屬能進(jìn)行有效熱擴(kuò)滲、易實現(xiàn)工藝過程的計算機控制。P86第六章 熱噴涂、噴焊與堆焊技術(shù)熱噴涂：采用各種熱源使涂層材料加熱熔化或半熔化，然后用高速氣體使涂層材料分散細(xì)化并高速撞擊到基體表面形成涂層的工藝過程。熱噴涂技術(shù)的特點：可在各種基體上制備各種材質(zhì)的涂層；提提溫度低；操作靈活；涂層厚度范圍寬。熱噴涂工藝方法：火焰噴涂工藝；電弧噴涂工藝；等離子噴涂工藝；爆炸噴涂和超音速火焰噴涂工藝。如何選擇熱噴涂工藝：涂層結(jié)合力要求不高，噴涂材料熔點低于250oC時，選擇火焰噴涂工藝；工程量大的噴涂，采用電弧噴涂工藝；涂層性能要求高，噴涂高熔點材料時，采用等離子噴涂工藝；結(jié)合強度高、孔隙率低的金屬以及金屬陶瓷，采用超音速火焰噴涂工藝。常用熱噴涂材料：金屬熱噴涂材料；陶瓷熱噴涂材料；塑料熱噴涂材料；熱噴涂用復(fù)合粉末材料。熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用噴涂耐蝕涂層。采用熱噴涂技術(shù)可以噴涂耐各種介質(zhì)腐蝕的保護(hù)涂層，如鋅、鋁、不銹鋼、鎳合金、蒙乃爾合金、青銅、氧化鉻陶瓷涂層等；噴涂耐磨涂層。熱噴涂技術(shù)應(yīng)用于噴涂機械零件表面的耐磨涂層，延長零件的使用壽命，或修復(fù)磨損失效的機械零件。如在汽輪機轉(zhuǎn)子、活塞環(huán)、主動齒輪軸頸等滑動磨損部位，噴涂各種鐵基或鎳基耐磨和金涂層。噴涂耐高溫涂層。熱噴涂技術(shù)用于改善機械零件的抗高溫氧化性能。如超音速火箭噴涂Cr3C2—NiCr涂層，在900以下是非常好的耐磨涂層；采用熱障涂層隔離金屬基體與高溫環(huán)境，可以有效保持金屬構(gòu)件的力學(xué)性能。美國在“探險者”衛(wèi)星表面噴涂氧化鋁保護(hù)層；噴涂功能涂層。熱噴涂技術(shù)應(yīng)用于電氣工業(yè)中，如噴涂屏蔽涂層，用于消除電磁波和無線電波的干擾，同時清除靜電放電火花；噴涂成型。采用熱噴涂制造機械零件，如采用電弧噴涂制造沖壓塑料和皮革制品件模具、等離子噴涂陶瓷或耐火金屬噴嘴、雷達(dá)整流罩。熱噴焊：采用熱源使涂層材料在基體表面重新熔化或部分熔化，實現(xiàn)涂層與基體之間、涂層內(nèi)顆粒之間的冶金結(jié)合，消除孔隙，這就是熱噴焊技術(shù)。熱噴焊技術(shù)特點：熱噴焊層組織致密，冶金缺陷很少，與基材結(jié)合強度高；熱噴焊材料必須與基材相匹配，噴焊材料和基材范圍比熱噴涂窄得多；熱噴焊工藝中基材的變形比熱噴涂大得多；熱噴焊層的成分與噴焊材料的原始成分會有一差別。第七章 電鍍和化學(xué)鍍電鍍：在含有欲鍍金屬的鹽類溶液中，在直流電的作用下，以被鍍基體金屬為陰極，以欲鍍金屬或其它惰性導(dǎo)體為陽極，通過電解作用，在基體表面上獲得結(jié)合牢固的金屬膜的表面工程技術(shù)。鍍層按性能分類：防護(hù)性鍍層保護(hù)裝飾性鍍層功能性鍍層電鍍?nèi)芤夯窘M成主鹽：析出金屬的易溶于水的鹽類；緩沖劑：能保持溶液的pH值在要求范圍內(nèi)；添加劑：影響金屬離子在陰極上析出的成分。合金電鍍：在一種溶液中，兩種或兩種以上金屬離子在陰極上共沉積，形成均勻細(xì)致鍍層的過程叫做合金電鍍。化學(xué)鍍：又稱無電解鍍，指在無外加電流的狀態(tài)下，借助合適的還原劑，使鍍液中的金屬離子還原成金屬，并沉積到零件表面的一種鍍覆方法。復(fù)合鍍按沉積方法分類：以微粒子為彌散相，是指懸浮于鍍液中進(jìn)行電沉積或化學(xué)沉積，稱為彌散沉積法；離子大或重時，讓粒子先沉積于基體表面，再用析出金屬填補粒子間隙的方法稱為沉積共析法；把長纖維埋入或卷纏于基體表面后進(jìn)行沉積的方法稱為埋置沉積法。習(xí)慣上把彌散沉積法和沉積共析法稱為復(fù)合鍍，把埋置沉積法稱為纖維強化復(fù)合鍍。第八章 轉(zhuǎn)化膜與著色技術(shù)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)：通過化學(xué)或電化學(xué)方法，是金屬表面形成穩(wěn)定的化合物膜層而不改變其金屬外觀的一類技術(shù)。轉(zhuǎn)化膜形成方法：將金屬工件浸漬于處理溶液中，通過化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，使被處理金屬表面發(fā)生溶解并與處理溶液發(fā)生反應(yīng)，在金屬表面上形成一層難溶的化合物膜層。轉(zhuǎn)化膜的性質(zhì)和用途：用于防護(hù)和裝飾提高涂膜與基體的結(jié)合力耐磨減摩適用于冷成型加工電絕緣性著色技術(shù)：采用化學(xué)或電化學(xué)方法賦予金屬表面不同的顏色并保持金屬光澤的工藝。第九章 涂裝技術(shù)涂料的組成成膜物質(zhì)：成膜物質(zhì)時組成涂料的基礎(chǔ)，具有粘結(jié)涂料中其它組分形成涂膜的功能，并對涂料和涂膜的性質(zhì)其決定性作用；顏料：顏料一般為微細(xì)的粉末狀有色物質(zhì)，是有色涂料的一個主要組分，它使涂膜呈現(xiàn)色彩，并具有一定遮蓋被涂物件表觀的能力，以發(fā)揮其裝飾和保護(hù)作用。顏料還能增強涂膜的力學(xué)性能和耐蝕性能，或者為涂膜提供某一種特定功能，如防腐蝕、導(dǎo)電、防延燃等。助劑：助劑，也稱輔助材料組分，是涂料的一個組成部分。助劑不能單獨成膜，只可作為一個組分存在于涂膜中，以對涂料或涂膜某一特定方面的性能起改進(jìn)作用。溶劑：溶劑作用是將涂料的成膜物質(zhì)溶解或分散為液態(tài)，以便易于施工，施工后又能從薄膜中揮發(fā)至大氣中，從而使液態(tài)薄膜形成固態(tài)的涂膜。第十章 氣相沉積技術(shù)物理氣相沉積：在真空條件下，以各種物理方法產(chǎn)生的原子或分子沉積在基材上，形成薄膜或涂層的過程。真空蒸鍍時，薄膜形成機理有核生長型、單層生長型和混合生長型。濺射鍍膜:用高能粒子轟擊固體表面,通過能量傳遞,使固體的原子或分子逸出表面并沉積在基片或工件表面形成薄膜的方法。影響蒸鍍過程的狀態(tài)與參數(shù)：真空度理想條件下希望盡量減少蒸汽原子與氣體分子間的碰撞，使他們到達(dá)基材表面后又足夠的能量進(jìn)行擴(kuò)散遷移，形成致密度高的純膜，提高呈膜質(zhì)量。一般真空蒸鍍中的真空度要達(dá)到10-2~10-4Pa.基材表面狀態(tài)①表面清潔度：油膜乙醇類物質(zhì)會污染膜且使結(jié)合力顯著降低；②表面溫度：基材溫度低有利于膜的凝聚形成，但不利于提高膜與基材的結(jié)合力；③基材表面的晶體結(jié)構(gòu)：基材為單晶體，鍍膜也會沿原晶面成長為單晶膜。蒸發(fā)溫度通常將蒸發(fā)物質(zhì)加熱，使其平衡蒸發(fā)氣壓達(dá)到幾帕以上。材料的蒸氣壓P與溫度T關(guān)系：lgP=A-B/TAB是與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。蒸發(fā)和凝結(jié)速率純金屬或者單質(zhì)元素的蒸發(fā)和凝結(jié)速率情況最簡單?；谋砻媾c蒸發(fā)源的空間關(guān)系蒸鍍膜的厚度分布由蒸發(fā)源與基材表面的相對位置以及蒸發(fā)源的分布特性決定。濺射機理：靶材原子脫離晶格，克服表面勢壘，直接發(fā)生濺射，并在基材上成膜。靶材原子產(chǎn)生原位振動，并波及周圍原子時靶材溫度升高。靶材原子出現(xiàn)反沖，使周圍原子碰撞位移，并如此反復(fù)出現(xiàn)多次反沖現(xiàn)象，稱為級聯(lián)碰撞。結(jié)果使部分反沖原子到達(dá)靶材表面并逸出，完成濺射過程。常用濺射方法二極濺射鍍膜射頻濺射鍍膜磁控濺射鍍膜反應(yīng)濺射三級濺射脈沖激光沉積脈沖激光沉積技術(shù)優(yōu)點：適合高熔點、多組元合金、陶瓷及化合物的沉積；可以獲得高純度的鍍膜；組織致密、均勻，性能好。脈沖激光沉積技術(shù)問題：如果在薄膜沉積過程中靶材或者光束靜止不動，則獲得的薄膜厚度分布將不均勻；脈沖激光過程中很難避免較大尺寸（一般為微米級）液滴的產(chǎn)生，使膜層的均勻性變差。離子鍍膜特點：膜層與基材結(jié)合力高；均鍍能力強；基體材料與鍍膜材料可以廣泛搭配。等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）特點：沉積溫度低膜與基材結(jié)合強度高成膜速度快可制膜層材料的范圍光化學(xué)氣相沉積：利用光化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)氣相沉積工藝。化學(xué)氣相沉積（CVD）：是一種化學(xué)氣相生長法。是把一種或幾種含有構(gòu)成薄膜元素的化合物，單質(zhì)氣體通入放置有基片的反應(yīng)室，借助氣相作用或在基片上的化學(xué)反應(yīng)生成所希望的薄膜?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）的工藝參數(shù)：溫度T↑，CVD化學(xué)反應(yīng)速度↑，基材表面對氣體分子或原子的吸附及他們的擴(kuò)散加強，故成膜速度↑反應(yīng)物供給及配比原料一般為氫化物，鹵化物以及金屬有機化合物。通入反應(yīng)器的原料氣體應(yīng)與各種氧化劑，還原劑按一定的配比混合通入。壓力在常壓水平反應(yīng)器內(nèi)，氣體流動狀態(tài)可以認(rèn)為是層流；而在負(fù)壓反應(yīng)器內(nèi)，由于氣體擴(kuò)散增強，可獲得質(zhì)量好，厚度大及無針孔的薄膜。外延：外延是一種制備單晶薄膜的技術(shù)。典型外延方法：氣象外延法、液相外延法、分子束外延法。分子束外延（MBE）:將真空蒸發(fā)鍍膜加以改進(jìn)和提高而形成的一種成膜技術(shù)。MBE的特點：嚴(yán)格地控制生長過程和生長速率；膜的組分和摻雜濃度可隨著源的變化而迅速調(diào)整；生長速率低；襯底溫度最低，有利于減少自摻雜；可以隨時觀察生長的外貌，有利于科學(xué)研究；能有效地利用平面技術(shù)，用它制作的肖特基勢壘特性達(dá)到或超過CVD和LPE制作的肖特基勢壘特性。第十一章 高能束表面改性技術(shù)高能束：由高密度光子、電子、離子組成的激光束、電子束、離子束有一個共同的特點，就是通過特定的裝置可以聚焦到很小甚至非常微細(xì)的尺寸，形成極高能量密度（103~1012W/cm2）的粒子束（簡稱高能束）。常用激光器：二氧化碳激光器、準(zhǔn)分子激光器和YAG激光熔覆技術(shù)：采用激光束在選定工件表面熔覆一層特殊性能的材料，以改善其表面性能的工藝。激光熔覆技術(shù)優(yōu)點：熔覆層稀釋率低,且可以精確控制。可以激光熔覆各種性能優(yōu)良的材料，對基材表面經(jīng)行改性；激光束的能量密度高，作用時間短，基材熱影響區(qū)及熱變形均可降低到最小程度；激光熔覆層組織致密，微觀缺陷少，結(jié)合強度高，性能更優(yōu)；激光熔覆層的尺寸大小和位置可以精確控制；激光熔覆對環(huán)境無污染，無輻射，低噪聲，勞動條件得到較大程度的改善。激光清洗技術(shù)：采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、顆?！P斑或者涂層等附著物發(fā)生瞬間蒸發(fā)或者剝離，從而達(dá)到潔凈化的工藝過程。離子注入技術(shù)：將從離子源中引出的低能粒子束加速成具有幾萬到幾十萬電子伏的高能粒子束后注入到固體材料表面，形成特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能表面改性層的過程。離子注入技術(shù)特點：所有的元素都可以作為注入元素或者添加元素注入到靶材之中；注入過程不受溫度限制，可以根據(jù)需要在高溫、低溫和室溫下進(jìn)行；可以獲得許多和合金相圖上并不存在的合金，為研究新材料體系提供了新途徑；可以精確控制摻雜數(shù)量、摻雜深度與位置