材料表面工程

解读金属材料表面工程的应用与发展 The development and application of surface engineering of metal materials 外表工程学是一门触及资料科学、冶金技能、机械工程等很多范畴的归纳学科，包含外表科学理论、外表工程技能、外表工程技能设计、外表剖析与检测技能、外表质量与技能进程操控工程、外表工程办理与经济剖析等几个方面。其间外表工程技能是和出产实践联络最为亲近的，一起也代表着出产技能水平的高 低。科学技能的开展和前进对出产设备与仪器提出了更高的需要，杂乱多变的工 况检测着资料功能的好坏，必须在确保经济性前提下，归纳运用各种高新技能进步和改进金属资料功能。

Surface engineering is a discipline information science touch induction, metallurgy, mechanical engineering skills in many areas, including the appearance of scientific theory, the appearance of engineering skills,

“材料表面工程”复习题

一、名词解释

表面工程技术：为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理方法与工艺。

表面扩散：表面上原子（分子）的迁移现象

表面能 增大液体表面积所需的功（表面物理中，表面能应该指材料表面的内能，它包括原子的动能、原子间的势能以及原子中原子核和电子的动能和势能）

吸附作用 物理表面上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围其他物质（主要是气体、液体）分子的能力

磨损 相对运动的物质摩擦过程中不断产生损失或残余变形的现象。 腐蚀 腐蚀就是材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。

极化 腐蚀电池工作时，阴、阳极之间有电流通过，使阴、阳极之间的电位差(实际电极电位)比初始(开路时)电位差要小得多的现象。

钝化 (定义)由于金属表面状态的改变引起金属表面活性的突然变化，使表面反应速度急剧降低的现象。(阳极反应受阻的现象)

表面淬火 用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3(对亚共析钢)或者Ac1(对过共析钢)之上(奥氏体化)，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺过程。(Fe-Fe3C相图)

喷丸强化 利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞

一、 名词解释

1、表面弛豫：是由于晶体的三维周期性在表面处突然中断，表面上原子的配位情况和附近的电荷分布改变，使表面原子所处的力场与体内原子不同，而发生相对正常位置的上下位移以降低体系能量的情况。 2、面缺陷：晶体的缺陷若主要沿二维方向发展，而在另一维方向上尺寸相对较小，则称面缺陷。

3、喷砂：是用机械或进化的压缩空气，将砂流强烈的喷向金属制品表面，利用磨料强烈撞击作用，打掉其上污垢，达到清理或修饰的过程。

4、热喷涂：利用某种热源，将粉末状或丝状的金属或非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态，借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化，并以一定速度喷射到经过预处理的基体材料表面，与基体材料结合形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术。

5、超音速冷喷涂：是在常温下或较底的温度下，由超音速气、固两相气流将涂层粉未击射到基板形成质密涂层的喷涂方法。 6、离子镀：在真空条件下，利用低压气体放电的等离子，使蒸发出的金属或化合物蒸气原子或分子电离和激活，然后在基体表面沉积成膜的过程。

7、表面形变强化：是通过机械手段在金属表面产生压缩变形，使表面形成深度为0.5~1.5mm的形变硬化层。

8、喷丸：利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之产生形变硬化层和残余

表面工程技术的作用 表面工程技术的作用是多种多样的，但其最重要的作用为提高金属机件的耐蚀性、耐磨性及获得电、磁、光等功能性表面层。

1) 腐蚀保护性 即可以提高基体材料的耐大气、海洋大气、天然水及某些酸碱盐的腐蚀作

用。例如若在钢构件上喷涂一层8515Al15合金，可使构件在海水中耐腐蚀20-40年。 2) 抗磨性 包括抗磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损等。例如若在刀

具表面镀上一层TiC、TiN或Al2O3薄膜，成为防止钢屑粘结的表面薄层，从而提高刀具寿命3-6倍。

3) 电性能 包括绝缘性、导电性等。

4) 耐热性 包括抗高温氧化、热疲劳等性能。 5) 光学特性 包括反光性、光选择吸收性、吸光性等性能。 6) 电磁特性 包括磁性、半导体性、电磁屏蔽性等性能。 7) 密封性。

8) 装饰性 包括染色性、光泽性等性能。 9) 其它表面特性 诸如耐疲劳性、保油性、可焊接性等性能。

表面技术的应用使基体材料表面具有原来没有的性能，这就大幅度地拓宽了材料的应用领域，充分发挥了材料的潜力。举例如下： 1) 可用一般的材料代替稀有的、昂贵的材料制造机器零件，而不降低甚至超过原机件的质

量。

2) 可以把两种以上的材料复合，各取所长，解决单一

一、表面吸附：物理吸附和化学吸附的对比 比较项 物理吸附 化学吸附 吸附热 接近液化热1-40kJ.mol-1 接近反应40-400kJ.mol-1 吸附力 范德华力，弱 化学键，强 吸附层 单分子层或多分子层 仅单分子层 吸附选择性 无 有 吸附速率 快 慢 吸附活化能 不需 需要，且较高 吸附温度 低温 较高温度 吸附层结构 基本等同吸附分子结构 形成新的化合态 二. 金属磨损基本理论 1、摩擦的分类

热

2、磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损 机理 ⑴磨粒磨损机理 ①定义：工件表面的硬突出物和外来硬质颗粒在加工时刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象称为磨粒磨损。

②在磨料磨损过程中，形成磨屑的机制主要有两种: 1)由塑性变形机制引起的去除过程：

当磨料与塑性材料表面接触，主要会发生两种主要的材料去除过程： A.犁沟------材料受磨损的挤压向两侧产生隆起。这种过程并不会直接引起材料的去除，但在多次变形后会产生脱落而形成二次切屑

B.微观切削------材料在磨料作用下发生如刨削一样的切削过程。这种过程可直接造成材料去除，形成一次切屑

2)由断裂机制引起的去除过程：这种过程在脆性材料中显得特别重要。例如陶瓷、碳化物和玻璃等，它们对于断裂破

一、表面吸附：物理吸附和化学吸附的对比 比较项 物理吸附 化学吸附 吸附热 接近液化热1-40kJ.mol-1 接近反应40-400kJ.mol-1 吸附力 范德华力，弱 化学键，强 吸附层 单分子层或多分子层 仅单分子层 吸附选择性 无 有 吸附速率 快 慢 吸附活化能 不需 需要，且较高 吸附温度 低温 较高温度 吸附层结构 基本等同吸附分子结构 形成新的化合态 二. 金属磨损基本理论 1、摩擦的分类

热

2、磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损 机理 ⑴磨粒磨损机理 ①定义：工件表面的硬突出物和外来硬质颗粒在加工时刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象称为磨粒磨损。

②在磨料磨损过程中，形成磨屑的机制主要有两种: 1)由塑性变形机制引起的去除过程：

当磨料与塑性材料表面接触，主要会发生两种主要的材料去除过程： A.犁沟------材料受磨损的挤压向两侧产生隆起。这种过程并不会直接引起材料的去除，但在多次变形后会产生脱落而形成二次切屑

B.微观切削------材料在磨料作用下发生如刨削一样的切削过程。这种过程可直接造成材料去除，形成一次切屑

2)由断裂机制引起的去除过程：这种过程在脆性材料中显得特别重要。例如陶瓷、碳化物和玻璃等，它们对于断裂破

附件一

现代表面工程与技术 （课程） 教学大纲

一、 课程信息 开课单位 课程名称 课程性质 总学时 开课学期

化学化工学院 现代表面工程与技术 专业任选 32 第六学期 课程编号 英文名称 学分 先修课程 适应专业 09502 Surface Engineering and Technology 2 普通物理、普通化学 应用化学 二、课程内容

1、课程教学目标

本课程简要介绍有关材料表面的基本概念和某些重要理论，阐述现代表面技术的形成、分类、涵义和内容，然后通过一些典型表面技术来说明其作用原理、特点、技术路线和具体应用等，从而使学生对表面工程与技术的现状和发展有基本的了解。 2、教学内容基本要求

1. 表面技术概论：阐述表面技术的涵义、分类、重要性及发展前景 2. 化学镀：介绍化学镀的基本原理、工艺路线及应用

3. 表面涂覆技术：介绍热喷涂和热浸镀技术的基本原理、特点及应用 4. 表面改性技术：介绍等离子体表面处理、激光表面处理、离子注入表面

改性等技术

5. 气相沉积技术：介绍物理气相沉积和化学气相沉积技术并做比较

6. 转化膜技术：介绍氧化、钝化、磷化技术的特点、现状、应用和发展趋

势

7. 表面微细加工技术：介绍电铸的工艺

一. 填空题

1. 固体表面吸附分为物理吸附、化学吸附两类。物理吸附中表面与被吸附质间的力是范德

华力。在化学吸附中，吸附质与固体表面形成了化学键，强度比范德华力大得多。 2.液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿现象，通常用润湿角θ来描述润湿程度，θ减小，润湿性增加。

3.电镀是利用（电解（原理或方式））使金属或合金沉积在工件表面，形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程，电镀时被镀工件作为（阴极）。

4.电解液使阴极工作镀层厚度均匀分布的能力叫做叫做分散能力，影响分散能力的因素包括电化学因素和几何因素。

5.形成化学转换膜的方法有两类。电化学方法为阳极氧化，化学方法为化学氧化，磷盐酸盐处理，铬酸盐处理，草酸盐处理。

6.热喷涂（采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化），然后用（高速气体使涂层材料分散细化）并以很高的速度喷射到事先准备好的工件表面上形成覆层的过程。

7.化学镀是一个在催化条件下发生的氧化还原反应过程。化学镀溶液有金属离子、络合剂、还原剂、稳定剂和缓冲剂等组成。

8.高能量密度的粒子束（简称高能束）是指高密度光子，电子，离子组成的激光束，电子束，离子束。

9.气相沉积技术可分为（物理气相沉积）、（化学气相沉积），其中（物理气相沉积

实验 微弧（阳极）氧化

一、

1． 2． 3． 4． 5． 6． 二 、概述

1．微弧阳极氧化国内外发展现状及该工艺的优点

微弧阳极氧化(MAO,microarc oxidation)又称等离子体氧化或阳极火花沉淀，是一种在有色金属表面生长陶瓷层的新技术。在电场的作用下，浸在液体里的金属表面出现火花放电现象，火花对氧化膜有破坏作用，但有可以生成氧化膜。２０世纪７０年代，美国和德国分别用直流或脉冲电源研究铝镁钛等金属表面火花放电沉淀积膜，取名为阳极火花沉淀和火花放电阳极氧化。俄罗斯科学院无机化学化学研究所１９７７年采用交流模式研究，称之为微弧氧化。由于该技术先进而且应用前景十分广阔，进入９０年代，美、德、俄等国加快了研究步伐，微弧氧化技术正成为国际材料科学的研究热点之一。我国从９０年代开始关注此技术，有些单位研究正在开展。

优点：可用于复杂件的表面处理，无环境污染，电解液寿命长等。

２．阳极氧化工艺设备

实验目的

了解微弧阳极氧化国内外发展现状及该工艺的优点 掌握铝合金微弧氧化工艺实验室所用设备 掌握操作方法 研究微弧氧化的机理

掌握微弧阳极氧化膜层的性质 分析影响膜层性质的因素

１．电源(包括指示仪表和开关)

1， 摩擦 磨损与腐蚀

摩擦：相互接触的物体相对运动时产生的阻力，称为摩擦。

按实际工作的条件的差别，可以将摩擦分为四类，即干摩擦，边界润滑摩擦，流体润滑摩擦和滚动摩擦。

磨损：指相对运动的物质摩擦过程中不断产生损失或残余变形的现象。

按照磨损机理的不同，可将磨损分为粘着磨损，磨粒磨损，疲劳磨损，腐蚀磨损，微动磨损，冲蚀磨损和高温磨损。最基本的是粘着磨损，磨粒磨损，疲劳磨损和腐蚀磨损。 腐蚀：就是材料与环境介质作用而硬气的恶化变质或破坏。

按照材料腐蚀原理的不同，可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。 化学腐蚀是金属在干燥的气体介质中或不导电的液体介质中发生的腐蚀，腐蚀过程无电流产生。电化学腐蚀是指金属在导电的液态介质中因电化学作用导致的腐蚀，在腐蚀过程中有电流产生。

金属腐蚀的主要形式有三种，即局部腐蚀，全面腐蚀和机械力作用下的腐蚀。 局部腐蚀主要分为：点蚀，缝隙腐蚀，晶间腐蚀，电偶腐蚀。

2， 热喷涂

热喷涂是采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。

涂层形成的大致过程是：涂层材料经加热熔化和加速 撞击基体 冷却凝固 形成涂层

涂层