表面工程复习题及答案

“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。表面能：严格意义上指材料表面的内能，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等。洁净表面：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与体内相同的表面。清洁表面：一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后的表面。区别：洁净表面允许有吸附物，但其覆盖的几率应该非常低。洁净表面只有用特殊的方法才能得到。清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。洁净表面的“清洁程度”比清洁表面高。吸附作用：物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围其它物质(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：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)比初始电位差要小得多的现象。钝化：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。喷丸强化：利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料在再结晶温度之下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。(喷丸强化技术)热扩渗：将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层(或掺杂层)的工艺。(化学热处理技术)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高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。热喷焊：采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙的表面处理技术。(喷焊)堆焊：在零件表面熔敷上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金层的技术。电镀：在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以被镀基体金属为阴极，以欲镀金属或其它惰性导体为阳极，通过电解作用，在基体表面上获得结合牢固的金属膜的表面工程技术。化学镀：在无外加电流的状态下，借助合适的还原剂，使镀液中的金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。复合电镀：在电镀或化学镀溶液中加入非溶性的固体微粒，并使其与主体金属共沉积在基体表面，或把长纤维埋入或卷缠于基体表面后沉积金属，形成一层金属基的表面复合材料的过程。(弥散镀、分散镀)转化膜技术：通过化学或电化学方法，使金属表面形成稳定的化合物膜层而不改变其金属外观(形状及几何尺寸)的一类技术。真空蒸发镀膜：在真空室内，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体（基片/基板/衬底、工件）表面，凝结形成固态薄膜的方法。溅射镀膜：用高能粒子轰击固体表面，通过能量传递，使固体的原子或分子逸出表面并沉积在基片或工件表面形成薄膜的方法。离子镀膜：在真空条件下，靠直流电场引起放电，阳极兼作蒸发源，基片放在阴极上，在气体离子和蒸发物质的轰击下，将蒸发物质或其反应物镀在基片上。二、简答题1、表面工程技术的内涵(分类)；表面改性技术、表面合成材料技术、表面加工技术、表面加工三维合成技术2、表面工程技术的特点与意义；表面工程技术具有一般整体材料加工技术不具备的优点。1）主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大。因此，可以制备表面性能与基材性能相差很大的复合材料。2）采用表面涂(镀)、表面合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材料表面具有特殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本。3）可以兼有装饰和防护功能，有力推动了产品的更新换代。4）表面薄膜技术和表面微细加工技术具有微细加工功能，是制作大规模集成电路、光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础技术。5）二维的表面处理技术已发展成为三维零件制造技术（生长型制造法），不仅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高。6）表面工程技术已成为制备新材料的重要方法，可以在材料表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合金等。3、表面工程技术中结合界面的类型及其结合强度的特点；1）冶金结合界面特点：结合强度很高，可以承受较大的外力或载荷，不易在服役过程中发生剥落。2）扩散结合界面特点：覆层与基材之间的成分梯度变化，并形成了原子级别的混合或合金化。3）外延生长界面特点：理论上应有较好的结合强度。具体取决于所形成的单晶层与衬底的结合键类型，如分子键、共价键、离子键或金属键等。4）化学键结合界面特点：结合强度较高，界面的韧性较差，表面发生粘连、氧化、腐蚀等化学作用也会产生化学键结合界面。5）分子键结合界面特点：覆层与基材(或衬底)之间未发生扩散或化学作用。结合强度较低。6）机械结合界面特点：结合强度不高，但可起辅助作用。4、固体表面的吸咐的种类及特点；固体表面的吸附可分为物理吸附和化学吸附两类。5、写出Young方程并说明“润湿”与“不润湿”；Young方程：Young方程反映了润湿角的大小与三相界面张力之间的定量关系：5、表面粗糙度的两种常用表达方式；6、最常见的磨损种类；如何通过表面技术提高耐磨性？磨损分为七类：粘着磨损磨粒磨损疲劳磨损腐蚀磨损微动磨损冲蚀(包括气蚀)磨损高温磨损提高零件耐磨性的途径：1）工程结构的合理设计2）零件磨损机理预测、分析和耐磨材料的选择3）材料表面耐磨与减摩处理7、腐蚀按材料腐蚀原理可分为哪两类？化学腐蚀、电化学腐蚀8、金属腐蚀的主要形式；金属材料腐蚀控制及防护方法；金属腐蚀的主要形式：局部腐蚀、全面腐蚀和在机械力作用下的腐蚀。最基本的金属材料腐蚀控制及防护方法：1．产品合理设计与正确选材2．电化学保护3．表面覆层及表面处理4．加入缓蚀剂9、表面预处理的作用及主要工序；作用：清除材料表面杂质，露出材料(金属)本色使并使其处于活化状态，获得“清洁表面”甚至“洁净表面”，以提高表面覆层的质量以及覆层与基材的结合强度。表面预处理工序主要包括脱脂、除锈和获取一定程度粗糙度的表面等几部分。10、形成热扩渗层的基本条件；1)渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。2)欲渗元素与基材之间必须有直接接触。3)被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度。4)(对靠化学反应提供活性原子的热扩渗工艺)该反应必须满足热力学条件。(产生活性原子；反应平衡常数1%。)11、热扩渗层的形成机理；1)产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面。活性原子的提供方式：热激活能法、化学反应法（常用方法）。2)渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收，形成最初的表面固溶体或金属间化合物，建立热扩渗所必须的浓度梯度。3)渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩散，使扩渗层增厚，即扩渗层成长过程(简称扩散过程)。扩散的机理：间隙式扩散、置换式扩散和空位式扩散机理。12、常用的热浸渗方法及其应用；热浸渗工艺种类：溶剂法(湿法和干法)、氧化还原法(森吉米尔法)。两种方法是按脱脂除锈、表面保洁方式来分类的。热扩渗锌层具有良好的耐腐蚀能力，更高的硬度和耐磨性。渗铝是一种既可以保持工件的基体韧性，又可以提高表面的抗氧化和耐腐蚀能力的方法。热浸锌层的耐腐蚀性能：保护膜保护，阴极保护作用。13、等离子体热扩渗的基本特点；特点（与普通气体热扩渗技术相比）：(1)表面活性高，热扩渗速度快；(2)热扩渗层组织容易控制；(3)可去除氧化膜和钝化膜，能进行有效热扩渗；(4)易实现工艺过程的自动控制。14、常用的热喷涂工艺方法及其基本特点；1）火焰喷涂工艺(优点)设备投资少，无电力要求，操作容易，沉积效率高等(缺点)涂层氧含量较高，孔隙较多，焰流温度较低，涂层种类较少，涂层结合强度偏低，涂层质量不高。2）电弧喷涂工艺(优点)涂层密度及结合强度较高，喷涂速度和沉积效率高，运行费用较低。(缺点)只能用于具有导电性能的金属线材。3）等离子喷涂工艺(优点)焰流温度高，喷涂材料适应面广，特别适合喷涂高熔点材料；涂层密度及结合强度高。(缺点)热效率低、沉积效率较低，设备相对复杂、价格较贵，喷涂成本高。15、电镀层的基本条件；1）与基体金属结合牢固，附着力好；2）镀层完整，结晶细致，孔隙少；3）镀层厚度分布均匀。16、镀层按其性能特点可分为哪三类？(1)防护性镀层：在大气或其它环境下，可延缓基体金属发生腐蚀的镀层。(2)防护装饰性镀层：在大气环境中，既可减缓基体金属的腐蚀，又起到装饰作用的镀层。(3)功能性镀层：能明显改善基体金属的某些特性的镀层，包括耐磨镀层，导电镀层，导磁镀层，钎焊性镀层，其它功能性镀层(吸热镀层、反光镀层、防渗镀层、抗氧化镀层、耐酸镀层等)17、常见的电镀方式及其特点；1）挂镀(优点)是适合于各类零件的电镀；电镀时单件电流密度较高且不会随时间而变化，槽电压低，镀液温升慢，带出量小，镀件的均匀性好；（缺点)劳动生产率低，设备和辅助用具维修量大。2）滚镀(优点)节省劳动力，提高生产效率，设备维修费用少且占地面积小，镀件镀层的均匀性好。(缺点)镀件不宜太大和太轻；单件电流密度小，电流效率低，槽电压高，槽液温升快，镀液带出量大。其使用范围较小。3）刷镀(优点)不需要电镀槽，具有设备简单、工艺灵便、沉积速度快、镀层与基体材料的结合力好、镀后不需要机加工、对环境污染小、节水省电等。(缺点)不适于面积大、尺寸大的零件修复，也不能用于大批量镀件的生产。4）连续电镀特点：生产效率高、工艺要求高。18、电镀的工艺过程；1）镀前处理：抛光（打磨）、脱脂、除锈、活化等2）电镀3）镀后处理：钝化、浸膜19、常用单金属电镀层的基本特点及主要用途；1）镀锌锌镀层为阳极性镀层，表层形成致密氧化物薄膜。白铁：镀锌铁，可用作日常用品如箱子，水管等的材料。2）镀铜铜镀层为阴极性镀层。应用：电力、电子、仿古用品、其它镀层的底层或中间层。3）镀镍镍镀层为阴极性镀层。（镍极易钝化）（Fe2＋：-0.44V）4）镀铬铬镀层为阴极性镀层，硬度高，极易钝化（Cr2O3）。镀铬：装饰性镀铬、功能性镀铬。5）镀锡对铁及铜而言，镀锡层分别为阴极性镀层和阳极性镀层。锡是无毒金属，质软，熔点低，钎焊性好。马口铁：镀锡铁，可用作食品罐头的包装材料。6）镀银镀银层为阴极性镀层。银镀层有功能性和装饰性两方面的用途。7）镀金镀金层为阴极性镀层。金镀层具有极好的耐蚀性、导电性和抗高温性。21、化学镀的原理与特点；化学镀是一个在催化条件下发生的氧化一还原反应过程。(有别于普通化学沉积)优点：镀层致密，孔隙少、硬度高，具有极好的化学和物理性能；可镀制形状复杂的工件，且镀层厚度均匀；可镀基材广泛(对非金属等材料需经过适当的预处理)；设备简单(不需要外加直流电源)。缺点：可镀制的金属(合金体系)有限；镀液昂贵，稳定性差，镀制成本高。22、复合镀层的种类及应用；弥散沉积法沉积共析法埋置沉积法－纤维强化复合镀复合镀的主要用途：提高镀层的耐蚀性、耐磨性、润滑性，改进表面外观和提高其它功能特性。23、非金属电镀的基本工艺(前处理)流程；复合镀不同的非金属材料在电镀前的前处理步骤基本相同：粗化、脱脂、敏化、活化和化学镀等。1）粗化方法：机械粗化：提高结合力的程度有限；化学粗化：能大幅度提高结合力。氧化、溶胀2）脱脂处理：ABS塑料用无水乙醇、丙酮等。3）敏化：将已经过粗化、脱脂等处理的非金属制品浸入一定浓度的易被氧化的化合物溶液中，使其表面吸附一些还原剂的过程。4）活化：将敏化处理后的制品浸入含有氧化剂的溶液中，使其表面形成胶体状微粒沉积层的过程。5）还原处理：用一定浓度的化学镀时所用的还原剂溶液将制品表面残留的催渗剂还原干净，以免影响后面的化学镀溶液的过程。24、转化膜的主要用途；表面转化膜