表面工程缩印

表面工程的定义：表面工程是将材料的表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。表面工程技术的意义避免和减少经济损失赋予材料表面功能特性提高产品的可靠性、稳定性节约材料、节约能源表面工程技术的目的是：提高材料抵御环境作用的能力；赋予材料表面某种功能特性；实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。表面工程技术的分类①原子沉积；②颗粒沉积；③整体覆盖；④表面改性。表面：固体材料与气体或液体的分界面。晶界（或亚晶界）：多晶材料内部成分、结构相同而取向不同晶粒（或亚晶）之间的界面。相界：固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。三种表面：（1）理想表面：理想表面结构是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。（2）清洁表面：按照热力学的观点，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态：（3）实际表面：暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理（如切割、研磨、抛光、清洗等），保持在常温和常压（也可能在低真空或高温）下的表面。几种清洁表面:弛豫重构偏析化学吸附化合物台阶表面偏聚：合金的表面成分不同于合金的整体平均成分物理吸附：任何气体在其临界温度以下，都会在其和固体表面之间的范德华力作用下，被固体吸附。但两者之间没有电子转移化学吸附：气体和固体之间发生了电子的转移，二者产生了化学键力，其作用力和化合物中原子之间形成化学键的力相似，较范德华力大的多。但并不是任何气体在任何表面上都可以发生化学吸附摩擦：两个相互接触物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触面间产生切向的运动阻力，这一阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦。外摩擦：摩擦仅与两物体接触部分的表面相互作用有关，而与物体内部状态无关。内摩擦：阻碍同一物体各部分之间相对移动的摩擦。影响摩擦的因素1.材料性能：弹性模量，晶粒尺寸，强度和硬度等2.接点长大：摩擦系数增加磨损：物体相对运动时，相对运动表面的物质不断损失或产生残余变形称为磨损。目前较通用的分类方法是按照磨损机理的分类方法为基础，将磨损分为：1粘着磨损：当摩擦面发生相对滑动时，由于固相焊合作用产生粘着点，该点在剪切力作用下变形以致断裂，使材料从一个表面迁移到另一个表面造成的磨损。2磨料磨损：由于一个表面硬的凸起部分和另一个表面接触，或者在两个摩擦面之间存在着硬的颗粒，或者这些颗粒嵌入两个摩擦面中的一个面里，在发生相对运动后，使两个表面中的某一个面的材料发生位移而造成的磨损。3表面疲劳磨损：在滚动接触过程中，由于交变接触应力的作用而产生表面接触疲劳，使材料表面出现麻点或脱落的现象。4腐蚀磨损：摩擦表面与周围介质发生化学反应而生成腐蚀产物，进一步摩擦后这些腐蚀产物会被磨去，如此重复所造成的材料损伤称为腐蚀磨损。影响固体材料耐磨性的因素1硬度：一般认为硬度越高，耐磨性越好。2晶体结构和晶体互溶性：密排六方结构具有低磨擦系数，磨损率也低；冶金上互溶性差的一对金属摩擦副可获得低摩擦系数和低磨损率。3温度：温度越高，硬度下降，且互溶性增强，摩擦加剧；温度升高导致氧化速度加剧也可影响磨损性能。4环境：①真空条件，磨损严重②加润滑剂，可有效减小磨损。金属腐蚀：金属与环境组分发生化学反应而引起的表面破坏金属腐蚀发生的根本原因是其热力学上的不稳定性造成的腐蚀的分类：按腐蚀环境分为湿蚀干蚀微生物腐蚀.按腐蚀形态分：全面腐蚀（均匀腐蚀）局部腐蚀（非均匀腐蚀）钝化：一些较活泼的金属，在某些特定的环境介质中，变为惰性状态。铁在浓硝酸中或经过浓硝酸处理后失去了原来的化学活性金属的自钝化：没有任何外加极化的情况下，由于腐蚀介质的氧化剂(去极化剂)的还原引起的金属的钝化金属自钝化满足两个条件：氧化剂的氧化，还原平衡电位要高于该金属的致钝电位；在致钝电位下，氧化剂阴极还原反应的电流密度必须大于该金属的致钝电流密度电镀的定义：电镀是将直流电通入具有一定组成的电解质溶液中，在电极和溶液之间的界面上发生电化学反应，进而在金属或非金属制品的表面上形成符合要求、致密均匀的金属层的过程。以CuSO4为例阳极提供正离子，得到Cu离子和2电子阴极提供电子析出，形成镀层Cu离子得到电子成为Cu化学镀：是利用合适的还原剂使溶液中的金属离子有选择地在经催化剂活化的表面上还原析出成金属镀层的一种化学处理方法。Me2++2e（还原剂提供）→Me化学镀与电镀比较:镀层厚度均匀；镀层致密，孔隙少；不需要外加直流电源设备；可在金属非金属半导体等各种不同基材上镀覆；不存在电力线分布不均匀影响电沉积基本过程：（1）金属的水化离子或络合离子从溶液内部向阴极表面传递－液相传质步骤（2）金属水化离子或络合离子在阴极表面上得到电子并发生还原反应生成金属原子－电化学步骤（3）反应产物生成新相－电结晶步骤电刷镀的优势：电刷镀又叫选择电镀、无槽镀、涂镀、笔镀、擦镀等。它是电镀的一种特殊方式，不用渡槽，只需在不断供电解液的条件下，用一支镀笔在工件表面上进行擦拭，即可获得电镀层。与单金属镀层相比，合金镀层有如下主要特点：（选4点）1能获得单一金属所没有的特殊物理性能，如导磁性、减磨性、钎焊性。2合金镀层结晶更细致，镀层更平整，光亮。3可以获得非晶结构镀层。4合金镀层可具备比组成他们的单金属层更耐磨、耐蚀，更耐高温，并有更高硬度和强度，但延展性和韧性通常有所降低。5不能从水溶液中单独电镀的W,Mo,Ti,V等金属可与铁族元素（Fe,Co,Ni）共沉积形成合金。6能获得单一金属得不到的外观。通过成分设计和工艺控制，可得到不同色调的合金镀层，具有更好的装饰效果。化学镀镍：又称为无电解镀镍或自催化镀镍，是通过溶液中适当的还原剂使金属离子在金属表面靠自催化的还原作用而进行的金属沉积过程。化学镀铜：通常以甲醛作还原剂，是一种自催化还原反应，可获得需要厚度的铜层。化学镀铜的还原反应Cu2++2HCHO+4OH-→Cu+H2↑+2H2O+2HCOO-化学转化膜技术：就是通过化学或电化学手段,使金属表面形成稳定的化合物膜层的技术。也就是使金属钝化。化学转化膜分类：按获得方法可分为：化学法和电化学法；按膜的主要组成物的类型分为：氧化物膜；磷酸盐膜（磷化物膜）；铬酸盐膜；溶胶－凝胶膜等化学转化膜基本用途：1防锈2耐磨3涂装涂层4防电偶腐蚀5塑性加工6绝缘7装饰钢铁高温化学氧化(碱性化学氧化)化学反应机理为：3Fe＋NaNO2＋5NaOH－－3Na2FeO2＋H2O＋NH36Na2FeO2＋NaNO2＋5H2O－－3Na2Fe2O4＋7NaOH＋NH3Na2FeO2＋Na2Fe2O4＋2H2O－－Fe3O4+4NaOH铝及铝合金化学氧化的工艺按其溶液性质可分为碱性氧化法和酸性氧化法两大类，但溶液组成几乎以碳酸钠作为基本成分。铜及铜合金的化学氧化处理后，得到具有保护和装饰作用的氧化铜膜层。膜层的主要成分为CuO或CuO2。铝及铝合金的阳极氧化：将铝及其合金置于适当的电解液中，以铝制品为阳极，在外加电流作用下，使其表面生成氧化膜，这种方法称为阳极氧化。阳极氧化的原理在阳极发生下列反应：H2O－2e→O＋2H+；2Al＋3O→Al2O3在阴极发生下列反应：2H+＋2e→H2↑同时酸对铝和生成的氧化膜进行化学溶解，其反应为：2Al＋6H+→2Al3+＋3H2↑Al2O3＋6H+→2Al3+＋3H2O氧化膜的生长过程就是氧化膜不断生成和不断溶解的过程。金属的磷化处理：金属在含有锰、铁、锌的磷酸盐溶液中进行化学处理，使金属表面生成一层难溶于水的磷酸盐保护膜的方法,叫做金属的磷酸盐处理,。涂料：也就是我们常说的油漆及水性漆的总称，是一种有机高分子胶体的混合溶液涂料的作用：（1）保护作用；（2）装饰作用；（3）特殊作用；（4）标志作用。热喷涂:使用某种方式的热源，使喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，用高压气流将其雾化,并以一定速度喷射到经过预处理的零件表面,从而形成涂层的表面加工技术。热喷涂分类：火焰喷涂法；电弧喷涂；等离子喷涂法；激光喷涂法热浸镀：将经过表面预处理的金属工件，放人远比工件熔点低的熔融金属中，工件表面镀上一层金属镀层表面改性技术：金属表面形变强化表面热处理化学热处理离子束表面扩处理激光表面处理电子束表面处理高密度太阳能表面处理离子注入表面改性