表面处理和改性技术

表面处理与改性技术及其在制造行业中的应用

李从富汪致远杨荟琦

0 前言

表面工程是改善机械零件、电子电器元件等基质材料表面性能的一门科学和技术。对于机械零件，表面工程主要用于提高零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性及抗疲劳强度等力学性能，以保证现代机械在高速高温高压重载以及强腐蚀介质工况下可靠而持久地运行。表面工程是现代制造业的重要组成部分，是维修与再制造的基本手段。表面工程技术可分为三类，即表面改性、表面处理和表面涂覆。

表面改性技术通过对基体材料表面采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能。它包括化学热处理（渗氮、渗碳、渗金属等）、表面涂层（低压等离子喷涂、低压电弧喷涂）、激光重熔复合等薄膜镀层（物理气相沉积、化学气相沉积等）和非金属涂层技术等。这些用以强化零件或材料表面的技术，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性，使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件，提高了可靠性、延长了使用寿命，具有很大的经济意义和推广价值。

表面处理技术不改变材料表面组织，包括各种表面淬火（感应加热、激光加热、电子束加热）、表面形变强化（如喷丸、滚压）等。

1 表面改性技术

1.1 堆焊技术

堆焊是用焊接方法在机械零件表面堆敷一层具有一定性能材料的工艺过程。它不是为了连接零件，其目的在于使零件表面获得具有耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的熔敷金属层，或是为了恢复或增加零件的尺寸。堆焊除可显著提高工件的使用寿命，节省制造及维修费用外，还可减少修理和更换零件的时间，减少停机、停产的损失，从而提高生产率，降低生产成奉。由于应用堆焊能更合理地利用材料，从而可获得优异的综合性能，对改进产品设计也有重大意义。故堆焊技术已在各行各业的机械制造与维修中得到广泛的应用。堆焊主要用于两个方面：

(1) 制造新产品

堆焊工艺可使零件表面改质改性，以获得所需要的特殊性能，即所谓表面强化。由于零件基材和表面堆焊层采用不同性能的材料，分别满足了二者不同的技术要求，充分发挥了材料的潜力，从而大大减少了贵重金属的消耗。

(2) 修复旧零件

汽车、拖拉机、工程机械、轧辊、轴类、工模具等易损零件，均大量采用堆焊工艺修复。修复旧件的费用较低，而使用寿命往往比新件还高，如堆焊旧轧辊的费用是新轧辊的30％——50％，而轧制金属量可比新轧辊提高3——5倍。因此，广泛采用堆焊工艺修复旧件，对节约钢材，节省资金，弥补配件短缺，提高经济效益等作用显著。

1.2 常用的堆焊方法及工艺

1.2.1 氧乙炔焰堆焊

氧乙炔焰堆焊的特点：

(1) 设备简单，且可与气焊气割设备通用，价格低，移动方便，适合现场堆焊。

(2) 几乎所有形状的堆焊材料都能使用。

(3) 稀释率低，熔化层深度可控制在0.1mm以下，较易保证堆焊层质量。

(4) 能见度大，可在很小的面积上进行堆焊(如汽车排气阀)。能得到薄而光滑的堆焊层。用碳化钨基堆焊时，还能控制碳化钨颗粒的分布。

(5) 由于碳化焰的渗碳作用，虽然会降低堆焊层的韧性，但可提高碳化物为主要抗磨相堆焊层的耐磨性。

由于是手工操作，劳动强度大，熔敷速度低，对焊工的技术要求高。所以，氧乙炔焰堆焊主要用于表面要求光洁、质量较高零件的堆焊，以及小批量或单件的中、小型工件与进行小面积的堆焊，在内燃机阀门、油井钻头、犁铧等农用机械中得到广泛应用。凸轮轴堆焊修复，排气阀堆焊修复

1.2.2 手工电弧堆焊

手工电弧堆焊的特点：

(1) 设备简单、便宜、轻便，通用性强，适合现场堆焊。通用的直流发电机、直流弧焊整流器、交流弧焊变压器、逆变电源焊机均可使用。

(2) 焊接过程是在焊工的直接观察和操纵下进行的，灵活性大，在任何位置都能焊，即可达性较好。特别是对形状不规则的零件及可达性差的部位的堆焊尤为合适，所以得到广泛采用。

(3) 电弧温度高，热量集中，故生产率较高，工件变形小。但熔深大些，稀释率高，堆焊层硬度和耐磨性下降。所以为保证涂层性能，通常要堆焊2—3层。手工电弧堆焊主要用于小批量生产或修复已磨损的零件。

1.2.3 埋弧自动堆焊

埋弧自动焊是当今生产率

较高的机械化焊接方法，又称熔

剂层下自动电弧焊。此法同样可

以用于堆焊，即为埋弧自动堆

焊。埋弧自动堆焊的电弧掩埋在

颗粒状的焊剂层下面。当焊丝和

工件间引燃电弧，由于电弧的高

温作用，使工件表面、焊丝和焊

剂熔化以致部分蒸发，金属和焊

剂的蒸发气体形，电弧就在这个

空腔内燃烧，空腔的上部被一层

熔化的焊剂——熔渣所构成的

外膜所包围，这层外膜不仅很好

地隔离了空气与电弧和熔池的

接触，也使弧光辐射不出来，即成为埋弧。

埋弧自动堆焊有以下特点：

(1) 生产效率高。这是因为焊丝导电长度缩短，电流和电流密度提高，焊丝熔敷率大大提高，加上能机械化、自动化生产，因此其生产率比手工电弧焊高

10倍左右。

(2) 堆焊层质量好。因为熔渣隔绝空气的保护效果好。电弧区主要成分是CO2，焊缝金属中含氮量、含氧量大大降低，由于熔渣的保温作用，使熔池存在时间较长，液态金属与熔渣、气体的冶金反应比较充分；加上焊接参数可以通过自动调节保持稳定，致使堆焊层的化学成分和性能比较均匀，堆焊层表面平整，机械性能较好。由于焊剂中合金元素的过渡作用，可以根据堆焊零件的工况要求选用不同的焊丝和焊剂，以获得合乎要求的堆焊金属层。

(3) 劳动条件好。除了减轻手工焊操作的劳动强度外，没有弧光辐射对焊工的伤害，减少金属的飞溅，有害气体也少，从而改善了劳动条件。

(4) 传入工件的热量比其它电弧堆焊方法来得多，因而稀释率较高，常须堆焊2—3层，才能保证所需要的性能。

(5) 由于依靠颗粒焊剂堆积形成保护条件，只适用于水平位置堆焊。对圆柱形和大平面工件的堆焊最适用。不适合堆焊小零件。

埋弧自动堆焊主要用于大、中型零件表面的强化和修复，如轧辊、车轮轮缘、曲轴、化工容器和核反应堆容器衬里等。其中钢铁工业中轧辊表面堆焊应用最多。

1.2.4 CO2气体保护自动堆焊

CO2气体保护自动堆焊是50年代发展起来的一种新的焊接方法，发展迅速，应用广泛，很多地方已取代手工电弧焊，该技术在堆焊中也得到了很好的推广应用。堆焊过程巾，气瓶中送出的CO2气体以一定的压力和流量，从焊枪的喷嘴中喷出，形成一股保护气流，使熔池和电弧区与空气隔离，防止空气中的氧和氮等有害气体侵入，以获得性能良好的堆焊层。CO2气体保护堆焊有以下特点：

(1) 生产率高。由于焊接电流密度大，电弧热量利用率高，所以熔敷速度快，焊后不需清渣，因此提高了生产率。

(2) 成本低。二氧化碳气体来源广，价格低，电能消耗少，故成本可降低。

(3) 堆焊层质量好。由于CO2气体的氧化作用，抑制了氢的有害作用。堆焊层含氢量低，抗裂性能好，焊层内也不容易产生气孔，抗锈能力较强，焊前对焊件和焊丝的表面清理要求较低。

(4) 焊接变形和内应力小。由于电流密度大，加热集中，焊件受热面积小，同时CO2气流有较强的冷却作用，所以焊后变形和内应力均较小。

(5) 操作简便适应性强。明弧堆焊便于观察，有利于实现机械化、自动化堆焊。各种基材及铸铁件均可堆焊及焊补。自动堆焊采用短路过渡可进行全位置焊。

但CO2气体自动堆焊也存在不足之处：

(1) 合金元素易烧损、飞溅大、表面成形较差。因CO2是氧化性气体，合金元素烧损严重，必须采用Mn。Si合金钢丝宋脱氧。

(2) 不便调整堆焊层成分。CO2气体保护自动堆焊，由焊丝成分决定堆焊金属成分，故受焊丝材料成分的限制，不便于灵活调整堆焊层的化学成分。

(3) 稀释率高。由于CO2气体保护自动焊电流密度大，熔深大，故稀释率高，较难控制堆焊层的合金成分。

CO2气体自动堆焊可以用在由球墨铸铁制造的发动机曲轴，袖颈磨损后的堆焊修复。由于铸铁的可焊性差，堆焊时容易出现白口、气孔和裂纹。山西省农机研究所采用CO2气体保护堆焊恢复尺寸，配以相应的热处理工艺，在修复发动机曲轴尤其是修复球墨铸铁曲轴方面取得了成功的经验。

1.2.5 等离子弧堆焊

等离子弧堆焊是以联合型等离子弧或转移型等离子弧为热源，以焊丝或合金粉末作填充金属的一种堆焊工艺。它的突出优点是：等离子弧温度很高，能顺利地堆焊难熔材料和提高堆焊速度，熔深可调节，稀释率最低可达5％左右。所以它是一种低稀释率和高熔敷率的堆焊方法，还可采用多种渗合金方式进行堆焊。其缺点是：设备成本高，要求防护措施高，只有批量生产部门较为适合采用此工艺方法。

1.2.6 振动电弧堆焊

振动电弧堆焊是将工件夹持在专用机床上，以一定的速度旋转，堆焊机头沿工件轴向移动，焊丝一方面自动送进，同时以一定的频率和振幅振动，再向堆焊区加入冷却液，完成堆焊作业。

1.2.7 电渣堆焊

电渣堆焊的熔敷率最高。板极电渣堆焊的熔敷率可达150kg／h，而且一次可以堆焊很大的厚度，因而稀释率并不高。由十接头严重过热，所以堆焊后需进行热处理。另外，堆焊层不能太薄(一般应大于14一16mm)，否则不能建立稳定的电渣过程。因此，电渣堆焊主要用于需要较厚的堆焊层零件，堆焊表面形状比较简单的大中型零件。电渣堆焊可采用实芯焊丝、管状焊丝、板极等材料进行堆焊。

1.3 热喷涂技术

热喷涂技术

是利用热源将喷

涂材料加热到熔

融状态，通过高速

气流使其雾化，喷

射到基材表面上，

形成各种性能要

求的覆盖层的一

种表面加工技术。

根据是否将覆盖层重新熔化，可分为两种工艺，分别称之为“喷涂”和“喷焊”。热喷涂技术在材料的表面防护和强化方面有以下特点：

(1) 涂层材料范围异常广泛，几乎包括所有固体材料，如金属及其合金、塑料、陶瓷、金属陶瓷及其复合材料等。

(2) 选择合适的工艺，几乎可在任何固体材料上喷涂。既可以是金属，也可以是非金属。

(3) 涂层厚度可在较大范围内变化。

(4) 被喷工件的温度可以控制。除火焰喷焊和等离子喷焊外，喷涂过程中工件的温度可小于200C°，工件不会发生变形和组织变化。

(5) 热喷涂工艺灵活，适应性强，不受工件尺寸的限制，既可以喷涂像铁塔、钢桥之类的大型结构件，也可以喷涂很小的精密零件；既可在喷涂工件间进行，又可在野外现场施工。且生产效率较高，一般可达每小时几公斤，有的方法甚至达到几十公斤。

(6) 它不仅能对材料表面进行防护和强化，还可对废旧件进行修复，且时间短，效果好，能比新件具有更高的性能和使用寿命。热喷涂技术，依照所采用的热源和喷涂材料的种类，大致可分为：等离子喷涂和喷焊、火焰粉末喷涂和喷焊、火焰丝材喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂、脉冲放电丝材喷涂(也称线爆喷涂)。

1.3.1 氧乙炔焰喷涂

氧乙炔焰喷涂是利用燃气(乙炔)与助燃气(氧气)燃烧产生的热量加热粉末

态喷涂材料，使其达到熔融或软化状态，借助焰流动能或喷射加速气体，将粉末喷射到经预处理的基体表面，形成涂层的工艺方法。主要应用于机械零件磨损区的预防性保护和修复。在各种热喷涂方法中，由于氧乙炔焰喷涂与喷焊具有操作简便、施工灵活、易于掌握、投资少见效快的特点，所以被广泛地应用。氧乙炔焰喷涂根据喷涂材料的形状可分为丝材喷涂、粉末喷涂和棒材喷涂(目前较少采用)。其中还有将粉末喷涂层熔化而衍生出来的喷焊工艺。

1.3.2 电弧喷涂技术

电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，利用其端部产生的电弧作热源来熔化金属丝材，用压缩空气进行雾化的热喷涂方法。喷嘴端部成一定角度的连续送进的两根金属丝，分别接直流电源的正负极。在金属丝端部短接的瞬间，由于高电流密度，使两根金属丝间产生电弧，将两根丝材的端部同时熔化，由电弧发生点的背后喷射出的压缩空气，使熔化的金属脱离并雾化成微粒。在高速气流的作用下，喷射到制备好的基材表面上而形成喷涂层。电弧喷涂和丝材火焰喷涂相比有以下特点：

(1) 热效率高。火焰喷涂时，燃烧火焰产生的热量大部分散失到大气和冷却系统中去了，热能的利用率只有5％一15％。而电弧喷涂是用电直接转化为热来熔化金属的，热能利用率高达60％一70％。

(2) 涂层结合强度高。在不需要提高工件表面温度和不用贵重金属打底的情况下，能获得结合强度高于火焰丝材喷涂的涂层。

(3) 生产效率高。电弧喷涂寸是两根丝同时给进，所以喷涂效率高。

(4) 喷涂成本低。火焰喷涂所消耗的燃气的价格比耗电价格高得多。电弧喷涂的施工成本比火焰喷涂要降低30%以上。

(5) 可以利用两根不同类型的金属丝制备出“假合金”涂层，以获得特殊的性能，如铜一钢“假合金”涂层具有良好的耐磨、减磨和导热性能。等离子喷涂

1.3.3 等离子喷涂

等离子喷涂与其它喷涂方法(氧乙炔焰喷涂、电弧喷涂)相比，它可以熔化一切难熔金属和非金属粉末，使工件表面获得耐磨、耐腐蚀、耐高温等不同的特性。由于它的喷涂效率高，涂层致密，与基材的结合强度高，对工件的热输入量极小等优点，在现代工业和尖端科学技术中被广泛采用。等离子喷涂是利用等离子焰流作为热源，将喷涂材料通过等离子焰流加热到熔化或半熔化状态，并随同等离子焰流，以高速喷射并沉积在经过粗化的洁净基材表面上，经淬冷凝固后，在基材表面形成喷涂层。等离子喷涂具有以下特点：

(1) 可喷材料极为广泛由于等离子喷涂时的焰流温度很高，热量集中，它能熔化一切高熔点和高硬度的材料。这是其它喷涂方法所不能实现的。

(2) 涂层致密，结合强度高因为等离子喷涂能使粉末获得较大的动能，且粉末温度又高，所以，喷涂获得的涂层致密度高，一般在90％一98％之间。结合强度可达65—70MPa。

(3) 对工件的热影响小等离子喷涂时，对工件的热输入量小，喷涂后基材金相组织不发生变化，工件几乎不产生变形。

(4) 效率高等离子喷涂时，生产效率高。采用高能等离子喷涂设备时，粉末的沉积速率可达8吨／h。

(5) 对人体危害较大由于高温、高速的等离子焰流产生剧烈的噪声和很强的

光辐射及有害气体、金属蒸气和粉尘，对人体有极大的危害，所以，要采取相应的措施，加强劳动保护，充分注意操作人员的保健。

1.3.4 爆炸喷涂

爆炸喷涂是将一定比例的乙炔气和氧气的混合气以及喷涂粉末同时送入爆炸喷枪，用火花塞点火，使可燃混合气爆炸，利用产生的热能和冲击波使粉末加热并加速，使高温高速的粉末喷射到事先处理好的基材表面上形成涂层。当混合气送入水冷式喷枪的燃烧室寸，与同时引入的喷涂粉末混合，通过火花塞点火瞬间引爆，枪管内的温度突然上升到3300C°以上，气体燃烧的速度超过音速的十倍，使粉末以500—800m／s的高速喷射到工件表面。喷涂频率可达4—8次／s，一次喷涂范围半径约为25mm，厚度约为0．0061mm。根据涂层要求的厚度可以反复进行。

对于经常处于海洋性气候的港口机械和常处于海水腐蚀的船体、甲板、发射天线等的表面喷涂铝、锌或其合金作为阳极保护涂层，可作为长效防腐涂层应用，比涂刷油漆的使用寿命可提高数倍，一般二三十年不需要维护，具有广泛的应用前景。对高速公路护栏、城市立交桥桥体及照明高杆以及钢结构大桥等喷涂铝或锌涂层进行长效防腐，也在一些沿海城市及主要交通枢纽中应用，预计将会有更好的前景。汽车发动机曲轴轴颈部位，有时会因缺少润滑油或轴瓦与轴的间隙不当或因润滑油中混入杂质而出现磨损过量和拉伤。如果主轴轴颈与主轴瓦之间润滑不良，轴颈与瓦出现“抱死”现象，也会使缸体上主轴瓦座孔损坏。采用氧乙炔火焰粉末喷涂方法修复，不仅能防止工件变形，而且修复后工件的性能安全能满足工况的使用要求。

应用实例有：

(1) 曲轴的修复用镍包铝或铝包镍粘结底层材料打底，用Ni320粉末作工作层材料，严格按工序进行操作。修复后，由于涂层的多孔性，润滑油会吸附在涂层内，使润滑性能得到改善。经装车运行2万km后检测，喷涂过的轴颈磨损量只是其它未喷涂轴颈的l／3—1／2。为了防止出现涂层过热和应力过大，喷涂时要严格控制工艺参数，工件小或涂层厚时，应间歇喷涂，以保证涂层的质量可靠耐用。

(2) 缸体主轴承座孔的修复缸体主轴承座孔修复，可用镍包铝打底，然后喷涂Nil80或Cul50工作层粉末。喷涂前注意对不需喷涂部位进行遮蔽。由于缸体是铸铁件，需多次除油，才能将渗入基材中的油除尽。由于喷涂部位是内孔表面，且分为两个半圆，在喷涂前处理时要对边缘进行特殊处理，防止涂层从边缘处翘起或剥落。涂层的镗削加工直接影响到涂层的光洁度和轴承孔的尺寸精度。应选用较小的切削量，刀具的几何角度应使涂层受的切削力和切削热量尽可能低。经过修复的缸体完全能满足工况的使用要求。可以说此种工艺是解决缸体主轴承孔磨损的最佳尺寸。除上述两种零件外，还可对连杆瓦孔座、凸轮轴、半轴、转向节、各种轴承孔等多种零件进行修复。经在国产、进口各种型号汽车上应用效果很好。

1.4 电刷镀

电刷镀是应用电化学沉积的原理，在能导电的工件表面的选定部位，快速沉积金属镀层的新技术。主要用于修复工件的尺寸和几何精度，强化工件表面提高使用寿命，改善工件表面的理化性能完成相关的工艺过程。电刷镀设备包括专用电源、专用镀液、镀具、各种辅具和辅助材料。电刷镀时，直流电源的负极通过电缆线与工作连接，正极通过电缆线与镀具(导电柄和阳极的组合体)连接。镀具

前端的阳极包裹棉套，与工件表面轻轻接触，镀液不断地添加到阳极和工件表面之间，在电场作用下，镀液中的金属离子定向迁移到工件表面，在工件表面上获得电子，还原成金属原子。还原的金属原子在工件表面上形成镀层。电刷镀是电镀技术的一种特殊形式。电刷镀时被镀工件不需要进入镀槽，包裹棉套的阳极必须与工件表面接触以便形成局部“槽”。阳极的面积通常都小刁：被镀表面，为此阳极和工件表面必须相对运动才能在被选定的整个表面上沉积镀层。为了提高生产率，必须使用很大的电流密度。概而言之，阳极(通过包套)与工件表面接触、阳极和选定的局部表面相对运动、使用很大的(一敞力槽镀的5—10倍)电流密度是电刷镀技术的三个基本特点。电刷镀技术的应用，概括讲有三个方面：

(1) 对新制工件的表面进行强化处理，使表面具有指定的技术性能；

(2) 对使用后产生磨损和腐蚀的或加工失误的工件进行修复，恢复尺寸和几何精度，同时使工件表面具有指定的技术性能；

(3) 改善工件表面的理化性能，满足特殊要求，如改善钎焊性、导电性、导磁性、光学性能、耐蚀性、耐氧化性能等等。电刷镀技术已广泛应用在各种机床和设备，铁路机车车辆，汽车及运输设备，发电机、电动机和电力设备，船舶和军舰，矿山、煤矿、冶金，石油、勘探设备，纺织、印染、造纸和印刷设备，模具和量具，电子和电器工业，飞机和航天工业，坦克、农机和工程机械，文物、装饰和防腐等领域。

1.5 激光熔覆

激光熔覆是利用高能激光束辐照，

通过迅速熔化、扩散和凝固，在基体表

面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学

性能的材料。激光熔覆时，覆层材料及

基体表面熔化，使熔覆层与基体形成冶

金结合。与堆焊、热喷涂和等离子喷焊

等表面强化技术相比，激光熔覆具有下

述优点：

(1) 熔覆层晶粒细小，结构致密，

因而硬度一般较高，耐磨、耐蚀等性能

也更为优异

(2) 熔覆层稀释率低。由于激光作

用时间短，基体的熔化量小，对熔覆层

的冲淡率低(一般仅为5％～8％)。因此可在熔覆层较薄的情况下，获得所要求的成分与性能，节约昂贵的覆层材料。

(3) 激光熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高。

(4) 激光熔覆过程易实现自动化生产，镀层质量稳定。如在熔覆过程中熔覆厚度可实现连续调节，这在其它工艺中是难以实现的。

(5) 能进行非接触式的局部处理，易于实现不规则的零件加工

1.6 离子注入

离子注入，是将某种元素的原子在真空中进行电离，并在高电压作用下将离子加速注入到固体材料的表面，以改变这种材料的物理、化学及力学性能的一种离子强化新技术。其主要特点是：利用高能离子流将异类原子直接注入到工件的表层中进行合金化；注入的原子种类不受任何常规合金化、热力学条件的限制，从而获得超常的固溶强化、沉淀强化的效果。离子注入的特点：某些金属材料经

离子注入表面改性后，可在不改变基本性能的情况下使其耐磨、耐蚀和抗氧化提高1000倍；可获得其他方法不能得到的新合金相且与基体结合牢固，无明显界面和脱落现象，从而解决了许多涂层技术中存在的粘附问题和热膨胀系数不匹配问题；其处理温度一般在室温附近且在真空中进行，不氧化不变形，因而可作为零件精加工后的最终热处理工艺，这是许多表面改性技术无法比拟的；可控性和重复性好，通过可控扫描机构，不仅可实现较大的面积上的均匀强化，还可以实现很小范围内的局部改性且其他部分不变。

1.7 气相沉积技术

气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程在工件表面形成具有特殊性能的金属或化合物涂层，是一种使工件性能优化的新工艺。不同的服役条件的工件表面可分别沉积Si、Ni、Ta或TiC、TiN等覆盖层，获得良好的耐热、耐腐蚀、耐磨等方面的性能。根据成膜的机理不同，可分为化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。近年来，随着气相沉积技术的发展，又将等离子技术引入化学气相沉积，出现了等离子体化学气相沉积(PCVD)。

1.7.1 化学气相沉积(CVD)

化学气相沉积是利用气态物质在固态工件表面进行化学反应，生成固态沉积物，从而强化表面的一种工艺过程。有以下三个要点：

(1) 所有涂层的反应均是吸热反应，即

必须通过外热源获取能量，反应才能得以

进行。

(2) 涂层的形成同样遵循核生成和核

长大的规律。

(3) 涂层的界面反应是通过气相的化

学反应完成的。经数小时处理后，表面可

形成一定厚度的沉积层。反应中生成的沉

积物(固体)便沉积在工件表面，根据费克

定律，沉积物可以向内部扩散，零件中的

金属原子也可向外扩散，在界面上反应，

进行冶金结合。工业生产上，已用化学气

相沉积的方法，将硬质合金刀具、高碳高

铬冷作钢、空冷硬化钢、油淬工具钢、热作钢及合金钢等材料制造的工件的性能大大优化。

1.7.2 等离子体化学气相沉积(PCVD)

由于化学气相沉积的反应温度较高，因此在处理中会给工件带来一系列的疵病，从而应用范围受到限制。因此国内外的专家学者致力于降低沉积温度的研究。其一着眼于选择反应的气体，如用金属羰基化合物Ni(CO)4和W(CO)6可在600℃以下沉积金属和金属的碳化物。其二选用新的能源，如用光和激光进行化学激发，用等离子体激发化学气相沉积中反应物的分子，当激活能超过相应的热激活能时，在低温下就能发生非平衡成膜反应，从而形成了等离子体化学气相沉积(PCVD)。

1.7.3 物理气相沉积（CVD）

物理气相沉积是通过蒸发、电离或溅射等过程产生金属粒子，这些金属粒子在工件表面形成金属涂层或与反应气反应形成化合物涂层，从而强化工件表面的工艺。物理气相沉积主要是通过三种途径实现反应物与金属界面的界面反应的，

即金属蒸发产生金属粒子，通过等离子体使金属离解产生金属粒子，通过溅射产生金属粒子。所生成的金属粒子在电场的作用下轰击工件表面，并沉积在工件的表面，通过扩散与基体形成冶金结合的界面。物理气相沉积有以下的特点。

(1) 涂覆材料选择的自由度大，金属、合金、金属间化合物、陶瓷等均可。

(2) 基体材料的温度从高到低可自由选择，涂层的组织结构可以控制。

(3) 可以得到高纯度的涂层。

(4) 能够得到密合性好的涂层。

(5) 可以得到与加工后的表面同等精密度的表面，成膜后不必对表面再进行加工。

(6) 无公害。

1.8表面热处理

1.8.1 表面渗碳

渗碳热处理是机械制造业

的重要加工工艺，随着机械装备

制造业的迅猛发展，对渗碳渗氮

热处理的机械零件大型化需求，

使得对大型机械零件渗碳渗氮

的硬化层深度要求越来越深，内

在质量的要求也越来越高。

表面渗碳是现今提高机械

零件使用寿命的主要热处理工

艺手段之一,在制造业中广泛应

用。十几年来,传统的渗碳工艺

得到了不断的改进与完善,工艺

方法及控制理念上又有了新的

突破。从而使渗碳的经济性、精

确性、一致性及工艺的可靠性等

方面都上了一个新台阶。

(1) 超级渗碳

超级渗碳工艺是将原料气和空气直接通入炉内,在炉内裂解生成渗碳气氛。其原料气通入量是固定的,通过调节空气的加入量来调节炉内的碳势,也就是说当炉内的碳势高于设定值时,将增加空气的加入量反之当炉内的碳势低于设定值时将减少空气的加入量。与氮一甲醇、

滴注式等其他直生式气氛相比,可以说超级渗碳是一种特殊的直生式气氛。目前用于超级渗碳的主要原料有甲烷，丙烷，丁烷，丙酮，异丙醇。

与其他工艺相比，超级渗碳具有以下主要优点：无需气氛发生器，制氮机等配套设备，投资少，减少因配套设备故障而造成的停炉，气氛调节快，渗碳速度快，气氛在炉内生成，活性好，气氛活性好,渗碳能力强,快速的高活性碳转移促进了整个炉料的渗层均匀，性节约原料气可达，内氧化倾向小。

超级渗碳工艺开始在多用炉上得到了广泛的应用,目前己拓展到转底沪、网带炉及推盘炉上。这几种炉型在国内均有应用实例,都获得了令人满意的效果。值得注意的是,超级渗碳气氛要求炉子具有较好的气氛循环系统,以便于原料气充分的裂解。

(2) 乙炔低压渗碳技术

由于可控气氛渗碳的热辐射影响以及废气的排放,致使该工艺过程无法与机械加工过程结合到一起。这与当今的集成制造技术理念相差甚远。几十年来,人们一直在寻求一种替代常规气体渗碳的工艺方法。上个世纪六十年代后期,真空渗碳技术得以开发,并在七十、八十年代于某些领域得到推广应用。在这一时期,低压渗碳所采用的渗碳介质一般为丙烷、乙烯等。但由于以下技术问题没有得到解决，使得低压渗碳工艺未能得到广泛的适用。可以说在多年的时间里,低压渗碳一直处于研发和试生产阶段,没有形成工业化生产。其主要问题是：炭黑问题，这是该工艺的致命缺点。因为沉积工件表面的炭黑会造成零件表面的渗层不均匀，如渗碳后油淬，又会导致淬火油的污染及冷却的不均匀性，炭黑沉积到加热体电极表面，会造成短路，损坏电极，炭黑沉积到炉室内造成炉膛的污染。渗层均匀性问题,为了减少炭黑的形成,势必要降低压力或减少气体的通入量,这样又带来了渗层均匀性差的问题。这对小零件密集装料时尤为突出。工艺程序的制定、过程的控制及重复性的问题。但是由于低压渗碳较常规气体渗碳有诸多优点，如渗层均匀性好、渗速快、可实现复杂几何形状零件甚至盲孔的渗碳、可实现高温渗碳、无内氧化等。因此几十年来热处理界的专家们一直在不懈地努力，以寻求解决这些问题方案。直到上个世纪九十年代中期,易普森公司开发出用乙炔进行低压渗碳的工艺,使低压渗碳技术发生了革命性的变化。以上问题得到了彻底的解决。

(3) 高温气体渗碳

对深层渗碳2-5毫米，一般都是采用井式渗碳炉。因其渗碳周期长,耗费人力及能源,人们一直寻求解决办法。众所周知,提高温度是提高渗碳速度的最有效办法。但由于设备的限制。一般渗碳温度都在980℃以内。下图表示的是渗碳速度：

超级渗碳工艺经过 2 0 几年的应用与完善,现己在多种炉型上得到应用。因其气源简单、经济、渗碳效果好、投资少,所以是一种值得广泛推广的工艺。乙炔低压渗碳解决了困扰低压渗碳广泛应用多年的炭黑问题,使低压渗碳技术上了一个新台阶,渴望低压渗碳工艺能够得到更广泛的应用。高温渗碳工艺大大缩短了工艺时间,效益显著。对深层渗碳(如工业齿轮等) 是值得考虑的一项工艺。

1.8.1 表面渗氮

渗氮是一个热化学扩散过程; 是根据NH3和材料表面的反应过程来进行的,关于反应的实际过程和由此产生的物质传输可通过动力学来说明。NH3 通入炉

内加热后得到NH3、

N2 + H2、NH,其中未

裂解的NH3 和裂解

的产物N2 + H2与铁

不发生氮化反应, 一部

份NH3 所形成的氨

根NH与铁反应被吸

收在铁表面形成α-Fe

层, 随着形成浓度梯度,

氮向内部扩散, 当超过

α-Fe的溶解度后, 氮

继续聚集在材料表面,

由生成的γ-和e-相形

成氮化合物层(俗称白层)继续增厚, 氮进一步向内部扩散形成扩散层。通过这个过程可以增加金属表面氮原子或者氮和碳原子的浓度,可以提高工件表面硬度的; 渗层组成为扩散层和白亮层；一定厚度的渗层。

1.8.2 渗金属

金属表面保护防腐蚀技术在防腐蚀领域起着十分重要的作用。随着科学技术和工业的发展,对金属材料表面性能的要求越来越高,原来渗人单一元素所得的渗层已不能完全满足要求,因而国内外陆续发展了二种或多种元素的共渗层。多元元素共渗不但能充分发挥单一元素的各自优点,弥补其缺点,而且还可以赋予金属材料表面以新的更好的性能。

碳钢表面共渗金属的特点和方法渗金属就是采用加热扩散的方法,使一种或多种金属渗人工件表面,形成表面合金层,所形成的表面合金层通常称为渗层或扩散渗层。渗金属和电镀，喷镀，化学镀等一样,都是在金属材料表面制备金属层的方法，渗层与基材之间结合为冶金结合,因此渗金属比电镀，化学镀等方法所形成的镀层更牢固,不易脱落,是其它镀覆方法难以媲美的。渗金属的方法按热处理时所用渗人元素介质的物理状态可分为:固体渗，液体渗和气体渗三种。根据所渗元素,渗金属法又可分为单元渗和多元共渗渗入一种元素的称为单元渗;同时或顺序渗入两种或两种以上的元素的扩散过程,达到所要求的表面合金层,称为二元或多元共渗。目前,应用较多的单元渗有:渗铝，渗铬，渗钛，渗硅，渗硼等;二元共渗有:铝铬共渗，铝钛共渗，铝硅共渗，硼铝共渗，铬硼共渗等，多元共渗的研究方法大多数采用的是固体粉末包渗法川。根据渗入金属的不同,可以在同一种材料的表面获得不同的组织和性能,使材料表面具有优良的耐高温氧化，耐磨损，耐腐蚀等性能。在共渗技术中即使采用性能优异的贵重稀有元素,也不会显著提高成本,具有较高的技术经济价值。

共渗钢的应用范围：材料在使用环境中的腐蚀将关系到设备和装置的可靠性以及使用寿命。石油化工设备用材的选择,首先要保证设备在预定的使用期内的安全性,即材料不仅要适应设计和操作条件,还要能抵抗运行或非运行情况下所可能发生的一切破坏。因此必须根据不同的腐蚀环境来考虑共渗钢的选用问题。铝钼渗钢的耐蚀性能要优于渗铝钢,它在炼油厂高温环烷酸介质，高温硫化物介质的腐蚀环境或高温氧化渗碳的场合均可使用，可用于常减压装置，催化裂化装置，污水汽提装置，加氢脱硫装置，延迟焦化装置等的塔内各种填料，支撑梁，塔板，换热器，炉管，吹灰管管线，叶轮，热电偶保护管，紧固件等。铝钼渗钢在低温部位的应用必需经过试验,由试验结果确定是否采用渗铝钢。铝钛共渗钢主要适用于炼油厂的湿硫化氢腐蚀部位,但若介质中氯离子质量浓度过高,会遭到腐蚀。在其它腐蚀环境中的腐蚀性能,还有待进一步的研究和探讨。

2 表面处理技术

表面淬火的方法主要有以下几种：

(1) 感应加热表面淬火；

(2) 火焰加热表面淬火；

(3) 其他表面淬火方法。

2.1 感应加热表面淬火

利用感应电流对工件产生的热效应，使工件表面局部加热，继而快速冷却，以获得马氏体组织的工艺。可分为高频淬火、中频淬火、和微感应淬火三类。

感应加热表面淬火工艺：

(1) 根据零件尺寸及硬化层深度的要求，合理选择设备。a设备频率的选择；b比功率的选择。

(2) 淬火加热温度和方式的选择。

(3) 冷却方式的选择。

(4) 回火工艺。

2.2 火焰加热表面淬火

用一种火焰在一个工件表面上若干尺寸范围内加热，使其奥氏体化并淬火的工艺。火焰淬火必须供给表面的能量大于自表面传给心部及散失的能量，以便达到所谓“蓄热效应”才有可能实现表面淬火。

火焰加热表面淬火的优点是：

(1) 设备简单、使用方便、成本低。

(2) 不受工件体积大小的限制，可灵活移动使用。

(3) 淬火后表面清洁，无氧化、脱碳现象，变形小。

缺点是：

(1) 表面容易过热。

(2) 较难得到小于2mm的淬硬层深度，只适用于火焰喷射方便的表层上。

(3) 所采用的混合气体有爆炸危险。

2.3 其他表面淬火方法。

2.3.1 电解液加热表面淬火

将工件放入盛有5-15%碳酸钠水溶液的电解槽中，工件作为阴极，电解槽为阳极，两极间加一定直流电压。电解液加热淬火工艺简单，生产率高，变形小，可纳入生产流水线。

2.3.2 电接触加热表面淬火

借一特制的可移动的电极与工件表面接触，并通以低电流借接触电阻加热工件表面而淬火的方法。加热后可以水淬、也可以利用工件本身向未加热部位传热冷却淬火。

2.3.3 激光和电子束加热表面淬火

激光加热有两种方式：一种是以轻微散焦的激光束进行横扫描，它可以单程扫描，也可以交叠扫描，另一种是用尖锐聚焦的激光束进行往复摆动扫描，表面淬火时主要是控制表面温度和加热深度，因而用激光加热时关键是控制扫描速度和功率密度。由于激光加热是一种光辐射加热，因而工件表面吸收热量除了与光的强度有关外，还和工件表面黑度有关。为了提高吸收率，通常都要对表面进行黑化处理，即在欲加热部位涂上一层对光束高吸收能力的薄膜涂料。常用涂料有磷酸锌盐膜、碳黑、氧化铁粉等。

激光热处理的特点有：

(1) 加热速度快，淬火不用冷却剂。

(2) 可进行选择性局部淬火。

(3) 几乎没有变形。

激光加热的电效率低，成本较高，而且大功率激光器的维护也比较复杂。

2.3.4 电子束加热表面淬火

通过电子流轰击金属表面，电子流和金属中的原子碰撞来传递能量进行加热。由于电子束在很短的时间内以密集的能量轰击表面，表面的温度迅速升高，而其它部位仍保持冷态。当电子束停止轰击时，热量快速向冷基体传播，使加热表面自行淬火。

电子束加热效率高，但是电子束系统需要有一定真空度，可控性较激光要差。

参考文献

[1] 热处理手册编委会.热处理手册( 第三卷)［M］ .第四版. 北京: 机械工业出版社，

2008．

[2] 章新龙. RQD 系列大型精密控制井式渗碳炉[J]．金属热处理， 2005,30( 增刊):

90 － 94.

[3] 湛宪宪. 超大型井式气体渗碳炉的研制和应用［J］．金属热处理， 2003，28( 11):

52 － 56．

[4] 刘呼东曾爱群. 渗碳技术的新进展.

[5] 热处理手册编委会. 热处理手册 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2008 . 1 .

[6] 夏立芳, 高彩桥. 钢的渗氮 [M] . 北京: 机械工业出版社, 1989 .

[7] 席守谋.激光热处理及可控渗氮 [J]. 西安: 西北工业大学, 2002 . 7 .

[8] 卢燕平,渗镀[M ].北京:机械工业出版社,1985.137一138.

[9] 张继世,刘江.金属表面工艺[M ]. 北京:机械工业出版社,1995 .45 一47.

[10]钟华仁.钢的稀土化学热处理 [M ].北京:国防工业出版社,1998. 1 一4.

[11]张黔.表面强化技术基础[M ].武汉:华中理工大学出版社,1996 .6 9 一7 2.

[12]陈华, 邹朝辉, 林新培, 付艳萍.可控精密渗氮技术及应用.

[13]盛长松李选亭兄君瑞刘文亮 .碳钢表面共渗金属技术及应用.

[14]熊惟皓. 模具表面处理与表面加工. 化学工业出版社.

[15]唐俊远. 模具材料与表面处理. 北京理工大学.

[16]陈文威. 金属表面涂层技术及应用. 北京：人民交通出版社,1996

[17]阎洪.金属表面新技术,1996.

[18]鲍君峰,于月光,刘海飞,魏伟.氧-乙炔火焰粉末喷涂技术,2006.

[19]林春华,葛祥荣. 电刷镀技术便览机.北京:械工业出版社,1991.

[20]高红霞. 工程材料.北京;中国轻工业出版社,2009.9.

[21]崔占全,孙振国. 工程材料. 北京:机械工业出版社,2007.7.

[22]马鹏飞,李美兰. 热处理技术. 北京:化学工业出版社,2008.12.

现代表面技术【作业】

现代表面技术 第一章表面技术概论 （1）举例说明表面技术在研究和制备新材料中的应用； 第二章作业题 1、按照作用原理，表面技术可以分为哪些类型？ 2、固体材料界面有哪三种？ 3、何谓清洁表面？何谓实际表面？ 4、清洁表面为何存在各种类型的表面缺陷？ 5、简述表面驰豫和表面重构并画出结构示意图说明。 6、什么是贝尔比层？它有什么特点? 第三章电镀和化学镀 1. 何谓电极电位？何谓阳极极化？何谓阴极极化？ 2. 简述阴极极化对金属电沉积过程的影响。 3. 简述法拉第一定律和第二定律; 4. Zinc metal is plated onto an iron nail by passing electricity through an external circuit. Calculate the current required to plate 25 g of zinc onto an iron spike during a 1.5 hour period. 5. Zinc metal is plated onto an iron nail by passing electricity through an external circuit. A current of 3.75 A is applied for a period of 2.0 hours. Calculate the mass of zinc that can be plated during this time. 第四章金属的化学处理 （1）铝合金电化学氧化方法有哪几种？其中硬度最高的氧化方法是什么方法？ （2）化学转化膜：氧化物膜；磷酸膜和铬酸盐膜是如何形成的？ 第五章表面涂覆技术 （1）目前投入使用的激光器中，功率最大的是什么激光器？ （2）CO2激光器的波长为 μm. （3）离子注入表面存在；热喷涂表面存在；喷丸表面存在；电火花强化表面存在； A.零应力；B 残余压应力；C 残余拉应力 （4）热喷涂层与基体的结合方式为；；。其中主要结合方式为。

材料表面的硅烷化改性

实验64 材料表面的硅烷化改性 一．实验目的 1.利用硅烷偶联剂改性有机或无机材料。 2.制备无机-有机杂化粉体或薄膜材料。 二．实验原理 很多纳米材料都是重要的无机化工产品，是橡胶.塑料.油漆.油墨.造纸.农药及牙膏等行业不可缺少的优良原料。以SiO2纳米颗粒为例，纯粹制备的SiO2颗粒表面上存在着大量的羟基基团，呈极性.亲水性强，众多的颗粒相互联结成链状，链状结构彼此又以氢键相互作用，形成由聚集体组成的立体网状结构，在这种立体网状结构中分子间作用力很强，应用过程中很难均匀分散在有机聚合物中，颗粒的纳米效应很难发挥出来。如何将纳米SiO2均匀分散在高分子材料中，以提高聚合物材料的各项性能是一个重要的研究方向。 硅烷偶联剂发展至今已有一百多种产品，按Y有机官能团的不同，可分为链系基类硅烷偶联剂.氨基硅烷偶联剂.环氧基类硅烷偶联剂.烷基丙烯酰氧基类硅烷偶联剂及双官能基型硅烷偶联剂等。 硅烷偶联剂处理技术原理简单.操作方便，其与材料表面的作用机理一直是研究的重点，目前关于硅烷在材料表面行为的理论有很多假设，主要有化学键理论.物理吸附理论.表面浸润理论.可逆水解平衡理论和酸碱相互作用理论等。 硅烷偶联剂分子含有两种反应性基团，化学结构可以用X3SiRY来表示，其中，X是可进行水解反应并生成硅烃基(Si-OH)的基团，如卤素.氨基.烷氧基和乙酰氧基等，硅醇基团可和无机物（如无机盐类.硅酸盐.金属及金属氧化物等）发生化学反应，生成稳定的化学键，将硅烷与无机材料连接起来。Y是非水解基团，可与有机基团如乙烯基.氨基.巯基.环氧基等起反应，从而提高硅烷与聚合物的粘连性。R是具有饱和键或不饱和键的碳链，将官能团Y 和Si原子连接起来。因此硅烷偶联剂分子被认为是连接无机材料和有机材料的“分子桥”，能将两种性质悬殊的材料牢固地连接在一起，形成无机相/硅烷偶联剂/有机相的结合形态，从而增加了后续有机涂层与基地材料的结合力。 一般来说，硅烷分子中的两个端基团既能分别参与各自的反应，也能同时起反应。通过适当的控制反应条件，可在不改变Y官能团的前提下取代X官能团，或者在保留X官能团的情况下，使Y官能团改性。若在水性介质中对Y官能团改性，那么X基团同时水解。则硅烷的作用过程依照四步反应模型来解释： ①与硅相连的3个Si-X基团水解成Si-OH; ②Si-OH之间缩合反应，脱水生成Si-OH的低聚硅烷； ③低聚物中的Si-OH与基体表面的-OH形成氢键； ④加热固化过程中发生脱水反应，与基材以共价键连接。 界面上硅烷偶联剂只有一个硅与基材表面键合，剩下两个Si-OH可与其他硅烷中的Si-OH 缩合形成Si-O-Si结构。 常用的硅烷偶联剂主要有; (十二烷基三甲氧基硅烷） （乙烯基三乙氧基硅烷）

表面改性技术在陶瓷材料中的应用

表面改性技术在陶瓷材料中的应用 引言: 材料表面处理是材料表面改性和新材料制备的重要手段,材料表面改性是目前材料科学最活跃的领域之一。传统的表面改性技术,方法有渗氮、阳极氧化、化学气相沉积、物理气相沉积、离子束溅射沉积等。随着人们对材料表面重要性认识的提高,在传统的表面改性技术和方法的基础上,研究了许多用于改善材料表面性能的技术,主要包括两个方面:利用激光束或离子束的高能量在短时间内加热和熔化表面区域,从而形成一些异常的亚稳表面;离子注入或离子束混合技术把原子直接引进表面层中。陶瓷材料多具有离子键和共价键结构,键能高,原子间结合力强,表面自由能低,原子间距小,堆积致密,无自由电子运动。这些特性赋予了陶瓷材料高熔点、高硬度、高刚度、高化学稳定性、高绝缘绝热性能、热导率低、热膨胀系数小、摩擦系数小、无延展性等鲜明的特性。但陶瓷材料同样具有一些致命的弱点,如:塑性变形差,抗热震和抗疲劳性能差,对应力集中和裂纹敏感、质脆以及在高温环境中其强度、抗氧化性能等明显降低等。 正文: 一、陶瓷材料表面改性技术的应用 1.不同添加剂对陶瓷材料性能的影响。 由于陶瓷材料的耐高温特性经常被应用到高温环境中,特别是高温结构 陶瓷,其高温抗氧化性受到人们的关注。Si 3N 4 是一种强共价结合陶瓷,具有高 硬度、高强度、耐磨和耐腐蚀性好的性能。但是没有添加剂的Si 3N 4 几乎不 能烧结,陶瓷材料的高温强度强烈地受材料组成和显微结构的影响,而材料的显微结构特别是晶界相组成是受添加剂影响的,晶界相的组成对高温力学性能的影响极其敏感。对致密氮化硅而言,坯体中的物质传递对材料的氧化起着决定性作用,一般认为,在测试条件下,具有抛物线规律的氮化硅材料,其决定氧化的主要因素取决于晶界的添加剂离子和杂质离子的扩散速率,不同的添加剂对氮化硅陶瓷的氧化行为影响有所不同[1,2,3]。 2．离子注入技术。 离子注入就是用离子化粒子,经过加速和分离的高能量离子束作用于材料表面,使之产生一定厚度的注入层而改变其表面特性。可根据需要选择要注入的元素,并根据工艺条件控制注入元素的浓度分布和注入深度,形成所需要的过饱和固溶体、亚稳相和各种平衡相,以及一般冶金方法无法得到的合金相或金属间化合物,可直接获得马氏体硬化表面,得到所需要的表面结构和性能由于形成的改性表面不受热力学条件的限制(相平衡、固溶度),所以具有独特的优点。离子注入表面处理技术有:金属蒸汽真空弧离子源离子注入,等离子源注入等。在相同的条件下,重离子比轻离子有更强烈的辐射硬化,因此其对抗弯强度的增加更显著;由于单晶的表面缺陷少所以增加效果 更好]7,6[。

材料改性与表面工程

材料改性与表面工程 镁合金被誉为“21世纪最具发展潜力和前途的绿色工程材料”。他是金属结构材料中最轻的一种，镁合金从早期被应用于航空航天工业到目前在汽车材料、光学仪器、电子电信、军工工业等方面的应用有了很大发展。但是镁合金的耐蚀性耐磨性硬度及耐高温性能较差，在某种程度上又制约了镁合金材料的广泛应用。采用冷喷涂技术在镁合金表面喷涂覆盖上一层致密的保护膜，是解决镁合金腐蚀和磨损问题，提高镁合金铸件使用寿命，拓宽镁合金应用范围的关键之一。 1．冷喷涂原理和特点 超音速冷喷涂（简称冷喷涂）是近年发展起来的一种新型涂层制备工艺，常以金属材料（如钛、镍、钨、钴、铜、合金等）[1-5]为喷涂材料进行金属表面改性和功能涂层的制备。 冷喷涂技术[6]就是将经过一定低温预热的高压（1.5～3.5MPa）气体（N2、He 或压缩气体）分两路，一路通过送粉器，携带经预热（100～600℃）的粉末粒子（1～50 m）从轴向送入高速气流中；另一路通过加热器使气体膨胀，提高气流速度（300～1200 m／s），最后两路气流进入喷枪，在其中形成气─固双相流，在完全固态下撞击基体，通过较大的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。在喷涂过程中，喷枪距离为5～30 mm。 冷喷涂实现低温状态下的金属涂层沉积，具有如下主要优点：其一，喷涂粉末在加工过程中工作温度低，几乎无氧化现象，涂层表面组织均匀；其二，涂层密度大、结合强度高；其三，涂层材料适用广泛，可制备硬度大、耐磨性高、强度高的涂层；其四，可以加工具有特殊物理化学性质的涂层；其五，组织稳定；其六，涂层表面具有残余的压应力，使耐疲劳性增加；其七，喷涂粉末可以回收再利用。 2.国内外用冷喷涂技术在镁合金基体上喷涂铝合金涂层的研究现状 Yongshan Tao[7]等人用冷喷涂的方法在AZ91D镁合金表面沉积一层纯铝涂层，发现涂层中存在微米尺寸的裂纹和孔洞，涂层颗粒边界处中形成了新的界面和亚晶相；在质量分数为3.5%的中性NaCl溶液中浸渍后发现涂层的抗点蚀性能比具有相似纯度的铝块好。在浸渍过程中，由于在涂层中存在着相互独立的微米级或纳米级的孔洞而发生了传质现象。在浸渍十天之后，由于涂层致密细颗粒的结构，它仍然可以为AZ91D 镁合金基体提供良好的耐蚀性保护。 他们还在铝粉中加入α-Al2O3作为增强颗粒，发现涂层和纯铝涂层相比有较小的气孔率，由于α-Al2O3在基体上的渗透和侵蚀，涂层和基体之间的结合力也增强；α-Al2O3在铝基体上的捣固和增强作用涂层具

高能粒子束表面改性技术研究与发展

高能粒子束表面改性技术研究与发展 昆明理工大学材料111班解开书 【摘要】主要叙述了高能粒子束表面改性技术中的离子束表面改性技术的基本原理、工艺特点、发展趋势及其存在的问题和解决途径。 关键词：高能粒子束；表面改性；研究与进展 前言 高能粒子束表面改性是通过高能量密度的束流改变材料表面的成分或组织结构的表面处理技术。由于高能粒子束的功率密度可以达到108W/cm2以上，甚至可超过109W/cm2，因此在极短的作用周期下，材料表面就能达到其他表面技术所无法达到的效果。高能粒子束表面改性技术具备以下一些特点： （1）能量密度可以在很大范围内进行调节，并可精确控制； （2）高能粒子束表面改性技术可以方便地与传统的表面改性技术结合起来，从而弥补甚至消除各自的局限性； （3）利用高能粒子束可以对材料表面进行超高速加热和超高速冷却，其冷却速度可达104℃/S，从而实现新型超细、超薄、超纯材料的合成和金属复合材料的制备。 1高能离子束表面改性技术的研究及其应用 1.1 离子束表面改性研究现状 20世纪70年代中期，离子注入技术进入到半导体材料的表面改性，采用离子注入精细掺杂取代热扩散工艺，使半导体从单个晶体管加工发展为平面集成电路加工。20世纪80年代初，离子束混合的出现，对离子束冶金学的发展做出了巨大的贡献。80年代中期，金属 蒸发真空弧离子源（M EV VA）和其他金属离子源的问世，为离子束材料改性提供了强金属离子束。与此同时，为克服注入层浅的问题，开始研究离子束辅助沉积技术（IBAD），又称离子束增强沉积技术（IBED）。20世纪末发展起来的称为“等离子体注入”技术（PSII-PIasm a Source Ion Implantation）克服了常规注入的缺点，可对成批工件同时进行全方位的离子注入而引起人们的关注，由于工件是直接“浸泡”在被注入元素的等离子体内，也有人称之为“等离子体浸没离子注入”（PI II-Plasma Source Ion Implantation）。PSII技术发 展很快，该技术的奠基人之一CONRAD J R已取得大量基础研究和应用成果。 自20世纪70年代以来，许多国家对离子注入材料改性的研究和应用都给予了相当的重视，一些大学、科研机构和公司都相继成立了专门从事这方面工作的研究中心或实验室，如美国的斯坦福大学，英国的哈威尔原子能研究中心以及日本的RIK EN物理化学研究所等。我国离子注入改性技术的研究，早期也和国外一样主要集中在半导体的研究和应用方面，从20世纪70年代至今逐渐把该技术应用于其他领域，特别是在优化材料表面的摩擦学特性方面的研究和应用得到了不断发展。目前，除了北京师范大学、清华大学、四川联合大学原子能研究所、中国原子能研究所等有专门的研究中心外，还在上海冶金研究所建立了中国科学院离子束开放实验室，在大连理工大学建立了国家激光束、电子束、离子束开放研究室。但是由于高性能离子束装置的研制和建立都比较缓慢，因而，无论在基础研究或应用方面与国外相比都还存在一定的差距。

表面改性技术

先进制造技术课程论文 论文题目：［高速齿轮表面改性工艺方法研究］ 系部：机械工程系 专业：机械制造与制动化 班级：机制103 学生姓名： 学号：100114314 2012年10 月10 日 摘要 齿轮表面改性技术对于齿面强化，延长齿轮的使用寿命和发展新型齿轮加工技术具有重要的意义．齿轮传动具有传动比准确，传递运动工作可靠，传动平稳效

率高，机构紧凑，使用寿命长等优点，在许多行业得到广泛使用．齿轮工作时的运动和受力情况非常复杂，由此产生的损伤形式多样，比较常见且对其能影响较严重的损伤有3种：断齿、破坏性胶合和破坏性点蚀_l ．因此，要求齿轮的整体具有高的弯曲疲劳强度，心部要求高的强度和冲击韧性，齿面要求高硬度、高耐磨性和一定的耐腐蚀性．德国权威机构曾对涉及各行各业的齿轮传动失效实例进行过调查研究，发现因齿轮表面失效而引起的齿轮传动副失的数量约占所调查对象总数的．因此，提高齿轮表面强度已成为提高齿轮传动副的可靠性和延长其使用寿命的有效途径．为了达到这一目的，必须对齿轮进行表面强化处理．除采用常规表面热处理手段外，日益成熟的各种表面强化新技术也获得了广泛应用．目前，齿轮表面强化处理技术主要有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属、激光表面强化、热喷涂等 关键字：齿轮表面改性现代表面技术 一、表面改性技术： 表面技术是指采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能（如耐磨，耐高温，合适的射线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等） 表面改性技术可以掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命，节约稀、贵材料，节约能源，改善环境，并对各种高薪技术的发展具有重要作用。表面改性技术的研究和应用已有多年。70年代中期以来，国际上出现了表面改性热，表面改性技术越来越受到人们的重视。 表面改性的特点是： （1）不必整体改善材料，只需进行表面改性或强化，可以节约材料。 （2）可以获得特殊的表面层，如果超细晶粒、非晶态、过饱和固溶体，多层结构层等，其性能远非一般整体材料可比。 （3）表面层很薄，涂层用料少，为了保证涂层的性能、质量，可以采用贵重稀缺元素而不会显著增加成本。 （4）不但可以制造性能优异的零部件产品，而且可以用于修复已经损坏、失效的零件。 表面改性技术应用：表面改性技术广泛应用于机械工业、国防工业及航空航天领域，通过表面改性可以使材料性能提高，产品质量提高，降低企业成本。表面技术的应用，在提高零部件的使用寿命和可靠性，提高产品质量，增加产品的竞争力，以及节约材料，节约能源，促进高科技技术的发展等方面都有着十分重要的意义。 二、一般传统齿轮的处理方式 1、金属表面形变强化 喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种应用广泛的表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。 喷丸强化原理： （1）形成形变硬化层，在此层内产生两种变化：

离子束加工原理

离子束加工原理 离子束加工（ion beam machining，IBM）是在真空条件下利用离子源（离子枪）产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。 因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。 2.离子束加工特点 加工精度高。因离子束流密度和能量可得到精确控制。 在较高真空度下进行加工，环境污染少。特别适合加工高纯度的半导体材料及易氧化的金属材料。 加工应力小，变形极微小，加工表面质量高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。 3.离子束加工的应用范围 离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。 1）离子刻蚀 3.离子束加工的应用范围 离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。 1）离子刻蚀 当所带能量为0.1～5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子或分子间键合力时，材料表面的原子或分子被逐个溅射出来，以达到加工目的 这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。 离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等高精度图形。 2）离子溅射沉积 采用能量为0.1～5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。 实际上此法为一种镀膜工艺。 3）离子镀膜 离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力（可达10～20MPa）， 此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得广泛应用。4）离子注入 用5～500keV能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。 此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入不同离子（如

材料表面改性方法

材料表面改性方法 材料表面改性是指不改变材料整体（基体）特性，仅改变材料近表面层的物理、化学特性的表面处理手段，材料表面改性也可以称为材料表面强化处理。 现代材料表面改性目的：是把材料表面与基体看作为一个统一的系统进行设计与改性，以最经济、最有效的方法改变材料近表面层的形态、化学成份和组织结构，赋予新的复合性能，以新型的功能，实现新的工程应用。现代材料表面改性技术就是应用物理、化学、电子学、机械学、材料学的知识,对产品或材料进行处理，赋予材料表面减磨、耐磨、耐蚀、耐热、隔热、抗氧化、防辐射以及声光电磁热等特殊功能的技术。 分类： 1、传统的表面改性技术： 表面热处理：通过对钢件表面的加热、冷却而改变表层力学性能的金属热处理工艺。表面淬火是表面热处理的主要内容，其目的是获得高硬度的表面层和有利的内应力分布，以提高工件的耐磨性能和抗疲劳性能。 表面渗碳：面渗碳处理:将含碳(0.1~0.25)的钢放到碳势高的环境介质中,通过让活性高的碳原子扩散到钢的内部,形成一定厚度的碳含量较高的渗碳层,再经过淬火\回火,使工件的表面层得到碳含量高的M,而心部因碳含量保持原始浓度而得到碳含量低的M,M的硬度主要与其碳含量有关,故经渗碳处理和后续热处理可使工件获得外硬内韧的性能. 2、60年代以来：传统的淬火已由火焰加热发展为高频加热 高频加热设备是采用磁场感应涡流加热原理，利用电流通过线圈产生磁场，当磁场内磁力线通过金属材质时，使锅炉体本身自行高速发热，然后再加热物质，并且能在短时间内达到令人满意的温度。 3、70年代以来： 化学镀：是指在不用外加电流的情况下,在同一溶液中使用还原剂使金属离子在具有催化活性的表面上沉积出金属镀层的方法。 4、近30年来： 热喷涂：热喷涂是指一系列过程，在这些过程中，细微而分散的金属或非金属的涂层材料，以一种熔化或半熔化状态，沉积到一种经过制备

表面改性技术综述

表面改性技术综述 表面改性是指采用某种工艺和手段使材料获得与其基体材料的组织结构性能不同的一种技术。材料经过改性处理之后，既能发挥材料基体的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能，如耐磨，耐腐蚀，耐高温，合适的射线吸收等。 金属表面改性技术在冶金、机械、电子、建筑、轻工、仪表等各个工业部门乃至农业和人们日常生活中都有着广泛的用途, 其种类繁多。除常用的喷丸强化、表面热处理等传统技术外, 近些年还快速发展了激光、电子和离子等高能束表面处理技术。今后, 随着物理学、材料学等相关学科的迅速发展, 还将不断涌现出新的表面改性技术。尤其是复合表面技术的发展, 有可能获得意想不到的效果。金属表面改性技术的飞速发展和不断创新, 将进一步推动其在工农业生产中的应用, 带来显著的经济效益。 传统的表面改性技术有：表面形变强化、表面热处理、表面化学热处理、离子束表面扩渗处理、高能束表面处理、离子注入表面改性等。 1、喷丸强化 喷丸处理是在受喷材料再结晶温度以下进行的一种冷加工方法, 是将弹丸在很高速度下撞击受喷工件表面而完成的。喷丸可应用于表面清理、光整加工、喷丸成型、喷丸校正、喷丸强化等方面。喷丸强化又称受控喷丸, 不同于一般的喷丸工艺, 要求喷丸过程中严格控制工艺参数, 使工件在受喷后具有预期的表面形貌、表层组织结构和残余应力场, 从而大幅度提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。实施喷丸时, 弹丸由专用的喷丸机籍助压缩空气、高压水流或叶轮, 高速射向零件受喷部位。常用弹丸有球形铸铁丸、铸钢丸和其它非金属材料制成的弹丸。喷丸强化的效果用喷丸强度来表示, 与弹丸种类和形状、碰撞速度和密度、喷射方位和距离、喷丸时间等因素有关。表面喷丸提高金属材料疲劳强度的机理比较复杂, 涉及到塑性变形层(通常为011～018mm 厚) 的组织结构变化(如位错密度、亚晶粒尺寸) 和残余应力的变化。因此, 只有合理控制表面变形层内的变化, 才可能获得预期的喷丸强化效果。 早在20 世纪20 年代, 喷丸强化就应用于汽车工业。目前已成为机械制造等工业部门的一种重要的表面技术, 应用广泛。涉及的材料除普通钢外,还有高强度钢和各种有色金属; 涉及的零件类型有弹簧、轴、齿轮、连杆、叶片、涡轮盘和飞机起落架组成件等。 2、传统表面热处理改性 传统的表面热处理技术可分为表面淬火和化学热处理两大类。它主要用来提高钢件的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限。在机械设备中, 许多零件(如齿轮轴、活塞销、曲轴等) 是在冲击载荷及表面磨损条件下工作的。这类零件表面应具有高的硬度和耐磨性, 而心部应具有足够的塑性和韧性。因此, 为满足其使用性能要求, 应进行表面热处理。 ○1表面淬火 表面淬火是把零件的表层迅速加热到淬火温度后快冷, 使零件表面层获得淬火马氏体而心部仍保持未淬火状态的一种淬火方法。表面淬火的目的是使零件获得高硬度的表层, 以提高工件的耐磨性和疲劳性能, 而心部仍具有较好的韧性。其设备简单、方法简便, 广泛用于钢铁零件。根据加热方法的不同, 可分之为火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。火焰加热表面淬火的淬透层一般为2 -6mm。其特点是设备简单, 但加热温度高及淬硬层不易控制, 淬火质量不稳定, 使用上有局限性。感应加热表面淬火的特点是: 加热速度快, 零件变形小, 生产效率高, 淬火后表面能获得优良的机械性能; 淬透层易控制, 淬火操作易实现机械化。但设备较贵, 形状复杂零件的感应器不易制造, 不宜单件生产。 ○2化学热处理 化学热处理是将金属零件放在某种介质中加热、保温、冷却, 使介质中的某些元素渗入

材料表面的硅烷化改性

材料表面的硅烷化改性 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

实验64 材料表面的硅烷化改性 一．实验目的 1.利用硅烷偶联剂改性有机或无机材料。 2.制备无机-有机杂化粉体或薄膜材料。 二．实验原理 很多纳米材料都是重要的无机化工产品，是橡胶.塑料.油漆.油墨.造纸.农药及牙膏等行业不可缺少的优良原料。以SiO2纳米颗粒为例，纯粹制备的SiO2颗粒表面上存在着大量的羟基基团，呈极性.亲水性强，众多的颗粒相互联结成链状，链状结构彼此又以氢键相互作用，形成由聚集体组成的立体网状结构，在这种立体网状结构中分子间作用力很强，应用过程中很难均匀分散在有机聚合物中，颗粒的纳米效应很难发挥出来。如何将纳米SiO2均匀分散在高分子材料中，以提高聚合物材料的各项性能是一个重要的研究方向。 硅烷偶联剂发展至今已有一百多种产品，按Y有机官能团的不同，可分为链系基类硅烷偶联剂.氨基硅烷偶联剂.环氧基类硅烷偶联剂.烷基丙烯酰氧基类硅烷偶联剂及双官能基型硅烷偶联剂等。 硅烷偶联剂处理技术原理简单.操作方便，其与材料表面的作用机理一直是研究的重点，目前关于硅烷在材料表面行为的理论有很多假设，主要有化学键理论.物理吸附理论.表面浸润理论.可逆水解平衡理论和酸碱相互作用理论等。 硅烷偶联剂分子含有两种反应性基团，化学结构可以用X3SiRY来表示，其中，X是可进行水解反应并生成硅烃基(Si-OH)的基团，如卤素.氨基.烷氧基和乙酰氧基等，硅醇基团可和无机物（如无机盐类.硅酸盐.金属及金属氧化物等）发生化学反应，生成稳定的化学键，将硅烷与无机材料连接起来。Y是非水解

材料表面技术16

1.表面技术概念：广义：是直接与各种表面现象或过程有关的，是能为人类造福或被人类利用的技术；通过物理、化学或机械以及复合方法，使金属表面具有与基体不同的组织结构、化学成分和物理状态，从而赋予表面与基体不同的性能； 通过物理、化学或机械以及复合方法，使金属表面具有与基体不同的组织结构、化学成分和物理状态，从而赋予表面与基体不同的性能； 2.按照作用原理分类（matton分类）： （1）原子沉积：以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度沉积在基体表面上，如电镀，化学镀，PVD，CVD等； （2）颗粒沉积：以宏观尺度形态在基体上形成覆盖层，如热喷涂，冷喷涂，或搪瓷涂层；（3）整体覆盖：沉积材料同一时间整体涂覆在基体上，如热浸镀，涂装，堆焊和包箔等；（4）表面改性：用物理、化学、机械等方法改变材料表面形貌，化学成分，组织结构和应力状态灯，如喷丸，喷砂，化学热处理； 3.基体表面预处理： 概念：用物理、化学方法除去基体表面的油污，氧化皮及其它污染物，使基体表面呈现出一定的粗糙度和清洁度； 前处理包括：（1）表面整平：使表面平整，光滑，达到要求的粗糙度，抛光，磨光，滚光；（2）除油（脱脂）：有机除油，化学法，电化学法； （3）除锈（酸洗）：化学、电化学； （4）弱腐蚀（活化）：电镀、化学镀，除去表面钝化膜，露出新鲜晶格组织稀酸稀碱中处理； 4.喷砂：定义：利用压缩空气把磨料高速喷到零件表面，对其清理的方法。钢砂，石英砂，氧化铝，碳化硅； 应用范围：（1）可清除热处理件（锻件、铸件）表面氧化皮，型砂； （2）可除去工件表面毛刺，锈蚀，油污； （3）对于不宜用酸洗除氧化皮工件，可用喷砂代替； （4）对于某些表面技术，如热喷涂，涂装，可用喷砂产生一定粗糙度，产生“锚固效应”；喷丸：与喷砂原理和设备类似，只是采用的磨料不同， 应用范围：①是零件产生压应力，从而提高零件的疲劳强度和抗应力及抗腐蚀能力。②代替一般冷热成型工艺，可对大型薄壁铝制零件进行成型加工，这样可避免零件表面残留的张应力而形成有利的压应力。③对扭曲的薄壁零件进行校正，经喷丸后的零件使用温度不能太高，以防消除喷丸产生的压应力，使用温度范围因材料而定，一般钢铁件为260-290℃，铝零件为170℃。 5.覆盖能力：使工件最凹处沉积上金属的能力； 均镀（分散）能力：使金属镀层厚度均匀分布的能力； 分散能力好，深度能力肯定好；深度能力好，均镀能力不一定好； 电流效率：电极上实际析出（溶解）物质的质量与理论计算得到的析出（溶解）物质的质量的比； 6.电镀：指在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解作用，使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法； 使电镀分散能力强措施：工件形状越简单越好，加入络合剂，提高溶液导电性，加入导电盐，离阳极距离远一些，可以使镀层分散能力更好； 7.阴极极化：当电流通过电极时，电极电位会偏离平衡电极电位，随电流密度增加电极电位不断变负，即阴极极化； 电化学极化：由于阴极上电化学反应速度小于外电源供给电极电子的速度，从而使电极电位向负的方向移动而引起的极化作用；

材料改性教学总结

材料改性

浅谈表面改性 摘要：本文主要总结了各种材料的改性及改性剂对其的影响，其中还涉及到各种改性方法及对材料改性的展望。 关键字：表面改性纳米金属 1 引言 表面改性是指在保持材料或制品原性能的前提下，赋予其表面新的性能，如亲水性、生物相容性、抗静电性能、染色性能等。表面改性的方法有很多报道，大体上可以归结为:表面化学反应法、表面接枝法、表面复合化法等。 表面改性技术(surface modified technique) 则是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能的一类热处理技术。它包括化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属等);表面涂层(低压等离子喷涂、低压电弧喷涂、激光重熔复合等门薄膜镀层(物理气相沉积、化学气相沉积等)和非金属涂层技术等。这些用以强化零件或材料表面的技术，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性。使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件，提高了可靠性、延长了使用寿命，具有很大的经济意义和推广价值。 2表面改性对不同材料性能的影响 2.1 对SF/PP复合材料性能的影响 剑麻纤维（SF）因具有较高的比强度和比模量而成为树脂基体较好的天然纤维增强材料，适用于制备成本低、比模量高和耐冲击的纤维/树脂复合材料。国内常用马来酸酐接枝聚丙烯或有机硅烷为界面相容剂，来提高SF/PP复合材料的力学性能，表面改性可以提高纤维与PP基体的黏合性。使SF/PP复合材料的力学性能和流动性能提高，吸水率下降【1】。 2.2对羟基磷灰石蛋白吸附的影响 羟基磷灰石因为与人体骨组织中的无机组分相近而被广泛应用于有机/ 无机复合物中。但是, HAP 表面具有亲水性, 大多数应用于骨修复的有机材料具有疏水性, 两者的极性差异导致了界面相容性下降, 进而降低复合物的力学性能。克服这一困难最常用的方法

材料表面改性技术

聚四氟乙烯等离子体表面改性 1、前言 1938 年美国杜邦公司的研究人员Roy Plunkett 在尝试制作新的氟化合物制冷剂时意外发现了聚四氟乙烯[1]。聚四氟乙烯(PTFE)是一种具有优异综合性能的特种工程塑料，有“塑料王”的美誉。聚四氟乙烯(PTFE)分子结构中，以碳原子为骨架，周围被氟原子覆盖。由于C-F 键的键能很大，而且分子结构又完全对称，这使其具有极好的耐热、耐寒性(使用温度-250~260℃)；极好的耐化学腐蚀性，不溶解或溶胀于任何已知溶剂中，即使在高温下王水对其也不能起作用；优异的电绝缘性；突出的不粘性，几乎所有的黏性物质都不能黏附在其表面；独特的自润滑性及低摩擦系数等一系列优异的综合性能[2]。聚四氟乙烯因为其独特的性能在军事领域得到重要应用，然后又逐渐拓展到生产和生活领域。目前已经在航空航天、石油化工、建筑、轻纺、机械、电子、环保、医学等领域得到普遍应用，并日益深入到人们的日常生活中[3]。 虽然聚四氟乙烯有诸多的优点，但是由于该材料表面能很低(临界表面张力1.8 mN/m)，表面疏水性极高(与水的接触角超过100°)。这种极低的表面活性和不粘性严重影响了PTFE在粘接、印染、生物相容等方面的应用，特别是限制了聚四氟乙烯薄膜与其他材料的复合[4]。为了提高聚四氟乙烯的表面润湿性能，使它可与其他材料粘接、复合，必须对PTFE进行表面亲水改性。目前，对聚四氟乙烯改性的方法主要有聚四氟乙烯、等离子法、辐射接枝法、激光处理法、离子束注入法、高温熔融法、电解还原法、力化学处理法等，本文主要介绍等离子法改性技术。 2、聚四氟乙烯表面能低的原因 聚四氟乙烯表面能低主要有以下几方面的原因： (1)碳氟键稳定性好，其键能可达485.3kJ/mol； (2)分子结构高度对称，结晶度高； (3)不含活性基团，导致材料表面疏水性极高； (4)PTFE的溶度参数很小，与其他物质的黏附性也很小。 3、低温等离子法

离子束技术及其应用

离子束技术及其应用 合肥研飞电器科技有限公司 一．离子束技术简介 1．离子源构成及原理 如图1所示，在一个真空腔体中,用气体放电产生一团等离子体，再用多孔（缝）引出电极将等离子体中的离子引出并加速形成离子束。 图1 离子源构成原理示意图。 图2 单孔引出电极构成原理示意图。 2．离子束的品质因素 引出电极的单孔构成原理如图2所示，它决定了离子束的品质因数，即导流系数（设计最佳化）、能耗、运行气压和气体效率。其中导流系数由下式决定： 202302 max 294??? ??==d D M eZ V D J P c πεπ (A/V 3/2) 3．离子源的分类 主要按等离子体产生的方法来分： ● 有极放电，主要包括：考夫曼、潘宁、佛里曼(Freeman)、双压缩、双潘宁、射频容性耦合离子源； ● 无极放电，主要包括：微波ECR 、射频感性耦合（ICP ）离子源； ● 其它离子源，例如：束—等离子体离子源。

二． 离子束辅助沉积薄膜技术 1．离子束辅助的重要性 A ．新的挑战: 随着有机光学元件基片材料的采用和光纤通信工业应用中提出了更高的技术要求，以及提供相应的多层光学涂层薄膜，越来越需要发展新工艺。 B ．蒸发镀的局限性: 虽然蒸发镀是光学涂层的主要制备方法，但它不能满足更高的致密性要求、改善机械性能和产品的快速生产等方面的要求。 2．离子辅助沉积 众所周知，引入离子辅助沉积，在一定程度上能够改善热蒸发沉积薄膜的持久性和稳定性方面的性能。这种工艺的功能已经在材料等许多领域被证明，当然它不一定能满足一些涂层应用的特殊要求。市场上可以买到的离子源仅能提供低的离子流和窄的束径，限制了可应用的基片面积。 3．该应用离子束的特点： 离子能量低（100eV －1000eV ）； 大流强（数mA/cm 2）； 要求流强受离子能量影响小； 高真空（～10 -5乇）； 离化率、电效率、气体效率高； 杂质量低； 寿命长（抗氧化）、操作容易、维护方便。 4．新型ICP 离子源的研制 A.前 言 ● 离子源广泛应用于材料改性、刻蚀和薄膜沉积领域； ● 射频感应耦合等离子体（RF ICP ）源结构简单、能产生高密度的纯净等离图4 离子辅助电子束蒸发镀 膜装置示意图

表面改性方法

镁合金表面熔覆改性技术 Surface Overlaying Modification Technology of Magnesium Alloys 摘要评述了镁合金表面熔覆改性技术的国内外发展概况，着重介绍了热喷涂、激光熔覆及热喷涂+激光重熔复合熔覆3种处理工艺和熔覆涂层材料，提出采用热喷涂+激光熔覆合法熔覆工艺、镁合金表面熔覆非晶合金以及熔覆高熔点涂层是提高镁合金表面性能的有效方法，具有良好的应用前景。 关键字：镁合金表面改性研究进展 Abstract:Recent developments of the application of surfacing overlaying modification technology of magnesium alloys are reviewed. The main treatment processes including thermal spraying, laser cladding and a two-step composite method, thermal spraying firstly then laser cladding, are introduced emphatically. Moreover, coating materials for surface modification of magnesium alloy are also summarized. It's pointed out that the composite technology of thermal spraying firstly then laser cladding, overlaying amorphous alloys coating and high melting point materials coating are effective methods of enhancing surface performance of magnesium alloys, which have good application prospects and are worth further studying. Key words magnesium alloys, surface modification, research progresses 1 序言 镁合金因密度低.比强度、比刚度高.电磁屏蔽性好.减震性好.以及优良的切削加工性能.在航空、汽车和电子通讯等行业中得到广泛的应用。但是镁的化学稳定性低.电极电位很负（-2.34V）耐蚀性差.月_镁合金的耐磨性、硬度及耐高温性能也较差.在某种程度上制约了镁合金材料的广泛应用。因此.如何提高镁合金的耐磨、耐腐蚀及耐热等综合性能已成为当今镁合金材料研究、发展的重要课题。有效的途径之一是对镁合金表而进行表而改性处理.在基体材料的表而形成相应的保护层。 日前，镁合金表而处理上要有化学转化、阳极氧化、表而渗层、表而电镀等方法这些方法都存在一些局限性.要么对环境有较人污染.要么所制得的涂层厚度、致密性有限而不能够有效保护。然而采用表而熔覆改性处理.如热喷涂、激光熔覆等方法.就可以克服以上不足.既环保又满足使用性能。本文综述了近年来国内外镁合金表而熔覆改性处理技术和熔覆涂层材料的发展概况。 2 镁合金表面熔覆工艺 2.1 热喷涂工艺 热喷涂技术几乎适用各种材料对零件表而的喷涂.对零件的尺寸大小及形

离子束表面处理技术

离子束表面处理技术 离子束加工是利用离子束对材料进行成形或表面改性的加工方法，是一种原子级的加工技术。离子注入、离子沉积和强脉冲离子束材料改性等离子束加工工艺已在工业中获得大量应用。目前，正在研究开发一些新的离子束加工工艺。 关键词：离子束加工离子注入表面处理 Ion beam machining is the use of ion beam surface modification of materials forming or processing methods and it is an “atomiclevel” process technology. Ion implantation. Ion beam deposition. and Intense pulsed ion beam materials modification have been applied in dustry .some newer ion beam process technologies are being studied and developed. Keywords: Ion beam machining Ion implantation Surface Treatment 离子束加工技术是70年代发展起来的一种特种加工，具有加工精度高，易精确控制，污染少，加工应力、变形极小等特点。目前，离子束材料表面改性技术的研究和推广应用已经取得了巨大的成就，其标志之一就是离子注入微细加工技术的发展。离子注入微细加工技术已经成为超大规模集成电路微细加工的关键技术，推动了现代电子技术工业的飞速发展。 离子材料改性的工程问题是离子注入引起材料表面成分、微观结构变化和新的化合物析出，由此引起材料表面（硬度）、摩擦学特性和化学特性的变化。离子束可控地形成材料表面成分的改变、结构变化和温升效应是离子束材料改性的三把利剑。其构筑的工艺特性远超于其他工艺。因此，离子束表面处理有着诱人的研究和应用前景。 1.离子注入 离子注入是指离子从离子源中引出的离子经过加速管加速电位的加速获得很高的能量（动能），而后进入磁分析器使离子纯化，分析出的离子再加速，经过两维偏转扫描器使离子束均匀地注入到材料表面，通过电荷积分仪精确地测量注入离子数量，调节注入离子的能量可精确地控制离子注入深度，故将它称之为精细掺杂。 离子束注入技术:

(完整版)材料表面改性习题整理答案

第六章热喷涂、喷焊与堆焊技术 1.什么是热喷涂？根据所使用的热源不同，可以将热喷涂工艺分为哪两大类？热喷涂：采用各种热源将涂层材料加热熔化或半熔化，高速气体将其雾化，并在高速气流的带动下雾化粒子撞击基材表面，冷凝后形成具有某种功能的涂层。喷焊是用热源将涂层材料重熔，涂层内颗粒之间、涂层与基体之间形成无孔隙的冶金结合。 堆焊技术是将具有一定使用性能的材料（线材或焊条）借助一定的热源手段熔覆在基材表面，使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐热等特殊性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。 2.热喷涂技术的特点是什么？局限性是什么？ 热喷涂的技术特点：可在各种基材上制备各种涂层；基材温度低（30～200℃），热影响区浅，变形小；涂层厚度范围宽（0.5～5mm）；喷涂效率高，成本低； 操作灵活，可在不同尺寸和形状的工件上喷涂； 局限性：加热效率低，喷涂材料利用率低，涂层与基体结合强度低。 3.热喷涂涂层的结构是什么？如何改善涂层结构？ 涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式一层一层堆叠而成的层状结构。涂层中伴有氧化物等夹杂、未熔化的球形颗粒，并存在部分孔隙，孔隙率0.025％－50％。 改善涂层结构的方法(1)选用高温热源(如激光热源、等离子弧)、超音速喷涂、以及保护气氛或低压下喷涂，都可以减少涂层中的氧化物夹杂和气孔，改善涂层的结构和性能。(2)喷涂层的结构还可以通过重熔处理来改善，涂层中的氧化物夹杂和孔隙会在重熔中消除，涂层的层状结构会变成均质结构，与基体的结合强度也会提高。 4.对热喷涂材料有什么要求？ (1)热稳定性好，在高温焰流中不升华，不分解。 (2)较宽的液相区，使熔滴在较长时间内保持液相。 (3)与基材有相近的热膨胀系数，以防止因膨胀系数相差过大产生较大的热应力。 (4)喷涂材料在熔融状态下应和基材有较好的润湿性，以保证涂层与基材之间有良好的结合性能。 (5)粉末固态流动性好，保证送粉的均匀性。 5.热喷涂涂层与基体的结合机理是什么？ 一般认为在涂层与基体之间机械结合起主要作用，即熔融态的粒子撞击到基材表面凹凸不平处，铺展成扁平状的液态薄层，这些覆盖并紧贴基体表面的液态薄片，在冷却凝固时收缩咬住凸出点而形成机械结合。同时，其它几种结合机理（扩散、冶金、物理结合)也在不同程度地起作用，其程度受粉末的成分、表面状态、温度、热物理性能等因素的影响。 6.热喷涂的工艺流程。

高分子材料的表面改性技术研究

高分子材料的表面改性技术研究 摘要：高分子材料表面改性在实际应用中具有非常巨大的价值，因此，必须加强对其表面改性技术的研究，不断进步，从而能够充分发挥出其应用的价值。 关键词：高分子材料表面改性技术等离子体 一、高分子材料的表面改性的简述 高分子材料表面是介于高分子材料本体和外部环境之间的相边界。在许多时候高分子材料表面的物理和化学性质对其应用有至关重要的影响。以聚烯烃(主要是聚乙烯与聚丙烯)类塑料为例，其表面具有化学反应性低、极性小、表面能低、憎水等特点。如果不经过改性处理，塑料制品就很难进行粘接、电镀、涂饰、层压、印刷等二次加工，这会大大缩小其应用范围。近年来，关于高分子材料在生物医学上的应用研究很多．但普通高分子材料表面的生物相容性很差，如不经过表面改性而直接应用会发生不希望的蛋白质吸附和细胞粘附等问题。 表面改性就是在保持材料或制品原有性能的前提下，赋予其表面新的性能。高分子材料经过表面改性后可以改变表面的化学组成、提高表面极性、增加表面能、改善结晶形态和表面形貌、除去弱边界层等．从而提高高分子材料表面的润湿性、粘结性及很多其他性能。 二、高分子材料的表面改性技术研究 （一）等离子体处理 等离子体处理是将材料暴露于非聚合性气体等离子体中，利用等离子体轰击材料表面，等离子体中的活性物质与高分子材料表面进行各种相互作用，引起高分子材料结构发生许多变化，进而对高分子材料进行表面改性。等离子体处理能够改善高分子材料的表面性能，包括染色性、湿润性、印刷性、粘合性、防静电性、表面固化等。 聚合物材料的浸润性与许多领域有关，如印刷、喷涂和染色等，但由于聚合物材料表面自由能低，故而导致浸润性能不好。Guruvenket等分别用氩和氧等离子体处理聚苯乙烯和聚乙烯表面，通过测定接触角对表面性能进行了研究，对于氩和氧等离子体，接触角随着等离子体能量和处理时间增加而减少，ATR一FTIR分析表明，在聚合物表面有含氧基团，如羰基、羧基、醚键和过氧基等的生成。 Lai等通过接触角测量仪、X一射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)研究了微波氩等离子体处理聚碳酸酯、聚丙烯和聚酯的表面特性。结果显示，等离子体处理改变了表面的化学成分和粗糙度，化学成分的改变使得聚合物表面具有较高的亲水性，其主要原因是由于含氧基团所占比率的增加，这与他人的研究结果一致；但是进一步的研究分析表明，C=O 双键是导致聚合物表面亲水性增加的关键因素。 （二）等离子体聚合 等离子体聚合是将高分子材料暴露于聚合性气体中,表面沉积一层较薄的聚合物膜，等离子体聚合法有如下优点:(1)成膜均匀;(2)膜中无气体;(3)膜与基体附着性能好;(4)可进行大面积的涂复;(5)易和其它气相法(CVD)法、真空蒸镀法等结合。在表面保护膜、光学材料、电子材料、分离膜、医用材料等方面的等离子体聚合表面改性进行了广泛的研究。Tab.2列出了几个研究实例，等离子体聚合可用于制备导电高分子膜,在电子器件、传感器上有着广阔的应用前景,也可用于制备光刻胶膜、分离膜、绝缘膜、光学材料的反射率、折射率控制、薄膜波导、生物医学材料等。等离子体膜在分离中研究最多的是作气体分离膜，对渗透气化膜、反渗透膜也已作了大量的研究,PVC与液晶N-对乙氧基苄叉对丁基苯胺的共混体系具有良好的相容性,并可使膜的透气率大幅度提高,但存在液晶挥发损失问题,利用氟碳化合物有较强厌氧能力,用等离子体聚合物在累积复合物膜表面进行改性可提高其氧氮分离系数；等离子体聚合膜在电子材料中的应用不仅局限于绝缘,已发展到了作导体、半导体、超导材料方面,有关超导膜的研究是一个很活跃的领域；N.Inagaki等研究了用TFE等离子体