材料表面工程概述课件.ppt

材料表面工程,概 述,材料科学与工程学院,材料表面工程概 述材料科学与工程学院,2,第1章 绪 论,2第1章 绪 论,3,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。,材料表面工程的定义,3 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,4,1.1 表面工程技术的意义、目的、途径和应用, 避免和减少经济损失 赋予材料表面功能特性(3) 提高产品的可靠性、稳定性 节约材料、节约能源,1.1.1 表面工程技术的意义,41.1 表面工程技术的意义、目的、途径和应用 避免和减,5,1.1 表面工程技术的意义、目的、途径和应用,现在表面工程技术的应用已经十分广泛。 对于固体材料来说，使用表面工程技术的主要目的是： 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，包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等各种物理和化学性能； 实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。,1.1.2 表面工程技术的目的,51.1 表面工程技术的意义、目的、途径和应用 现,6,1.1 表面工程技术的意义、目的、途径和应用,施加各种覆盖层，采用各种表面改性技术。,1.1.3 表面工程技术的途径,61.1 表面工程技术的意义、目的、途径和应用施加各种覆盖,7,1.2 表面工程技术的分类、技术内容及发展,表面工程技术可以从不同的角度进行归类、分类。例如按照作用原理，表面工程技术可以分为以下4种基本类型：原子沉积颗粒沉积整体覆盖表面改性,1.2.1 表面工程技术的分类,71.2 表面工程技术的分类、技术内容及发展,8,第2章 固体表面的物理化学特征,8第2章 固体表面的物理化学特征,9,2.1.1固体的理想表面和清洁表面,清洁表面, 指在特殊环境中经过特殊处理后获得的表面，是不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等物理、化学效应的表面。 清洁表面是相对于受环境污染的表面而言的。只有用特殊的方法，如高温热处理、离子轰击加退火、真空解理、真空沉积、场致蒸发等才能得到清洁表面。,92.1.1固体的理想表面和清洁表面清洁表面,10,2.1.1固体的理想表面和清洁表面,1.清洁表面的结构,几种清洁表面结构和特点,102.1.1固体的理想表面和清洁表面1.清洁表面的结构 几,11,2.1.1固体的理想表面和清洁表面,1.清洁表面的结构,Kossel和Stranski提出了单晶表面TLK模型，其中T表示低晶面指数的平台（Terrace），L表示单分子或单原子高度的台阶（Ledge），K表示单分子或单原子尺度的扭折外，还有表面吸附的单原子（A）以及表面空位（V）。,112.1.1固体的理想表面和清洁表面1.清洁表面的结构,12,2.1.2 固体的实际表面,122.1.2 固体的实际表面,13,2.1.3固体表面的成分偏聚,合金的表面成分不同于合金的整体平均成分。这种现象称为表面偏聚。表面偏聚： （1）溶质原子在表面偏聚（正偏聚） （2）表面溶质原子减少（副偏聚）表面偏聚： （1）平衡偏聚 （2）非平衡偏聚,132.1.3固体表面的成分偏聚 合金,14,2.2.1 吸附现象,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。,142.2.1 吸附现象物理吸附： 任何气体在其临界温,15,2.2.1 吸附现象,表2-2 物理吸附与化学吸附的区别,虽然二者有明显的区别，但二者并不是孤立的、截然分开的，在固体表面上常常会出现化学吸附和物理吸附同时存在的现象。而且，气体先进行物理吸附再发生化学吸附要比先解离再发生化学吸附容易得多。,152.2.1 吸附现象表2-2 物理吸附与化学吸,16,第3章 表面摩擦与磨损,16第3章 表面摩擦与磨损,17,3.1 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。,3.1.1摩擦的定义和分类,173.1 摩擦 两个相互接触物体在外力,18,3.1 摩擦,根据摩擦副的运动和表面情况分类： 根据摩擦副的运动形式分类： 根据摩擦副表面的润滑状态分类： 根据摩擦副所处的工作条件分类：,3.1.1摩擦的定义和分类,干摩擦,流体润滑摩擦,摩擦,纯净摩擦,边界润滑摩擦,固体润滑摩擦,183.1 摩擦 根据摩擦副的运动和表面情况分类：3.1,19,3.1 摩擦,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 3. 摩擦环境：载荷，速度，温度，表面膜等,3.1.3影响摩擦的因素,193.1 摩擦 1.材料性能：弹性模量,20,3.2 磨损,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：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。,3.2.1磨损的定义和分类,203.2 磨损磨损：物体相对运动时，相对运动表面的物质不断,21,3.2 磨损,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。,3.2.1磨损的定义和分类,213.2 磨损磨料磨损：由于一个表面硬的凸起部分和另,22,3.2 磨损,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。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。,3.2.1磨损的定义和分类,223.2 磨损表面疲劳磨损：在滚动接触过程中，由于交,23,3.2 磨损,磨损的评定：（1）磨损量：长度磨损量，体积磨损量和质量磨损量（2）磨损率：单位时间的磨损量，单位摩擦距离的磨损量（3）磨损性：一定工作体积下材料耐磨的特性,3.2.2磨损的评定和影响因素,233.2 磨损磨损的评定：3.2.2磨损的评定和影响因素,24,3.2 磨损,影响固体材料耐磨性的因素：硬度：一般认为硬度越高，耐磨性越好。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。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。环境：真空条件，磨损严重加润滑剂，可有效减小磨损。,3.2.2磨损的评定和影响因素,243.2 磨损影响固体材料耐磨性的因素：3.2.2磨损的评,25,3.2 磨损,耐磨设计：这是最重要的，只有好的设计，才可能会有好的结果。抗磨材料的选择：选择材料前要首先查清影响产品寿命的基本因素和磨损过程是否始终以同样的磨损机理进行等情况，然后进行选材。耐磨表面处理：表面处理，提高耐磨性。,3.2.4 控制磨损的方法,253.2 磨损耐磨设计：这是最重要的，只有好的设计，才可能,26,第4章 表面腐蚀基本理论,26第4章 表面腐蚀基本理论,27,4.1 腐蚀的定义与分类,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称为金属腐蚀.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，即金属及其本身较其它某些化合物（如氧化物，氢氧化物，盐等）原子处于自由能较高的状态，这种倾向在条件（动力学因素）具备时，就会发生金属单质向化合物的转化，即发生腐蚀。,274.1 腐蚀的定义与分类金属腐蚀：金属与环境组分发生化学,28,4.1 腐蚀的定义与分类,腐蚀的分类方法很多，有的按腐蚀环境分，有的按腐蚀形态分，也有的按腐蚀的现象或原因分。1.按环境分:湿蚀：如水溶液腐蚀，大气腐蚀，土壤腐蚀，化学药品腐蚀等.干蚀：如高温氧化，硫腐蚀，氢腐蚀，液态金属腐蚀，羧基腐蚀等.微生物腐蚀：如细菌腐蚀，真菌腐蚀，硫化菌腐蚀，藻类腐蚀等.,284.1 腐蚀的定义与分类腐蚀的分类方法很多，有的按腐蚀环,29,4.1 腐蚀的定义与分类,2.按形态分:全面腐蚀（均匀腐蚀）：腐蚀分部在整个金属表面上（包括较均匀的和不均匀的）。在全面腐蚀过程中，进行金属阳极溶解反应和物质还原反应的区域都很小（甚至是超显微的），阴阳极区域的位置不固定，在腐蚀过程中随机变化，结果使腐蚀分布非常均匀，危害也相对小些。局部腐蚀（非均匀腐蚀）：腐蚀局限在金属的某一部位。在局部腐蚀过程中，阴极区域和阳极区域是分开的，通常阴极区面积相对较大，阳极区面积很小，结果使腐蚀高度集中在局部位置上，腐蚀强度大，其危害性比均匀腐蚀大得多（如在化工设备的腐蚀损害中，70是局部腐蚀造成的）。,294.1 腐蚀的定义与分类2.按形态分:,30,4.1 腐蚀的定义与分类,局部腐蚀包括（11种）：点蚀：在点或孔穴类的小面积上的腐蚀叫点蚀。这是一种高度局部的腐蚀形态，孔有大有小，一般孔表面直径等于或小于它的深度，小而深的孔可能使金属板穿孔；孔蚀通常发生在表面有钝化膜或有保护膜的金属（如不锈钢钛等）。,304.1 腐蚀的定义与分类局部腐蚀包括（11种）：,31,4.1 腐蚀的定义与分类,缝隙腐蚀：金属表面由于存在异物或结构上的原因而形成缝隙（如焊缝、铆缝垫片或沉积物下面等），缝隙的存在使得缝隙内的溶液中与腐蚀有关的物质迁移困难，由此而引起的缝隙内金属的腐蚀，称为缝隙腐蚀。,314.1 腐蚀的定义与分类缝隙腐蚀：金属表面由于存在异物,32,4.1 腐蚀的定义与分类,晶间腐蚀：沿着合金晶界区发展的腐蚀叫间晶腐蚀。腐蚀由表面沿晶界深入内部，外表看不出迹象，但用金相显微镜观察可看出晶界呈现网状腐蚀.这种腐蚀可使金属在表面上看不出有任何变化的情况下丧失强度，造成构件或设备的严重破坏.晶间腐蚀易发生在不锈钢镍合金上。,324.1 腐蚀的定义与分类晶间腐蚀：沿着合金晶界区发展的,33,4.1 腐蚀的定义与分类,丝状腐蚀：涂有透明清漆或油漆膜的金属暴露在潮湿的大气中时，金属表面由于漆膜能渗透水分和空气而发生腐蚀.腐蚀产物呈丝状纤维网样，这种腐蚀称丝状腐蚀。其产生原因是潮湿大气的作用，其机理为氧的浓差电池作用. 应力腐蚀开裂：金属和合金在腐蚀与拉应力的同时作用下产生的破裂，称为应力腐蚀开裂。 一般认为纯金属不会发生应力腐蚀的，含有杂质的金属或是合金才会发生应力腐蚀.,334.1 腐蚀的定义与分类丝状腐蚀：涂有透明清漆或油漆膜,34,4.1 腐蚀的定义与分类,电偶腐蚀：当两种金属浸在腐蚀性溶液中，由于两种金属之间存在电位差，如相互接触，就构成腐蚀电偶。较活泼的金属成为阳极溶解，不活泼金属（耐腐蚀性较高的金属）则为阴极，腐蚀很小或完全不腐蚀。这种腐蚀称为电偶腐蚀，或接触腐蚀，亦称为双金属腐蚀。氢脆：金属由于吸收了原子氢而使其性质变脆的现象叫氢脆.如钢中的BiPbSAs都能促进氢脆。,344.1 腐蚀的定义与分类电偶腐蚀：当两种金属浸在腐蚀性,35,4.1 腐蚀的定义与分类,腐蚀疲劳：交变应力和腐蚀介质的同时作用下，金属的疲劳强度和疲劳寿命较无腐蚀作用时有所降低，这种现象叫腐蚀疲劳.任何金属在任何介质中都有可能发生腐蚀疲劳，不要求特定的材料与介质组合.冲刷腐蚀（磨损腐蚀）：当溶液流动时，溶液中含有能起研磨作用的固体颗粒破坏了金属表面的保护膜，使保护膜被除掉的地方发生腐蚀。其破坏形貌可以是局部的，也可以是均匀的。湍流腐蚀（冲击腐蚀）：流速较快的溶液由于金属器件或管道的几何形状突然变化而冲击金属表面产生湍流，使金属发生破坏。,354.1 腐蚀的定义与分类腐蚀疲劳：交变应力和腐蚀介质的,36,4.1 腐蚀的定义与分类,气蚀（空泡腐蚀）：当金属与液体的相对运动速度增大时，金属表面的某些局部液体压力下降到常温液体蒸气压以下时，发生“沸腾”而产生气泡，当气泡破裂时产生的冲击力使材料呈蜂窝状损伤，这种破坏叫气蚀。这气泡破裂时产生的冲击波压力可高达4000大气压，可使金属保护膜破坏，并能引起塑性形变，甚至可将金属粒子撕裂.,364.1 腐蚀的定义与分类气蚀（空泡腐蚀）：当金属与液体,37,4.3 金属的钝化,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。例如，铁在稀硝酸中腐蚀很快，其腐蚀速度随硝酸浓度的增加而迅速增大，当硝酸浓度增加到3040时，溶解速度达到最大值。若继续增大硝酸浓度(40)，铁的溶解速度却突然急剧下降，直到反应接近停止(图)。这时金属变得很稳定，即使再放在稀硝酸中也能保持一段时间的稳定。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，这一异常现象称为钝化。,4.3.1 金属钝化现象与阳极钝化,374.3 金属的钝化 一些较活泼的金属,38,4.3 金属的钝化,可钝化金属的典型阳极极化曲线示意图（P77）,4.3.1 金属钝化现象与阳极钝化,384.3 金属的钝化 可钝化金属的,39,4.3 金属的钝化,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，称为金属的自钝化。要实现金属的自钝化，必须满足下列两个条件。 (1) 氧化剂的氧化还原平衡电位E0，C要高于该金属的致钝电位EPP，即E0，CEPP； (2) 在致钝电位EPP下，氧化剂阴极还原反应的电流密度iC必须大于该金属的致钝电流密度iPP，即在EPP下iCiPP。,4.3.2 金属的自钝化,394.3 金属的钝化 没有任何外加,40,4.3 金属的钝化,1 成相膜理论 这种理论认为，当金属阳极溶解时，可以在金属表面生成一层致密的、覆盖得很好的固体产物薄膜。这层产物膜构成独立的固相膜层，把金属表面与介质隔离开来，阻碍阳极过程的进行，导致金属溶解速度大大降低，使金属转入钝态。,4.3.3 金属的钝化理论,404.3 金属的钝化 1 成相膜,41,4.3 金属的钝化,2 吸附理论 吸附理论认为：金属钝化是由于表面生成氧或含氧粒子的吸附层，改变了金属溶液界面的结构，并使阳极反应的活化能显著提高的缘故。即由于这些粒子的吸附，使金属表面的反应能力降低了，因而发生了钝化。,4.3.3 金属的钝化理论,414.3 金属的钝化 2 吸附理,42,4.3 金属的钝化,3 两种理论的比较 这两种钝化理论都能较好地解释大部分实验事实，然而无论哪一种理论都不能较全面、完整地解释各种钝化机理。 这两种理论的相同之处是都认为由于在金属表面生成一层极薄的钝化膜阻碍了金属的溶解。 吸附理论认为，只要形成单分子层的二维膜就能导致金属产生钝化，而成相膜理论认为，要使金属得到保护、不溶解，至少要形成几个分子层厚的三维膜，而最初形成的单分子吸附膜只能轻微降低金属的溶解，增厚的成相膜才能达到完全钝化。 此外，两个理论的差异，还有吸附键和化学键之争。事实上金属在钝化过程中，在不同的条件下，吸附膜和成相膜可分别起主要作用。,4.3.3 金属的钝化理论,424.3 金属的钝化 3 两种理论的比较,43,第5章 电镀与化学镀,43第5章 电镀与化学镀,44,5.1 电镀与电刷镀,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。 基本原理，电极过程，以CuSO4为例介绍反应过程阳极：溶解，提供正离子 Cu Cu2+ + 2e阴极：提供电子析出，形成镀层 Cu2+ + 2e Cu,445.1 电镀与电刷镀电镀的定义：电镀是将直流电通入具有一,45,5.1.1 电沉积的基础知识,1.电镀液主盐 导电盐络合剂缓冲剂添加剂,455.1.1 电沉积的基础知识1.电镀液,46,5.1.2 电沉积过程与电沉积理论,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,465.1.2 电沉积过程与电沉积理论电沉积基本过程：,47,5.1.3 电刷镀,1. 电刷镀的基本原理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。电刷镀也是一种金属电沉积的过程，基本原理与电镀相同。,475.1.3 电刷镀1. 电刷镀的基本原理,48,5.1.3 电刷镀,1. 电刷镀的基本原理,485.1.3 电刷镀1. 电刷镀的基本原理,49,5.1.3 电刷镀,1. 电刷镀的基本原理与常规电镀相比，它又具有以下特点：设备简单，携带方便，不需要大的渡槽设备。工艺简单，操作方便，凡镀笔能触及到的地方均可电镀，特别适用于不解体机件的现场维修和野外抢修。镀层种类多，与基体材料的结合力强，力学性能好，能保证满足各种维修性能的要求。沉积速度快，生产效率高，但必须采用高电流密度进行操作。刷镀液不含氰化物和剧毒药品，故操作安全，对环境污染小。但电刷镀也存在劳动强度大，消耗阳极包缠材料等缺点。,495.1.3 电刷镀1. 电刷镀的基本原理,50,5.1.4 电镀层质量的影响因素,1. 电镀液的影响(1)电镀液本性的影响(2)主盐浓度的影响(3)附加盐浓度的影响 (4)添加剂的影响2. 电镀规范和镀液成分对镀层的影响3. 电镀过程析氢对镀层的影响,505.1.4 电镀层质量的影响因素1. 电镀液的影响,51,5.1.5 电镀在生产中的应用,与单金属镀层相比，合金镀层有如下主要特点：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。合金镀层结晶更细致，镀层更平整，光亮。可以获得非晶结构镀层。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。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。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。,515.1.5 电镀在生产中的应用与单金属镀层相比，合金镀层,52,5.2 化学镀,化学镀在表面处理技术中占有重要的地位。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。可用下式表示： Me2+2e(由还原剂提供)-Me 是新近发展起来的一门新技术。美、英、日、德等国，其工业产值正以每年15%的速度递增。它广泛地应用于机械、电子、塑料、模具、冶金、石油化工、陶瓷、水力、航空航天等工业部门，是一项很有发展前途的高新技术之一。,525.2 化学镀 化学镀在表面处理技术中占有,53,5.2.1 化学镀概述,化学镀与电镀比较，具有如下优点：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的影响，对几何形状复杂的镀件，也能获得厚度均匀的镀层；化学镀与电镀相比，所用的溶液稳定性较差，且溶液的维护、调整和再生都比较麻烦，材料成本费较高。,535.2.1 化学镀概述化学镀与电镀比较，具有如下优点：,54,5.2.2 化学镀镍,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。,545.2.2 化学镀镍 化学镀镍，又称,55,5.2.2 化学镀镍,化学镀镍溶液的分类方法很多，根据不同的原则有不同的分类法。1) 按PH值分为酸性镀液和碱性镀液2) 按还原剂类型不同有次亚磷酸盐、胺基硼烷、硼氢化物以及肼做还原剂的化学镀镍溶液；3) 按温度分类则有高温镀液（8095）、低温镀液（6070）以及室温镀液；4) 按镀层磷含量可分为高磷镀液、中磷镀液和低磷镀液。,555.2.2 化学镀镍化学镀镍溶液的分类方法很多，根据不,56,5.2.2 化学镀镍,1. 化学镀镍的基本原理 化学镀镍是利用镍盐溶液在强还原剂次亚磷酸钠的作用下，使镍离子还原成金属镍，同时次亚磷酸盐分解析出磷，因而在具有催化表面的镀件上，获得Ni-P合金镀层。,565.2.2 化学镀镍1. 化学镀镍的基本原理,57,5.2.2 化学镀镍,1. 化学镀镍的基本原理 对于以次亚磷酸盐还原镍离子的总反应可以写成： 3NaH2PO2+3H2O+NiSO4 3NaH2PO3+H2SO4+2H2+Ni 所有这些反应都发生在催化活性表面上，需要外界提供能量，即在较高的温度（60T95）下，除了金属镍之外，还形成分子氢。此外，形成的氢离子使镀液变得更加酸性，同时还生成亚磷酸离子H 2PO3- 。,575.2.2 化学镀镍1. 化学镀镍的基本原理,58,5.2.2 化学镀镍,2. 化学镀镍层的性能,化学镀镍层的综合性能,585.2.2 化学镀镍2. 化学镀镍层的性能化学镀镍层的综,59,5.2.2 化学镀镍,3. 化学镀镍溶液及工艺条件 以次亚磷酸钠为还原剂的化学镀镍是目前国内外应用最为广泛的工艺，分为酸性镀液和碱性镀液两大类。其反应方程式分别为：酸性溶液： Ni2+ H2PO2- +H2O H2PO3-+2H+Ni碱性溶液： Ni2+ H2PO2- + 2OH- H2PO3-+2 H2O +Ni氢气的产生： H2PO2- + H2O H2PO3-+H2 磷的析出： H2PO2-+H+ P + H2PO3-+ H2O,595.2.2 化学镀镍3. 化学镀镍溶液及工艺条件,60,5.2.2 化学镀镍,4. 化学镀镍层的应用 由于化学镀镍层具有优秀的均匀性、硬度、耐磨和耐蚀性等综合物理化学性能，该项技术已经得到广泛应用，目前几乎难以找到一个工业不采用化学镀镍技术。,605.2.2 化学镀镍4. 化学镀镍层的应用,61,5.2.3 化学镀铜,化学镀铜主要用于非导体材料的金属化处理，除应用于塑料制品外，还大量地用于电子工业的印制电路板。电子计算机用的多层印制电路板对层间电路的连接孔金属化有很高的要求，化学镀铜能很好地解决这些问题。,615.2.3 化学镀铜 化学镀铜主,62,5.2.3 化学镀铜,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可以下式表示： Cu2+2HCHO+4OH- - Cu+H2+2H2O+2HCOO-,625.2.3 化学镀铜,63,第6章 化学转化膜,63第6章 化学转化膜,64,第6章 化学转化膜,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。 化学转化膜由于是基体金属直接参与成膜反应而生成，因而与基体的结合力比电镀层和化学镀层大的多。,64第6章 化学转化膜 化学转化膜技术,65,第6章 化学转化膜,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,65第6章 化学转化膜化学转化膜分类,66,第6章 化学转化膜,化学转化膜基本用途 防锈耐磨涂装涂层防电偶腐蚀塑性加工绝缘装饰,66第6章 化学转化膜化学转化膜基本用途,67,第6章 化学转化膜,a.钢铁高温化学氧化(碱性化学氧化)化学反应机理为：3FeNaNO25NaOH3Na2FeO2H2ONH3 6Na2FeO2NaNO25H2O3Na2Fe2O47NaOHNH3Na2FeO2Na2Fe2O42H2OFe3O4+4NaOH 在钢铁表面附近生成的Fe3O4，其在浓碱性溶液中的溶解度极小，很快就从溶液中结晶析出，并在钢铁表面形成晶核，而后晶核逐渐长大形成一层连续致密的黑色氧化膜。,钢铁的化学氧化,67第6章 化学转化膜a.钢铁高温化学氧化(碱性化学氧化,68,第6章 化学转化膜,铝及铝合金的化学氧化铝及铝合金的化学氧化处理后，所得膜厚为0.54um，膜层多孔，具有良好的吸附性，可作为有机涂层的底层。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，但溶液组成几乎都以碳酸钠作为基本成分。按膜层性质可分为:氧化物膜、磷酸盐膜、铬酸盐膜、铬酸磷酸盐膜。,68第6章 化学转化膜 铝及铝合金的化学氧化,69,第6章 化学转化膜,铜及铜合金的化学氧化 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。 颜色可以为黑色、蓝黑色、棕色等，膜厚为0.52um,69第6章 化学转化膜 铜及铜合金的化学氧化,70,第6章 化学转化膜,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。通过选用不同类型、不同浓度的电解液，以及控制氧化时的工艺条件，可以获得具有不同性质、厚度约为几十至几百微米的阳极氧化膜，其耐蚀性，耐磨性和装饰性等都有明显改善和提高。,70第6章 化学转化膜铝及铝合金的阳极氧化,71,第6章 化学转化膜,铝及铝合金的阳极氧化工业上的应用作为防护层作为防护装饰层作为耐磨层作为绝缘层作为喷漆底层作为电镀底层,71第6章 化学转化膜铝及铝合金的阳极氧化工业上的应用,72,阳极氧化的原理在阳极发生下列反应： H2O2e - O 2H+2Al3O - 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+ 3H2Al2O3 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。,第6章 化学转化膜,72阳极氧化的原理第6章 化学转化膜,73,第6章 化学转化膜,铝及铝合金阳极氧化膜具有蜂窝状结构多孔结构微孔的活性较高吸附能力强阻抗较高结合能力强塑性差,73第6章 化学转化膜铝及铝合金阳极氧化膜具有蜂窝状结构,74,第6章 化学转化膜,硫酸阳极氧化：在稀硫酸电解液中通以直流和交流电对铝及其合金进行阳极氧化处理，可获得520微米厚，吸附性较好的无色透明氧化膜。 硫酸阳极氧化工艺简单，溶液稳定，操作方便，允许杂质含量范围较宽，电能消耗少，成本低，且几乎可以适用于铝及各种铝合金的加工，所以在国内已得到了广泛的应用。硫酸阳极氧化的影响因素：硫酸浓度;电解液温度;电流密度;氧化时间;搅拌和移动;电解液中的杂质;铝合金成分.,74第6章 化学转化膜硫酸阳极氧化：在稀硫酸电解液中通以,75,第6章 化学转化膜,4. 阳极氧化膜的着色和封闭（1）着色无机颜料着色有机颜料着色电解着色（2）封闭热水或蒸汽封闭法重铬酸盐封闭法水解盐封闭法,75第6章 化学转化膜4. 阳极氧化膜的着色和封闭,76,第6章 化学转化膜,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,简称磷化。,76第6章 化学转化膜 金属的磷化,77,第6章 化学转化膜,磷化处理是在含锰、铁、锌的磷酸二氢盐与磷酸组成的溶液中进行的。这些磷酸二氢盐可用Me(H2PO4)2表示。处理过程中，二价的锰、铁、锌生成一价、二价和三价磷酸盐，一价磷酸盐可溶，二价磷酸盐稍可溶，三价磷酸盐不溶解，三价磷酸盐在金属表面沉积即形成所谓的磷化膜。,磷化膜,77第6章 化学转化膜磷化膜,78,第6章 化学转化膜,高温磷化:在9098的温度下进行处理。优点:膜层较厚，膜层的耐蚀性,结合力,硬度和耐热性都比较好,磷化速度快；缺点: 工作温度高，能耗大,溶液蒸发量大，成分受化快，常需调整,且结晶粗细不均匀。,钢铁的磷化处理,78第6章 化学转化膜高温磷化:在9098的温,79,第6章 化学转化膜,中温磷化:在5070的温度下进行处理。优点: 膜层耐蚀性接近高温磷化膜,溶液稳定,磷化速度快,生产效率高；缺点: 溶液成分较复杂,调整麻烦。,钢铁的磷化处理,79第6章 化学转化膜中温磷化:在5070的温,80,第6章 化学转化膜,常温磷化：在1535的温度下进行处理。优点:不需要加热,节约能源,成本低,溶液稳定；缺点:膜层耐蚀性差,结合力欠佳,处理时间较长,效率低。,钢铁的磷化处理,80第6章 化学转化膜常温磷化：在1535的温,81,第7章 表面涂敷技术,81第7章 表面涂敷技术,82,第7章 表面涂敷技术,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,82第7章 表面涂敷技术涂料，也就是我们常说的油漆及水性漆,83,第7章 表面涂敷技术,83第7章 表面涂敷技术,84,第7章 表面涂敷技术,涂料的分类1. 根据成膜干燥机理分类（1）溶剂挥发类（2）固化干燥类2. 以主要成膜物质为基础分类,84第7章 表面涂敷技术涂料的分类,85,第7章 表面涂敷技术,常用涂料的性能涂料成膜机理物理成膜方式化学成膜方式涂膜防护机理1.屏蔽机理2.防蚀机理3.渗透机理4.涂膜的综合防蚀作用,85第7章 表面涂敷技术常用涂料的性能,86,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。,第7章 表面涂敷技术,86 热喷涂:使用某种方式的热源，使喷,87,第7章 表面涂敷技术,87第7章 表面涂敷技术,88,第7章 表面涂敷技术,热喷涂种类与特点,优点：（1）热喷涂方法多， 十几种方法。（2）热喷涂材料种类广泛，金属，陶瓷，塑料及它们的复合材料。（3）基体材料使用范围广，任何固体材料，纸、玻璃、金属等。（4）基体材料受影响小，基体温度低，30-200。（5）涂层厚度可以控制，几十微米到几毫米不受尺寸限制。（6）工效高:操作程序少,速度快,如对同样厚度的膜层,时间比电镀用的少得多。（7）被喷涂物件的大小一般不受限制： （8）可赋予普通材料以特殊的表面性能:耐磨,耐蚀,抗氧化,耐热,导电,绝缘等.（9）成本低,经济效益显著。缺点：（1） 较小制品效率低（2）操作环境较差，噪音、粉尘，需要防护（3）结合力低，孔隙率较高，均匀性差,88第7章 表面涂敷技术热喷涂种类与特点优点：,89,第7章 表面涂敷技术,热喷涂原理,89第7章 表面涂敷技术热喷涂原理,90,第7章 表面涂敷技术,热喷涂原理,90第7章 表面涂敷技术热喷涂原理,91,第7章 表面涂敷技术,热喷涂原理,91第7章 表面涂敷技术热喷涂原理,92,第7章 表面涂敷技术,热喷涂原理,涂层的结合机理 涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内部的结合。涂层与基体表面的结合强度称为结合力 ；涂层内部的结合强度称为内聚力 。 (1) 涂层中与基体之间的结合通常认为有以下几种方式：机械结合。物理结合。扩散结合。冶金结合。 (2) 涂层间（喷涂粒子间）的结合通常以机械结合为主。,92第7章 表面涂敷技术热喷涂原理涂层的结合机理,93,第7章 表面涂敷技术,热喷涂使用举例,线材火焰喷涂法 粉末火焰喷涂法爆炸喷涂法超音速喷涂 电弧喷涂等离子喷涂法激光喷涂法,93第7章 表面涂敷技术热喷涂使用举例线材火焰喷涂法,94,第7章 表面涂敷技术,热喷涂使用举例,线材火焰喷涂法原理图,94第7章 表面涂敷技术热喷涂使用举例线材火焰喷涂法原理图,95,第7章 表面涂敷技术,热喷涂使用举例,粉末火焰喷涂法原理图,95第7章 表面涂敷技术热喷涂使用举例粉末火焰喷涂法原理图,96,第7章 表面涂敷技术,热喷涂使用举例,爆炸喷涂法原理图,96第7章 表面涂敷技术热喷涂使用举例爆炸喷涂法原理图,97,第7章 表面涂敷技术,热喷涂使用举例,超音速喷涂原理图,97第7章 表面涂敷技术热喷涂使用举例超音速喷涂原理图,98,第7章 表面涂敷技术,热喷涂使用举例,等离子喷涂原理图,98第7章 表面涂敷技术热喷涂使用举例等离子喷涂原理图,99,第7章 表面涂敷技术,热喷涂使用举例,激光喷涂原理图,99第7章 表面涂敷技术热喷涂使用举例激光喷涂原理图,100,第7章 表面涂敷技术,热喷涂方法的选择原则若涂层结合力要求不是很高，采用的喷涂材料的熔点不超过2500，可采用设备简单、成本低的火焰喷涂。对涂层性能要求较高的某些比较贵重的机件，应采用等离子喷涂。因为等离子喷涂材料熔点不受限制，热源具有非氧化性，涂层结合强度高，孔隙率低(可低于1)。工程量大的金属喷涂施工最好采用电弧喷涂。,100第7章 表面涂敷技术热喷涂方法的选择原则,101,第7章 表面涂敷技术,热喷涂方法的选择原则要求高结合力、低孔隙度的金属或合金涂层可采用气体火焰超音速喷涂。爆炸喷涂所得涂层结合强度最高，孔隙率更低，可用于某些重要部件的强化。对于批量大的工件，宜采用自动喷涂。自动喷涂机可以成套购买，也可以自行设计。对于安全性要求特别高的机件，喷涂工艺及材料的选择必须经过充分的试验论证。喷涂方法选定后，还要选定预处理工艺，并确定合理的工艺参数。,101第7章 表面涂敷技术热喷涂方法的选择原则,102,第7章 表面涂敷技术,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，这个过程称热浸镀。 热浸镀层金属一般为锡(熔点231. 9)、锌(熔点419.5)、铝(熔点658.7)、铅(熔点327.2),102第7章 表面涂敷技术 将经过表面预处理,103,第7章 表面涂敷技术,热浸镀铝的原理,103第7章 表面涂敷技术热浸镀铝的原理,104,第7章 表面涂敷技术,热浸镀镀层性能及应用热镀锌层特性 1)与基体结合强度高 2)耐蚀性好 3)阴极保护作用热浸镀铝层特性 I)耐热性(抗高温氢化性) 2)耐蚀性 3)对光、热的反射性,104第7章 表面涂敷技术热浸镀镀层性能及应用,105,第8章 表面改性技术,105第8章 表面改性技术,106,表面改性技术是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。材料经过表面改性处理后，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。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，并对各种高新技术的发展具有重要的作用。,106表面改性技术是采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材,107,第8章 表面改性技术,1. 金属表面形变强化 金属表面形变强化是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一。基本原理是通过机械手段（喷丸、滚压和内挤压）在金属表面产生压缩变形，使其表面形成硬化层，此形变硬化层的深度可以达到0.5-1.5mm。在此硬化层中产生两种变化：细化晶粒，增加位错密度，增加晶格畸变程度。形成高的宏观残余压力。,107第8章 表面改性技术1. 金属表面形变强化,108,第8章 表面改性技术,2.表面热处理：对工件的表面进行加热、冷却、改变表层组织而不改变其表层成分的热处理工艺，称为表面热处理。也称作表面淬火技术。它是指仅对工件表层进行热处理，以改变其组织和性能的工艺。主要方法有感应加热淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热淬火、电解液淬火、脉冲加热淬火、激光热处理和电子束加热处理等。,108第8章 表面改性技术2.表面热处理：,109,第8章 表面改性技术,3.化学热处理： 它是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。 按渗入的元素可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等等。渗入元素介质可以是固体、液体和气体，但都要经过介质中化学反应、外扩散、相界面化学反应（或表面反应）和工件中扩散四个过程，具体方法有许多种。,109第8章 表面改性技术3.化学热处理：,110,第8章 表面改性技术,4.离子束表面扩渗处