材料表面工程ppt课件.pptx

1,材料表面工程Materials and Surface Engineering,2,材料与材料科学,目录,绪论,课程简介,教材与参考资料,教学目的,3,课程简介,材料表面工程为材料科学与工程、材料加工等专业选修课。本课程按照表面工程的体系，较为全面系统地介绍了表面工程的理论与技术。分类讨论了应用广泛的有发展前景的各类现代表面技术的特点、适用范围、典型设备、工艺措施和应用实例，并介绍一些表面分析和检测技术的内容。 本课程突出表面工程学科“综合、复合、交叉、系统”的特色，重视反映复合表面技术，调理论密切联系生产实际，着力提高学生分析和解决表面工程问题的能力。,4,教学目的,通过本课程学习:系统地掌握现代表面处理技术的基本原理；能合理选择并应用这些新的表面工程技术；解决材料表面硬度、强度、耐磨性与芯部强韧性之间的矛盾；充分发挥材料性能的潜力；延长产品使用寿命和提高产品质量。,5,教学事项,特点: 内容多、叙述多、学时少。环节：教材 讲课 作业 复习 辅导 考核学习方法：着重理解教学内容，尽量避免死记硬背；内容多，每章要及时跟上消化；利用多媒体帮助加深理解；考试方式：闭卷统考。,6,材料：是指经过某种加工，具有一定结构、成分和性能，并可应用于一定用途的物质。 一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为“原料”，把经过工业加工的原料成为“材料”。,哥伦比亚号航天飞机,7,材料是人类生产和生活所必须的物质基础。,8,材料科学是一个跨物理、化学等的学科。材料科学的核心问题是材料的成分（Composition）、组织结构（Structure）、工艺（Processing Technology）和性能（Property）以及它们之间的关系。右图为材料科学与工程四要素。,9,第一章 绪论,表面工程技术的定义定义： 表面工程是指利用各种表面处理、表面涂层和表面改性技术作用于材料或工件的表面以获得预想的性能。 表面工程包含了从设计、选材、表面处理工艺、表层质量控制与检测、工程应用以及失效分析等，是一个系统工程。,10,表面工程技术的目的,表面工程技术的主要目的： 就是在于通过表面处理使材料表面按人们希望的性能进行改变。 具体说：表面工程技术是在不改变基体材料的成分、不削弱基体材料的强度的条件下，通过物理手段或化学手段赋予材料表面以特殊的性能，从而满足工程技术上对材料提出的要求的技术。,11,表面工程技术的重要性,1. 表面技术可以减缓和消除金属材料和零部件表面的变化和损伤,在自然界和工程实践中，金属机器设备和零部件需要承受各种外界负荷， 并产生形式多样、程度不一的表面变化及损伤。工程材料和零部件的表面往往存在微观缺陷或宏观缺陷。表面缺陷和损伤处成为降低材料力学性能、耐蚀性能及耐磨性能的发源地。使用表面技术减缓材料表面变化及损伤，掩盖表面缺陷，可以提高材料及其零部件使用的可靠性，延长服役寿命。,12,2. 普通的廉价的材料经过表面技术处理后可以获得具有特殊功能的表面,使用表面技术在普通的廉价的材料表面获得某些稀贵金属(如金、铂、钽等)和战略元素(如镍、钴、铬)具有的特殊功能，从而可以节约这些金属材料。,比如在Cu中加入Cr可以提高铜的耐腐蚀性能。从Cr-Cu相图可知，用一般的冶金方法不可能产生出Cr浓度高于1%的单相铜合金。用激光表面合金化工艺可以在Cu表面获得原子浓度为8%、厚约240nm的表面合金层，使耐蚀性大大提高。,表面工程技术的重要性,13,3. 表面技术可用于节约能源，降低成本，改善环境, 在工件表面制备具有优良性能的涂层，可以达 到提高热效率，降低能源消耗的目的。 用先进的表面技术代替污染大的一些技术，可 以改善作业环境质量。 零件的磨损、腐蚀和疲劳现象发生在表面，通 过表面的修复、强化，而不必整体改变材料， 使材料物尽其用，可以显著地节约材料。 表面工程技术可以补救加工超差废品，节约能 源和材料,表面工程技术的重要性,14,4. 表面技术是再制造工程不可缺少的手段,再制造工程：对因磨损、腐蚀、疲劳、断裂等原因造成的重要零部件的局部失效部位，采用先进的表面工程技术，优质、高效、低成本、少污染地恢复其尺寸并改善其性能的系统性的技术工作。再制造工程可以大量地节省因购置新品、库存备件和管理以及停机等所造成的对能源、原材料和经费的浪费，并极大地减少了环境污染及废物的处理。,表面工程技术的重要性,15,5. 表面技术在发展新兴技术和学术研究中起着不可忽视的作用,发展新兴技术需要大量具有特殊功能的材料，包括薄膜材料和复合材料，如薄膜光电器件、导电涂层、光电探测器、液晶显示装置、超细粉末、高纯材料、高强高韧性的结构陶瓷等。在这些方面，现代表面技术可以发挥重大的作用。,表面工程新技术的发展，不仅有重大的经济意义，而且具有重大的学术价值。表面技术的开发与完善有力地促进了材料科学、冶金学、机械学、机械制造工艺学以及物理学、化学等基础学科的发展。,表面工程技术的重要性,16,改善或赋予表面各种性能 表面工程以最经济和最有效的方法改变材料表面及近表面区的形态、化学成分和组织结构，或赋予材料一种全新的表面。一方面它可有效地改善和提高材料和产品的性能（耐蚀、耐磨、装饰性），确保产品使用的可靠性和安全性，延长使用寿命，节约资源和能源，减少环境污染；另一方面还可赋予材料和器件特殊的物理和化学性能。 A: 节约材料：黄金奖杯镀金镀TiN薄膜化学染黄 模具：提高寿命整体合金化表面处理 B: 难加工： 纯陶瓷模具极难加工表面涂层 C: 性能差： 纯陶瓷模具韧性不足表面涂层 D: 耐磨损： TiN,TiC燃气轮机叶片的高温微粒流磨损 E: 耐腐蚀： NiP世界上钢铁腐蚀报废量惊人 F: 耐高温、抗氧化： Al2O3、(Ti,Al)N，发电机组，600以 上每提高10 其热效率提高15-20%左右。 G: 太阳能吸热器： Co- Al2O3，吸收率达95%。 H: 氧传感器：TiO2、ZrO2，汽车尾气净化与发动机油-气控制。国外发展趋势：薄膜化、小型化。 I: 装饰：TiN系列：金黄桔红-粉红；茶色玻璃。 其应用已经深入到我们的日常生活，无处不在。,表面工程技术的作用,17,表面工程技术的分类,一、电化学方法（一）电镀如镀铜、镀镍等。（二）氧化如钢铁的发蓝处理。二、化学方法（一）化学转化膜处理 如金属表面的磷化、钝化、铬盐处理等。（二）化学镀如化学镀镍、化学镀铜等。三、热加工方法（一）热浸镀如热镀锌、热镀铝等。（二）热喷涂如热喷涂锌、热喷涂涂铝等。（三）热烫印 如热烫印铝箔等。（四）化学热处理如渗氮、渗碳等。（五）堆焊如堆焊耐磨合金等。四、真空法（一）物理气相沉积（PVD）如蒸发镀、溅射镀、离子镀等。（二）离子注入如注硼等。（三）化学气相沉积（CVD）如气相沉积氧化硅、氮化硅等。五、其它方法 主要是机械的、化学的、电化学的、物理的方法。其中的主要方法是。（一）涂装（二）冲击镀（三）激光表面处理（四）超硬膜技术（五）电泳及静电喷涂电泳,18,按学科特点：,1）表面合金化技术,利用外来元素与基材元素相混合，形成成分不同于基材和添加材料的表面新材料。,喷焊、堆焊、离子注入、激光熔覆、热渗镀。,2）表面覆盖和覆膜技术,3）表面组织转化,不改变基材的成分，利用外加涂层或镀层的性能使基材表面性能优化。,热喷镀、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、金属染色。,不改变材料的表面成分，只是通过改变其组织结构特性或应力状况来改变材料的性能。,激光表面淬火、电子束热处理、喷丸、滚压。,表面工程技术的分类,19,按工艺特点分,电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、表面彩色、气相沉积、“三束”改性以及表面热处理、形变强化和衬里等13类,表面工程技术的分类,20,基于技术特点的分类,21,22,金属材料层；陶瓷材料层；高分子材料层复合材料层,基于材料的分类,23,表面工程技术发展概况,24,24,“承旋”，酒器，东汉建武年间，现藏于北京故宫博物院,兽形盒砚，东汉制，出土于1980年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬品，由石砚、盒身、盒盖三部分组成,中国古代的鎏金工艺,表面工程技术源远流长,25,春秋晚期越国青铜兵器 （ 出土于湖北江陵楚墓 ）长55.7厘米 剑锷锋芒犀利 锋能割断头发,26,越王勾践,27,28,日本刀的覆土烧刃,世界三大名刃之一,表面工程技术源远流长,29,1. 古代的表面处理 中国中心之国 两千年前，秦兵马俑已应用了渗碳、镀铬技术。 越王勾践，卧薪尝胆。其剑现仍锋利无比，表面处理？ 2. 传统与现代 固体渗碳气体渗碳可控气氛渗碳真空离子渗碳 火焰淬火高频淬火激光淬火电子束淬火 3. 等离子技术 1928年，郎缪尔(Langmirr)发现等离子体 1963年， 离子镀膜技术得到应用,表面工程技术发展概况,30,表面工程技术发展概况,31,表面工程技术发展概况,32,表面工程技术发展概况,33,1983年 表面工程的概念被首次提出 1986年 国际热处理联合会更名为国际热处理与 表面工程联合会 1987年 中国机械工程学会表面工程研究所成立 1988年 表面工程杂志创刊，后更名为中国表面工程 2000年 全国焊接学会原“堆焊与热喷涂专业委员会”正式更名为“堆焊及表面工程专业委员会”。,表面工程形成一门独立的学科,34,材料表面工程是一门新兴的边缘学科,材料表面工程是一门很新的边缘学科，它不但涉及到诸如表面物理学表面化学金属学陶瓷、高分子学传热学传质学等多个学科的理论，而且其本身也融入了诸多学科的新技术。,35,第三章 热喷涂技术,定义： 热喷涂是将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，用高速气流将其雾化、加速，使其高速喷射到工件表面形成具有特殊性能的涂层。,36,热喷涂TiC,37,第一节 热喷涂的原理及分类,1.1 热喷涂的基本原理一、基本过程加热、加速、熔化（颗粒状）雾化（10-100 m ），再加速-形成高速粒子流。熔融与半熔融的高速粒子流撞击到基材，变形、凝固，形成涂层。,38,涂层的形成,39,二、涂层与基体间的结合强度 1 机械结合： 高速粒子撞击粒子微变形咬合 可见，表面粗化有利于结合强度提高。 2 金属键结合： 当颗粒与基体表面达到原子间距时，会产生金属键结合。-理论上的确存在，实际上作用极小 3 微扩散结合：高速、高温、熔融或半熔融的粒子撞击到基体表面，在界面上会造成微小的扩散，使结合力增加。 但，此结合力贡献不大，因为基体温度只有200左右。 机械结合-为主 金属键结合很小 一般而言，热喷涂涂层结合强度较低！ 微扩散结合很小 只相当于其母体材料的530%。 4 冶金结合：Ni-Al粉，T=660时自反应放热基体表面T形成冶金结合结合力最好。特指中间过渡层！总之，热喷涂涂层结合力，但工艺简单。,40,1.2 热喷涂涂层的质量及影响因素一、热喷涂涂层常见的缺陷及预防措施涂层剥落 原因：冷却时涂层与基体收缩不一致，涂层中产生拉应力。 结合强度低于涂层拉 应力时，剥落。 措施：工件表面-清洁、粗糙 喷涂颗粒速度、 T 工件预热- 涂层应力 涂层保护点在工件边 缘预置小槽，或堆焊一周。,41,裂纹 原因：同上，涂层中拉应力小于膜基结合强度而又大于涂层的抗 拉强度时，涂层开裂。 措施：每次喷涂，薄而均匀(0.15mm)。太厚，收缩应力 涂层T不要太高，否则收缩应力 (矛盾！因T ，结合力，涂层易剥落。) 工件预热，缓慢冷却，收缩应力多孔疏松 原因： 孔隙率：2-20%。-是喷涂难题之一 措施： 粉末T，全熔最好但应力又 垂直喷射事实上不可能,42,二、影响热喷涂涂层质量的主要因素喷涂工艺的影响 工艺方法： 粉体在加热介质中的运行时间t-t，T 粉体在加速介质中的运行时间t-t，v 、 都取决于工件与喷嘴间的距离s， 总而言之，喷涂工艺问题就是T、v问题,43,2. 喷涂材料的影响 材料成分-决定材料的热扩散系数Dr Dmax=3.65(Drt)1/2 其中Dmax为粉末在喷涂过程中能达到距表面90%深度处于熔融状态（半熔融）时的最大直径；t为加热时间 显然，若粉末直径相同时，Dmax越大，粉末熔融程度越高。 几种典型材料的Dr及Dmax 显然，TaC最易喷涂-实际上仍是Dr所决定 材料的粒径： D-T、v -结合力，涂层质量 D太小-价格，且易被气流带走。,44,1.3 热喷涂技术的特点可在各种基体上制备各种材质的涂层：金属、陶瓷、金属陶瓷以及工程塑料等都可用作热喷涂的材料；几乎所有固体材料都可以作为热喷涂的基材。基体温度低：基材温度一般在30200之间，因此变形小。操作灵活：可喷涂各种规格和形状的物体，特别适合于大面积涂层，并可在野外作业。涂层厚度可控, 范围宽：从几十微米到几毫米的涂层都能制备。喷涂效率高、成本低：生产效率为每小时数公斤到数十公斤。局限性：主要体现在热效率低，材料利用率低、浪费大和涂层与基材结合强度较低三个方面。 尽管如此，热喷涂技术仍然以其独特的优点获得了广泛的应用。,45,1.4 热喷涂的一般工艺流程一、表面预处理 去油、脱脂、除锈、去尘- 结合力二、表面粗化 喷砂-增大接触面积 开槽-增加结合点 结合力三、预热 微扩散，热应力-结合力 除去表面冷凝物、潮气- 气孔率四、喷涂 喷底层(Ni包Al，Al包Ni)-粗化， 结合力 喷涂层-0.15-0.2mm/次，总厚度2mm五、封孔 工件加热到95，涂上石蜡-防腐蚀,46,热喷涂基体表面预处理,基体金属表面的预处理状况，决定着热喷涂涂层与基体的结合性能，因此对其使用寿命有决定性的影响。表面预处理包括表面净化，除去金属表面的油脂、其他污物、锈、氧化皮、旧涂层、焊接熔粒，以及对表面的粗化处理。喷砂、车螺纹、滚花和电拉毛。,47,涂层后处理和后加工,涂层后处理包括后热处理（重熔处理和扩散处理）及封孔处理。涂层后加工包括切削和磨削，切削热喷涂涂层较好的刀具有以下3类：（1）添加碳化钽、碳化铌的超细晶粒硬质合金；（2）陶瓷刀具材料；（3）立方氮化硼（CBN）。热喷涂涂层的精加工通常采用磨削方法，因为它可以获得更高的精度与更好的表面粗糙度。,48,第二节 典型热喷涂简介,常用热喷涂的工艺分类,49,2.1 火焰喷涂,火焰喷涂的基本原理是通过乙炔、氧气喷嘴出口处产生的火焰，将线材（棒材）或粉末材料加热熔化，借助压缩空气使其雾化成微细颗粒，喷向经预先处理的粗糙工件表面使之形成涂层。燃烧气体还可以用丙烷、氢气或天然气等。,粉末火焰喷涂的原理示意图,50,1.中心火焰最高可达30002.雾化颗粒速度可达10-20m/s3.适用于熔点低于2500材料4.设备简单,投资低,火焰喷涂特点,51,常用的火焰喷涂涂层及作用,52,2.2 等离子喷涂 等离子喷涂法是利用等离子焰的热能将引入的喷涂粉末加热到熔融或半熔融状态，并在高速等离子焰的作用下，高速撞击工件表面，并沉积在经过粗糙处理的工件表面形成很薄的涂层。涂层与母材的结合主要是机械结合.,等离子喷涂原理图,等离子喷焊原理图,53,2.2 等离子喷涂,原理：等离子喷枪的作用是产生等离子火焰并喷射出高速气流。等离子喷枪由铜阳极嘴和钨阴极头组成。气体从阴极流向阳极，经压缩、离化后从阳极喷射出去。压缩后的等离子电弧，通过阳极孔道喷出后，离子气发生急剧膨胀，将压缩气流加速到亚音速甚至超音速水平，粉末被迅速加热、加速，并喷涂到基体表面。优点： 等离子喷涂的最大优势是焰流温度高，喷涂材料适应面广，特别适合喷涂高熔点材料。等离子喷 涂层的密度可达理论密度的 8598%，真空喷涂可达9599.5%，结合强度也很高(3570 Mpa)，而且涂层中夹杂较少，喷涂质量远优于火焰喷涂层 。,54,等离子喷涂特点1.等离子体温度可达10000以上2.雾化颗粒速度可达600m/s以上3.适用于各种材料4.设备投资高,55,火焰喷涂(左)和大气等离子喷涂(右)Ni80Cr20涂层的金相组织,56,2.3 电弧喷涂(Arc Spray),原理：电弧喷涂的基本原理是将两根被喷涂的金属丝作自耗性电极，连续送进的两根金属丝分别与直流的正负极相连接。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，将两根金属丝端部同时熔化，在电源作用下，维持电弧稳定燃烧；在电弧发射点的背后由喷嘴喷射出的高速压缩空气使熔化的金属脱离金属丝并雾化成微粒，在高速气流作用下喷射到基材表面而形成涂层 。,57,特点：电弧喷涂只能用于具有导电性能的金属线材。 电弧喷 涂的涂层密度可达7090%，比火焰喷涂涂层要致密、结合强度(1040 MPa)高。且运行费用较低，沉积效率高。电弧温度可达5000， 雾化颗粒速度可达180335m/s。应用：是喷涂大面积涂层尤其是长效防腐锌、铝涂层的最佳选择。,58,2.4 爆炸喷涂,原理：氧气、燃料(如乙炔)和粉末输送到枪管内，点燃混合气体产生爆炸，使粉末加热、加速，以超音速喷出，沉积在基体表面。每次喷射后通入氮气流清洗枪管。目前，爆炸喷涂的频率达60Hz。特点：喷射速度快、结合强度高(85Mpa)；涂层密度可达99.9%。焰流温度不太高，不适合喷涂陶瓷等高熔点材料，但可解决碳化物高温分解 难题。 一般专用于喷涂碳化物或金属陶瓷涂层。缺点：喷涂效率非常低，运行成本相对较高 。,59,2.5 超音速喷涂(High Velocity Oxygen Fuel，简称HVOF),原理：采用高压水冷的反应腔和细长的喷射管，燃料(煤油、乙炔、丙烯和氢气)和氧气送入反应腔，燃烧产生高压火焰。燃烧火焰被喷射管压缩并加速喷射出去。喷涂粉末可以用高压轴向送入或从喷射管侧面送入。特点：速度高而温度相对较低。密度可达99.9%，结合强度达70 Mpa以上。残余应力小，甚至可以得到残余压应力，故可喷涂更厚的涂层（最大厚度为12.7mm ）。同样适合喷涂含碳化物涂层。缺点：燃料消耗大，喷涂效率比爆炸喷涂高，但成本仍然比较高。,60,现代热喷涂枪,从上至下：超音速火焰喷枪，等离子喷枪，火焰喷枪，电弧喷枪,61,常用热喷涂技术的工艺特性,62,第三节 热喷涂材料的基本成分与特点,3.1 热喷涂材料应具有的工艺性能一、热稳定性，否则 氧化烧损-如木材 蒸发升华-如乙醚二、热膨胀系数匹配 结合强度 矛盾 使用性能三、良好的固态流动性-顺利送粉，涂层均匀四、良好的湿润性 结合强度，孔隙率 结合强度，孔隙率,63,3.2 热喷涂材料的分类,一、按形态分类-线、棒、粉末二、按功能分类 耐磨损-陶瓷，铁基，Co基，Ni基合金和难熔金属 耐腐蚀-Zn、Al、Ni基合金和Al2O3类陶瓷 抗高温-氧化物类陶瓷、Ni-Cr合金和Co基合金三、按成分分类 金属材料 陶瓷材料 塑料材料 复合材料,64,3.3 粉末材料,一、非复合型粉末 每个颗粒内成分是均匀一致的，如金属粉、高分子粉、陶瓷粉等。1. 自熔性粉末 在铁、钴、镍基合金中加入强脱氧元素B、Si后，成为一种能自行脱氧、造渣的低熔点金属。 特点： 自熔性； B、Si是强脱氧元素，具有脱氧、造渣能力。 低熔点； B、Si加入形成共晶熔点。 湿润性； B、Si使表面氧化物溶解表面张力。 良好的固态流动性。2. 陶瓷材料 具有硬度高、熔点高、热稳定性及化学性能好的特 点，用作涂层可有效地提高基体材料的耐磨损、耐高温或耐腐蚀性能。Al2O3 、TiO2、Cr2O3、ZrO2等氧化物为最常用的一类陶瓷喷涂材料。 Al2O3 、TiO2、Cr2O3常用于耐磨损零件，而ZrO2主要用作热障涂层。,65,3. 混合粉末 将金属粉陶瓷粉按一定比例混合。 陶瓷粉硬度高，高温性能好，但韧性差。 金属粉硬度低，高温性能差，但韧性好。 希望：继承两者优点，避免两者弱点-有一定效果。 事实：优点弱点皆遗传，且因比重不同常有成分偏析-不理想。,66,常用金属热喷涂材料,67,常用陶瓷热喷涂材料,68,常用的热喷涂塑料,69,二、复合型粉末,1. 包覆型复合粉末2. 非包覆型复合粉末 优点：解决了混合粉的比重偏析问题。，制备工艺复杂。 不足：制备难度大,70,常用热喷涂用复合材料,71,第四节 热喷涂的应用,就热喷涂的应用领域而言应相当广泛，以下就长效防腐及在航空、汽车、钢铁、能源等领域的典型应用作以介绍。,72,长效防腐的应用,传统的防腐蚀方法是油漆涂装、电镀锌、热浸锌等工艺，这些方法的防腐寿命均不够理想，而电弧喷涂层的使用寿命则可达30年，这是用于防腐的其他工艺所无法比拟的。,73,热喷涂长效复合涂层防腐的优点：,（1）喷涂结构的寿命延长；（2）节省了维修费用；（3）减少了结构的停工时间；（4）一次性投资大些，但从长期看节省了大量资金。 热喷涂复合防护涂层是一种长效、实用、经济的防腐措施。,74,热喷涂技术在汽车工业上的应用,汽车工业是现代文明社会的支柱产业，要求高性能、低污染、高舒适性、高安全性、智能化等等。选择高强度轻质材料，但是由于零部件表面的特殊要求，还要保持铁基材料或原设计材料的性能；加强燃气效率的监测和控制件的功能；开发特种涂层；开发生产过程中的复合工艺（含热喷涂工艺）的应用等等。,75,热喷涂的汽车部件,76,热喷涂技术在钢铁工业中的应用,1）炉内辊与高达1100炉内气氛发生化学反应，而且会发生严重粘着磨损和磨粒磨损。还有一个主要问题就是发生熔渣和氧化物结瘤在辊子表面上，影响产品的表面质量。2）在钢带连续热浸镀锌生产线中，浸没在锌液槽中的导辊发生严重的液态锌侵蚀。3）输送辊、导向辊、转向辊、定位辊在工作中既承受较高的热应力又承受较高的机械应力，产生严重的热疲劳和机械磨损。,77,1）炉内辊：采用等离子喷涂STS5070系列材料涂层，具有较高的硬度和耐热性，以及抗热冲击性能，适合于炉内气氛（通常N2/H2）和温度。2）热浸锌辊：采用火焰超音速（HVOF）喷涂STS5050系列材料涂层，对熔融锌和锌铝有较低的润湿性，不形成脆性的金属间化合物相，具有较高的耐磨性。3）输送辊：采用火焰喷焊STS2100系列材料涂层，硬度HRC5560，涂层与基体间为冶金结合，能承受冲击载荷和具有较高的耐磨和耐蚀性。,78,连铸模具有承受钢水的作用，以前有人采用喷焊Ni基合金的方法，它与传统的镍板寿命相比提高35倍，目前一种新型的带有碳化铬颗粒扩散强化的镍基自熔合金已开始应用于喷涂连铸模涂层。 热喷涂在钢铁工业应用的另一个实例是在高炉风、渣口上的应用。高炉风、渣口为紫铜制成，由于工作条件十分恶劣，其使用寿命很短，用热喷涂方法解决此问题采用的是首先喷涂打底层（镍包铝，镍铬铝），再喷涂过渡层（金属陶瓷）及表层（陶瓷材料）的工艺方法。平均延长使用寿命2.53倍。,79,在航空燃汽涡轮发动机上的应用,包括热障涂层、封严涂层及耐磨涂层。 热障涂层简称“TBC” 涂层，通常由金属（合金）粘结及耐蚀底层和低导热率的氧化物陶瓷面层组成，粘结底层一般为0.10.2mm 厚的NiCr、 NiAl、 NiCrAl 和MgrAlY 合金等（M 代表Ni、 Co 或NiCo）。 陶瓷面层一般采用高熔点及隔热性能良好的Al2O3、 ZrO2 材料。这些已日益广泛用于发动机的燃烧室、加力燃烧室、涡轮部件及热燃气通道等承受热应力、热腐蚀的热端部件上。,80,在飞机上的应用,防雷击和抗干扰涂层；直升机主旋翼轴喷涂耐磨涂层；其它辅件：为燃油泵转子，随动活塞杆，迷宫壳体等部件。,81,热喷涂在其它领域的应用,1）在造纸机械上的应用2）在印刷机械上的应用3）在纺织机械上的应用4）在生物工程/人工植入方面的应用,82,缸体热喷涂,83,84,第三章 电镀与化学镀,85,第一节 电镀的基本原理和特点,1.1 电镀设备及基本原理一、设备简介 电镀槽电镀液直流电源阳极阴极（工件） 阳极可分为可溶性阳极和不可溶性阳极两种。 不可溶镀液提供Me+ 可溶-镀液传导Me+,典型的电镀槽及离子运动方向,86,电镀原理示意图,87,二、电镀的基本过程,1. 阳极金属溶解 Me2eMe2+ 金属在阳极氧化失去电子，形成金属离子。 注意：防止阳极钝化 Me2+形成量 加阳极活化剂活化阳极2. 金属的电结晶 Me2+ +2e Me 金属在接受电子还原沉积，形成金属镀层。 外电场使阴极产生过电位，否则， Me2eMe2+ 氧化，阴极不沉积反而会溶解。3. 离子液相传质 金属离子在阴极沉积，消耗阴极附近的Me2+ 失去平衡离子液相传质阳极附近失衡阳极氧化放出Me2+ 恢复平衡如此循环。 支撑点：液相的传质（ Me2+ ）能力。4. 镀层晶粒大小控制 W=Kexp(k/k) 过电位(k) ，形核率（W），晶粒细化。,88,三、电镀液组成,1. 单盐溶液SnSO4 CuSO4 溶液中是简单金属离子Sn2+和Cu2+ 。 问题：需要高的过电位，镀层质量不好粗糙2. 络和物溶液金属离子与络和剂形成络和离子，如Zn(NH3)42+ 络和后溶液的平衡电位向负方向移动，有利于电沉积进行。 如：Zn2+/Zn=0.736v Zn(NH3)42+ /Zn=0.1.26v 但是，关于络和离子的本质与沉积机理至今仍不清楚 白猫黑猫技术3. 导电盐不参加反应，溶液导电能力，槽端电压。如Na2SO4。4. 缓冲剂在弱酸、弱碱溶液中加入，可自行调节PH值，溶液稳定性。5. 阳极活化剂活化阳极，提高离子供给能力。6. 添加剂各种各样，视目的而定。 如：光亮剂、整平剂、润湿剂、细化晶粒剂等等。,89,1.2 有关电镀的四个概念,一、均镀能力 零件表面各处镀层厚度相同，表示具有好的均镀能力二、深镀能力 能使深孔内表面得到沉积镀层的能力三、整平能力 能使凸处的沉积速率降低，使凹处的沉积速率提高，得到平整镀层的能力。四、镀膜速率（M） M=D 电流密度（ D ），电流效率（ ），镀膜速率（M）,90,1.3 电镀的工艺过程及影响因素,一、电镀的工艺过程 除油水洗去锈水洗电镀酸洗碱洗清洗出槽 清洗表面 后清洗电镀液有毒二、影响镀层质量的因素 主盐：简单盐镀液镀层的结晶较粗 络合物镀液镀层结晶细致紧密 PH值： 影响H（氢）的放电电位，过高过低都不好，需实测技术 电流密度：电流密度沉积速率 电流密度会结瘤，烧焦特别是尖角部位 基体金属 ：基体金属的化学性质与其和镀层之间结合力密切相关。在某些电解液中，如果基体金属的电位负于镀层金属，若不用其它镀层过渡，就不容易获得结合力良好的镀层。,91,1.4 常用的电镀方式,挂镀,连续电镀,92,1.5 常用金属的电镀可制备33种单金属膜，常用有14种,一、镀Zn 物理特性： 锌呈银白色，原子量是65.38，密度为7.17g/cm3，熔点420。锌的标准电极电位为Zn2+/Zn=-0.76V。 抗氧化性能： 锌表面易形成一层致密的氧化物薄膜，阻止内层锌的进一步氧化，使它在空气中的稳定性大大提高。 耐腐蚀性能： 属阳极性镀层。可以起到牺牲阳极电化学保护作用。 应用： 一级镀锌层的厚度在25微米以上，用于军工行业；二级镀锌层的厚度为1520微米，用于机械、轻工等产品；三级镀锌层的厚度为8-10m，在五金、电子、仪器仪表等行业应用最为普遍。 特点： 工艺简单、成本低廉。应用广泛，约占电镀产品总量的60%以上。,93,镀层金属,单一金属层,合金镀层,复合镀层,锌镀层,分散强化合金镀层,耐蚀镀层,减摩镀层,耐磨镀层,镍合金镀层,锌合金镀层,铅锡合金镀层,铜锌合金镀层,铜锡合金镀层,镉镀层,铜镀层,镍镀层,铬镀层,银镀层,锡镀层,94,锌,95,镉,96,铜,97,镍,防护-装饰镀层：镍镀层在空气中稳定性很高，经抛光的镍镀层可得到镜面般光泽外表，并长期保持其光泽，故一些医疗器械和家庭日用品常用镀镍作为防护-装饰镀层。采用多层镀镍工艺，如双层镍，三层镍，可以提高镀层耐蚀性和机械性能。,特点和应用,底层或中间层：镍镀层对钢铁属于阴极性镀层，且镀层孔隙率较高，需厚度达25微米以上才是无孔的。因此在铬镀层被广泛采用后，镍镀层一般是与铬镀层联合使用，作为防护装饰镀层的底层或中间镀层，如Cu-Ni-Cr，Ni-Cu-Ni-Cr等。,防护镀层：镍在碱溶液中有优良耐蚀性，在某些化工介质中耐蚀性也较高，故有些化工设备也用较厚镀镍层作为防护层。,耐磨镀层：镍镀层硬度较高，可提高金属工件或制品表面耐磨性能，如印刷工业中铅板表面镀镍。,98,铬, 装饰性在经过抛光的制品表面镀铬，可得到略带兰色的银白色，且具有镜面光泽的镀层，非常悦目。只要温度不超过500，铬镀层能长久保持其光泽的外观。, 防护性铬是负电性金属，Cr/Cr3+ 的标准电位为 -0.74 V；但铬具有强烈的钝化能力，在很多环境中表面能生成稳定而致密的钝化膜。对潮湿大气，以及许多化学介质有良好耐蚀性。, 耐磨性铬镀层硬度高，调整电镀工艺可以得到硬度很高的硬铬镀层，其硬度超过淬火钢。同时铬镀层摩擦系数低，因此铬镀层常用于提高工件表面的耐磨性能。, 耐热性温度超过500，铬镀层才开始氧化变色，超过700才开始变软。由于铬镀层的线膨胀系数(6.78.410-6)比碳钢、 铜、 镍的线膨胀系数(分别为12.510-5 , 1.6710-5, 1.3310-5)小，故铬镀层受温度影响时易产生裂纹。,99,铬, 装饰铬（光亮铬）用于防护装饰镀层体系的面层，在汽车，自行车，家电，五金等产品上得到广泛应用。铬面层的厚度一般为 0.5 微米左右。, 硬铬（耐磨铬）用于提高工件（如磨具，轴，量规等）表面硬度和耐磨性，以延长使用寿命。也用于修复工件尺寸。, 松孔铬使硬铬层含有一定宽度和深度的沟纹，具有保持润滑油的特性，用于承受较高压力的滑动摩擦工件，如活塞环，汽缸套等。, 乳白铬韧性好，孔隙率低，硬度较大，用于要求耐蚀性及耐磨性的部件，如量具，枪炮内膛。, 双铬底层乳白铬，表层硬铬。,黑铬色黑，消光性好，用作太阳能吸收器的表面膜层（镀镍钢板上镀黑铬，吸收率可达 0.95），以及航空和光学仪器零件。,100,银,银是贵金属，具有良好的化学稳定性；但在含硫化物的大气中表面易生成硫化银而变黑。银对钢铁，铜都是阴极性镀层，且价贵难得，故一般不用作防护镀层。,101,锡,应 用,防护镀层： 锡在食品有机酸中对钢铁属于阳极性镀层，且锡对人体无毒，故镀锡铁皮用作食品罐头盒。,功能镀层： 锡有良好的钎焊性能，故需要钎焊的无线电器件和零部件广泛采用锡镀层。但在高温，潮湿和密封条件下，由于锡镀层存在内应力会生长晶须，造成短路，这是需要注意的。 锡不与硫化物作用，故与火药及橡胶接触的工件常镀锡。 钢件渗氮处理时可用局部镀锡保护不需渗氮的部位。 锡质软，可塑性好，锡镀层可提高冷拔，变薄，拉伸过程中工件表面润滑能力。,102,镀层金属,单一金属层,合金镀层,复合镀层,锌镀层,分散强化合金镀层,耐蚀镀层,减摩镀层,耐磨镀层,镍合金镀层,锌合金镀层,铅锡合金镀层,铜锌合金镀层,铜锡合金镀层,镉镀层,铜镀层,镍镀层,铬镀层,银镀层,锡镀层,103,铜锡合金,低锡青铜：含锡 15% 以下的铜锡合金,性能：低锡青铜镀层结晶细致，孔隙率很低，具有较高的防腐蚀性能。对钢铁属阴极性镀层，在空气中易氧化变色，应用：主要用于防护装饰镀铬层的底层或中间层，在代镍方面已取得显著效果。 在某些环境中的设备也使用低锡青铜作为防护镀层，如矿井坑道支撑柱，热水中工作的机件。,高锡青铜：含锡超过 40%,性能：高锡青铜外观似银，银白色光泽，具有良好的反光性能，钎焊性能，导电性能，但存在微小裂纹和孔隙，防护性较差，不宜用于在恶劣环境中使用的工件的防护镀层，应用：代替银作电器零件接触点和生产反光器械。,104,铜锌合金,防护-装饰镀层 铜锌合金(黄铜)镀层具有金黄色美丽外观，且可以化学着色，装饰性好，广泛用于家用器皿，建筑物小五金零件，以及黄铜件代用品。,功能镀层 钢件镀黄铜（0.52.5微米），可大大提高与橡胶的结合力（如轮胎衬里钢丝） 黄铜镀层也可作为减摩镀层。,105,铅锡合金,功能镀层 锡镀层中加入13% 的铅可以防止锡镀层生长晶须。 含锡610% 的铅锡合金镀层是很好的减摩镀层，常用于轴承表面。 含锡5060% 锡铅合金镀层有良好的焊接性能，广泛用于电子器件和印制板。,106,锌合金,107,镍合金,108,镀层金属,单一金属层,合金镀层,复合镀层,锌镀层,分散强化合金镀层,耐蚀镀层,减摩镀层,耐磨镀层,镍合金镀层,锌合金镀层,铅锡合金镀层,铜锌合金镀层,铜锡合金镀层,镉镀层,铜镀层,镍镀层,铬镀层,银镀层,锡镀层,109,耐磨镀层,硬度高，耐磨性能优良。以镍，镍基合金，铬，钴等金属(合金)为基体，以氧化物，碳化物，硼化物，氮化物，金刚石，玻璃等的固体微粒为分散剂，在阴极工件表面共沉积。,例： Ni-SiC( 4%wt)复合镀层，耐磨性比普通镍镀层提高70% ； Ni-WC(35% vol)复合镀层工作时磨损量只有普通镍镀层的 1/40，硬度比普通镍镀层高34倍。 Cr-Al2O3(0.3% wt)的耐磨性比硬铬镀层提高1.83.5倍。 以镍为基，和金刚石，氮化硼等超硬材料微粒得到的复合 镀层还用于制造钻磨工具。,110,减摩镀层,摩擦系数很低，有良好干润滑性能。以镍，铜，钴，铁，金，银等为基体，和二硫化钼，石墨，氟化石墨，云母，聚四氟乙烯等层状结构的微粒共沉积，。,例： 金氟化石墨复合镀层的摩擦系数为 0.110.22，是纯金镀层的1/81/10，用于电连接器上取代纯金镀层可以大大降低插拔力，延长使用寿命。,111,112,电解液,单盐电解液被镀金属以简单离子形式存在于电解液中,络盐电解液被镀金属以络离子形式存在于电解液中,主盐有如下几种 硫酸盐，如ZnSO4溶液镀锌 氯化物，如ZnCl2溶液镀锌 氟硼酸盐，如Ni(BF4)2溶液镀镍 氨基磺酸盐，如Ni(NH2SO3)2溶液镀镍 氟硅酸盐，如PbSiF6溶液镀铅,络合剂有： 氰化物（NaCN或KCN），如氰化物镀铜、银、锌、铜锌合金、铜锡合金。 焦磷酸盐（如Na4P2O7），如焦磷酸盐镀铜，镀镍。 氨（NH4Cl），如氯化铵氨三乙酸镀锌，镀镉。 有机酸盐，如柠檬酸(Cit)盐镀镍。 氢氧根离子（NaOH），如锌酸盐镀锌。 羟基乙叉二磷酸（HEDP），如HEDP镀铜。 其它，如乙二胺四乙酸(EDTA)，三乙醇胺。,113,单盐电解液,优点 成分简单，成本较低； 阴极电流效率很高； 废水处理方便； 可以使用较大的阴极电流密度。问题和对策 简单金属离子还原反应的交换电流密度较大，阴极极化性能一般比较小(镍，铁，钴例外)，因此，镀层结晶较粗，镀液分散能力和覆盖能力也较差，仅适用于形状比较简单的工件。 选择适当的添加剂，可以使镀层结晶得到明显细化，还可获取光亮镀层。镀液分散能力和覆盖能力可以改善。,优点 阴极极化性能强，而且主要表现为电化学极化，所以镀层结晶细致，镀液分散能力好，氰化物电镀液是典型的例子。问题和对策 由于阴极还原反应的平衡电位降低，副反应速度比较大，故电流效率比单盐电解液低。 络合剂带来各种问题，如氰化物巨毒，氨造成废水处理困难，等。 开发高效的无毒络合剂，开发新的废水处理技术，减轻环境污染，是络盐电镀的重大课题。,络盐电解液,性能比较,114,主盐浓度的影响,增加主盐浓度的影响 增加主盐浓度，极限电流密度 id 增大，使阴极极化减小，晶核形成速度降低，镀层结晶变粗，分散能力和覆盖能力变坏。 主盐浓度高，溶液导电性好，可以采用较大的阴极电流密度，而且阴极电流效率也较大，故对提高沉积速度有利。适当提高阴极电流密度和选用良好的添加剂可以增大阴极极化性能。,络盐电解液的阴极极化主要为电化学极化，而且络离子浓度允许变化范围较大，因此，多数络盐电解液的性能受主盐浓度的影响不甚显著。,单盐电解液,减小主盐浓度的影响 降低主盐浓度可以使阴极极化性能增强，分散能力和覆盖能力较好，适用于电镀形状较复杂的工件和进行预镀。 主盐浓度低使电解液导电性差，允许使用的阴极电流密度上限小，沉积速度低；这样做对改善镀层结晶组织的效果并不十分显著。,络盐电解液,115,附加盐的作用, 增加溶液的导电性 如：硫酸盐镀镍电解液（主盐为 NiSO4）中加入Na2SO4 或 MgSO4， 酸性镀铜电解液（主盐为 CuSO4）中加入 H2SO4。, 提高阴极极化作用 多数附加盐都有较小的提高阴极极化作用，从而使镀层结晶细化。对此作用