表面工程概述与热喷涂材料.ppt

第四章 表面工程与热喷涂,第一节 表面工程概述,一、金属表面处理技术概念,金属表面处理技术-是指通过一些“物理”、“化学”、“机械”、或“复合方法”使得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，从而使经过处理后的表面具有与基体不同的性能。,二、表面处理技术的意义,为什么研究金属表面处理技术,所有的金属材料都不可避免与环境相接触,而与环境真正接触的是金属的表面，如各种机械零件和工程构件。金属表面发生破坏或失效，进而引起整个设备或零（构）件的破坏或失效。发展金属表面防护和强化技术，是各国普遍关心的重大课题。,随着现代工业的迅猛发展，对机械工业产品提出了更高的要求，要求产品能在高参数(如高温、高压、高速)和恶劣工况条件下长期稳定运转或服役，这就必然对材料表面的耐磨、耐蚀等性能以及表面装饰提出了更高的要求，使其成为防止产品失效的第一道防线。,问题的提出,表面工程的作用：提高构件表面的耐磨性、耐蚀性、耐高温性能，或对构件表面进行修复、强化、装饰等。,火箭发动机的尾喷管内壁和燃烧室需承受20003300温度和巨大的热焰流冲击。飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿：由于具有几十倍的音速，并与大气层摩擦，即所谓气动加热，其温度高达40005000。长江三峡工程中挖泥船的发动机曲轴损坏，当时如从日本购买新轴，加上运费和进口关税等需人民币120万元，从订购到交货需三个月以上，停产损失更大？,选用特种金属或合金来制造整个零件或设备,表面处理技术,解决措施,19世纪工业革命以来，为了适应高强度、高硬度和耐磨、耐高温、耐酸碱腐蚀等不同特殊要求，人们需要不断开发各种特殊的合金材料，但这些合金材料往往价格昂贵。在许多情况下也很难找到一种能够同时满足整体和表面要求的材料。试图采用各种表面技术对普通金属表面进行处理，以改变其表面性能，使其适应复杂的工作环境。,表面处理技术则可以用极少量的材料就起到大量、昂贵的整体材料难以起到的作用，在不增加或不增加太多成本的情况下使产品表面受到保护和强化，从而提高产品的使用寿命和可靠性，改善机械设备的性能、质量、增强产品的竞争能力。,意义,通过表面处理大幅度提高产品质量,节约贵重材料,实现材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问题,修复整体优势，良好的节能、节材效果,三、表面处理技术的主要途径,表面涂层技术,表面改性技术,在基体表面制备各种镀、涂覆层，包括电镀、化学镀、（电）化学转化膜技术、气相沉积技术、堆焊、热喷涂等,用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。如表面淬火、化学热处理、喷丸、高能束表面改性等。,表面改性技术和表面涂层技术的最大区别是，其所形成的表面在材料和组织上均与基体有一定的联系，而不像表面涂层技术那样，涂层的材料和组织与基体是完全不同的。,表面组织 转化,不改变表面 化学成分,基材不参与或很少参与涂层的反应,表面处理技术,形成成分不同于基材和添加材料的表面合金化层,四、表面处理技术的分类,1.按照作用原理分,原子沉积,沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。,颗粒沉积,沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂敷等。,整体覆盖,它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂装、堆焊等。,表面改性,用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。,2.按表面强化层材料分,金属材料层,陶瓷材料层,高分子材料层,3.按表面处理工艺特点分,表面改性技术,包括表面淬火、化学热处理、表面形变强化等，如感应加热表面淬火、渗碳、氮化、碳氮共渗、喷丸、滚压等。,表面涂（镀）层技术,如电镀、化学镀、热浸镀、气相沉积、热喷涂、堆焊、激光熔覆、涂装等。,表面转化膜技术,如氧化处理、磷化处理、铬酸盐处理和着色与封闭处理等。,高能束表面处理技术,如电子束、离子束、激光束表面改性与强化等。,4.按表面处理的目的或性质分,表面耐磨和减摩技术,表面耐蚀和抗氧化技术,表面装饰技术,功能表面技术,表面修复技术,五、金属表面处理技术的产生与发展,春秋五霸时期，越王勾践“卧薪尝胆”，一举击败了吴王夫差，演出了历史上春秋争霸的最后一幕。1965年，湖北省荆州市望山一号墓出土越王勾践自用青铜剑，轰动世界。勾践剑在墓中被水浸泡2000多年仍锋芒毕露，寒气逼人。“越王勾践剑”千年不锈的原因在于剑身上被镀上了一层含铬的金属。,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，进入20世纪 90 年代，其发展势头更猛，各国竟相把表面工程列入研究发展规划。我国于 1987 年由中国机械工程学会建立了学会性质的表面工程研究所，1988 年表面工程杂志在中国创刊，1997 年经国家科委正式批准更名为中国表面工程，面向国内外公开发行。1993年成立中国机械工程学会表面工程分会，2000 年全国焊接学会将原来的“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”。从1989年到2006年8月已成功举办六届全国表面工程学术交流会议；并先后于 1997 年 11 月和 1999 年 10 月在上海召开了第一届及第二届表面工程国际会议，第五届表面工程国际会议也于2007年在大连举行。我国的大专院校、科研院所、工矿企业也相继建立了数以百计的以“表面工程”或“表面技术”冠名的研究机构，从而使金属表面处理技术的发展达到了一个新的高度。,六、金属表面处理技术的应用,金属表面处理技术以其高度的实用性和显著的优质、高效、低耗的特点，在日常生活、机械制造、航空航天、交通、能源、石油化工等工业部门得到了越来越广泛的应用，可以说几乎有表面的地方就离不开表面处理。金属表面处理技术不仅是产品的“美容术”，也是许多产品性能的改良技术，更是先进的产品制造技术。,1提高金属制品或零件的耐腐蚀性能,大部分表面处理方法都对金属材料具有一定的防护作用，提高制品或零件在大气、海水及化学介质中的耐腐蚀性能，如实际生活或工程中的铝合金阳极氧化、镀锌钢丝、镀锌钢板（带）、日用五金的表面镀铬和枪炮表面发蓝都是常见的例子。,2.提高金属制品或零件的表面强度和硬度,表面处理技术可以赋予金属材料表面很高的强度和硬度，提高材料的抗疲劳性和耐磨性，如钢的表面淬火、化学热处理、堆焊、热喷涂、化学气相沉积、喷丸等。,3修复零件,零件磨损、腐蚀和疲劳失效常发生在表面。通过表面技术修复、强化使机械零件翻新如初，从而节省了大量资源和经费，并极大地减少了环境污染及废物的处理。许多采用表面技术处理过的旧零部件，其性能可能大大超过新品，而成本仅为新品的10%。如齿轮、轴、花键等重要零件使用后磨损，可采用镀铬、镀镍、堆焊、热喷涂等进行修复，恢复其尺寸。,堆焊修复轧辊,热喷涂修复轧辊,4.提高制品或零件的装饰性能,表面处理技术可以赋予金属材料表面不同的光亮度、色彩和花纹，如金属表面光亮镀、表面抛光、表面着色、美术装饰漆膜等，这些技术的应用极大地改善和美化了人类的生活。,在航空航天方面的应用,在防护上常用涂镀技术，热浸镀技术，物理和化学气相沉积技术（PVD，CVD）来提高飞机、运载火箭、卫星、宇宙飞船、导弹在各种飞行恶劣环境下对材料性能产生的影响进行防护。,通过表面技术处理，提高材料性能，起到保护航空航天飞行器免遭环境影响而失效，从而提高航空航天产品的先进和使用的可靠性。,如第四代的飞机，在停飞和飞行过程中，可能遇到50的空气摩擦升温至200，因而在飞机蒙皮的表面涂上高聚物涂料免受环境介质侵蚀，减少阻力。,飞机的蒙皮、雷达罩、发动机的尾喷管、座舱都采用隐身涂层，雷达罩和尾喷管采用SnO2和In2O3等掺杂半导体材料作填料和适当的载流子浓度及迁移率以及等离子体频率，使其具有兼容雷达和红外隐身。美国的TF39发动机轴承，离子注入铬磷，可解决点蚀、磨蚀，提高发动机轴承的使用寿命。,In2O3 三氧化二铟,近年来，航空表面工程技术已经取得了飞速的发展，涌现出许多表面工程新技术和新工艺。,激光强化技术,离子注入技术,飞机蒙皮有机涂层技术,薄膜减阻技术,用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。,在汽车工业中的应用：,1886年卡尔.奔驰在德国的斯图加特制造生产出世界上第一辆汽车。当时使用油漆作防锈和美化装饰。,表面热处理技术,物理气相沉积技术,电镀技术热浸镀铝,镀锌技术,喷涂技术,涂装技术,油漆技术,使汽车成为现代技术与艺术相结合。,在车身涂装上，设计选用电泳底漆、中间涂层、面漆三涂层体系，不仅使车身具有防腐蚀功能，更具有亮丽、闪光色彩。汽车上一些钢构件采用单一的钝化处理，在散热器主片，吊耳总承，制动软轴支架等几十中零部件中应用。,第一节 金属的磨损和腐蚀,一、金属的磨损1.金属磨损的定义,磨损-相互接触的一对金属表面，在相对运动时不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸发生改变的现象称为磨损。,磨损表现,出现磨屑,金相组织、物理化学性能、力学性能,金属表面性质变化,形貌和尺寸、粗糙度、表面层厚度,金属表面形状变化,在机械设备中磨损通常是有害的，它损伤零件工作表面，影响机械设备性能，消耗材料和能源，并使设备使用寿命缩短。据估算，中国主要支柱产业部门每年因机器磨损失效所造成的损失在400亿元人民币以上。但磨损有时却是有益的，如新机器的跑合、机械加工中的磨削、研磨等。,金属磨损特性曲线,2.金属磨损的分类,粘着磨损,是指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。,磨料磨损,是指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，或者这些颗粒嵌人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。,疲劳磨损,是指在滚动接触过程中，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。,不同磨损类型的外观表现：,金属材料抵抗磨损的能力称为耐磨性，是由材料成分、硬度、组织结构及形态等因素决定的。,3.提高耐磨性的方法,使表面具有良好的力学性能,一般来说，在力学性能中最重要的是硬度。在实际生产中通过表面淬火、渗碳等提高零件的表面硬度，或通过一定方法在材料表面形成一层具有较高硬度的涂覆层，如电镀、热喷涂和堆焊等。,设法形成具有非金属性质的摩擦面,非金属性质的摩擦面是通过物理或化学的作用来减少磨损的。如对钢材渗S，氮化、热喷涂层加MoS2、物理气相沉积、化学气相沉积及离子注入等，使材料表面形成氮化物、氧化物、硫化物、碳化物以及它们的复合化合物的表面层，这些表面层可以抑制摩擦过程中摩擦副两个零件之间的粘附，熔附以及由此引起的金属转移现象，从而提高耐磨性。,二、金属的腐蚀,腐蚀-金属材料表面在环境介质的作用下所引起的破坏或变质称为腐蚀。,1.金属腐蚀的定义,所谓环境介质是指和金属接触的物质，例如大气、海水、酸、碱、盐等等，这些物质和金属发生化学反应或电化学反应引起金属的腐蚀，发生生锈、开裂、穿孔、变脆等现象。,金属腐蚀的本质：,金属腐蚀的本质：,2.金属腐蚀的分类,（1）按腐蚀机理分,化学腐蚀,电化学腐蚀,金属和环境介质直接发生化学作用而产生的损坏，在腐蚀过程中只有电子的得失，没有电流产生，引起金属化学腐蚀的环境介质不能导电。这种腐蚀的产物一般覆盖在金属的表面。例如金属的高温氧化、非电解质对金属的腐蚀等。,金属在电解质溶液中发生电化学作用而引起的损坏，在腐蚀过程中不仅有电子的得失，而且有电流产生，引起电化学腐蚀的介质都能导电。电化学腐蚀比化学腐蚀更为常见和普遍，金属在酸、碱、盐、土壤、海水、潮湿大气等介质中的腐蚀均属于电化学腐蚀的范畴，如钢在室温的氧化、铜表面生成铜绿等。,电化学腐蚀产生的原因：,电化学腐蚀产生的原因是不同金属之间或合金中的不同相之间电极电位不同，存在电位差，当存在电解质溶液时便在金属表面形成了原电池，电位低的部分（阳极）被腐蚀，电位高的部分（阴极）被保护，不同金属之间或合金中的电位差越大、原电池效应越明显，腐蚀速度越快。,从上述原理可以看出，金属零件发生电化学腐蚀的基本条件是：,两种金属电极电位不同,零件是由二种不同金属组成，或使用的合金中不同区域或不同相的电极电位不同。,两种金属间有电子的流动,不同电极电位的部分彼此是非绝缘的，可以有电子的流动。,有电解质存在,全面腐蚀是指腐蚀分布于整个金属的表面。,均匀腐蚀,非均匀腐蚀,在金属表面各处的腐蚀程度基本相同的为均匀腐蚀；在不同腐蚀区腐蚀程度差别很大的为非均匀腐蚀。例如在酸洗工艺中发生的腐蚀一般属于均匀腐蚀。,局部腐蚀是指腐蚀主要集中在金属表面的某些区域。尽管此种腐蚀的腐蚀量不大，但由于其局部腐蚀速度快，易造成设备的严重破坏，因此，其危害性更大。金属在不同的环境条件下可以发生不同的局部腐蚀，例如孔蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、磨损腐蚀等。,全面腐蚀,3.金属腐蚀的防护,正确选用金属材料，合理设计工件结构,金属表面覆盖保护层,牺牲阳极的阴极保护法,(1)正确选用金属材料，合理设计工件结构,正确选择金属材料是防止金属腐蚀的最根本措施。应根据材料工作环境中介质的性质、产生腐蚀的类型及程度合理选择材料，在满足主要技术、工艺和经济指标的前提下，应尽可能使用在给定的腐蚀条件下稳定性好的材料。如在H2S04溶液贮槽中采用衬金属铅和陶瓷材料；在建户外结构时，在强度允许的情况下，使用铝及铝合金，因为铝在一般空气中不易腐蚀，表面有一层氧化膜保护层；,不锈钢是工程中最常用的耐蚀材料。在不锈钢中含有大量的合金元素铬、镍，一方面铬有助于在金属表面生成钝化膜，并能提高钢基体的电极电位，减小电位差，提高钢的耐腐蚀性能；另一方面在不锈钢中加入铬或镍有助于获得单相奥氏体组织或铁素体组织，消除了电位差，避免出现原电池，提高了钢的耐蚀性。,在设计方面，工件的结构和组合应该符合防腐蚀规律，要尽量避免电位差较大的金属直接搭接和铆接，例如铝、镁不应与钢铁、镍等材料相接触。另外，工件结构应尽量采用圆角，避免尖角，焊缝不宜太多，各部分受力要均匀，以防出现应力集中。,（2）金属表面覆盖保护层,在金属表面形成一层保护膜，隔绝金属和腐蚀介质，是防止金属腐蚀的一种有效方法，尤其是化学腐蚀。最常用、最简便的是在金属表面覆盖上防腐涂料、塑料、橡胶、搪瓷、陶瓷、玻璃、石材等非金属材料。此外，在金属表面可以化学镀、电镀、热喷涂、热浸镀一层耐腐性良好的金属或合金，如Ni、Cr、Zn、Al、Sn、Cu等金属。金属覆盖保护可分为阴极覆盖保护和阳极覆盖保护，作为阳极覆盖层的金属，应比主体金属有更负的电极电位，例如在铁基合金上覆盖Zn、Al等；阴极覆盖层金属的电极电位比被保护的主体金属更正，如在铁基合金上覆盖Ni、Cu、Sn、Pb等，主体金属是阳极，覆盖层是阴极，所以覆盖层必须是完整的才能达到保护基体的目的。也可以通过金属材料本身形成这层钝化膜，如向钢中加入Cr、Al等元素，使钢产生钝化。,（3）牺牲阳极的阴极保护法,电化学腐蚀的必要条件是阳极、阴极、电解质、电流回路，除去或改变其中任何一个条件即可阻止或减缓腐蚀的进行。牺牲阳极的阴极保护法是利用电位比被保护金属低的金属或合金作为阳极，与作为阴极的被保护金属构成一个原电池。当发生电化学腐蚀时，电位低的阳极不断地被腐蚀，而阴极（被保护金属）不会腐蚀而得到保护。,在海水中的钢闸门上连接一种比铁更活泼的金属锌，以达到防腐的目的。,