表面科学工程-金属表面改性

null金属表面改性金属表面改性表面改性分类 激光表面改性 离子束表面改性 金属表面涂塑 气相沉积硬涂层技术 化学热处理表面改性1、表面改性分类 1、表面改性分类 表面淬火法 传统 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 ：感应加热，火焰加热 高能量密度加热：电子束，激光束加热 化学热处理 气体法，固体粉末法，真空、离子化学热处理等 干式被覆方法 热喷涂，物理、化学气相沉积，离子注入等 湿式被覆方法 电镀，化学镀，阳极化处理，化学处理等按学科特点分类按学科特点分类表面合金化技术 热渗镀，离子注入，激光熔敷等 表面覆盖层与覆膜技术 热喷涂，电镀，化学镀，气相沉积，涂装等 表面组织转化技术 激光、电子束热处理以及喷丸、辊压等世界较传统的Matton分类法世界较传统的Matton分类法原子沉积物 粒状沉积物 整体涂层 表面改性2、激光表面改性2、激光表面改性 利用激光器获得极高的加热和冷却速度，使表面形成微晶、非晶及其它亚稳合金。 激光相变硬化（LTH） 激光表面熔融处理（LSM） 激光表面合金化（LSA） 激光熔覆（LSC）激光束作用原理图激光束作用原理图激光束与金属的交互作用激光束与金属的交互作用 ※金属对激光的吸收主要是通过大量传导电子带间跃迁实现，使激光束能量转变为晶格的动能。不同金属吸收不同波长的激光。 ※激光仅加热金属表面，在表面层光能变为热能。激光透入深度，仅表面下 10－5cm的范围， 激光相变硬化（LTH）的特点激光相变硬化（LTH）的特点（1）加热和冷却速度高 加热速率达105～109℃/s ；冷却速率达104～107℃/s。 （2）高硬度 激光淬火层的硬度比常规淬火层提高15％～20％。 （3）变形小 由于加热层薄，加热速率快，使零件变形非常小。 如：铁基合金激光相变硬化。 激光表面熔融处理（LSM）激光表面熔融处理（LSM） 近于聚焦的激光束对材料表面进行辐照，使之熔化，快速冷却并凝固。 如：激光晶粒细化技术。激光表面合金化（LSA）激光表面合金化（LSA） 应用激光束将基体材料和加入的合金粉末一起熔化后迅速凝固，表面获得新合金结构的技术。 目的提高材料耐磨、耐蚀和高温抗氧化性。激光熔覆（LSC）激光熔覆（LSC）熔覆材料通常是Co，Ni和Fe基合金，碳化物和氧化铝陶瓷等，基体材料一般为钢，铸铁，不锈钢和铝等。激光相变硬化的实际应用激光相变硬化的实际应用1974年美国通用汽车公司通过激光处理可锻铸铁动力转向机壳 ，提高耐磨性近10倍。 我国采用激光热处理邮票打孔机，使用寿命提高20倍。 采用激光热处理铸铁气缸套。 激光非晶化、激光退火、激光冲击硬化等。3、离子束表面改性3、离子束表面改性 核技术在材料工业方面的应用；其基本工艺是将几万到几十万电子伏的高能离子流注入到固体材料表面，从而使材料表面的物理、化学或机械性能发生变化，达到表面改质的目的。 离子注入作用离子注入作用提高金属表面耐蚀性 提高金属表面耐磨性 提高金属的疲劳寿命 nullnull离子注入改性的一般机理离子注入改性的一般机理 离子注入金属后能显著地提高其表面硬度、耐磨性、抗蚀性等，基本改性机理如下： （1）损伤强化作用 （2）注入掺杂强化 （3）喷丸强化作用 （4）增强氧化膜、提高润滑性 离子注入发展动向离子注入发展动向（1）离子注入工艺技术的改进 已由单纯的一次注入发展为轰击扩散镀层（BDC）及离子束混合（IBM）技术和不同能量的重叠注入方法。 （2）离子注入技术的应用领域的拓宽 离子注入已广泛地用于宇航尖端零件、重要化工零件、医学矫形件以及模具、刀具和磁头的表面改质，而且作为陶瓷和高分子材料的改性技术也引起人们关注。 金属表面涂塑 金属表面涂塑 在金属表面涂覆一层（0.02~3.0mm）塑料薄膜 通过隔离环境介质，实现防腐目的。 一般涂膜较厚，结构致密，防腐寿命较长，并具有装饰，绝缘，耐磨，吸震，消声等性能。 涂塑分类与方法气相沉积硬涂层技术气相沉积硬涂层技术通常利用PVD或CVD制取高质量，高熔点涂层的技术。气相沉积主要用途是：提高耐磨工模具寿命。如：采用硬质镀层TiN。 常用的硬涂层材料是氮化物和碳化物等。物理气相沉积（PVD）物理气相沉积（PVD） Mattox的离子镀技术，美国IBM研制的射频溅射法，以及蒸镀构成了PVD三大系列。自70年代相继发明了活性反应蒸镀技术、多弧离子镀、射频离子镀、空心阴极离子镀、磁控溅射离子镀等技术，80年代PVD沉积技术进一步完善并扩大应用范围； 磁控溅射离子镀磁控溅射离子镀气相沉积的基本过程气相沉积的基本过程气相物质的产生： 使镀料加热蒸发，称为蒸发镀膜； 用具有一定能量的离子轰击靶材，从靶材上击出镀料原子，称为溅射镀膜。蒸发镀膜蒸发镀膜 在高真空中用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法称蒸发镀。蒸镀用途蒸镀用途蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些功能膜，例如用作电极的导电膜，光学镜头用的增透膜等。蒸镀镀膜速率快，但成分难控制；蒸镀纯金属膜中， 90％是铝膜。目前，在制镜工业中已经广泛采用蒸镀，以铝代银，节约贵重金属。集成电路是镀铝进行金属化，然后再刻蚀出导线。在聚酯薄膜上镀铝具有多种用途：制造小体积的电容器；制作防止紫外线照射的食品软包装袋；经阳极氧化和着色后即得色彩鲜艳的装饰膜。双面蒸镀铝的薄钢板可代替镀锡的马口铁制造罐头盒。 null 溅射镀膜 溅射镀膜：在真空室中，利用荷能粒子轰击镀料表面，使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。 如：溅射的用途溅射的用途溅射薄膜按其不同的功能和应用可大致分为机械功能膜和物理功能膜两大类。前者包括：耐磨、减摩、耐热、抗蚀等表面强化薄膜材料、固体润滑薄膜材料；后者包括电。磁、声。光等功能薄膜材料等 。 如，用TiN，TiC等超硬镀层涂覆刀具、模具等表面，摩擦系数小，化学稳定性好，具有优良的耐热、耐磨、抗氧化、耐冲击等性能，既可以提高刀具、模具等的工作特性，又可以提高使用寿命，一般可使刀具寿命提高3～10倍。 离子镀膜离子镀膜 离子镀就是在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片表面和膜层的镀膜技术。离子轰击的目的在于改善膜层的性能。离子镀是镀膜与离子轰击改性同时进行的镀膜过程。 无论是蒸镀还是溅射都可以发展成为离子镀。 薄膜（镀层）材料方面：薄膜（镀层）材料方面：1、早期发展的材料为 TiC和 TiN类型 ； 2、为提高硬度后来选择的是立方氮化硼和金刚石、类金刚石膜； 3、硬膜 TiC和 TiN类型材料的改进。采取多层或梯度成分以及复合成分（TiC+TiN ）。 4、加入合金元素 Al，Si，Zr等。 化学气相沉积（CVD）化学气相沉积（CVD）沉积粒子来源于化合物的气相分解反应。在相当高的温度下，混合气体与基体的表面相互作用，使混合气体中的某些成分分解，并在基体上形成一种金属或化合物的固态薄膜或镀层。化学气相沉积原理化学气相沉积原理null在1000~1050℃，氢气作载流气体把 TiCl4和CH4气带入炉内反应室；使 TiCl4中的钛与CH4中的碳（以及钢件表面的碳）化合，形成碳化钛： TiC4(l) + CH4(g) — TiC(s) + 4HCl (g) TiC4(l) +C(钢中) +2H2(g) — TiC(s) + 4HCl (g) CVD的特点CVD的特点 （1）在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固体。 （2）可以在大气压（常压）或者低于大气压下（低压）进行沉积。一般来说低压效果要好些。 （3）采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。 （4）镀层的化学成分可以改变，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。 null（5）可以控制镀层的密度和纯度。 （6）绕镀性好，可在复杂形状的基体上以及颗料材料上镀制。 （7）气流条件通常是层流的，在基体表面形成厚的边界层。 （8）沉积层通常具有柱状晶结构，不耐弯曲。但通过各种技术对化学反应进行气相扰动可以得到细晶粒的等轴沉积层。 （9）可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物镀层。 化学气相沉积（ CVD）的应用化学气相沉积（ CVD）的应用CVD镀层可用于要求耐磨、抗氧化、抗腐蚀以及有某些电学、光学和摩擦学性能的部件。对于耐磨硬镀层一般采用难熔的硼化物、碳化物、氨化物和氧化物。在耐磨镀层中，用于金属切削刀具占主要地位。 CVD镀层还可用于其它承受摩擦磨损的设备，如泥浆传输设备、煤的气化设备和矿井设备等。 PVD和CVD两种工艺的对比PVD和CVD两种工艺的对比1、CVD和PVD之间的主要区别是工艺温度高低。 2、CVD工艺对进人反应器工件的清洁要求比PVD工艺低一些 ； 3、CVD镀层往往比各种PVD镀层略厚一些 、粗糙些； 4、 CVD镀层很好的绕镀性。 null 沉积温度高（900～1200℃ ），超过了许多工模具的常现热处理温度，因此镀覆之后还需进行二次热处理，不仅引起基材的变形与开裂，也使镀层的性能下降。因此推动了物理气相沉积（PVD）硬膜技术的诞生与发展。 化学热处理表面改性化学热处理表面改性在一定条件下周围介质向金属输送物质的过程。 按渗入元素分类 渗碳，碳氮共渗，渗氮，渗铬，渗硼，渗铝，渗硅，渗硫，渗金属 按处理工艺分类 固体渗，液体渗，气体渗等渗镀的基本原理渗镀的基本原理渗层形成的条件 （1）能形成固溶体或金属间化合物 （2）具备活性渗入元素和一定的渗入速度 （3）渗入元素与基体金属紧密接触形成固溶体或金属间化合物形成固溶体或金属间化合物原子相对尺寸因素 形成渗层必要条件：原子直径差≤15~16% 化学亲和力因素 化学亲和力与负电性之差相关 点阵类型因素 溶质与溶剂点阵类型异同的影响化学反应提供活性原子的热力学条件化学反应提供活性原子的热力学条件置换反应 A+ BCl2 （g）=ACl2（g）+[B] 还原反应 BCl2（g）+H2=2HCl（g）+[B] 热解反应 BCl2（g）=Cl2+[B]渗层的形成及其组织渗层的形成及其组织渗层形成的基本过程 提供活性原子 活性原子吸附 高温扩散 渗层组织特点 渗入元素与基体金属的二元相图有关nullnull7、电镀基本原理7、电镀基本原理电镀：是指在含有欲镀金属离子的溶液中，通过电解作用，在基体上（阴极）获得镀层的方法。 镀层包括：单金属，合金，复合的镀层等； 或分为：功能性，耐蚀性，装饰性镀层 电镀液基本成分电镀液基本成分主盐：阴极上沉积镀层金属的盐。 导电盐：提高溶液导电能力（不起络合作用）的盐 络合剂：能络合主盐中金属离子的物质 阳极活化剂：促进阳极活化的物质； 缓冲剂：稳定溶液pH值的物质； 添加剂：润湿剂，防针孔剂，光亮剂等。电镀基本概念电镀基本概念法拉第第一定律：M=kQ =kIt υ=ki 法拉第第二定律：F=96500（C） 电流效率：η=M′/M（%） 镀层厚度： M′= kIt η =V·ρ=S·δ·ρ 所以： δ= kIt η/ S·ρ金属的阴极沉积过程金属的阴极沉积过程 三个步骤： 传质——电迁移，对流，扩散 表面转化及电化学反应 电结晶影响镀层均匀分布的因素影响镀层均匀分布的因素电流在阴极上的分布 基体金属本性与其表面状态 电流效率 镀槽内几何因素影响镀层结晶晶粒的因素影响镀层结晶晶粒的因素镀液本性 单盐电镀液—— 络合电镀液—— 电镀参数 电流密度—— 温度影响—— 电流波形—— 析氢对镀层影响 Ni镀液 配方 学校职工宿舍分配方案某公司股权分配方案中药治疗痤疮学校教师宿舍分配方案医生绩效二次分配方案 与性质：Ni镀液配方与性质：镀 镍镀 镍 镍 镀层的应用 可分为防护装饰性和功能性两方面；通过抛光暗镍镀层或直接镀光亮镍的方法获得光亮的镍镀层，达到装饰目的。镍在大气中易变暗，所以光亮镍镀层上往往再镀一薄层铬，使其抗蚀性更好。也有在光亮镍镀层上镀一层金或仿金镀层，从而获得金色装饰层。塑料经处理后也可镀镍，使塑料零件金属化，自行车、钟表、家用电器、日用五金产品、汽车、照相机等的零件均用镍镀层作为防护装饰性镀层。合金电镀合金电镀合金电镀一般条件 1、具备单金属沉积的基本条件 2、共沉积两种金属的沉积电位必须十分接近 合金电镀的类型 1．正则共沉积 2．非正则共沉积 3．平衡共沉积 4．异常共沉积 5．诱导共沉积 工艺参数对合金镀层成分影响实现共沉积的方法实现共沉积的方法（1）改变镀液中金属离子的浓度比 对两种 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 电位相差不大的金属可用浓度调节。增大较活泼金属离子的浓度，使其电位正移。 （2）采用适当的配合剂 对平衡电位相差大的金属离子实现共沉积有效方法：降低离子的有效浓度，使电位较正的金属的平衡电位负移。 （3）采用特定的添加剂 例如：添加明胶可使铜、铝离子实现共沉积合金电镀的最新发展合金电镀的最新发展非晶态合金电镀 耐蚀合金电镀 复合电镀复合电镀技术复合电镀技术是将固体微粒加入镀液中与金属或合金共沉积，形成一种金属基的表面复合材料的过程。又称为分散镀或弥散镀。 复合镀层的沉积机理复合镀层的沉积机理形成均匀的悬浮液。固体微粒先经过消除杂质、润湿处理和表面活性剂处理后，加入镀液中。 分散粒子吸附表面活性剂和镀液中各种离子，当微粒子表面净吸附结果是正离子占优势时，即微粒子表面带正电荷后，就有可能与金属离子 共沉积形成复合镀层 。复合共沉积大致经历如下的步骤：复合共沉积大致经历如下的步骤： ①在电场作用下，带正电荷的微粒子有向阴极靠近的倾向； ②在搅拌的作用下，微粒子被带到阴极表面，与阴极表面碰撞并被阴极表面俘获 ； ③在电场作用下，微粒吸附在阴极表面上； ④微粒吸附的金属离子及未被吸附的金属离子在阴极上放电-沉积进人晶格，固体微粒子被沉积金属埋没而镶嵌在镀层中，形成金属／固体微粒复合镀层。 复合镀的条件复合镀的条件①粒子在镀液中是充分稳定的，既不会发生任何化学反应，也不会促使镀液分解； ②粒子在镀液中要完全润湿，形成分散均匀的悬浮液； ③镀液的性质要有利于固体粒子带正电荷 ； ④粒子的粒度要适当 ； ⑤要有适当的搅拌 。 Guglielmi两步吸附机制关系式Guglielmi两步吸附机制关系式取：复合镀层的性质复合镀层的性质——在镀层中体积分数——电导率导电性：电阻率：Have a break!!!Have a break!!!