第十三章 材料表面技术 §13.1 材料表面技术概述 §13.2 电镀和化学镀 §13.3 化学转化膜技术 §13.4 表面涂敷技术

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1 第十三章 材料表面技术 §13.1 材料表面技术概述 §13.2 电镀和化学镀 §13.3 化学转化膜技术 §13.4 表面涂敷技术
第十三章 材料表面技术 § 材料表面技术概述 § 电镀和化学镀 § 化学转化膜技术 § 表面涂敷技术 § 气相沉积技术 § 高能束表面技术简介

2 §13.1 材料表面技术概述 表面工程是利用物理的、化学的、物理化学的以及机械的等工艺方法，使工件表面获得可要求的成分、组织和性能，以提高产量质量的工程。始于20世纪80年代 。 主要包括： （1）热处理，表面淬火、化学热处理等，以提高表面强度、硬度、耐磨性为主，常称为表面硬化（强化）技术。 （2）化学粘接镀、电镀、转化膜等，以提高耐蚀性为主，常称为防护技术。（1）、（2）有联系有交叉，又相对独立。 （3）气相沉积等，成为制造新材料、机件修复的手段。

3 一、材料表面技术的目的与作用 二、材料表面技术的应用 §13.1 材料表面技术概述 4. 在环境保护方面的应用
1. 提高材料的表面损伤失效抗力 2. 赋予材料表面某种（或多种）功能特性 3. 实施特定的表面加工来制造（或修复）零、部件 二、材料表面技术的应用 1. 在结构材料及工程构件、机械零件上的应用 2. 在功能材料及元器件上的应用 3. 在新材料的研究与生产上的应用 4. 在环境保护方面的应用

4 三、表面技术的分类 四、材料表面技术的特点 §13.1 材料表面技术概述 4. 可以用于修复已损坏、失效的零件。 1. 表面覆层技术
2. 表面合金化技术 3. 表面组织转变技术 四、材料表面技术的特点 1. 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。 3. 表面涂层很薄，涂层用料少。 4. 可以用于修复已损坏、失效的零件。

5 表面工程功能 ①充分发挥材料潜力。 六缸柴油机曲轴喷丸处理后强度提高30％～38％。
§13.1 材料表面技术概述 ①充分发挥材料潜力。 六缸柴油机曲轴喷丸处理后强度提高30％～38％。 冷作模具承受冲击载荷大，其表面耐磨性与心部韧性之间的矛盾更加突出，经渗B后表面耐磨性由高硬度的硼化物层承担，再适当地提高回火温度将基体硬度降低到60HRC以下，使心部韧性得到改善，既发挥了硼化物层的耐磨优势，又避免发生脆性断裂，可使模具寿命延长十几倍。 气相沉积如CVD沉积α-Al2O3的硬质合金，在1000～1500℃时刃部仍保持高硬度，使用寿命比沉积TiC、TiN高2倍。

6 表面工程功能 ②节约材料资源。 用铁基粉末烧结成形后渗锌，代替铜制作弹子锁芯，耐蚀性好，节约了大量铜。
§13.1 材料表面技术概述 ②节约材料资源。 用铁基粉末烧结成形后渗锌，代替铜制作弹子锁芯，耐蚀性好，节约了大量铜。 用低碳钢渗铝，代替高合金耐热钢制作渗碳罐，节约了铬镍资源并降低了成本。 英国汽车排气系统采用渗铝后，寿命比碳钢延长三倍。 钴合金Hs25叶片于1205℃工作2h后，因氧化起皮而失效，经铬铝共渗后于1205℃，工作100h，仅失重14g/cm2，表面刚刚起皮。 有人分析，船舶寿命周期一般为20～30年，报废时实际失效件只是一部分，大约还有70％可以继续工作，如果用表面强化处理其中一些薄弱部位，可使船舶寿命延长到30～35年，船舶的全寿命周期费用降低30％左右。

7 表面工程功能 ③制作新材料。表面强化处理是制造复合材料的预处理手段。 ④维修与修复。 用刷镀修复的坦克零件，耐磨性是原产品的4.3倍；
§13.1 材料表面技术概述 ③制作新材料。表面强化处理是制造复合材料的预处理手段。 ④维修与修复。 用刷镀修复的坦克零件，耐磨性是原产品的4.3倍； 刷镀修复万匹马力柴油机的定时齿圈； 热喷涂处理运输船尾轴套； 用化学粘接高温涂料修复船用柴油机排烟管等。 ⑤装饰。沉积TiN代替黄金，化学镀仿制各类文物及装饰品以及各类涂料的装饰等。

8 喷丸 风电设备表面处理方案： （1）风机叶片 ：喷丸强化 （2）风电齿轮箱：低Ra超精研磨 （3）风机轮毂：抛丸处理
§13.1 材料表面技术概述 风电设备表面处理方案： （1）风机叶片 ：喷丸强化 （2）风电齿轮箱：低Ra超精研磨 （3）风机轮毂：抛丸处理 （4）风机塔架：抛丸/喷砂除锈等＋涂防腐涂层

9 喷丸 §13.1 材料表面技术概述

10 喷丸 §13.1 材料表面技术概述

11 §13.2 电镀和化学镀 一、电镀 将零件作为阴极放在含有欲镀金属的盐类电解质溶液中，通过电解作用而在阴极上（即零件）发生电沉积现象形成电镀层。 （一）单金属电镀 （二）合金电镀 （三）复合电镀 （四）非金属材料的电镀 电镀实验演示视频 电镀生产实例视频 1 2

12 电镀应用 （1）镀Mo显著提高发动机QT缸体的耐磨性。 （2）汽油机铸铝活塞裙部外表面镀Sn。
§13.2 电镀和化学镀 （1）镀Mo显著提高发动机QT缸体的耐磨性。 （2）汽油机铸铝活塞裙部外表面镀Sn。 （3）活塞环用合金ZT，第一道环镀Cr，第二道环镀Sn或P化。 （4）拉伸钢质零件，毛坯表面需镀Cu或P化，使毛坯表面形成一层隔离层，能储存润滑剂，具有自润性能。 （5）电镀黄铜（仿金电镀），如Cu-Zn、Sn-Cu-Zn，可能到18K～24K黄颜色仿金电镀层，可用于：灯饰、日用五金制品；汽车轮胎子午线钢丝的电镀，提高橡胶与钢丝的结合强度；节约Au，在镀Au前先镀黄铜。 （6）减摩镀—轴承电镀，电镀软金属如Sn、Pb、In等，在摩擦表面上改善磨合性能。

13 电镀应用 §13.2 电镀和化学镀 （7）车身某些部位，如5门1盖、焊接形成的内腔等，不能上面漆，甚至不能上电泳漆，往往成了车身整体防腐蚀的薄弱点。可采用单面镀Zn或双面镀Zn钢板，翼子板、车顶盖也可使用Zn钢板。 镀Zn钢板的镀Zn层7.5～10μm。 双面镀Zn板车身，使用寿命12年。 中高档轿车白车身一般使用镀Zn板，但其表面粗糙度、清洁度影响镀Zn层附着力。

14 电镀应用 （8）耐蚀镀： ①镀Zn，如镀Zn钢板；还可电镀Zn合金，如Zn-Ni（13％）， Ni4Zn3金属间化合物。
§13.2 电镀和化学镀 （8）耐蚀镀： ①镀Zn，如镀Zn钢板；还可电镀Zn合金，如Zn-Ni（13％）， Ni4Zn3金属间化合物。 ②镀Sn，美丽的光泽，对含果实类耐有机酸耐蚀能力很好，对 Sn的钎焊性能好，用于食品罐头盒、无线电接插件及引线等 元件。 ③镀Ni，常存在孔隙，需多层电镀，用于汽车、仪表等。 ④镀Cu，用于多层电镀的底层或中间层。 ⑤镀Mn，用于海水中混凝土钢筋。

15 电镀应用 （9）耐磨镀： ①镀硬Cr：用于耐磨性和修复磨损件、切削超差的工件。硬， 热硬性好，μ小。
§13.2 电镀和化学镀 （9）耐磨镀： ①镀硬Cr：用于耐磨性和修复磨损件、切削超差的工件。硬， 热硬性好，μ小。 ②防护装饰性镀Cr：中间镀层为Cu、Ni、Cu-Sn、Ni-Fe等， 在镀Ni层上再镀Cr—银蓝色镜面镀层。 ③镀黑Cr：用于照相机、武器等，采用不同镀液。 ④镀无裂纹Cr（裂纹影响金属腐蚀性能），由于镀Sn钢板价 格上涨，用镀Cr钢板—无锡钢板。 （10）复合镀：在金属基体上分布一些高硬度氧化物、碳化物 质点，常以Ni、Co为主体金属，如化学镀Ni-P、Ni-B为主体 金属，分散硬颗粒是SiC等，Ni-P-SiC复合镀层的耐磨性比镀 Ni层高70％，已用于汽车发动机。

16 第五套人民币硬币 1元硬币 白铜、钢芯镀镍 5角硬币 黄铜、钢芯镀铜 1角硬币 不锈钢
电镀应用 §13.2 电镀和化学镀 硬币的设计 第五套人民币硬币 　　1元硬币 白铜、钢芯镀镍 　　5角硬币 黄铜、钢芯镀铜 　　1角硬币 不锈钢

17 二、化学镀 §13.2 电镀和化学镀 （一）基本原理 在无外加电场的情况下，镀液中的金属离子在还原剂的作用下，通过催化
在镀件（金属或非金属件）表面上的还原沉积过程。 （二）基本特点 ①均镀能力和深镀能力好，可在形状复杂的镀件表面产生均匀厚度的镀层 ； ②镀层晶粒细，空隙小，力学性能、物理性能和化学性能优良； ③设备简单、操作容易，适合于金属与非金属镀件。 （三）应用及举例

18 应用 §13.2 电镀和化学镀 仿古铜系列 镀铬系列 电镀黑镍系列 电镀锌系列 镀铜系列

19 §13.3 化学转化膜技术 引言 一、化学氧化 二、铝及铝合金的阳极氧化 三、磷化处理 四、铬酸盐处理

20 引言 化学转化膜：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方法。
§13.3 化学转化膜技术 化学转化膜：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方法。 成膜机理：金属与特定腐蚀液（ 化学介质）接触而在一定条件下发生（电）化学反应，由于浓差极化和阴极极化作用，在金属表面转化 产生一层坚固、稳定的化合物膜。 主要用途： （1）防锈耐蚀 （2）耐磨减摩 （3）其它作用，如绝缘性、吸光性或反射光性、染色性等

21 引言 高速钢刀具氧化处理（蒸气处理）（属转化膜），氧化膜是Fe3O4，蓝色，多孔，能贮油，润滑、减磨。 ① 与回火工艺相结合；
§13.3 化学转化膜技术 高速钢刀具氧化处理（蒸气处理）（属转化膜），氧化膜是Fe3O4，蓝色，多孔，能贮油，润滑、减磨。 ① 与回火工艺相结合； ② 与渗氮工艺相结合，氧氮化处理，外层是氧化膜，散 热，润滑；内层是氮化层； ③ 硫氮共渗＋蒸气处理，可使刀具防锈。

22 §13.3 化学转化膜技术 一、化学氧化 （一）钢铁的化学氧化 钢铁在含有氧化剂的溶液中进行化学处理，可在其表面生成一层 0.5 ~ 1.5 μm 厚的坚固致密的以 Fe3O4 为主的氧化膜，称为钢铁的化学氧化。由于 Fe3O4 膜的颜色可以从蓝到黑变化，故又称发蓝或发黑处理。 （二）有色金属的化学氧化 1. 铝及铝合金的化学氧化：将铝及铝合金置于沸水中，或酸性、碱性溶液中即可发生化学氧化而生成 Al2O3 为主的氧化膜， 其厚度一般可控制在 0.5 ~ 4 μm。 2. 铜及铜合金的化学氧化：在含有氧化剂的溶液中（ 如 NaOH + K2S2O8 ）， 铜及铜合金表面可氧化生成主要为 CuO 或 Cu2O 的氧化膜，厚度一般为 0.5 ~ 2 μm。

23 §13.3 化学转化膜技术 二、铝及铝合金的阳极氧化 将金属零件（如铝件）作为阳极放置于适当的电解液中（如硫酸、铬酸、草酸等水溶液），在外加电流的作用下，表面生成氧化膜的方法。 铝阳极氧化膜的主要特性： （1）多孔性 （2）耐蚀性 （3）耐磨性 （4）电绝缘性

24 三、磷化处理 （一）钢铁的磷化处理 除油脱脂 酸洗 水洗 磷化 水洗 磷化后处理（如封闭处理） 水洗 干燥
§13.3 化学转化膜技术 三、磷化处理 将金属放入含有锰、锌、铁的磷酸盐中进行化学处理，使其表面生成一层难溶于水的磷酸盐保护膜的方法，即为磷化处理（简称磷化）。 磷化膜厚度一般在1 ~ 50 μm 之间，呈多孔结构，表现出吸附、耐蚀、减摩等特性。 （一）钢铁的磷化处理 除油脱脂 酸洗 水洗 磷化 水洗 磷化后处理（如封闭处理） 水洗 干燥 主要应用：①防护用磷化膜； ②涂装用磷化膜 ；③冷加工润滑用磷化膜；④减摩用磷化膜 ；⑤电绝缘用磷化膜。 （二）有色金属磷化处理

25 三、磷化处理 P化应用： （1）柴油机铸铝活塞裙部外表面P化。 （2）活塞环用合金ZT，第一道环镀Cr，第二道环镀Sn或P化。
§13.3 化学转化膜技术 三、磷化处理 P化应用： （1）柴油机铸铝活塞裙部外表面P化。 （2）活塞环用合金ZT，第一道环镀Cr，第二道环镀Sn或P化。 （3）拉伸钢质零件，毛坯表面需镀Cu或P化，使毛坯表面形成一层隔离层，能储存润滑剂，具有自润性能。

26 四、铬酸盐处理 将金属或金属镀层放入含有某些添加剂的铬酸或铬酸盐溶液中， 通 铬酸盐膜的主要特性：
§13.3 化学转化膜技术 四、铬酸盐处理 将金属或金属镀层放入含有某些添加剂的铬酸或铬酸盐溶液中， 通 过化学或电化学的方法在金属表面生成以铬酸盐（三价铬或六价铬）为主 的膜的方法，有时也称钝化。 铬酸盐膜的主要特性： （1）对基体金属的保护作用 （2）表面装饰性

27 §13.4 表面涂敷技术 一、涂料与涂装 二、粘涂 三、热喷涂 四、热浸镀

28 一、涂料与涂装 （一）涂膜的作用 （二）涂料的组成与类型 涂料一般由四大部分组成：主要成膜物质（如油脂、各类合成树 脂）、颜料、溶剂、助剂。
§13.4 表面涂敷技术 一、涂料与涂装 （一）涂膜的作用 1. 保护作用 装饰作用 标志作用 特殊功能 （二）涂料的组成与类型 涂料一般由四大部分组成：主要成膜物质（如油脂、各类合成树 脂）、颜料、溶剂、助剂。 涂料的主要类型： 1. 普通涂料 水性涂料 粉末涂料 其它涂料 （三）涂装方法 1. 一般涂装方法 包括刷涂、淋涂、压缩空气喷涂、高压无空气喷涂等。 2. 静电涂装法 3. 电泳涂装法

29 二、粘涂 材料表面粘涂技术是粘接技术的一个分支，它是将特种功能的胶粘剂 粘涂的一般工艺过程：表面预处理（清洗、粗化、活化） 配胶
§13.4 表面涂敷技术 二、粘涂 材料表面粘涂技术是粘接技术的一个分支，它是将特种功能的胶粘剂 （通常是在胶粘剂中加入有机或无机填料，如二硫化钼、金属粉末、陶瓷 粉末和树脂粉末）直接涂敷于材料表面，使之具有耐磨、耐蚀、耐热、绝 缘、导电、导磁、防辐射等功能的一项新技术，主要用于零件的表面强化 与修复，也可使其获得某种特殊功能。 粘涂的一般工艺过程：表面预处理（清洗、粗化、活化） 配胶 涂敷（刮涂法、刷涂法、模压法等） 固化（室温或加热固化） 后处理（如清理、修整或表层机械切削、磨削加工）。

30 二、粘涂 表面粘涂技术的应用 1. 零件的减磨润滑
§13.4 表面涂敷技术 二、粘涂 表面粘涂技术的应用 1. 零件的减磨润滑 粘涂技术获得的涂层通常称为粘结固体润滑膜。在空间技术方面应用广泛。例如，人造卫星的天线驱动系统、太阳电池帆板机构、光学仪器的驱动机构和温控机构、星箭分离机构及卫星搭载机械等都使用了粘接固体润滑膜润滑。 此外，粘接固体润滑膜在高低温条件下的应用已经非常广泛，如火箭、飞机和汽车等的高温发动机的滑动件、汽缸、活塞环和飞机上的其它高温滑动件，以及远程炮的炮膛、金属热加工模具、原子核反应堆的有关部件和耐高温烧蚀螺丝等。

31 §13.4 表面涂敷技术 二、粘涂 表面粘涂技术的应用 2. 零件的防腐蚀 涂料涂覆于物面上能保护其不受环境的侵蚀，而且涂装施工方便，不必像搪瓷需大型烘炉、电镀需电镀槽等设备，也不必像阴极保护只限用于水下、地下浸没部位。 我国某油田埋地管线中，集油管线孔腐蚀速率为2.4mm/a（毫米/年）不断出现，在经济上造成的损失极大。安徽省化工研究所陈向普等开发了管道内壁粉末涂装设备和工艺，不仅防腐蚀，且可减少阻力，增加了流量，减少了维护费用。 为了减少腐蚀的损失，人们采取了许多措施，但迄今仍以有机涂层为最有效、最经济、应用普遍。

32 二、粘涂 表面粘涂技术的应用 3. 零件磨损的修复
§13.4 表面涂敷技术 二、粘涂 表面粘涂技术的应用 3. 零件磨损的修复 零件磨损后，可采用耐磨修补胶直接涂敷于磨损的表面，然后采用机械加工或打磨．使零件尺寸恢复到设计要求。该方法与传统的堆焊、热喷涂、电镀、电刷镀方法相比，具有可修复对温度敏感性强的金属零部件，和修复徐层厚度调节范围宽的特点。此外，还可进行零件划伤修补、零件的密封堵漏等。

33 二、粘涂 表面粘涂技术的应用 4. 铸造缺陷的修补
§13.4 表面涂敷技术 二、粘涂 表面粘涂技术的应用 4. 铸造缺陷的修补 铸造缺陷(气孔、缩孔)一直是耗费资金的大问题。采用表面粘涂技术修补铸造缺陷简便易行，省时省工且效果良好，修补后的颜色可保持与铸铁、铸钢、铸铝、铸铜一致。 天津塘沽阀门厂生产的一大批大型阀门（内径1.6m），内圈加工后发现有大量气孔，采用TG919导电胶填补气孔，再在表面刷镀镍，不仅达到了密封的目的，而且表面美观。

34 二、粘涂 表面粘涂技术的应用 5. 车身涂饰工艺 （1）涂3层体系
§13.4 表面涂敷技术 二、粘涂 表面粘涂技术的应用 5. 车身涂饰工艺 （1）涂3层体系 ①涂3层烘3层体系：基底漆涂层＋中间涂层＋面漆涂层，3层分别烘干，适于豪华轿车。 ②涂3层烘2层体系：涂层同上，第1层不烘干，涂中间涂层后一起烘干，采用“湿碰湿”工艺。适于普通车、大客车身、大货驾驶室。 （2）涂2层体系;基底漆涂层＋面漆涂层，无中间涂层，2层分别烘干，适于中、重型货车驾驶室。

35 三、热喷涂 热喷涂技术是利用各种热源，使各种固体喷涂材料加热到熔化或软化 状态，通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理的工件表面
§13.4 表面涂敷技术 三、热喷涂 热喷涂技术是利用各种热源，使各种固体喷涂材料加热到熔化或软化 状态，通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理的工件表面 而形成具有各种不同性能的涂层。 （一）涂层结构与结合机理 （二）热喷涂材料 （三）热喷涂工艺方法 1. 工艺过程：表面预处理（脱脂去油、除锈、表面粗化） 喷底层 （或过渡层） 喷工作层 后处理（如重熔、封闭等） 2. 热喷涂方法 ①火焰喷涂 ；②电弧喷涂 ； ③等离子喷涂 ； ④其它特种喷 涂方法，如爆炸喷涂、超音速喷涂、高频喷涂、激光喷涂等。

36 §13.4 表面涂敷技术 三、热喷涂

37 三、热喷涂 火焰喷射枪剖面图 §13.4 表面涂敷技术 1. 空气通道 2. 燃料气体 3. 氧气 4. 线材或棒材 5. 空气罩
§13.4 表面涂敷技术 1. 空气通道 2. 燃料气体 3. 氧气 4. 线材或棒材 5. 空气罩 6. 气体喷嘴 7. 燃烧气体 8. 熔融材料 9. 喷涂束流 火焰喷射枪剖面图 1 2 4 3 5 6 7 8 9

38 三、热喷涂 §13.4 表面涂敷技术

39 三、热喷涂 §13.4 表面涂敷技术 火焰喷涂喷枪 火焰喷涂 电弧喷涂 电弧喷涂原理图

40 三、热喷涂 （四）热喷涂技术的特点与应用 ①适应材料广，基材几乎不受限制 ； ②工艺灵活、各种形状尺寸的零件均可采用，特别适合于现场施工；
§13.4 表面涂敷技术 （四）热喷涂技术的特点与应用 1. 热喷涂特点 ①适应材料广，基材几乎不受限制 ； ②工艺灵活、各种形状尺寸的零件均可采用，特别适合于现场施工； ③除火焰喷涂外，喷涂过程母材受热温度低，即热喷涂实际上是“冷工艺”，涂层厚度从几十微米到几毫米可控，基体不变性、不变形 ； ④工艺简便，方法多样，生产效率高。 2. 应用

41 三、热喷涂 §13.4 表面涂敷技术

42 三、热喷涂 §13.4 表面涂敷技术

43 电弧喷涂应用实例 1. 电弧喷涂技术在舰船上的应用
§13.4 表面涂敷技术 电弧喷涂应用实例 1. 电弧喷涂技术在舰船上的应用 我国南海地区在高温、高湿、高盐雾的恶劣环境下舰船钢铁结构腐蚀严重，有的舰船中修换板率达50％以上。现有防腐措施难以解决舰船的防腐问题。全军装备维修表面工程研究中心开发研究了优质、高效、低成本、适于现场施工的电弧喷涂防腐的技术并取得了成功、解决了舰船钢结构防腐的重大难题。

44 §13.4 表面涂敷技术 电弧喷涂应用实例 2. 大功率发动机曲轴的修复 长江三峡的挖泥船在施工中由于润滑系统缺油而导致第三连杆轴颈严重拉伤，被迫停机。该发动机属于大马力中速柴油机，要求曲轴轴颈修复层具有良好的耐磨性，较高的结合强度和硬度，并能承受低冲击负荷和较高的抗疲劳性能。通过综合评估各种方案，采用电弧喷涂曲轴工艺修复后，该曲轴修好至今已正常工作三年，完好无损，该船现每天24小时连续工作，每小时挖泥720m3，己充分发挥了技术性能。如当时不修此轴而购买新轴，需用人民币120多万元，从订购到交货需三个月以上，其停产损失更为可观，而用电弧喷除技术修理该轴，各种费用总合3.5万元，不足曲轴价格的3％。

45 电弧喷涂应用实例 §13.4 表面涂敷技术 m3球罐喷涂修复 该罐用16MnR制作，壁厚24mm，贮存介质为含H2较高的液化石油气，使用5年后在焊接头区出现开裂。为此在焊缝及熔合区及热影响区喷涂铜合金。预处理先在焊缝及热影响区用砂轮打磨除锈，打磨宽度为150～170mm，用蘸丙酮的棉纱擦洗2～3次，用液化石油气火焰将喷涂部位预热到250～350℃。喷涂镍包铝复合粉末作为底层。最后喷涂铜合金工作层。喷涂宽度为120～150mm，，喷涂距离150～200mm。经过120天运行考核，未发现H2S应力腐蚀开裂，效果良好。

46 §13.4 表面涂敷技术 电弧喷涂应用实例 4. 气缸体的喷涂修复 气缸体用合金铸铁制作，其主轴承座孔常因磨损与拉伤而失效。处理前先将主轴承孔座进行整体加工，消除椭圆。用氧-乙炔焰将喷涂部位加热至300～350℃，烧掉其表面微孔和石墨中油污，先用三氯乙烯清洗干净，用石英砂进行表面粗化处理后再在座孔表面每隔2～3mm打一个三角形洋冲眼。在上、下半环栽植四只高度与涂层厚度一致的M3螺钉，以提高涂层与基体的结合力。喷涂前再用丙酮擦洗一次。用氧-乙炔焰将座孔预热到160～180℃。喷涂0.1mm厚的镍包铝底层。喷涂后座孔的耐磨性和润滑性好，使用寿命长，经济效益好。

47 三、热喷涂 §13.4 表面涂敷技术 热喷涂设备 喷涂合金层 热喷涂表面修复 热喷涂陶瓷 喷涂耐磨陶瓷

48 四、热浸镀 热浸镀是将金属（工件）浸在另一种低熔点的液态金属中，在工件表 面发生一系列的反应而产生所需的金属镀层，也称为热浸镀，在化学热处
§13.4 表面涂敷技术 热浸镀是将金属（工件）浸在另一种低熔点的液态金属中，在工件表 面发生一系列的反应而产生所需的金属镀层，也称为热浸镀，在化学热处 理中称为液体渗。热镀一般要求镀层金属的熔点要比被镀材料低得多，主 要用来提高金属构件的防护能力（耐蚀、耐热、抗高温氧化）。 （一）热浸镀材料 （二）热浸镀工艺方法 热浸镀基本过程：预处理、热浸镀和后处理。 按预处理不同可分为熔剂法和保护气还原法。

49 四、热浸镀 §13.4 表面涂敷技术 （三）热浸镀应用

50 四、热浸镀 §13.4 表面涂敷技术 （三）热浸镀应用 热镀Al主要是Fe2Al5、FeAl3；实际上大多是Fe2Al5，较脆，≯10μm—加Si（9.5％～10.5％）等，抑制其增厚。 ①纯Al镀层—Ⅱ型，但高温易剥落； ②加10％Si—Ⅰ型，＞700℃高温不易剥落。 镀Al钢材耐大气腐蚀，比热镀Zn好得多，应用在汽车、摩托车的消音器、排气管。热镀Al钢具有良好的抗高温氧化性

51 四、热浸镀 （三）热浸镀应用 热镀Sn钢板（马口铁）：制罐—罐头盒。 现用电镀Sn板代替热镀Sn板。
§13.4 表面涂敷技术 （三）热浸镀应用 热镀Sn钢板（马口铁）：制罐—罐头盒。 现用电镀Sn板代替热镀Sn板。 但热镀Sn板用于电器、无线电、酒精、燃料油箱以及线材镀Sn等 热镀Pb-Sn 热镀Pb可防腐（耐化学药品、耐石油），但熔融Pb不浸润钢材，加Sn→热镀Pb板实质是热镀Pb-Sn板， 即FeSn2中间层，Pb表面层→后处理：磷酸盐。 封闭针孔，用于屋顶板、落水管等、化学药品贮槽、电解槽。

52 §13.5 气相沉积技术 PVD技术：可获得金属涂层和化合物涂层。 ◆在高速钢表面涂敷TiN、TiC薄膜, 提高刃具的耐磨性；
§ 气相沉积技术 气相沉积是将含有形成沉积元素的气相物质，通过各种手段和反应，在工件表面形成沉积层（薄膜）的工艺方法。 一、物理气相沉积（Physical Vapor Deposition ，PVD） PVD技术：可获得金属涂层和化合物涂层。 ◆在高速钢表面涂敷TiN、TiC薄膜, 提高刃具的耐磨性； ◆在塑料带上涂敷铁钴镍膜，制作磁带； ◆在黄铜表面涂敷金膜，用于装饰。 在耐热合金表面沉积蜂窝状ZrO2复合涂层，起着隔热作用，使耐热合金叶片的温度比燃气温度低150℃以上，从而研制出燃烧室温度更高的燃气轮机，促成航空发动机的更新换代。

53 采用多弧离子镀在高速钢钻头表面得到TiN、TiAlN涂层，提高钻头耐磨性。
一、物理气相沉积 §13.5 气相沉积技术 用PVD法镀层与界面结合的牢固性好，又称“离子渗镀”、“离子镀”。 采用多弧离子镀在合金铸铁表面得到CrN/TiN/CrN多层纳米膜，结合力高，耐磨性好。厚度为3μm～3.2μm，显微硬度为1600～1800HV。 多层纳米膜 采用多弧离子镀在高速钢钻头表面得到TiN、TiAlN涂层，提高钻头耐磨性。 镀硬质膜高速钢钻头

54 一、物理气相沉积 §13.5 气相沉积技术 例1：普通高速钢制造的冷挤压凸模和冷镦机的冲头，通过多次调整淬火和回火工艺，使其寿命提高了近10倍；经过铁素体氮碳共渗处理，寿命又提高了近10倍；其后添加离子镀处理，寿命又提高了好几倍。 经过几次工艺的改进，寿命比20年前提高了几百倍，而所用的材料依然是普通高速钢。

55 一、物理气相沉积 §13.5 气相沉积技术 例2：冷镦机的生产率现在已达600件/分，相比于20几年前60件/分提高了10倍，其实冷镦机并不复杂，在当年设计制造600件/分的冷镦机亦非难事，问题倒在于那个小小的六角冲头，它当时寿命低于2万件，在这种情况下，提高冷镦机的速度毫无意义。因为标准件是一种批量极大的产品，通常要求每个冲头寿命都要超过一个班，否则很难进行生产管理。上世纪80年代初通过热处理工艺的改进，使冲头的寿命提高到5万件以上，才有100件/分的冷镦机面世。上世纪90年代用气相沉积TiN的方法进行六角冲头的表面改性处理，使其寿命提高到35万件以上。

56 一、物理气相沉积 §13.5 气相沉积技术

57 二、化学气相沉积 二、化学气相沉积（ Chemical Vapor Deposition，CVD） CVD技术的应用
§13.5 气相沉积技术 二、化学气相沉积（ Chemical Vapor Deposition，CVD） 利用气态化合物或化合物的混合物在基体材料表面(通常为热表面)上发 生气相化学反应，从而在基材表面上形成镀膜的技术称为化学气相沉积。 CVD技术的应用 （1） CVD镀层已成功地应用在模具、轴承及精密齿轮的表面强化，取得明显的效果。 （2）在不锈钢表壳上获得金黄色TiN涂层, 不但美观, 而且耐磨。 （3）在钻头、车刀等刀具表面沉积TiN、TiC ，提高刀具的耐磨性。 高速钢CVD后要其它处理（淬火、回火、真空处理），否则涂层会脱落，而硬质合金不会。

58 二、化学气相沉积 §13.5 气相沉积技术 TiC硬度最高，TiN耐蚀性、Al2O3抗氧化性、（CrFe）C的耐热性相对较好。

59 四、气相沉积的应用 1. 耐磨膜： TiC硬度高，但韧性差；TiN硬度稍低，但韧性好； Ti（C、N）——调节C/N，得到最佳性能组合。
§13.5 气相沉积技术 1. 耐磨膜： TiC硬度高，但韧性差；TiN硬度稍低，但韧性好； Ti（C、N）——调节C/N，得到最佳性能组合。 ①沉积TiN高速钢刀具，如在Z2063钻床上加工Q235钢Ф63孔，原为钻、 扩铰，改为钻，表面粗糙度提高一级，刀具寿命提高5～6倍。 ②沉积TiN硬质合金刀具。 ③沉积超硬膜于成型加工模具，如沉积TiC冲头的使用寿命可提高4～10倍。 ④纺织工业中与纤维摩擦件，沉积TiC后其摩擦系数比镀硬Cr降低一半，使用寿命延长6倍。 2. 润滑膜（减磨膜）：MoS2、Au、Ag……，如离子镀沉积Au、Ag等软金属膜可减摩。 3. 防蚀膜：如气相沉积Al、Cr等可防腐。

60 四、气相沉积的应用 搪瓷涂层主要是玻璃相（非晶态）组成，称上釉，而在玻璃相中镶填了大量的晶体相。 金银等贵金属搪瓷，又称珐琅。
§13.5 气相沉积技术 搪瓷涂层主要是玻璃相（非晶态）组成，称上釉，而在玻璃相中镶填了大量的晶体相。 金银等贵金属搪瓷，又称珐琅。 ①耐磨搪瓷：水轮机叶片、船舶推进器等； ②耐蚀搪瓷：化学反应锅、反应管、反应塔等； ③耐热搪瓷：汽车、火车排气管、火箭高温涂层。

61 四、气相沉积的应用 模具CVD/PVD涂层 PVD涂层 CVD TiN涂层 §13.5 气相沉积技术 CVD金刚石刀具
§13.5 气相沉积技术 模具CVD/PVD涂层 PVD涂层 CVD TiN涂层 CVD金刚石刀具 商品刀具离子镀选TiN，不选TiC（其硬），是因为TiN的色泽与粗糙度方面的优势。

62 一、激光束表面技术 （1）激光淬火（激光相变硬化）
§13.6 高能束表面技术简介 （1）激光淬火（激光相变硬化） 以高能量的激光束快速扫描工件，使材料局部小区域内表面极薄一层快速吸收能量而使温度急剧上升（升温速度可达104～106℃/s），此时工件基体仍处于冷态，激光离去后，局部区域内的热量迅速传递到工件其它部位，冷却速度可达105℃/s以上，使该局部区域在瞬间进行自冷淬火，材料表面发生相变硬化。     汽车缸套内壁进行激光表面淬火, 内壁获得4.1mm～4.5mm宽、0.3mm～0.4mm深、表面硬度644 ～825 HV的螺纹状淬火带, 使用寿命比电火花强化缸套提高一倍。 激光表面淬火技术也应用于汽车发动机凸轮轴、曲轴、空调机阀板、邮票打孔机辊筒等零件的表面强化处理，显著提高了它们的使用寿命。

63 一、激光束表面技术 激光淬火的特点： ①淬硬层组织细化，硬度比常规淬火提高15-20; ②淬硬层深度可精确控制，且工件变形小;
§13.6 高能束表面技术简介 激光淬火的特点： ①淬硬层组织细化，硬度比常规淬火提高15-20; ②淬硬层深度可精确控制，且工件变形小; ③对于槽壁、小孔、盲口、深口以及腔筒内壁等特殊部位，只要激光能照射到的部位均可进行处理; ④可进行大型零件局部表面的硬化及形状复杂零件的硬化处理; ⑤加热速度极快，工艺周期短，生产效率高，工艺过程易实现计算机控制，自动化程度高; ⑥可实现自冷淬火，不需要油或水等淬火介质。 适用于固态发生相变的材料，其中以调质碳钢、铸铁激光淬火效果最佳。

64 一、激光束表面技术 §13.6 高能束表面技术简介

65 一、激光束表面技术 （2）激光表面合金化 激光表面合金化是指在高能激光束作用下，将一种或多种合金元素与
§13.6 高能束表面技术简介 （2）激光表面合金化 激光表面合金化是指在高能激光束作用下，将一种或多种合金元素与 基材表面快速熔凝，使材料表层获得具有预定的高合金特性的技术。 铸铁大型轧辊的激光合金化

66 一、激光束表面技术 （3）激光表面熔覆 激光表面熔覆是指利用激光加热基材表面以形成一个较浅的熔池，同
§13.6 高能束表面技术简介 （3）激光表面熔覆 激光表面熔覆是指利用激光加热基材表面以形成一个较浅的熔池，同 时送入预定成份的合金粉末一起熔化后迅速凝固、或者是将预先涂敷在基 材表面的涂层与基材一起熔化后迅速凝固，以得到一层新的熔覆层。 采用激光熔覆技术，在柴油机铸铁阀座的内衬（不锈钢制造）表面熔覆 Co基硬质合金涂层, 在刀具和石油钻头表面熔覆WC层, 使耐磨性大大提高。

67 一、激光束表面技术 激光表面熔覆的特点： （1）可以通过混合不同成分的涂层材料进行成分设计，得到均匀致密的冶金结合涂层;
§13.6 高能束表面技术简介 激光表面熔覆的特点： （1）可以通过混合不同成分的涂层材料进行成分设计，得到均匀致密的冶金结合涂层; （2）涂层的稀释度可以降至最低，从而得到所设计的表面性能; （3）激光加热和冷却速度极快，易获得涂层组织结构的改善; （4）局部表面区域的快速熔覆对基体的热影响甚微。易实现选区涂层； （5）涂层厚度可控，可完成工件的修复处理，工艺过程易实现自动化。

68 一、激光束表面技术 §13.6 高能束表面技术简介 不锈钢辊颈的激光熔覆 大型曲轴的激光熔覆 铝合金活塞的激光熔覆

69 一、激光束表面技术 §13.6 高能束表面技术简介 汽轮机叶片的激光熔覆 汽轮机叶片及转子的激光熔覆 大型轧辊的激光熔覆
§13.6 高能束表面技术简介 汽轮机叶片的激光熔覆 汽轮机叶片及转子的激光熔覆 大型轧辊的激光熔覆 电机转子轴颈的激光熔覆修复

70 一、激光束表面技术 （4）激光熔凝 激光束功率密度高达（104～105 W/cm2)在金属表面迅速扫描时，激
§13.6 高能束表面技术简介 （4）激光熔凝 激光束功率密度高达（104～105 W/cm2)在金属表面迅速扫描时，激 光束使厚度为1～10 mm的金属表层快速熔化，表层与基体间形成很大的 温度梯度。激光移去后，表层的冷却速度高达105 ℃/s，熔化层凝固后形 成极细或超细的晶粒，甚至形成非晶层。 主要适用于铸铁材料及不能发生固态相变的材料。

71 一、激光束表面技术 §13.6 高能束表面技术简介 激光熔凝产品

72 二、离子注入技术 §13.6 高能束表面技术简介 激光熔凝的应用范围： 　（1）提高耐磨性能：氮离子注入的钛合金人造骨，磨损可降低三个数量级，使用寿命提高100倍 ；硬质合金制造的拉丝模具、工具钢制造的塑料挤压模具、切纸刀和橡胶切刀、钻头、冲头等，通过离子注入都可以使使用寿命提高几倍到十几倍。 　 （2）提高耐蚀性能：在钢表面离子注入一层铬，可以得到与铬合金相当的耐蚀性能。 　（3）提高抗氧化性能：对一些金属，如钛、锆、铬、镍和铜等，离子注入钇、铯、铝等抗氧化元素可以使其表面氧化速率降低十倍之多。

73 电子束表面改性的特点: 三、电子束表面技术 （1）快速加热淬火可以得到超微细组织，提高材料的强韧性;
§13.6 高能束表面技术简介 电子束表面改性的特点: （1）快速加热淬火可以得到超微细组织，提高材料的强韧性; （2）处理过程在真空中进行，减少了氧化等影响，可以获得纯净的表面强化 层; （3）能进行快速表面合金化，在极短时间内取得热处理几小时甚至几十小时 的渗层效果; （4）电子束的能量利用率较高，可以对材料进行局部处理，是一种节能型的 表面强化手段; （5）表面淬火是自行冷却，无需冷却介质和设备; （6）能对复杂零件的表面进行处理，用途广泛; （7）电子束功率参数可控，因此，可以控制材料表面改性的位置、深度和性 能指标。

74 304不锈钢电加热器耐热防腐层制备及技术 立项意义 电加热器主要用材为304不锈钢，在较低温度下耐热、耐腐蚀性能很好；但在更高的温度下（大于500℃）高温氧化严重，会在晶界析出碳化铬，引起晶间腐蚀，致使产品报废。为提高其高温抗氧化性，通常要增加钢中Cr含量，从而不得不增加奥氏体稳定化元素Ni的含量----贵！！！ 电镀Ni＋高温扩散复合处理

75 左边是304不锈钢经高温扩散处理后表面已发黑，
304不锈钢电加热器耐热防腐层制备及技术 左边是304不锈钢经高温扩散处理后表面已发黑， 右边是304不锈钢管经电镀Ni＋高温扩散复合处理后表面光亮，说明Ni扩散层有极好的抗高温氧化性能。

76 304不锈钢电加热器耐热防腐层制备及技术 氧化增重曲线

77 关键技术、创新点：将结合力薄弱的电镀Ni层转化为具有高结合力且Ni浓度梯度分布合理、能满足大规模生产的Ni扩散层。
304不锈钢电加热器耐热防腐层制备及技术 奥氏体不锈钢耐热防腐电加热器产品 关键技术、创新点：将结合力薄弱的电镀Ni层转化为具有高结合力且Ni浓度梯度分布合理、能满足大规模生产的Ni扩散层。

78 下料（管材）→电镀① →装电阻丝→填粉② → 高温处理③ →缩管→加工→退火④ →弯管成型
304不锈钢电加热器耐热防腐层制备及技术 例：奥氏体不锈钢电加热器生产流程 下料（管材）→电镀① →装电阻丝→填粉② → 高温处理③ →缩管→加工→退火④ →弯管成型 分析： ① 电镀：镀Ni，因304不锈钢在较低温度时耐热、耐腐蚀性 好，在大于500℃时高温氧化严重，故镀Ni； ② 填粉：绝缘导热粉，起绝缘、导热作用； ③ 高温处理：一是基体固溶处理，得到单一均匀A，快冷后 避免了晶界析出碳化物，提高了耐蚀性能；二是高温下Ni 扩散，镀层增厚，镀层与基体有明显锯齿状结合，且Ni浓 度梯度分布合理，提高抗高温氧化性能。外观光亮美观。 ④ 退火：去应力退火，去除冷加工后的内应力，防止产生应 力腐蚀。