1、12材料与材料科学材料与材料科学目录目录绪论绪论课程简介课程简介教材与参考资料教材与参考资料教学目的教学目的3课程简介课程简介 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
2、； 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教学事项教学事项特点特点: : 内容多、叙述多、学时少。内容多、叙述多、学时少。环节：环节：教材教材 讲课讲课 作业作业 复习复习 辅导辅导 考核考核学习方法：学习方法：1.1. 着重理解教学内容，尽量避免死记硬背；着重理解教学内容，尽量避免死记硬背；2.2. 内容多，每章要及时跟上消化；内容多，每章要及时跟上消化；3.3. 利用多媒体帮助加深理解；利用多媒体帮助加深理解；考试方式：闭卷统考。考试方式：闭卷统考。6材料：材料：是指经过某
3、种加工，具有一定结构、成分和性是指经过某种加工，具有一定结构、成分和性能，并可应用于一定用途的物质。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一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为“原原料料”，把经过工业加工的原料成为，把经过工业加工的原料成为“材料材料”。7材料是人类生产和生活材料是人类生产和生活所必须的物质基础。所必须的物质基础。手手锤锤锉刀锉刀“神舟神舟”四号飞船成功返四号飞船成功返回回国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机8材料科学材料科学是一个是一个跨物理、化学等跨物理、化学等的学科。材料科的学科。材料科学的核心问题是学的核心问题是材料的成分材料
4、的成分（Composition）、）、组织结构组织结构（Structure）、）、工艺（工艺（Processing Technology）和）和性能（性能（Property）以及它们之间的以及它们之间的关系。右图为材关系。右图为材料科学与工程四料科学与工程四要素。要素。9第一章第一章 绪论绪论表面工程技术的定义定义：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目的表面工程技术的主要目的目的： 就是在于
5、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
6、高材料及其零部件使用的可靠性，延长服役寿命。122. 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表面工程技术的重要性133. 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
7、，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表面工程技术的重要性144. 表面技术是再制造工程不可缺少的手段再制造工程再制造工程：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
8、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表面工程技术的重要性155. 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表面工程技术的重要性1
9、6改善或赋予表面各种性能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
10、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表面工程技术的作用17表面工程技术的分类表面工程技术的分类一、电化学方法一、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、化学方法二、化学方法 （一）化学转化
11、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
12、喷涂电泳 18按学科特点：按学科特点： 1 1）表面合金化技术）表面合金化技术 u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。加材料的表面新材料。喷焊、堆焊、离子注入、激光熔覆、热渗镀。喷焊、堆焊、离子注入、激光熔覆、热渗镀。 2 2）表面覆盖和覆膜技术）表面覆盖和覆膜技术3）表面组织转化）表面组织转化u不改变基材的成分，利用外加涂层或镀不改变基材的成分，利用外加涂层或镀层的性能使基材表面性能优化。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、热喷镀、电镀、化学转化处理、化学镀、气
13、相沉积、涂装、金属染色。金属染色。u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。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。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表面工程技术的分类20基于技术特点的分类基于技术特点的分类2122 金属材料层；金属材料层； 陶瓷材料层；陶瓷材料层； 高分子材料层高
14、分子材料层 复合材料层复合材料层基于材料的分类基于材料的分类23表面工程技术发展概况表面工程技术发展概况2424“承旋承旋”，酒器，东汉建武年，酒器，东汉建武年间，现藏于北京故宫博物院间，现藏于北京故宫博物院兽形盒砚，东汉制，出土于兽形盒砚，东汉制，出土于19801980年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬品，由石砚、盒身、盒盖三部分品，由石砚、盒身、盒盖三部分组成组成 中国古代的鎏金工艺中国古代的鎏金工艺 表面工程技术源远流长表面工程技术源远流长25春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜兵器 （ 出土于湖北江陵楚墓出土于湖北江陵楚墓 ）长长55.7厘米厘米 剑锷锋芒犀利剑锷
15、锋芒犀利 锋能割断头发锋能割断头发 26越王勾践27春秋战国时代的春秋战国时代的青铜剑，剑身及青铜剑，剑身及剑锋由不同成分剑锋由不同成分的青铜组成，是的青铜组成，是复合材料很好的复合材料很好的例子例子梯度材料古已有之梯度材料古已有之这是古代剑刃截面图这是古代剑刃截面图28日本刀的覆土烧刃日本刀的覆土烧刃 世界三大名刃之一世界三大名刃之一表面工程技术源远流长表面工程技术源远流长291. 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
16、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表面工程技术发展概况3020世纪70年代开始使用激光和电子束进行表面淬火。激光和电子束加热，由于能量集中，加热层薄，靠自激冷却，因而淬火变形很小，无需淬火介质，有利于环境保护，便于实现自动化。激光、电子束用于表面加热后，使表面强化技术超出热处理范畴，可以通过熔化-结晶过程，熔融合金化-结晶过程，熔化-非晶态过程，使硬化层的结构与性能发生很大变化。激光和电子束表面淬火表面工程技术发展概况表面工程技术发展概况31PVD技术由最初的真空蒸镀，到1963年的离子镀技术的
17、应用，70年代末由于磁控溅射的出现，使溅射技术有了新的突破。磁控溅射得到迅速的推广应用。在环境保护方面，磁控溅射优于一些湿法电镀工艺。物理气相沉积表面工程技术发展概况表面工程技术发展概况32CVD技术用于金属表面硬化，始于20世纪50年代初，最早的应用是在钢上涂覆TiC，后来沉积在模具钢和高速钢上。由于CVD技术的化学反应温度过高，而使其应用范围受到了限制。后来相继开发了MTCVD法(中温化学气相沉积)、PCVD法(等离子体增强化学气相沉积)、LCVD法(激光化学气相沉积)等技术。化学气相沉积表面工程技术发展概况表面工程技术发展概况33 1983年年 表面工程的概念被首次提出表面工程的概念被首
18、次提出 1986年年 国际热处理联合会更名为国际热处理与国际热处理联合会更名为国际热处理与 表面工程联合会表面工程联合会 1987年年 中国机械工程学会表面工程研究所成立中国机械工程学会表面工程研究所成立 1988年年 表面工程表面工程杂志创刊，后更名为杂志创刊，后更名为中中国表面工程国表面工程 2000年年 全国焊接学会原全国焊接学会原“堆焊与热喷涂专业委堆焊与热喷涂专业委员会员会”正式更名为正式更名为“堆焊及表面工程专业委员堆焊及表面工程专业委员会会”。表面工程形成一门独立的学科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新兴的边缘学科材料表面工程是一门
19、很新的边缘学科，它不但涉及到诸如表面物理学表面物理学表面化学表面化学金属学金属学陶瓷、陶瓷、高分子学高分子学传热学传热学传质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第三章第三章 热喷涂技术热喷涂技术 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TiC37第一节第一节 热喷涂的原理及分类热喷涂的原理及分类1.1 热喷涂的基本原理一、基本过程1.加热、加速、熔化（颗粒状）2.雾化（10-100 m ），再加速-形成高速粒子流。3.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
20、。38涂层的形成涂层的形成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
21、中间过渡层！总之，热喷涂涂层结合力，但工艺简单。401.2 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1.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。412.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3.多孔疏松
22、 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1.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问题火焰等离子电弧爆炸超音速T300016000 7400 5000 2900 v50-200m/s350m/s200m/s720m/s986m/sS近距中距远距T加热不充分，T100mm左右T、v最高远离热源，冷却，Tv加速不充分，v空气阻力， v432. 喷涂材料的影响 材料成分-
23、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。MaterialsZrO2TiCTiNTaCDr, cm2/s0.0050.040.070.09Dmax, m 267296110441.3 热喷涂技术的特点1.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
24、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。2.基体温度低：基材温度一般在30200之间，因此变形小。3.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。4.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。5.喷涂效率高、成本低：生产效率为每小时数公斤到数十公斤。6.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。451.4 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
25、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 表面预处理表面粗化预热喷涂封孔46热喷涂基体表面预处理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。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
26、层、焊接熔粒，以及对表面的粗化物、锈、氧化皮、旧涂层、焊接熔粒，以及对表面的粗化处理。处理。 喷砂、车螺纹、滚花和电拉毛。喷砂、车螺纹、滚花和电拉毛。 47涂层后处理和涂层后处理和后加工后加工 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。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有以下3类：（类：（1）添加碳化钽、碳化铌的超细晶粒硬质合）添加碳化钽、碳化铌的超细晶粒硬质合金；（金；（2）陶瓷刀具材料；（）陶瓷刀具材料；（3）立方氮化硼（）立方氮化硼（CBN）。）
27、。 热喷涂涂层的精加工通常采用磨削方法，因为它可以获得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。更高的精度与更好的表面粗糙度。 48第二节第二节 典型热喷涂简介典型热喷涂简介常用热喷涂的工艺分类 线 材 火 焰 喷 涂粉 末 火 焰 喷 涂超 音 速 火 焰 喷 涂火 焰 喷 涂爆 炸 喷 涂燃 烧 法电 弧 喷 涂大 气 等 离 子 喷 涂 低 压 等 离 子 喷 涂 感 应 等 离 子 喷 涂 水 稳 等 离 子 喷 涂等 离 子 喷 涂电 加 热 法热 喷 涂 工 艺492.1 火焰喷涂火焰喷涂 火焰喷涂的基本原理是通过乙炔、氧气喷嘴出口火焰喷涂的基
28、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。可以用丙烷、氢气或天然气等。粉末火焰喷涂的原理示意图501.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火焰喷涂特点51常用的火焰喷涂涂层及作用常用的火焰喷涂涂层及作用涂层涂层应用应用锌、铝锌、铝钢结
29、构的防腐涂层钢结构的防腐涂层镍镍/铝铝粘结底层粘结底层钼钼粘结底层，优异的抗粘着磨损性能粘结底层，优异的抗粘着磨损性能高铬钢高铬钢耐磨保护涂层耐磨保护涂层青铜，巴氏合金青铜，巴氏合金轴承修复轴承修复不锈钢、镍、塑料不锈钢、镍、塑料耐腐蚀涂层耐腐蚀涂层铝、镍铝、镍/铝铝抗热氧化涂层抗热氧化涂层522.2 2.2 等离子喷涂等离子喷涂 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，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高速撞击工件表面，并
30、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532.2 2.2 等离子喷涂等离子喷涂原理：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孔道喷出
31、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。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：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，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涂层的密度可达理论密度的 8598%，真空喷涂可达，真空喷涂可达9599.5%，结合强度也很高，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
32、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火焰喷涂火焰喷涂( (左左) )和大气等离子喷涂和大气等离子喷涂( (右右)Ni80Cr20)Ni80Cr20涂层的金相组织涂层的金相组织 562.3 2.3 电弧喷涂电弧喷涂(Arc Spray)(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，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
33、间产生电弧，将部短接的瞬间，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；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
34、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。 582.4 2.4 爆炸喷涂爆炸喷涂原理：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：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：缺点：喷涂效率非常低，运行成本相对较高 。 592.5 2.5 超音速喷
35、涂超音速喷涂(High Velocity Oxygen Fuel(High Velocity Oxygen Fuel，简称，简称HVOF)HVOF) 原理：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
36、喷涂枪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常用热喷涂技术的工艺特性 比较项目比较项目火焰喷涂火焰喷涂电弧喷涂电弧喷涂等离子喷涂等离子喷涂爆炸喷涂爆炸喷涂超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂热热 源源O2+C2H4电弧加热电弧加热电弧产生高温电弧产生高温低压等离子体低压等离子体O2+C2H2煤油、乙烯、丙煤油、乙烯、丙烯、氢气烯、氢气焰流温度焰流温度(oC)850200020,00020,000未知未知14002500焰流速度焰流速度(m/s)5010030500200120080012003001200颗粒速度颗粒速度(m/s)2080203
37、00308008001001000热效率热效率6080%90%3555%未知未知5070%沉积效率沉积效率5080%7090%5080%未知未知7090%喷涂材料形态喷涂材料形态粉末粉末,线材线材线材线材粉末粉末粉末粉末粉末粉末结合强度结合强度(Mpa)710358570最小孔隙率最小孔隙率12%10%2%0.1%2300锌铁合金锌铁合金含铁 0.20.7% 的锌铁合金镀层的耐蚀性比纯锌镀层有较大提高。锌镍铁合金锌镍铁合金含镍 610% ，铁25% 的锌镍铁合金镀层是一种耐蚀的白色装饰性镀层。107镍镍合金合金镍铁合金镍铁合金镍铁合金镀层含铁在 40% 以下，耐蚀性和光亮镍层相当，硬度高于镍镀
38、层，韧性比光亮镍镀层好，用于代替镀镍，以降低成本。镍钴合金镍钴合金含钴 15% 以下的主要用于装饰，如手表零件；含钴在30% 以上的为磁性镀层，广泛用于计算机磁鼓和磁盘（铝基），满足重量轻、体积小、存储密度大的要求。108镀层金属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耐磨耐磨镀层镀层硬度高，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：例： Ni-Si
39、C( 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 镀层镀层还用于制造钻磨工具。110减摩减摩镀层镀层摩擦系数很低，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：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
40、/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耐蚀耐蚀镀层镀层耐蚀性大大提高。 封闭镍是一个典型的例子。（见下一节中的“镀镍”一段）。 含铝粉10 %(wt)的复合锌镀层，中性盐雾试验表明耐蚀性为纯锌镀层的6.2倍。分散强化分散强化合金镀层合金镀层由金属基体和金属微粒组成的复合镀层，进行热处理，可形成新的合金镀层。如：电镀Fe-Ni与 Cr微粒组成的复合镀层，再经热处理，可获得铬镍不锈钢镀层。112电解液单盐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络盐电解液被镀金属以络离子形式存在于电解液中主盐主盐有如下几种 硫酸盐，如ZnSO4溶液镀锌
41、 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单盐电解液单盐电解液优点优点 成分简单，成本较低； 阴极电流效率很高； 废水处理方便；
42、 可以使用较大的阴极电流密度。问题和对策问题和对策 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
43、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。络盐电解液络盐电解液性能比较性能比较114主盐浓度的影主盐浓度的影响响增加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。单盐电解液单盐电解液减小主盐浓度的
44、影响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。络盐电解液络盐电解液115附加盐的作用附加盐的作用 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。对此作用的解释是：由于金属离子（如上面所说的Na+离子）的存在及向阴极的迁移，
45、使阴极附近放电金属离子的浓度降低。 扩大阴极电流密度范围 如：焦磷酸盐镀铜电解液中加入的硝酸盐(起作用的是NO3-) 促进阳极溶解 如：普通镀镍电解液（主盐为NiSO4）中加入NaCl可以防止镍阳极钝化。 防止金属盐水解 如：酸性镀铜电解液中加入硫酸，防止CuSO4 水解生成Cu2O 。 缓冲作用 如：普通镀镍电解液，氯化钾镀锌电解液中都要加入硼酸以维持pH值在正常操作范围。116添加剂的作用添加剂的作用 光亮剂 能使镀层光亮，如镀光亮镍电解液中的糖精，丁炔二醇。 整平剂 能减小镀层微观不平，如镀镍电解液中的香豆素。 润湿剂 能减少镀层孔隙，如镀镍电解液中的十二烷基硫酸钠。 应力消减剂 能降低
46、镀层内应力，如镀光亮镍电解液中的糖精。 晶粒细化剂 能使镀层结晶细致，如碱性锌酸盐镀锌电解液中的DE，DPE 添加剂。注意：注意： 添加剂的作用有选择性，同一种添加剂，在一种镀液中可能很有效， 而在另一种镀液中却可能起坏的作用。 添加剂也可能会产生不利的影响(夹在镀层中)。 在电镀过程中对添加剂的选择和用量要严格控制，使用组合添加剂 时要使各组分配比适当。117特种工艺118高速电镀镀层沉积速度比普通电镀高数倍到数百倍。普通电镀的沉积速度最大为 1微米/分，高速电镀可达到几十微米/分，因此可以大大提高生产率。提高电镀速度的途径提高电镀速度的途径欲提高沉积速度必须增大阴极电流密度ic，但 ic的
47、提高受极限电流密度 id 的限制。所以要提高 ic，必须使 id增大。 (1) 使用扩散系数D 较大的盐类 (2) 增大金属离子浓度 (3) 升高温度 (4) 电解液和阴极高速相对运动 如电解液流动，强制搅拌，阴极移动等，使扩散层厚度减小，从 而增大 id (5) 使用高频间歇电流（脉冲电镀） 不过此法对高速电镀并无实用意义，主要用于改善镀层质量。bdnFDCi 上述各条途径中，以上述各条途径中，以“高速相对运动高速相对运动”最为有效。最为有效。119实现高速电镀的方法实现高速电镀的方法阴极表面电解液强制流动在电解液中移动阴极在电解液中摩擦电极表面平行流动法平行流动法喷流法喷流法电极振动法电极
48、振动法电极高速旋转法电极高速旋转法120平行流动法平行流动法阴极和阳极之间保持一定的狭窄间距，电解液从狭缝中高速流过。如UHE法（超高速电沉积法）要求流速 8英尺/秒，有时采用20英尺/秒。使用一般镀液即可。 制制造造金金属属箔箔的的装装置置金属箔 镀液阴极阳极在不锈钢或镀铬滚筒上电镀铜，镍，锌等。镀后将其一端剥离，得到50100微米厚的金属箔。该装置使用的ic 可达150450A/dm2 。沉积速度达 25100微米/分。 平行流动法要求阴极和阳极间距小，而且均等，故只适用于圆筒内外表面，平板等简单形状；复杂形状部件不能用。为了保持阴极和阳极间距不变，需使用不溶性阳极，而在镀液返回镀槽后进行
49、调整。121实现高速电镀的方法实现高速电镀的方法阴极表面电解液强制流动在电解液中移动阴极在电解液中摩擦电极表面平行流动法平行流动法喷流法喷流法电极振动法电极振动法电极高速旋转法电极高速旋转法122喷流法喷流法 将电解液通过喷嘴连续喷注到阴极表面进行电镀。此法可获得局部高电流密度，因而适用于局部电镀，如印刷电路底板接触头或半导体器件的焊接点。阴极被镀件掩蔽物喷嘴(阳极)镀箱电解液B B型管座高速局部镀金装置示意型管座高速局部镀金装置示意123实现高速电镀的方法实现高速电镀的方法阴极表面电解液强制流动在电解液中移动阴极在电解液中摩擦电极表面平行流动法平行流动法喷流法喷流法电极振动法电极振动法电极高
50、速旋转法电极高速旋转法124电极振动法电极振动法使镀件在电解液中振动，振幅数毫米到数十毫米，频率数赫兹到数百赫兹。此法比空气搅拌能更有效地提高 id。 电极振动法已用于圆棒零件镀镍，使用氯化镍镀液，温度70，阴极电流密度可达100A/dm2。电极高速旋转法电极高速旋转法 圆板、圆筒这类简单而且轴对称的工件，可以使其高速旋转来造成相对运动。125实现高速电镀的方法实现高速电镀的方法阴极表面电解液强制流动在电解液中移动阴极在电解液中摩擦电极表面平行流动法平行流动法喷流法喷流法电极振动法电极振动法电极高速旋转法电极高速旋转法126在电解液中摩擦电极表面在电解液中摩擦电极表面 在电解液中，用固定绝缘粒
