材料表面技术.pptx

第十三章 材料表面技术
第一节 概 述 第二节 电镀和化学镀 第三节 化学转化膜技术 第四节 表面涂敷技术 第五节 气相沉积技术 第六节 高能束表面技术简介
第一节 概 述
一、材料表面技术的目的与作用
（一）提高材料的表面损伤失效（或从表面开始的 磨损和腐蚀是最重要的表面损伤失效形式，据统
计，因磨损、腐蚀失效造成的经济损失分别可达国民 经济总产值的1%～2%和4%～5%。绝大多数疲劳断裂也 主要是从表面开始而逐渐向内部发展的。由于磨损、 腐蚀和疲劳断裂是产品（零件）的最主要失效形式， 而它们又主要是发生在材料表面或开始于材料表面， 因此，通过表面技术，提高材料表面的耐磨性、耐蚀 性和抗疲劳性能，可有效地保护或强化零件表面，防 止失效现象。
材料表面技术的应用
结构材料主要用来制造各类结构零件及工具， 它以力学性能为主，同时在许多场合还兼有某些物 理或化学性能要求（如耐蚀性、耐热性等）。表面 技术在此方面主要起着耐磨、耐蚀、强化、修复加 工及装饰等作用。如在钢件上喷涂一层Zn85Al15合 金，可使其在海水中耐蚀20～40年；在刀具上沉积 一层超硬TiN薄膜，可提高其工作寿命几倍乃至几十 倍；大功率曲轴的轴颈磨损后可通过热喷涂或堆焊 技术进行修复。
类别 热性能 电性能 光性能 电磁性 其他
具体特性 耐热性、热障性 导电性、绝缘性 选择吸收性、光致效应 磁性、电磁屏蔽性 密封性、保油性
二、材料表面技术的应用
材料表面技术可以有效地且最经济地改善表 面性能或赋予基体材料所没有的表面特性，因而 其应用极其广泛。既可满足表面耐磨、耐蚀、强 化、加工与装饰的需要，又可开辟光、电、磁、 声、热、化学与生物等方面的特殊功能领域。所 涉及的基体材料包括金属材料、高分子材料、陶 瓷材料和复合材料，其中主要是金属材料。
特别值得提及的是非晶态合金电镀层（这种镀 层也可通过化学镀获得），由于其结构特殊性和成 分特殊性，故而具有晶态金属所不具备的优异性能， 如高强度、高耐蚀性、高透磁性和化学选择性，在 结构材料和功能材料领域均有较广泛的应用。
电镀
（三）复合电镀
复合电镀可得到金属与固体微粒共同沉积的复 合材料镀层，这相当于颗粒增强的金属基复合材料。 根据复合镀层内各相类型与相对量不同，这种镀层 可具有更高的硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性及自 润滑性；与一般金属基复合材料制备技术相比，具 有无需高温加热、简便、低成本等优点，且可直接 在零件表面上得到所需的覆盖层。
材料表面技术的应用
（三）在新材料的研究与生产上的应用
先进的新材料具有更加优异的性能，是高新技 术的重要组成部分及发展基础。表面技术对其研究 和生产上的作用十分重要，如利用气相沉积技术生 产金刚石及立方氮化硼等超硬薄膜、钇钡铜高温超 导薄膜、纳米粉粒材料及梯度功能材料等。
材料表面技术的应用
（四）在环境保护方面的应用
材料表面技术对促进绿色革命起着十分重要的 作用，如各种膜材料、纤维材料具有高效吸收、分 离、过滤及生化功能，可用于大气与水质净化、抗 菌灭菌、三废处理、活化介质及生物医学与生物工 程。
三、表面技术的分类
表面技术的作用原理、工艺特点及应用范围 各不相同，其种类很多，目前尚无公认统一的分 类方法。若按学科特点分类，表面技术大致分为 下述三方面。
电镀
（一）单金属电镀
单金属电镀是指电镀液中只含一种金属离子， 电沉积后形成单一金属镀层的方法。常用的单金属 电镀有镀锌、镀铜、镀镍、镀铬、镀锡和镀镉等，
镀铬层具有高的硬度与耐磨性、耐蚀性和美观 的表面，故常用于耐磨、耐蚀和装饰场合，如冷作 模具镀铬、发动机活塞环镀铬、自行车零件镀铬、 照相机零件及餐具镀铬等。镀铬液主要由含有少量 硫酸的铬酐（CrO3）组成。
电镀
（二）合金电镀 在零件（阴极）上同时电沉积出两种或两种以
上金属的镀层称为合金电镀。它具有两大突出特点： 其一是合金镀层具有许多单金属镀层所不具备的优 良特性，如外观颜色、耐磨、耐蚀及某些功能特性； 其二是可以制备高熔点金属和低熔点金属组成的合 金（如Sn-Co）、难熔合或不熔合的合金（如CuPb）、非晶态合金（如Ni-P）等。
材料表面技术的应用
（二）在功能材料及元器件上的应用
表面技术能有效地赋予材料表面优良的特殊物 理、化学和生物等性能及其相互转化的功能，可用 来制备或改进一系列功能材料及元器件。如导电玻 璃、太阳能选择吸收膜、电磁屏蔽材料、吸声涂层、 吸热及散热材料、分离膜材料等。尤应受到重视的 是具有功能转换特性的功能材料与器件，如薄膜太 阳能电池、电致发光器件、薄膜发热材料、光磁记 录材料等。
如采用热喷涂、堆焊等表面技术修复已磨损或 腐蚀的零件，用表面蚀刻、扩散等工艺制作晶体管 及集成电路等。
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材料表面技术的目的与作用
类别 耐蚀性 耐磨性 力学性能 表面加工 表面装饰
表13-1 材料表面技术的具体作用
具体特性 各种介质下化学腐蚀、电化学腐蚀 磨粒磨损、粘着磨损、氧化磨损 表面硬度、强度、抗疲劳性 可修复性、焊接性、精密加工性 着色性、染色性、光泽性
表面技术的分类
按工艺特点，表面覆层技术包括各种镀层技术 （电镀、化学镀等）、热喷涂技术、涂料涂装技术、 陶瓷涂敷技术、化学转化膜技术、堆焊技术、气相
表面技术的分类
（二）表面合金化技术
包括表面扩渗技术、喷焊堆焊、激光合金化、 离子注入技术等。
表面技术的分类
（三）表面组织转变技术
这种表面技术不改变材料表面成分而仅改变其 表面组织，包括各种表面淬火（感应加热、激光加 热、电子束加热）、表面形变强化（如喷丸、滚压） 等。
材料表面技术的目的与作用
（二）赋予材料表面某种（或多种）功能特性
这些功能包括电性能（如导电性、绝缘性）， 热学性能（如耐热性、热障性），光学性能（如反 光性、吸光性及光致效应），电磁特性（如磁性、 屏蔽性），声学性能及吸附、分离等各种物理性能 和化学性能。
材料表面技术的目的与作用
（三）实施特定的表面加工来制造（或修复）零、
第二节 电镀和化学镀
一、电 镀
电镀的历史悠久，随着现代工业和科学技术的发 展，新的电镀材料和电镀工艺技术方法不断涌现，大 大拓展了这项表面技术的应用领域。其镀层材料可以 是金属、合金、半导体等，基体材料也由金属扩大到 陶瓷、高分子材料；电镀覆层广泛用于耐蚀、耐磨、 装饰及其它功能性镀层（如磁性膜、光学膜）。