1、 第四章 表面淬火和变形强化1 表面淬火技术的原理和特点2 感应加热表面淬火3 火焰加热表面淬火4 激光加热表面淬火4-1. 表面淬火技术的原理将钢表面快速加热到 Ac3（亚共析钢）或 Ac1 （过共析钢）以上，然后使之迅速冷却并 转变为马氏体。将钢整体加热到 Ac3（亚共析钢）或 Ac1 （过共析钢）以上，然后使其表面迅速冷却并转变为马氏体。2. 表面淬火对材料的 要求凡是能进行整体淬火强化的材料都可以进行表面淬火。低碳钢或低合金钢需进行表面渗碳或合金化（齿轮渗碳） 。表面硬度要求越高，要求钢碳含量和合金含量越高；表面硬化层越深，要求钢淬透性越好。3.与常规淬火技术的区别在一定加热速度范围内
2、，V 加热 ，T 临界V 加热，奥氏体成分的不均匀性 a. C 成分不均匀 ,从相图上看与 F,K 相邻的浓度相 差很大,C 来不及扩散。b. 合金元素不均匀预先热处理（调质、正火、球化退火）表面淬火V 加热，奥氏体晶粒细化显著a.过热度大,相变趋动力增大,晶粒形成位置增多,A 在 F 和 K 相界上形成，A 在 F 亚晶界上形成。b.加热时间短,如果加热速度 10 7 度/S,形成时间 10-5S,在如此短时间内奥氏体晶粒来不及长大。V 冷却，表面硬度高4. 表面淬火技术的 特点生产效率高，能耗小。加热快，冷却快：组织细，硬度高；组织均匀性差（渗碳体来不及溶解和扩散） 。表面组织细，硬度高，
3、中部硬度低，韧性好。4.2 感应加热表面淬火技术1 感应加热淬火原理将工件紧靠在有足够功率输出的感应圈附近,感应圈通电，在高频(中频) 交流磁场的作用下（如果工件与线圈的间隙非常小）由于集肤效应,在工件表面产生很大的涡流，大小与线圈电流相等，方向相反。涡流产生热量，将工件表面加热迅速加热到淬火温度，并用冷却介质快速冷却，达到对工件表面淬火的目的。2 感应加热淬火技术特点效率高 ； 变形小 ； 深度可控 ； 需要制作特定的线圈 ； 电源功率大 ； “尖角”效应3 感应加热淬火技术应用高频淬火：轴类零件，磨损量小，但精度要求高的零件中频淬火：齿轮、活塞环槽，有明显磨损量，精度要求较高的零件工频或双
4、频：轧辊，磨损量大表面淬火在粗加工或半精加工后进行，最后只留磨量。4.3 火焰加热表面淬火技术1 火焰淬火（flame quenching）原理：用火焰快速将工件表面加热到淬火温度，并快速冷却，使工件表面得到淬火组织。控制参数：火焰大小、火焰与工件的相对距离和相对移动速度淬火深度：钢淬透性、加热深度和冷却条件等2 优点：设备简单；操作灵活；操作简单适用于各种形状的小批量零件或大型零件的局部淬火3 缺点：生产效率低；难以控制，需要丰富的经验；淬火层的均匀性差；变形大4 适用范围适用于各种形状的小批量零件或大型零件的局部淬火导槽、模具、凸轮轴（凸台）4.4 激光加热淬火技术1 激光加热原理:用激光
5、束加热材料表面，使之迅速生高到相变温度以上。1.1 激光加热的特点：能量密度高，加热速度快、温度高，且容易控制。2 激光淬火（Laser Quenching）原理:用激光束加热材料表面，使之迅速生到相变点温度以上但不熔化，当激光束移开后表层自行快速冷却，并转变为马氏体。2.1 特点 能量密度高，加热速度快、温度高，不需要淬火冷却介质。3 优点：工件变形小能量集中，热影响区小加热深度和轨迹容易控制适用于表面重熔，甚至可以熔化陶瓷。为了不使材料熔化，激光淬火时能量密度一般为 10006000 J/cm2 。4 缺点：存在回火软化带，对要求大面积均匀硬化层的工件不利5 应用（1）高精度零件处理汽车大
6、梁，汽车油泵，空压机、发动机的汽缸，汽车凹轮轴，热锻模大型内齿圈（2）管材内表面改性例：管内机器人激光表面改性技术，对细长管材内表面硬化处理，提高耐磨性，延长寿命，减少管材的使用量。外径 60mm，壁厚 8mm，长 2300mm 的细长空心轴，淬火后振摆变形小于 0.2mm4.5 变形强化1 变形强化机理：塑性变形位错运动位错增殖位错交结强度提高塑性变形马氏体相变强度提高最常用来表示金属材料变形强化的公式是 Hollomon 公式： S=Ken式中：S 为真应力；e 为真应变；n 为变形强化指数；K 材料硬化系数。2（1）喷丸或抛丸强化:钢丸高速撞击工件表面，使表层材料产生大量的塑性变形。（2
7、）滚压强化：用钢球、辊轮或辊轴滚压工件表面，使工件表面产生大量的位错。产生大量的位错，如有奥氏体相，促使马氏体相变，提高材料的表面强度。较大的残余压应力。提高材料的强度，特别是疲劳强度的方法。4.5.1 喷丸强化1 喷丸强化：压缩空气带动钢丸高速撞击工件。2 优点：撞击点集中，易于控制。4.5.2 抛丸强化1 特点 抛丸强化撞击面大，生产效率高。用于弹簧钢板、圆弹簧、大型工件、车轮以及大批量生产的零件等。4.5.3 滚压强化1.原理 在一定的压力作用下，用钢球、辊轮或辊轴滚压工件表面，使工件表面产生大量的 位错和较大的残余压应力，从而提高材料的表面强度，特别是疲劳强度的方法。表面滚压的强化原理
8、与喷丸和抛丸相同。2 适用范围 滚压强化适用于轴类零件和沟槽类零件，不能用于复杂零件。滚压改性层深度可达 5mm 以上，球墨铸铁曲轴滚压疲劳强度可提高 2033%滚压强化使零件产生变形，必须进行矫正处理。第五章 热扩渗定义：将工件放在特殊的介质（气体、液体或固体）中，使介质中的某一种或几种元素渗入工件表面，形成一定厚度的扩散层（或掺杂层） ，从而改变材料成分、组织和性能的方法。热扩渗技术机理：渗剂产生活性原子，并不断提供给基体金属表面。活性原子吸附在基体金属表面，并被基体金属吸收，形成固溶体或金属间化合物。活性原子不断向基体金属内部扩散，渗层厚度不断增加。热扩渗目的：提高强度、硬度和耐磨性。渗
9、氮表面硬度达 950Hv1200Hv，渗硼表面硬度达1400Hv2000Hv。提高疲劳强度。渗碳、渗氮和渗铬使材料发生相变，表层体积膨胀，导致产生残余压应力。提高淬透性。低碳钢、低合金钢渗碳。提高抗咬合、抗粘着能力和降低摩擦系数，如渗硫、氮化。提高耐腐蚀性能，如渗铝、渗氮等气体渗碳气氛的形成方式：滴注式气体渗碳：向炉内滴入含碳有机液体，如煤油。 （设备简单，要求经验）吸入式气体渗碳：吸入富碳气氛进行渗碳。 （专用设备，大批量生产）氮基气氛渗碳：以纯氮为载体，加入碳氢化合物，一并注入炉内形成富碳气氛进行渗碳。 （专用设备）气氛检测仪器（CO2、CH4、CO 分析仪）优点：提高硬度和耐磨性的同时，
10、心部能保持相当高的韧性，可承受冲击载荷，疲劳强度较高缺点：处理温度高，工件畸变大应用渗碳工艺广泛应用于飞机、汽车、机床等设备的重要零件中，如齿轮、轴和凸轮轴等。渗碳是应用最广、发展得最全面的化学热处理工艺。渗氮优点：氮化层硬度高达 9501200Hv，耐磨性、疲劳强度、红硬性、抗咬合性能和减摩性能优于渗碳层。低温渗氮：500600渗氮，工件变形小。缺点：时间长，数十到上百小时。渗层薄（500m） ，脆性高应用渗氮可以用于结构钢、高铬钢、工具钢和铸铁。产品有销、轴、缸套、活塞、齿轮和模具等等。渗氮层很薄，一般为 0.10.15mm，渗氮处理后最好不加工或少量精加工在 520580，以渗氮为主，称
11、氮碳共渗，渗层硬度比渗氮层略低，俗称软氮化。氮碳共渗比渗氮时间大大缩短；渗层中不含 相，硬度略低，韧性好，裂纹敏感性小。氮碳共渗是一种表面硬度高，摩擦磨损性能和疲劳性能好，尺寸变形小的热扩渗工艺。在 780930，以渗碳为主，称碳氮共渗。碳氮共渗比渗碳温度低，零件变形小，晶粒细，可以直接进行淬火，零件变形开裂倾向小。氮不仅扩大了 相区，而且提高奥氏体稳定性，提高了渗层的淬透性和淬硬性。渗层存在较大的残余压应力。更高的疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回火稳定性。渗氮和氮碳共渗的应用渗氮层很薄，一般为 0.10.15mm，渗氮处理后最好不加工或少量精加工。不仅要求疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回火稳定性高，
12、而且要求精度高的产品，如销、轴、缸套、活塞、活塞销、模具等等。固体把工件埋入固体渗剂或用固体渗剂包裹工件，并加热达到一定温度，保持一定时间，使工件表面渗入一种或多种元素的方法。固体渗剂包含：供渗剂（+还原剂）+催渗剂（或催化剂）+填充剂。供渗剂：作用是提供渗入工件表面的活性原子，如供渗剂是稳定的化合物，还要加还原剂。还原剂的作用是使供渗剂产生活性原子。催渗剂（或催化剂）：促进活性原子渗入工件和促进还原反应。填充剂：减轻或防止渗剂板结，降低生产成本。渗剂原子活性越强，渗层就越厚液体将工件放入熔融液体中，使表面层渗入一种或几种元素的方法称为液体热扩渗。盐浴法：（1）盐浴为渗剂，盐浴产生的活性原子渗
13、到工件表层。（2）渗剂浮于盐浴表面，盐浴作为载体传输活性原子。热浸法：熔融金属液，热浸锌、热浸铝等熔烧法：渗剂制成浆料涂敷在工件表面，在真空或保护气氛下加热至渗剂熔点以上，渗剂元素扩散到基体金属表面。热浸金属将工件浸入熔融的金属液中，使工件表面形成金属防护层的方法。热浸金属的三个过程：（1）基体金属表面被溶解，形成合金层。（2）合金层内的渗入原子向内扩散，形成固溶体或化合物。（3）合金层外面包覆一层纯金属。热浸铝和热浸锌是公认的经济实用的钢铁材料表面防护方法。热浸锌在大气、海洋环境下使用的钢结构件已大量使用，如水管、高速公路护栏、铁搭 、桥梁上大量使用。热浸铝还在汽车零部件上使用。渗铝是目前提
14、高钢材耐硫化物腐蚀最有效的方法。热浸铝原理：铝液与铁接触，在界面上形成 Fe/Al 合金层，并形成 FeAl3 化合物。铝原子向内部扩散，不断形成 FeAl3 化合物，FeAl3 相厚度增加。随着铝原子继续向内扩散，还形成 Fe2Al5 相。取出工件时，表面形成一层纯铝。用常规方法对工件表面脱脂除锈用质量浓度为 4%的 K2ZrF6 溶剂在 5080清洗工件：1）进一步清除工件表面铁锈2）活化工件表面，提高浸入能力和镀层的结合力。工件干燥后，浸入铝液。等离子体热扩渗等离子体热扩渗是利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，在工件表面产生热扩渗的工艺。特点离子轰击工件表面，使表面活性提高，
15、容易吸收被渗离子和活性原子。离子轰击能去除工件表面的氧化膜或钝化膜，使易氧化的金属（如不锈钢）也能进行热扩渗。调节电参数、渗剂气体成分和压力来控制热扩渗层组织性能。工艺过程易于控制。离子渗氮将工件放入离子渗氮炉,抽真空至 1.33Pa.通入少量含氮气体,如氨,使炉压升到规定值.阴极(工件) 和阳极加直流高压,使炉内气体放电.氮离子和氢离子在高压电场作用下冲击阴极 ,产生大量热量加热工件,同时氮离子和氢离子被工件吸附,渗入工件，形成渗层.保持一定时间，渗层达到要求厚度后停电、停气，降温到 200后出炉。工艺辉光电压：保温阶段为 500700V电流密度：0.515 mA/cm2。电流密度大，升温快
16、，但易出现打弧。炉内真空度：266533Pa。炉内压力太低，加热太慢；炉内压力太高，易出现打弧。渗氮气氛：液氮或氮氢混合气。液氮使用简单，但渗层脆性大；体积比为 1:3 的氮氢混合气可改善渗层性能。调整氮氢混合气的氮势，可控制渗层相组成。渗氮温度：450650。不含铝的钢一般采用 500550的一段渗氮工艺，含铝钢采用520530和 560580的二段渗氮工艺；不锈钢采用 600650的渗氮温度。渗氮时间 ： 为 0.20.6mm 时， 为 630h。一般钢种 8h 左右，不锈钢要长得多。渗层深度计算公式：=k（D）1/2 计算。 为渗层深度，k 为常数，D 为扩散系数，为渗氮时间。离子渗氮的
17、特点效率高：渗氮速度与普通气体渗氮的 35 倍。（1）N 离子轰击，使部分金属原子活化，使 C、N、O 等部分非金属元素还原出来。（2）表面清洗作用（3）高的 N 浓度：轰击出来的 N，Fe 原子形成 FeN，吸附在工件表面，提高了表面浓度。（4）阴极溅射，部分原子脱离表面，位错密度增加，增加了 N 原子向内的扩散系数。硬度：离子渗氮层硬度与气体渗氮层相当。厚度：离子渗氮层厚度可达 0.30.5mm，比气体渗氮层厚得多。热效率高，节能；环保。第六章 热喷涂、喷焊、堆焊技术原理：采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物以及它们的复合材料加热到熔融或
18、半熔融状态，通过高速气流使其雾化，并喷射到经过预处理的工件表面，形成附着牢固的表面层的加工方法。涂层质量影响因素结合强度：材料性质、熔化状态（热源温度、粒子飞行距离） 、粒子飞行速度、基体表面粗糙度、涂层厚度等空隙率：材料性质、熔化状态、粒子飞行速度内应力：材料性质、涂层厚度、工件冷却条件、喷枪运动速度。涂层结合机理涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内部的结合。结合力：涂层与基体表面的结合强度。内聚力：涂层内部的结合强度。 （1）机械结合碰撞成扁平状，与凹凸不平的表面互相嵌合，形成机械钉扎而结合。涂层与基体的结合以机械结合为主。机械结合为主的结合决定了热喷涂的结合强度较低。 （2）冶金-
19、 化学结合喷涂热量、撞击能量和放热反应，使表面局部产生高温，使涂层和基体表面局部出现扩散和焊合，形成冶金结合。结合面上的金属间化合物或固溶体为冶金结合的产物。重熔或喷焊时，喷焊层与基体的结合主要是冶金结合。 3）物理结合颗粒对基体表面的紧密结合，形成范德华力或次价键形成的结合涂层形成机理材料溶化- 加速 撞击基体 冷却凝固形成涂层2.主要热喷涂方法和特性不同的方法，适用于不同的材料；不同的材料，选择不同的方法。主要取决于材料的熔点和氧化特性。电喷涂：适用于金属材料或金属基复合材料。气喷涂：可以喷金属也可以喷陶瓷。火焰喷涂喷金属，HVOF 喷金属陶瓷，等离子喷涂喷氧化物陶瓷。热喷涂特点：（1）适
20、用范围广涂层可以是金属、非金属以及复合材料。工件也可以是金属和非金属。（2）工艺灵活施工对象小到 10mm 内孔，大到铁塔、桥梁等大型结构。既可在整体表面，也可在指定区域内涂敷。既可在真空或控制气氛中喷涂活性材料，也可在野外现场作业。 （3）工件受热少例如氧-乙炔焰喷涂、等离子喷涂或爆炸喷涂，工件受热程度均不超过 250，工件不会发生畸变，不改变工件的金相组织。 （4）生产效率高大多数工艺方法的生产率可达到每小时喷涂数千克喷涂材料，有些工艺方法可高达50kgh 以上。 （5）缺点热效率等，能耗高。材料利用率低，浪费大。涂层结合强度低。 3 表面处理为了提高涂层与基体的结合强度，在喷涂前，对基体
21、表面进行脱脂、清洗和粗糙化等预处理。碱洗法：将工件放到氢氧化钠或碳酸钠等碱性溶液中，待基体表面的油脂溶解后，再用水冲洗干净。溶液洗涤法：采用挥发性溶液，如雨酮、汽油、三氯乙烯和过氯乙烷乙烯等，它们的主要作用是把基体表面的矿物油溶解掉，再加以清除。蒸气清洗法：采用三氯乙烯蒸气清洗，这种方法的清洗效果很好，但对人体有一定的危害。对疏松表面（如铸铁件）的清洗：先脱脂、清洗后，将工件表面加热到 250左右，尽量将油脂渗透到表面，然后再加以清洗。基体表面氧化膜的处理机械方法去氧化膜，如切削加工方法和人工除锈法。直接喷砂去除氧化膜。也可以采用硫酸或盐酸进行酸洗。 表面粗化处理提高结合强度的一个重要措施。喷
22、涂前 4h8h 内必须对工件表面进行粗糙化处理。常用的方法有： （1）喷砂法：是最常用的粗糙化方法。砂粒有冷硬铁砂、氧化铝砂、碳化硅砂等多种，根据工件表面的硬度选择（2）机械加工法对轴、套类零件表面粗化，可采用挑扣、开槽、滚花等简便切削加工方法，限制涂层的收缩应力，增加涂层与基的接触面。 对强度要求不高的工件，在喷涂区域内车螺纹和滚压，形成粗糙表面，一般每厘米10 条纹左右。（3）化学腐蚀法基体表面进行化学腐蚀，由于晶粒上各个晶面的腐蚀速度不同，可形成粗糙的表面。（4）电弧法（又称电火花拉毛法）将细镍（或铝）丝作为电极，在电弧作用下，电极与基体表面局部熔合，产生粗糙的表面。这种方法适用于硬度比
23、较高的基体表面，但不适用于比较薄的零件。 基体表面预热涂层与基体表面的温度差使涂层产生拉应力，从而引起涂层开裂和剥落。基体表面的预热可降低涂层残余应力。但预热温度不宜过高，以免基体表面氧化，降低基体表面活性，从而降低涂层与基体的结合强度。预热温度一般在 200300之间非喷涂表面的保护在喷砂和喷涂前，必须对非喷涂表面保护。保护方法可根据非喷涂表面的形状，设计一些简易的保护罩。保护罩可采用薄铜皮或铁皮、炭素物或石棉等。 4.喷涂后处理封闭气孔一般采用有机涂料进行涂覆处理，涂层需封孔时,根据使用状态选择封孔剂.石蜡，树脂。自熔性合金镀层的熔化处理将 B,Si 等元素加入到喷涂材料中，这些元素在喷涂
24、过程中高温时发生氧化或与金属作用形成熔渣，涂覆在最表面；另一方面，发生的反应是放热反应，使基体表面一薄层熔化，涂层与基体达到冶金结合。熔化处理采用的加热热源一般为火焰加热和高频感应加热等。精加工经过喷涂的表面一般厚度不均匀，表面粗糙度高，需要进行精加工，如车削或磨削等。5.热喷涂方法(1) 火焰喷涂（Flame spray）火焰喷涂包括丝材火焰喷涂和粉末火焰喷涂，一般不包括超音速火焰喷涂（HVOF） 。火焰喷涂的热源是氧-乙炔气体，也可以是丙烷、氢气或天然气。喷涂材料熔化 雾化并加速 沉积到工件，形成涂层。火焰喷涂设备简单，一枝喷枪。喷枪主要由两部分组成：产生火焰的氧、乙炔供给系统和供料（粉末
25、或丝材）系统线、棒材喷涂都是将材料从喷枪中心孔送出，由氧的火焰将其熔化，通过压缩空气将熔化的材料雾化成微粒，并将其喷射到基体表面沉积成为涂层。特点：操作简单，设备运转费用低，可手持操作。材料：线材主要有 Zn,Al,Cu, Mo, Ti 等及其化合物，铝包镍，镍包铝，金属包碳化物等复合线材;棒材主要为 Al2O3、 Al2O3 + TiO2 及 TiO2 陶瓷材料。粉末火焰喷涂是将粉末加热到熔融或半熔融状态，同时将被加热粉粒以一定的速度喷射到工件上形成涂层。特点：涂层致密度和结合强度不如线材火焰喷涂，但是该设备最简单、轻便，投资少，成本低。并可喷涂后进行重熔以得到更致密的涂层。材料：可制备塑料
26、涂层 爆炸喷涂技术产生于上世纪 50 年代中期，将燃气爆炸技术引入热喷涂领域。其主要特点是涂层与基体的结合强度高，涂层孔隙率小（小于 0.5） ，工件受热小，涂层在制作过程中受空气污染小。高速火焰喷涂是 20 世纪 80 年代初期由美国开发的，由喷管出口处燃烧的高温射流迅速膨胀，产生了超音速火焰，焰流速度高，颗粒熔化充分。该方法制备的涂层与基体结合强度高，涂层致密，孔隙率小于 1，并且涂层的残余应力小。但是成本较高，限于应用于一些关键部位制作上。特点：所得涂层性能可与爆炸喷涂相媲美，但其工作效率，工作条件的可变范围更优越；成本较高。材料：最适宜喷涂碳化物基的粉末。HVOF 是上世纪 80 年代
27、初,由美国公司.研制成功 。HVOF 系统使用气体燃料和氧气，产生 3200的高温高压火焰焰流速度高达 1500m/s粒子撞击速度(10051200 /)HVOF 特别适用于喷涂 WC-Co 涂层。（1）VOF 的火焰温度低（2）颗粒的飞行速度快, 颗粒在空气暴露时间非常短。因为 WC 颗粒在高温下很容易发生脱碳反应:应用美国在航空发动机压缩机叶片、轴承套等。气轮机第一级静叶片上使用，取代昂贵的低压等离子喷涂层和电子束物理气相沉积。修复退火炉辊, 从 80 年代中期的 30%上升到 90 年代后期的 80%, 带钢因结瘤等引起的次品率则由 85%下降到零。在冶金挤压辊轮、热浸镀锌槽中的沉没辊。
28、HVOF 涂层结合强度高,可以喷 2mm 涂层.Fusion 公司现已关闭电镀 Cr 生产线而转向超音速火焰喷涂,因为这种涂层具有高结合强度和韧性,完全可以适应部件服役时的弯曲工况。HVOF 的火焰温度较低，适合于喷金属陶瓷，但不适合喷涂氧化物陶瓷。优点：设备简单，操作方便，可携带到现场施工。 沉积效率高，生产成本低。既可以喷粉末，也可以喷丝材（熔点高的金属不能用丝材） 。缺点：涂层含氧量高。为了提高涂层与基体的结合力，先喷涂后重熔。焰火温度低，不适用于喷陶瓷材料。电弧喷涂技术喷涂丝材通过两根彼此绝缘并加有 1840V 的线形电极，当两根丝材靠近时产生电弧，并将丝材端部熔化。同时通入压缩空气使
29、熔化的金属液滴雾化，在压缩空气的作用下高速撞击工件表面并在表面沉积，形成涂层。特点：电弧喷涂设备比较轻便，易于现场操作，生产效率高，能源的利用率高。涂层质量主要取决于熔滴雾化后的粒度。超音速电弧喷涂主要是对喷涂枪进行改进，开发出高速电弧喷枪，提高熔化粒子的雾化程度和飞行速度，从而提高涂层与基体的结合强度及降低涂层的孔隙率。电弧喷涂的特点一般只能喷具有导电性能的金属丝材，用超音速电弧喷涂设备也可以喷金属基陶瓷复合材料。生产效率高，成本低。涂层比火焰喷涂致密，可达 70%90%的理论密度。结合强度达 10MPa40MPa。电弧喷涂的应用主要喷涂铝锌涂层、不锈钢涂层、高铬钢涂层，近期研究铝基陶瓷复合
30、材料。主要金属零件的防腐和强化，特别适用于大型零件的防腐（闸门、桥梁、钢结构）和强化。电弧喷涂长效防腐涂层防腐寿命长：耐蚀寿命达 50 年以上，是防腐油漆的 45 倍，热浸镀锌的 23 倍，玻璃钢涂层的 23 倍。 。可修复性强：涂层被碰坏、划伤，可以进行修复，保证了防腐体系的完整性和有效性；热浸涂层无法进行修补。普遍适应性好：可根据腐蚀环境选用相应的耐蚀材料，灵活性强；热浸锌只能制备单一的锌涂层。等离子喷涂原理利用等离子焰流，即非转移等离子弧作热源，将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态，在高速等离子焰流引导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成涂层。 等离子喷涂特点优点：火焰温度
31、高，几乎可以喷任何固体材料，特别适用于喷氧化物陶瓷。缺点：喷低熔点材料不如其他方法应用防腐蚀 喷涂铝：飞机表面用玻璃纤维强化的塑料代替金属，为减少电荷累积造成的静电和减少水对塑料的腐蚀，喷涂一层铝。 火焰或电弧大面积喷涂锌、铝及其合金涂层，代替传统油漆方法，实行阴极保护进行长效防腐涂层，防腐蚀年限可达到 30 年以上。长期暴露在户外大气的大型钢铁结构件、地下电缆支架、桥梁、城市过街天桥、港口、船体等适用。如：长江三峡永久闸门、上海东方明珠电视塔。 热喷涂塑料：葡萄酒厂低温发酵车间的发酵罐内壁采用火焰喷涂聚乙烯涂层后，有效地防止了罐壁的点蚀。耐磨 连续铸造模连续铸造模表面由于金属凝固层的摩擦而磨
32、损，用镀铬提高其耐磨性，但在高温下，硬度快，防护效果不好；采用高温下硬度不明显下降的自熔性合金涂层粘结底层，寿命。 冷轧加工辊冷轧生产线中的加工辊，表面要求耐磨、粗糙度变化小，镀铬，耐磨性不好；喷涂 WCCo 涂层电镀，寿命，耐磨性提高 510 倍。耐高温 卫星绕地球运动时，温度在100315之间变化，采用喷涂 Al2O3 层，可以隔热，保证内部温度 1030。 涡轮叶片高温防护航空发动机高温热端部件主要是涡轮叶片，长期在高温、高速、高负荷条件下工作（超合金，空心加气膜冷却）高温防护涂层 M(Ni、Co)CrAlY（低压等离子喷涂）氧化物陶瓷（Al2O3,ZrO2-Y2O3） ，0.25mm
33、的 ZrO2-Y2O3，冷却空气流量 50，油耗改善1.3，寿命4 倍。模具制造与工件修复 热喷涂快速制作钢基模具工件模型脱模剂电弧喷涂的熔点合金（中间模）灌注石膏加固取下工件模型喷涂高熔点高强度涂层电弧喷涂对基材的热影响小，母型可用金属、木材、石膏等；热变形小，收缩小，尺寸精度和复制性能优良，是忠于母型的建议模具成型法。 工件修复各种轴类 机床，发电机轴，各种驱动轴，磨损后采用氧乙炔火焰粉喷、丝喷以及电弧丝材喷涂均可修复均能奏效，设备简单，操作方便，可现场施工，经济效益好。功能性应用 远红外辐射涂层的节能应用复合氧化物 TiO2-ZrO2 具有较高的热辐射系数和优良的长波辐射特性，是远红外辐
34、射材料，氧化物受热时辐射出远红外波，极易被高分子有机物、水、空气等物质的分子吸收，而引起共振产生内热，从而加速加热过程，采用热喷涂技术在电加热元件上喷涂远红外辐射涂层，其节能效率一般平均在 2540。 飞机表面防雷和抗干扰涂层为了减轻飞机重量、隐身要求，采用大量非金属复合材料，不导电，某些部位需涂覆导电层（铝）来屏蔽外来信号干扰和防止雷击。 人工种植生物功能应用人工关节、义齿，采用不锈钢，表面状态与人体组织结合不紧密，且不锈钢中的Cr、Ni 在人体中逐渐释放，引起身体的感染、发炎。Ti：与人体体液相容并与人体组织有较好的结合能力羟基磷灰石（HA）：生物陶瓷材料，是成骨成分之一采用低压等离子喷涂
35、方式在不锈钢表面进行喷涂。堆焊在金属材料或零件表面熔焊上耐磨、耐蚀等特殊性能的金属层的一种工艺方法。堆焊的特点与应用： 采用堆焊修复已失去精度或表面破损的零件，可节省材料、费用、工时，延长零件使用寿命； 堆焊层的特殊性能可提高零件表面耐磨、耐热、耐蚀等性能，发挥材料的综合性能和工作潜力； 具有明显的异种金属焊接特点，可制造双金属零部件，对焊接工艺及其参数要求较高。应用：机械产品的制造和维修，在冶金机械、重型机械、汽车、动力机械、石油化工设备等领域有广泛应用。分类Fe 基：韧性与耐磨性匹配好，价格低，应用广。Ni 基、 Co 基：价高，但高温性好、耐磨蚀，主要用于耐高温磨损、腐蚀的场合。WC 基
36、：价格较高，高耐磨性。Cu 基：耐蚀性好，具有润滑性，可减少金属间的磨损第七章电镀与化学镀1 电镀概念 P1222 电镀目的 P1223 电镀分类 P122按镀层成分分：单一金属镀层，如 Zn、Cu、Cr 等合金镀层：如 Cu-Sn，CuNiCr 镀层等；复合镀层：如 Ni-Al2O3，Co-SiC 等。 根据镀层和基体金属之间的电化学性质分为：1）阳极性镀层镀层电极电位低，相对与基体金属为负，镀层为阳极，称为阳极性镀层，例如钢上的镀 Zn 层；2）阴极性镀层 钢上的 Ni、Sn 镀层4 工艺特点电镀工艺设备较简单，操作条件易于控制，镀层材料广泛，成本较低，因而在工业中广泛应用，是材料表面处理
37、的重要方法电镀最大的问题是污染镀层的特点（1）与基体结合牢固，附着力好；（2）完整，洁净致密，孔隙少；（3）厚度分布均匀 5 电镀基本原理电镀是典型的电解反应，在外加电场作用下，溶液中的金属离子在阴极表面得到电子，被还原为金属并沉积在阴极表面。Men+neMe 6 电镀的基本条件 P124 7 可沉积金属的种类及方式 P122 表 7-1已发现的金属有 70 多种，能从水溶液中电沉积的不到一半。若使用熔盐镀液，则几乎所有的金属都可以实现电沉积。8 电镀溶液 P1259 电镀工艺过程平 P13010 电镀金属镀锌应用广泛，占 60以上 E Zn2+/Zn=-0.7695%，适用于大电流密度下的厚
38、镀层，镀层的致密性比氰化亚铜镀液差。氰化物镀铜液：含有一价铜的络离子，在钢铁基体上形成均匀的、附着性很好的镀层。缺点：镀液毒性严重。焦磷酸盐镀铜 镀液稳定性好，易于控制，适于大批量生产 缺点：（1）成本高（2）钢铁件不能直接电镀，需镀过渡层如：先用氰化盐镀铜或镀镍，也可用硫酸铜溶液先浸镀，然后再用焦磷酸盐镀铜。镀铬镀铬层光泽好、耐腐性能好、硬度高、摩擦系数小，主要用于装饰、耐磨损和耐腐蚀。镀铬液主要是含有少量硫酸的铬酐（CrO 3）溶液镀铬层分：防护装饰镀铬和镀硬铬防护装饰镀铬（1）美观光亮（2）电镀时间短（35min ）（3）镀层薄（0.31.0m）应用：家用电器，飞机，汽车 、自行车镀硬铬
39、（1）要求硬度高、耐磨、结合牢固。（2）镀层厚（20300m）（3）电镀时间长应用：测量、切削工具、轴松孔镀铬：镀层表面形成大量沟纹减磨镀层。应用：活塞、环 镀镍提高材料的防护性能和美观作为其他镀层的过渡层：提高结合强度镀金镀金 具有耐蚀性、钎焊性、装饰性，价格较贵。例：1、异色电镀：18K 黄金镀 24K 金2、奥运会奖牌制作11 合金电镀1 概念 P1372 电镀合金的特点易获得高熔点与低熔点金属组成的合金， 如:Sn-Ni 合金。可获得热熔相图没有的合金,-铜锡合金易获得组织致密、性能优异的非晶态合金，如: Ni-P 合金。在相同合金成分下，电镀合金与热熔合金比，硬度高，延展性差。3 与
40、单金属镀层相比合金镀层的主要特点：合金镀层结晶更细致，镀层更平整、光亮。具有单金属所没有的特殊物理性能，例如导磁性、减摩性（自润滑性） 、钎焊性。具备比组成它们的单金属层更耐磨、耐蚀、更耐高温，并有更高硬度和强度。但延展性和韧性通常有所降低。不能从水溶液中单独电沉积的 W，Mo，Ti ，V 等金属可与铁族元素（Fe ， Co，Ni）共沉积形成合金。通过成分设计和工艺控制，可得到不同色调的合金镀层，例如银合金、彩色镀镍及仿金合金等，具有更好的装饰效果。4 合金电镀原理共沉积中的一些现象至今仍难以合理解释：共沉积时，两种以上金属离子在阴极上还原，会出现竞争放电现象、电子之间互相影响以及电结晶过程中
41、合金元素对成核规律的影响等问题。目前还只能提供一些实验数据的综合和某些定性解释，定量的理论研究还有待今后发展5 合金共沉积的条件 P1386 实现共沉积的方法 P1387 合金镀层及其应用 P139 表 7-8化学镀1 概念 P1412 化学镀的三种沉积方式 P142工程上所讲的化学镀主要是指这种还原沉积化学镀。3 化学镀条件还原剂的电位要显著低于沉积金属的电位，金属有可能在基材上被还原沉积。镀液不产生自发分解，只有当与催化表面接触时，才发生金属沉积过程。被还原的金属具有催化活性，氧化还原沉积过程才能持续进行，镀层连续增厚。溶液有足够的使用寿命4 化学镀的特点：镀覆过程不需外加电源驱动均镀能力
42、好形状复杂、有内孔、内腔的镀件均可获得均匀的镀层。例：聚氨酯泡沫化学镀镍工艺制备泡沫 Ni 制作电极质轻，比表面积大，化学活性好，减震器、过滤器、热交换器 孔隙率低可在金属、非金属以及有机物上沉积镀层。缺点：溶液稳定性较差，维护、调整和再生都比较麻烦，材料成本费较高5 化学镀的应用化学镀金属和合金种类较多，诸如:Ni-P， Ni-B， Cu, Ag， Pd， Sn，In， Pt，Cr 及多种 Co 基合金等应用最广的是化学镀镍和化学镀铜。化学镀层一般具有良好的耐蚀性、耐磨性、钎焊性及其它特殊的电学或磁学等性能。不同成分的镀层，其性能变化很大。在电子、石油、化工、航空航天、核能、汽车、印刷、纺织
43、、机械等工业中获得日益广泛的应用。 6 化学镀镍还原沉积:还原剂将镍离子还原为镍原子并沉积在被镀工件上。还原剂有次磷酸盐、硼氢化物、胺基硼烷、肼及其衍生物等。最常用的是次磷酸盐。7 化学镀镍溶液以次磷酸盐为还原剂的化学镀镍溶液有两类：酸性镀液和碱性镀液。酸性镀液比较稳定，容易控制，沉积速度快，镀层中磷含量较高（2-11%） 。碱性镀液镀层含磷量较低（3-7%） ，镀液对杂质比较敏感，稳定性差。应用较少。8 镀镍特点耐腐蚀性强，表面为非晶态，抗腐蚀性特别优良，经硫酸、盐酸、烧碱、盐水同比试验，其腐蚀速率低于 1Cr18Ni9 不锈钢。耐磨性好：表面为非晶态，即处于基本平面状态，有自润滑性。磨擦系
44、数小，非粘着性好，耐磨性能高，在润滑情况下，可替代硬铬使用。 光泽度高：镀件表面光泽度高，可与不锈钢制品媲美，呈白亮不锈钢颜色。表面硬度高：在钢铁及铜表面可达 570Hv。结合强度大：与金属基件结合强度可达 350-400MPa，不起皮、不脱落、无气泡。仿型性好：在尖角或边缘突出部分，没有过份明显的增厚，即有很好的仿型性，沉积层的厚度和成份均匀。工艺技术高适应性强：在盲孔、深孔、管件、拐角、缝隙的内表面可得到均匀镀层，无论产品结构有多么复杂，绝无漏镀之处。低电阻，可焊性好。 9 镀镍应用汽车工业: 散热器、喷油嘴、球头螺栓、差速器行星齿轮轴、制动器活塞、同步齿轮、关节销、减震器、销紧零件、软管
45、管接头。化学工业：压力容器、反应容器、搅拌器轴、泵和叶轮、热变换器、过滤器和零件、涡轮机叶轮转子、阀门。纺织工业：纺织刮板、送料导杆、锭子棘轮、纺织针、喷丝头罗拉等需增加光滑和耐磨的零件。 石油和天然气：管道、泵壳、抽油杆、球阀、柱塞泵、封隔器、泥浆泵、防喷装置。采矿工业：液压缸和轴、挤压机、传动带、离合器、液压系统、喷射泵头。食品工业：食品充气灌装机、螺杆送料机、搅拌锅、食品模具、烤盘、干燥箱、保温炉。 电子工业： 电容器、插头、散热器、导线框架晶体管封装，陶瓷和金属之间的封接 。 其他工业：玻璃模型、注塑模、喷丝头、编织针、印刷辊筒、印刷平板、药丸分筛机、手术器械、五金工具等。10 化学镀
46、铜主要目的：在非导体表面形成导电层，很好地解决了多层印制电路板间的电路连接问题。化学镀铜层的物理化学性能与电镀铜的性能基本相似。还原沉积:还原剂将铜离子还原为铜原子并沉积在被镀工件上。化学镀铜的主盐是硫酸铜，还原剂有甲醛、肼、次磷酸钠、硼氢化钠等。最常用的是甲醛。11 复合镀 P1471 复合镀层基本条件：粒子在镀液中是稳定的：不发生任何化学反应，不促使镀液分解。粒子在镀液中完全润湿，形成分散均匀的悬浮液。粒子都需经过亲水处理，特别是那些疏水粒子，更应作充分的亲水处理，并要降低镀液的表面张力，形成悬浮性好的镀液。镀液的性质要有利于固体粒子带正电荷，即利于粒子吸附镀液阳离子和金属离子。粒子粒度适
47、当。粒子过粗，易于沉淀，且不易被沉积金属包覆，镀层粗糙；粒子过细，易于结团成块，不能均匀悬浮。通常使用 0.110um 的粒子，以 0.53um 最好。适当的搅拌。保持微粒均匀悬浮，使粒子高效率输送到阴极表面并与阴极碰撞。2 复合镀层的性能特点及应用复合镀层的性能由镀层金属的特性和粒子特性共同决定。1耐磨复合镀层将硬质粒子加入到 Ni，Co ，Cr ，Co-Ni，Ni-P，Ni-B 等镀层中，可大幅度地提高金属或合金镀层的耐磨性。Ni-P-SiC 的耐磨性随 SiC 含量增加而迅速升高牙科用磨削针镀层的硬度随粒子含量及粒子硬度升高而升高。耐磨复合镀层中加人的粒子大多选用金钢石，WC，Al 2O
48、3，ZrO 2，TiC, SiC，Cr 3C2 等粒子。这种高耐磨性复合镀层在中、高温条件下更显示其独特的耐磨性能。在航空、机械、汽车等工业中已被广泛应用。2减摩复合镀层将剪切强度低，摩擦系数小的固体粒子加入到某些金属和合金中，可形成具有自润滑功能的减摩复合镀层。常用的基体金属 Ni，Cu，Pb 等，用石墨、石墨、聚四氟乙烯(PTFE)、MoS 2 和六方氮化硼等作减磨剂。PTFE 的摩擦系数仅为 0.05，Ni-P-PTFE 复合镀层与淬火钢配对摩擦时，干摩擦系数 0.360.40，低于 Ni-P 镀层的摩擦系数 0.600.63；这种复合镀层相互对磨时，干摩擦系数仅为 0.2。Ni-BN（
49、氮化硼）在 800 高温下仍有很低的摩擦系数，适用于高温轴承。在宇航、真空和无油润滑的条件下，轴承、导轨等摩擦副是这类减摩复合镀层充分发挥自润滑功能的地方。PTFE 的摩擦系数仅为 0.05，Ni-P-PTFE 复合镀层与淬火钢配对摩擦时，干摩擦系数 0.360.40，低于 Ni-P 镀层的摩擦系数 0.600.63；这种复合镀层相互对磨时，干摩擦系数仅为 0.2。Ni-BN（氮化硼）在 800 高温下仍有很低的摩擦系数，适用于高温轴承。在宇航、真空和无油润滑的条件下，轴承、导轨等摩擦副是这类减摩复合镀层充分发挥自润滑功能的地方。12 非金属电镀1 非金属- 塑料、陶瓷、玻璃、木材等非金属特点：质轻、价廉；不导电、不导热、不耐腐蚀、易变形，缺乏金属光泽2 前处理粗化 脱脂 敏化 活化粗化：表面微观粗糙，由憎水亲水，提高结合力机械粗化，化学粗化（常用） ，有机溶剂粗化敏化：工件表面吸
