表面工程学复习资料.doc

第一章 绪论
1． 表面工程技术：为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构与性能的化学、物理方法与工艺。
2． 表面工程技术内涵：
（1） 表面改性技术。能够提高零部件表面的耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能，或使材料表面具有特殊功能（磁性能、光电性能）的有关技术。
（2） 表面加工技术。能在单晶硅表面制作大规模集成电路的光刻技术、离子刻蚀技术。
（3） 表面合成技术。借助各种手段在材料表面合成新材料的技术，离子注入制备或合成新材料。
（4） 表面加工三维合成技术将二维表面加工累积成三维零件的快速原型制造技术。
（5） 上述几个要点的组合或综合
3． 表面工程技术的分类：
（1） 表面改性技术：表面组织转换技术、表面涂镀技术、表面合金化与掺杂技术
（2） 表面微细加工技术
（3） 表面加工三维成型技术——快速原型制造
⑷ 表面合成新材料技术
4. 表面工程技术功能：
①提高耐腐蚀、耐磨性、耐疲劳、耐辐射性能，表面自润滑性；
②实现表面自修复性（自适应、自补偿、自愈合），生物相容性。
第二章 表面工程技术的物理化学基础
1. 理想表面：无限晶体中插进一个平面，将其分成两部分后所形成的表面，并认为半无限晶体中的原子位置与电子密度都与原来的无限晶体一样。
2. 洁净表面：尽管材料表层原子结构的周期性不同于体内，但如果其化学成分仍与体内相同，这种表面就成为洁净表面。
3. 清洁表面：指零件经过清洗（脱脂、浸蚀等）以后的表面，与洁净表面必须用特殊的方法才能得到不同。
4. 典型固体界面分类：
（1） 基于固相晶粒尺寸与微观结构差异形成的界面
（2） 基于固相组织或晶体结构差异形成的界面
（3） 基于固相宏观差异形成的界面：冶金结合界面、扩散结合界面、外延生长界面、化学键结合界面、分子键结合界面、机械结合界面
5. 物理吸附与化学吸附的区别：P12 表2-1
6. 摩擦分类（实际工作条件差别）
干摩擦，边界润滑摩擦、流体润滑摩擦、滚动摩擦
7. 固体润滑覆膜分类：
（1） 粘结固体润滑膜
（2） 化学反应法固体润滑膜
（3） 电镀与气相沉积方法形成固体润滑膜
8. 影响固体材料粘着磨损性能的因素：
（1） 润滑条件或环境。许多金属在经过切削或磨削后，洁净表面在5min内就产生了一层5~50分子的氧化膜，它在防止粘着方面有重大作用。良好的润滑条件更是降低你粘着磨损的重要保障。
（2） 硬度。材料的硬度越高，耐磨越好。
（3） 晶体结构与晶体的互溶性。其他条件相同时，密排六方的材料摩擦系数、磨损率最低，面心立方次之，体心最大。
（4） 温度。间接影响。T↑，硬度↓，摩擦副互溶性↑，磨损加剧
9. 磨粒磨损过程的影响因素：
（1） 磨粒硬度。Ha（磨粒硬度）/Hm（材料硬度）<1.0，软磨粒磨损，磨损速率很低；Ha/Hm>1.2,硬磨粒磨损，增加Ha对速率影响不大；1.0<Ha/Hm<1.2，速率随Ha/Hm线性增加，磨损速率很高。
（2） 磨粒形状与粒度。磨粒<临界尺寸，磨损率随磨粒尺寸↑而↑；尖锐型磨粒>多角形>圆形磨粒（磨损速率）
（3） 材料力学性能与微观组织。同硬度条件，A、B耐磨性优于P、M；夹杂、内部缺陷使磨损过程中更易产生剥落，大大降低耐磨性。
（4） 工况与环境条件。湿磨损由于能起到润滑、冷却作用，磨损率稍有下降；在腐蚀介质与高温条件下，磨损速率↑↑
10. 腐蚀分类：
（1） 按原理分：化学腐蚀（金属在干燥的气体介质中或不导电的液体介质中发生的腐蚀，无电流产生）与电化学腐蚀（金属在导电的液态介质中因电化学作用产生的腐蚀，有电流产生）
（2） 按环境不同：湿蚀、干蚀与微生物腐蚀
（3） 按腐蚀形态不同：全面腐蚀与局部腐蚀
第三章
1．机械性清理：借助机械力出去材料表面上的腐蚀产物、油污及其他各种杂物，以获得清洁表面的过程，就称为机械性清理
2．喷砂或喷丸：以压缩空气或机械离心力为动力，将石英砂、铁砂、钢珠或其他硬质材料喷射或抛射材料表面，利用冲击力与摩擦力来清理材料表面的方法
3．脱脂方法：化学脱脂、有机溶剂脱脂、水剂脱脂、电化学脱脂
第四章
1．表面淬火技术：采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到AC3(亚共析钢)或者AC1（过共析钢）之上，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺过程，就称为表面淬火技术
2．表面淬火技术分类：感应加热淬火、火焰淬火、激光淬火、电子束淬火
3．表面淬火技术与常规淬火技术的区别：
（1）提高加热速度将使钢的相变点温度Ac3与Accm大幅度提高，但使Ac1温度升高有限。快速加热还可以使A晶粒及其中的亚结构显著细化。材料经表面淬火后的硬度值比普通淬火后的要高
（2）快速加热下渗碳体难以充分溶解，形成的A成分也相当不均匀。它们包括未溶碳化物、高碳偏聚区、贫碳区。表面淬火处理之前需要经行预先热处理（调质、正火、球化退火处理），是碳化物或自由铁素体均匀、细小的分布，以便有利于快速加热时奥氏体的均匀化。
4． 受控喷丸对材料表面形貌与性能的影响：
（1）对材料表面硬度影响 一般地，弹丸强度或者动能越大，则变形层深度越大，喷丸后零件的表面硬度也越大，弹丸的硬度越高，喷丸强化层深度越深；其他条件相同时，被喷丸零件的硬度越高，则喷丸强化层越浅
（2）对表面粗糙度影响 受控喷丸以后的零件表面痕迹不同于切削加工表面，痕迹没有方向性，有利于增加零件的疲劳强度
（3）对疲劳寿命与康应力腐蚀能力影响 可以提高材料的疲劳寿命与抗拉应力腐蚀能力；对纯铁、1Cr18Ni9Ti不锈钢、20、45钢、40Cr、60Si2Mn钢喷丸后，疲劳强度提高14%~47%，40Cr、60Si2Mn提高幅度最大。
第五章 热扩渗
1. 热扩渗：将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层的工艺，就称为热扩渗技术
2. 渗层形成机理：
（1） 产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面
（2） 建立热扩渗所必需的浓度梯度
（3） 扩渗层生长
4． 影响气体渗碳工艺的主要因素：
（1） 温度与时间
（2） 渗碳气氛
（3） 钢的化学成分
5． 气体渗碳的主要形式：
（1） 滴注式气体渗碳
（2） 吸热式气氛渗碳
（3） 氮基气氛渗碳
6． 气体渗氮：将氮渗入钢件表面的过程称为气体渗氮
7． 碳氮共渗：520~580oc以渗碳为主 氮碳共渗：780~930oc以渗氮为主
8． 碳氮共渗是一种表面硬度高、耐磨损、抗疲劳、尺寸变形小的热扩渗工艺；与渗碳相比，碳氮共渗的疲劳强度、耐磨性、耐蚀性、抗回火稳定性等都更高。
9． 液体热扩渗：将工件浸渍在熔融液体中，使表面渗入一种或几种元素的热扩渗工艺方法称为液体热扩渗。
10． 液体热扩渗根据工艺特点可以分为盐浴法、热浸法、熔烧法。
11． 固体热扩渗：把工件放入固体渗剂中或用固体渗剂包裹工件加热到一定温度保温一段时间，使工件表面渗入某种元素或多种元素的工艺过程。
12． 固体热扩渗特点：设备简单，渗剂配置容易，可实现多种元素的热扩渗，适用于形状复杂的工件，并能实现局部热扩渗；但能耗大，热效率与生产销率低，工作环境差，工人劳动强度大，渗层组织与深度都难以控制。
13． 等离子体热扩渗：利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，形成热扩渗层的工艺过程。
14． 等离子体热扩渗的特点：热扩渗速度快、可控制热扩渗层组织、使易氧化或钝化的金属能进行有效热扩渗、易实现工艺过程的计算机控制。P86
第六章 热喷涂、喷焊与堆焊技术
1． 热喷涂：采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。
2． 热喷涂技术的特点：可在各种基体上制备各种材质的涂层；提提温度低；操作灵活；涂层厚度范围宽。
3． 热喷涂工艺方法：火焰喷涂工艺；电弧喷涂工艺；等离子喷涂工艺；爆炸喷涂与超音速火焰喷涂工艺。
4． 如何选择热喷涂工艺：
a. 涂层结合力要求不高，喷涂材料熔点低于250oC时，选择火焰喷涂工艺；
b. 工程量大的喷涂，采用电弧喷涂工艺；
c. 涂层性能要求高，喷涂高熔点材料时，采用等离子喷涂工艺；
d. 结合强度高、孔隙率低的金属以及金属陶瓷，采用超音速火焰喷涂工艺。
5． 常用热喷涂材料：金属热喷涂材料；陶瓷热喷涂材料；塑料热喷涂材料；热喷涂用复合粉末材料。
6． 热喷涂技术的应用
a． 喷涂耐蚀涂层。采用热喷涂技术可以喷涂耐各种介质腐蚀的保护涂层，如锌、铝、不锈钢、镍合金、蒙乃尔合金、青铜、氧化铬陶瓷涂层等；
b． 喷涂耐磨涂层。热喷涂技术应用于喷涂机械零件表面的耐磨涂层，延长零件的使用寿命，或修复磨损失效的机械零件。如在汽轮机转子、活塞环、主动齿轮轴颈等滑动磨损部位，喷涂各种铁基或镍基耐磨与金涂层。
c． 喷涂耐高温涂层。热喷涂技术用于改善机械零件的抗高温氧化性能。如超音速火箭喷涂Cr3C2—NiCr涂层，在900以下是非常好的耐磨涂层；采用热障涂层隔离金属基体与高温环境，可以有效保持金属构件的力学性能。美国在“探险者”卫星表面喷涂氧化铝保护层；
d． 喷涂功能涂层。热喷涂技术应用于电气工业中，如喷涂屏蔽涂层，用于消除电磁波与无线电波的干扰，同时清除静电放电火花；
e． 喷涂成型。采用热喷涂制造机械零件，如采用电弧喷涂制造冲压塑料与皮革制品件模具、等离子喷涂陶瓷或耐火金属喷嘴、雷达整流罩。
7． 热喷焊：采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙，这就是热喷焊技术。
8． 热喷焊技术特点：
a． 热喷焊层组织致密，冶金缺陷很少，与基材结合强度高；
b． 热喷焊材料必须与基材相匹配，喷焊材料与基材范围比热喷涂窄得多；
c． 热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多；
d． 热喷焊层的成分与喷焊材料的原始成分会有一差别。
第七章 电镀与化学镀
1． 电镀：在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以被镀基体金属为阴极，以欲镀金属或其它惰性导体为阳极，通过电解作用，在基体表面上获得结合牢固的金属膜的表面工程技术。
2． 镀层按性能分类：
a． 防护性镀层
b． 保护装饰性镀层
c． 功能性镀层
3． 电镀溶液基本组成
a． 主盐：析出金属的易溶于水的盐类；
b． 缓冲剂：能保持溶液的pH值在要求范围内；
c． 添加剂：影响金属离子在阴极上析出的成分。
4． 合金电镀：在一种溶液中，两种或两种以上金属离子在阴极上共沉积，形成均匀细致镀层的过程叫做合金电镀。
5． 化学镀：又称无电解镀，指在无外加电流的状态下，借助合适的还原剂，使镀液中的金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。
6． 复合镀按沉积方法分类：
a． 以微粒子为弥散相，是指悬浮于镀液中进行电沉积或化学沉积，称为弥散沉积法；
b． 离子大或重时，让粒子先沉积于基体表面，再用析出金属填补粒子间隙的方法称为沉积共析法；
c． 把长纤维埋入或卷缠于基体表面后进行沉积的方法称为埋置沉积法。
习惯上把弥散沉积法与沉积共析法称为复合镀，把埋置沉积法称为纤维强化复合镀。
第八章 转化膜与着色技术
1． 转化膜技术：通过化学或电化学方法，是金属表面形成稳定的化合物膜层而不改变其金属外观的一类技术。
2． 转化膜形成方法：将金属工件浸渍于处理溶液中，通过化学或电化学反应，使被处理金属表面发生溶解并与处理溶液发生反应，在金属表面上形成一层难溶的化合物膜层。
3． 转化膜的性质与用途：
a． 用于防护与装饰
b． 提高涂膜与基体的结合力
c． 耐磨减摩
d． 适用于冷成型加工
e． 电绝缘性
4． 着色技术：采用化学或电化学方法赋予金属表面不同的颜色并保持金属光泽的工艺。
第九章 涂装技术
1. 涂料的组成
a． 成膜物质： 成膜物质时组成涂料的基础，具有粘结涂料中其它组分形成涂膜的功能，并对涂料与涂膜的性质其决定性作用；
b． 颜料：颜料一般为微细的粉末状有色物质，是有色涂料的一个主要组分，它使涂膜呈现色彩，并具有一定遮盖被涂物件表观的能力，以发挥其装饰与保护作用。颜料还能增强涂膜的力学性能与耐蚀性能，或者为涂膜提供某一种特定功能，如防腐蚀、导电、防延燃等。
c． 助剂：助剂，也称辅助材料组分，是涂料的一个组成部分。助剂不能单独成膜，只可作为一个组分存在于涂膜中，以对涂料或涂膜某一特定方面的性能起改进作用。
d． 溶剂：溶剂作用是将涂料的成膜物质溶解或分散为液态，以便易于施工，施工后又能从薄膜中挥发至大气中，从而使液态薄膜形成固态的涂膜。
第十章 气相沉积技术
1． 物理气相沉积：在真空条件下，以各种物理方法产生的原子或分子沉积在基材上，形成薄膜或涂层的过程。
2． 真空蒸镀时，薄膜形成机理有核生长型、单层生长型与混合生长型。
3． 溅射镀膜:用高能粒子轰击固体表面,通过能量传递,使固体的原子或分子逸出表面并沉积在基片或工件表面形成薄膜的方法。
4． 影响蒸镀过程的状态与参数：
A． 真空度 理想条件下希望尽量减少蒸汽原子与气体分子间的碰撞，使他们到达基材表面后又足够的能量进行扩散 迁移，形成致密度高的纯膜，提高呈膜质量。一般真空蒸镀中的真空度要达到10-2~10-4 Pa.
B． 基材表面状态 ①表面清洁度：油膜 乙醇类物质会污染膜且使结合力显著降低；②表面温度：基材温度低有利于膜的凝聚形成，但不利于提高膜与基材的结合力；③基材表面的晶体结构：基材为单晶体，镀膜也会沿原晶面成长为单晶膜。
C． 蒸发温度 通常将蒸发物质加热，使其平衡蒸发气压达到几帕以上。材料的蒸气压P与温度T关系：lgP=A-B/T A B是与材料性质有关的常数。
D． 蒸发与凝结速率 纯金属或者单质元素的蒸发与凝结速率情况最简单。
E． 基材表面与蒸发源的空间关系 蒸镀膜的厚度分布由蒸发源与基材表面的相对位置以及蒸发源的分布特性决定。
5． 溅射机理：
1) 靶材原子脱离晶格，克服表面势垒，直接发生溅射，并在基材上成膜。
2) 靶材原子产生原位振动，并波及周围原子时靶材温度升高。
3) 靶材原子出现反冲，使周围原子碰撞位移，并如此反复出现多次反冲现象，称为级联碰撞。结果使部分反冲原子到达靶材表面并逸出，完成溅射过程。
6． 常用溅射方法
1) 二极溅射镀膜
2) 射频溅射镀膜
3) 磁控溅射镀膜
4) 反应溅射
5) 三级溅射
6) 脉冲激光沉积
7． 脉冲激光沉积技术优点：
1) 适合高熔点、多组元合金、陶瓷及化合物的沉积；
2) 可以获得高纯度的镀膜；
3) 组织致密、均匀，性能好。
脉冲激光沉积技术问题：
1) 如果在薄膜沉积过程中靶材或者光束静止不动，则获得的薄膜厚度分布将不均匀；
2) 脉冲激光过程中很难避免较大尺寸（一般为微米级）液滴的产生，使膜层的均匀性变差。
8． 离子镀膜特点：
1) 膜层与基材结合力高；
2) 均镀能力强；
3) 基体材料与镀膜材料可以广泛搭配。
9． 等离子体增强化学气相沉积（PECVD）特点：
1) 沉积温度低
2) 膜与基材结合强度高
3) 成膜速度快
4) 可制膜层材料的范围
10． 光化学气相沉积：利用光化学反应的化学气相沉积工艺。
11． 化学气相沉积（CVD）：是一种化学气相生长法。是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物，单质气体通入放置有基片的反应室，借助气相作用或在基片上的化学反应生成所希望的薄膜。
12． 化学气相沉积（CVD）的工艺参数：
A． 温度 T↑，CVD化学反应速度↑，基材表面对气体分子或原子的吸附及他们的扩散加强，故成膜速度↑
B． 反应物供给及配比 原料一般为氢化物，卤化物以及金属有机化合物。通入反应器的原料气体应与各种氧化剂，还原剂按一定的配比混合通入。
C． 压力 在常压水平反应器内，气体流动状态可以认为是层流；而在负压反应器内，由于气体扩散增强，可获得质量好，厚度大及无针孔的薄膜。
13． 外延：外延是一种制备单晶薄膜的技术。
14． 典型外延方法：气象外延法、液相外延法、分子束外延法。
15． 分子束外延（MBE）:将真空蒸发镀膜加以改进与提高而形成的一种成膜技术。
16． MBE的特点：
1) 严格地控制生长过程与生长速率；
2) 膜的组分与掺杂浓度可随着源的变化而迅速调整；
3) 生长速率低；
4) 衬底温度最低，有利于减少自掺杂；
5) 可以随时观察生长的外貌，有利于科学研究；
6) 能有效地利用平面技术，用它制作的肖特基势垒特性达到或超过CVD与LPE制作的肖特基势垒特性。
第十一章 高能束表面改性技术
1． 高能束：由高密度光子、电子、离子组成的激光束、电子束、离子束有一个共同的特点，就是通过特定的装置可以聚焦到很小甚至非常微细的尺寸，形成极高能量密度（103~1012W/cm2）的粒子束（简称高能束）。
2． 常用激光器：二氧化碳激光器、准分子激光器与YAG
3． 激光熔覆技术：采用激光束在选定工件表面熔覆一层特殊性能的材料，以改善其表面性能的工艺。
4． 激光熔覆技术优点：
1) 熔覆层稀释率低,且可以精确控制。可以激光熔覆各种性能优良的材料，对基材表面经行改性；
2) 激光束的能量密度高，作用时间短，基材热影响区及热变形均可降低到最小程度；
3) 激光熔覆层组织致密，微观缺陷少，结合强度高，性能更优；
4) 激光熔覆层的尺寸大小与位置可以精确控制；
5) 激光熔覆对环境无污染，无辐射，低噪声，劳动条件得到较大程度的改善。
5． 激光清洗技术：采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、颗粒‘锈斑或者涂层等附着物发生瞬间蒸发或者剥离，从而达到洁净化的工艺过程。
6． 离子注入技术：将从离子源中引出的低能粒子束加速成具有几万到几十万电子伏的高能粒子束后注入到固体材料表面，形成特殊物理、化学或力学性能表面改性层的过程。
7． 离子注入技术特点：
1) 所有的元素都可以作为注入元素或者添加元素注入到靶材之中；
2) 注入过程不受温度限制，可以根据需要在高温、低温与室温下进行；
3) 可以获得许多与合金相图上并不存在的合金，为研究新材料体系提供了新途径；
4) 可以精确控制掺杂数量、掺杂深度与位置；
5) 注入深度均匀，大面积均匀性好，掺杂杂质纯度高；
6) 不改变工件尺寸，适合于精密机械零件的表面处理。
8． 离子注入的强化机理：
1) 固溶强化效应 依据注入原子的种类及其与基材原子直径比值大小差别，离子注入层的固溶强化机理有间隙固溶强化（比值<0.15）与置换固溶强化（比值>0.15）
2) 晶粒细化效应 一般而言，离子注入层的晶粒尺寸比离子注入前大幅度减少
3) 晶格损伤效应 高能量粒子注入金属表面后，将与基体金属离子发生碰撞，使晶格大量损伤，产生大量空位与高密度位错。注入C，N，B时，将与高密度位错发生作用，产生位错钉扎效应，使注入层表面强度提高。
4) 弥散强化效应 注入C，N，B，且浓度一定时，会与金属形成γ，-Fe4N，ε-Fe3N，CrN，TiN，Be2B，TiC，呈星点状嵌于基材中构成硬质合金弥散相，使机体强化
5) 晶格变换效应 注入元素含量过多，会使基材晶体结构发生转变（如面心立方—体心），导致注入层便面性能发生很大变化。
6) 压应力效应 离子注入处理能把20%~50%的材料加入近表面区，使表面成为压缩状态。这种压缩应力能填实表面裂纹，阻碍微粒从材料表面剥落，从而提高耐磨性。
9． 离子注入改善材料耐蚀、抗氧化性机理：
1) 表面成分的变化
2) 表面组织的变化
第十二章 表面微细加工技术
1． 表面微细加工技术：指那些能够制造微小尺寸元器件或薄膜图形的方法。
2． 光刻工艺：利用照相复制与化学腐蚀相结合的技术，在工件表面制取精密、微细与复杂薄层图形的化学加工方法，就称为光刻腐蚀，简称光刻。
3． 电子束曝光：用具有一定能量的电子束照射抗蚀剂，经显影后在抗蚀剂中产生图形的一种微细加工技术。
4． 离子束曝光与聚焦离子束
离子束曝光：用具有一定能量的电子束照射抗蚀剂，经显影后在抗蚀剂中产生图形的一种微细加工技术；
聚焦离子束：可用于微区成分分析的微细加工技术。
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