表面工程学重点

（5）超音速火焰喷涂 7、热喷涂材料

（1）喷涂材料的分类

热喷涂材料按材料的形态分线材、棒材和粉末三大类。 （2）热喷涂材料的要求

1）热稳定性好，在高温焰流中不升华，不分解(复合粉末）。 2） 有较宽的液相区，使熔滴在较长时间内保持液相。

3）与基材有相近的热膨胀系数，以防止因膨胀系数相差过大产生较大的热应力。 4） 喷涂材料在熔融状态下应和基材有较好的浸润性，以保证涂层与基材之间有良好的结合性能。

（3）热喷涂材料的选材原则

1） 要把实用性、工艺性和经济性结合起来考虑，尽量选择合理的喷涂材料。

2） 对于重要的部件以获得最优涂层性能为准则；不十分重要的部件则以获得最大的经济效益为准则。

3） 根据工件的工作环境选择合适的工作涂层。

4） 为满足喷涂工件的使用要求，可采用复合涂层和梯度涂层。 8、热喷涂工艺流程和质量控制 质量控制要素（4M）：设备（Machine）、材料（Materials）、工艺（Methods）和人员（Man）。

热喷涂工艺流程包括基材表面预处理、热喷涂、后处理和精加工等过程

9、热喷涂技术的应用 （1 ）喷涂耐腐蚀涂层

1)铝、锌及其合金涂层：锌、铝的腐蚀电极电位高于铁，涂层有保护作用，可用于桥梁、铁塔等大型部件的防腐处理(在锌中加铝可提高涂层的耐蚀性能，若铝的质量分数为

30％，则耐蚀性最佳) 。

2)不锈钢涂层：不锈钢电极电位比铁高，易在涂层孔隙处产生电化学腐蚀，所以喷涂后必须封孔处理。

3)塑料涂层：用于化工、食品等行业。 （2）喷涂耐磨涂层

1)涂层硬度超过磨料硬度：如氧化铝陶瓷涂层或镍基、钴基碳化钨涂层。用于轧辊、螺旋送料器等部件。

2）用于修复的涂层：喷涂铁基或镍基耐磨合金涂层 。 （3）喷涂耐高温涂层

1)抗高温氧化的涂层：如超音速火焰喷涂Cr2C3-NiCr涂层；用等离子喷涂氧化铝陶瓷涂层。

2)热障涂层：使金属基体与高温环境隔离，保持金属构件的力学性能。 （4）装饰

（5）喷涂功能涂层 1）生物相容性涂层：在种植体(不锈钢等)表面用等离子喷涂一层生物相容性好的羟基磷灰石涂层，生物组织可以长入涂层中的孔隙中，与种植体形成牢固的结合。 （6）喷涂成型

二、热喷焊的原理、特点、喷焊方法、热喷焊材料、工艺、应用。 1、热喷焊的特点

用热源将涂层材料重熔，涂层内颗粒之间、涂层与基体之间形成无孔隙的冶金结合。 2、热喷焊材料

自熔性合金粉末：利用合金中B、Si元素的作用，获得高质量的喷焊层。B、Si的作用是： （1）降低合金熔点，扩大固液两相区（熔点950～1200℃）。 （2）起到脱氧还原作用。 （3）起到造渣作用。

（4）利用B、Si固溶强化、弥散强化、生成的金属间化合物以及硼碳化合物等，提高合金的硬度和耐磨性。

（5）使自熔性合金有良好的喷焊工艺性能。 3、喷焊方法

（1）火焰喷焊工艺 （2）等离子喷焊

三、堆焊的原理、特点、喷焊方法、热喷焊材料、工艺、应用。 1、堆焊方法

表5—4 常用堆焊方法及其特点 稀释率 熔覆/速度 最小堆焊层 特 点 堆焊方法 －/(%) /(kg·h1) 厚度/mm 氧－乙炔焰堆焊 1~10 0.5~1.8 0.8 设备简单，成本低。火焰温度较低，稀释率小。堆焊层 表面光滑，用于堆焊批量不大的零件。 手工电弧堆焊 30~50 0.5~5.4 3.2 设备简单，成本低，是一种主要的堆焊方法。常用于小型或复杂形状零件的全位置堆焊修复。 10~20 0.5~4.5 2.4 钨极氩弧堆焊 设备简单，堆焊层质量高。 10~40 0.9~5.4 3.2 熔化极气体 成本低，熔覆率高。 保护电弧堆焊 3.2 质量稳定，熔敷率高，劳动条件好，稀释率较大。 埋弧 单丝埋弧堆焊 30~60 4.5~11.3 4.8 用双丝或多丝同时堆焊，熔敷率高，稀释率比单丝低。 自动 多丝埋弧堆焊 15~25 11.3~27.2 堆焊 带极埋弧堆焊 10~20 12~36 3.0 熔深浅，熔敷率高，堆焊层外形美观。 等离子弧堆焊 电渣堆焊 5~15 0.5~3.6 15~75 2.4 15 10~14 适合大型工件厚堆焊层。 稀释率低，外形美观，堆焊零件变形小，易实现自动化。 2、堆焊材料

按合金元素含量分为低合金、中合金和高合金三种。根据材料的碳当量选择最低预热温度。

第七章 电镀和化学镀

一、电镀原理：阴、阳极的电化学反应，电沉积过程（液相传质、电化学还原反应和电结晶）。 镀锌、镀镍、镀铬的原理和应用范围。 1、电镀反应（电化学反应）

在直流电流作用下，镀液中的阴极与阳极发生如下反应

n+

（1）阴极：金属阳离子M在阴极表面得到n个电子而被还原成金属，并沉积在基体表面：

n+

M + ne → M

+

还有副反应：2H + 2e → H2↑

（2） 阳极：在阳极界面上，金属M被溶解，并释放出n个电子生成金属离子：

n+

M → M + ne

－

还有副反应： 4OH → 2H2O + O2↑+ 4e 2、电沉积过程必须经过以下三个步骤：

（1）液相传质：镀液中的水合金属离子或络合离子向阴极以电迁移、扩散和对流方式移动到阴极表面。

（2）电化学还原反应：水合金属离子或络合离子在电极表面去掉周围水合分子后发生得电子的电化学反应，生成金属原子。

（3）电结晶：金属原子被吸附和迁移到阴极表面上的活性部分（能量较低的位置），形核长大成一定晶格的金属晶体。

电镀时，速度最慢的一个被称为整个沉积过程的控制步骤。 3、镀锌 （1）锌在大气中能形成一层致密的氧化膜，阻止锌进一步氧化。镀锌属于阳极性镀层，不仅有机械保护作用，而且还有电化学保护功能。

（2）镀锌溶液分氰化和无氰两大类。根据所用络合剂不同，无氰镀液分为碱性、中性和酸性镀锌液三大类。 （3）镀锌的后处理 1）除氢处理

氢导致镀锌层晶格畸变，内应力增大，产生氢脆。对高强度钢、弹簧钢等必须除氢。除氢温度200～250℃，时间2h。 2）钝化处理

镀锌层在铬酸盐溶液中进行钝化处理，使镀锌层表面形成致密美观的钝化膜，进一步提高镀锌层的耐蚀性和装饰性。

低浓度铬酸盐彩色钝化处理工艺：

3％硝酸出光→白色钝化→清洗→彩色钝化→清洗→热水洗→干燥 4、镀镍

（1）镍在空气中化学稳定性好，可防止大气、弱酸、碱、盐的腐蚀。 （2）镍的标准电极电位比铁正，对底金属仅能起机械保护作用。

（3）镀镍层有孔隙，所以镀镍常采用多层复合镀层，如： Cu/Ni/Cr、Ni/Cr等。 （4）镀镍液分为酸性和碱性两大类。 5、镀铬

（1）铬的电极电位比铁负，但铬钝化膜的电极电位为正，所以铬镀层仅起到机械保护作用。

（2）铬在空气中表面极易钝化，所以镀铬层化学稳定性很好。 （3）镀铬层种类 1）防护－装饰性镀铬：为了提高防护能力需采用多层电镀，如Cu/Cr、Cu/Ni/Cr。 2）功能性镀铬： a硬铬（~1000HV）：用于测量工具和轴类的表面镀层。

b松孔铬：气缸内表面镀层，利用微孔储油提高气缸耐磨性。 c黑铬：用于需要消光又耐磨的零件表面镀层，如光学仪器 二、化学镀镍：自催化作用、非晶态、加热硬化。 化学镀是一个催化还原的过程，还原作用仅仅发生在催化表面上（有时被镀金属本身就是反应的催化剂），反应生成物本身对反应的催化作用（自催化） ，使反应不断继续下去。 1、化学镀镍机理 （1）原子氢态理论

镀件表面（如镍）的催化作用使次磷酸根分解析出原子氢，部分原子氢将镀件表面2+

Ni还原成金属镍，部分原子氢与次亚磷酸根离子反应生成的磷与镍反应生成镍化磷 （2）电化学理论

2+2－+

Ni、H2P0、H吸附在镀件表面形成原电池，在原电池阳极与阴极将分别发生下列反应

2、化学镀镍工艺 （1）镀液温度：温度越高沉积速度越快，但镀层中磷含量降低。温度过高易引起镀液分解。 （2）镀液的pH值：一般4.2～5.0。沉积速度随pH值下降而降低。但pH值>6时，镀液易自发分解。

（3）镀液需经常监测，定期补充镍盐、还原剂等，调整pH值，定期过滤镀液。

（4）镀后处理：化学镀镍是一种无磁性的非晶态镀层，镀层在一定范围内加热，非晶态转变为晶型组织，硬度增加，其它物理性能也发生变化。 三、复合镀。 1、复合镀：

在电镀或化学镀溶液中加入非溶性的固体微粒，使其与被镀金属共沉积形成复合镀层。 复合镀层是由基质金属与分散微粒两相组成，两相之间存在明显的界面。 2、基本原理：

复合镀按沉积方法的不同可分为二种： （1）弥散沉积法（复合镀）：用悬浮于镀液中的微粒进行电沉积或化学沉积。 （2）沉积共析法（刀具、磨具）：将粒子先放置在基体表面，再用析出金属填补粒子间隙。 3、过程

（1）镀液要稳定，不能促使镀液分解（尤其是化学镀）。 （2）微粒的粒径适当，一般0.5~3μm。

（3）镀时要搅拌镀液，使镀液中微粒呈悬浮状态。在沉积的同时将吸附于被镀金属表面的微粒埋入镀层金属中。 4、种类

常用的镀覆金属有镍、钴、铬、铜、锌等。 用于复合镀的固体微粒有两类：

（1）提高镀层的耐磨性：高硬度、高熔点微粒。

（2）用于获得自润滑特性：选用摩擦系数较低的微粒。