表面工程：改善表面性能，防止设备失效的系统工程

表面工程：改善表面性能，防止设备失效的系统工程

01

表面工程概述

表面现象与表面变化过程在自然界中普遍存在。在工程中，几乎所有的零部件都不可避免地要与环境接触，而直接与环境接触的正是零部件的表面，经常发生腐蚀、磨损、氧化、冲蚀等现象，从而造成零部件的损坏或失效，因此表面是防止设备故障的第一道防线。表面工程就是表面预处理的过程，处理后在表面覆上金属或非金属，以改善表面性能，目的是使物体表面获得装饰性、耐腐蚀、抗高温氧化、减摩、耐磨以及光、电、磁等多种特殊的表面功能。在工程中，它针对产品的典型服役条件，应用表面处理、表面涂覆、表面改性等单一或复合技术，实现基材、界面和表面的最佳组合，获得最佳的表面性能。

02

金属表面强化技术

表面变形强化

表面变形强化是通过机械手段（滚压、喷丸等）使金属表面产生压缩变形，使表面形成硬化层，变形硬化层深度可达0.15-1.5mm。表面变形强化的主要方法有：喷丸强化、表面滚压技术、孔挤压强化。在压缩过程中，变形硬化层将发生以下两种变化：

（1）从组织结构上看，强化层中位错密度极高，晶格畸变较大，在交变应力作用下，异号位错相遇时会相互抵消，同号位错则会相遇，此时虽然强化层中位错密度降低，但会逐渐形成更细小的亚晶粒。

（2）从应力状态看，由于表层与内层金属变形不平衡，当表层金属发生塑性变形并向周边延伸时，会受到内层金属的阻碍，在强化层中形成较高的宏观残余应力。

喷丸强化

喷丸强化又称控制喷丸强化，是将高速的弹丸流喷射到零件表面，使零件表面产生塑性变形，从而形成一定厚度的强化层的过程。由于零件表面存在压应力，当零件受到载荷时，可以抵消部分应力，从而提高零件的疲劳强度。喷丸强化如图1所示。

图1 喷丸工艺示意图

在室温下，工件表面受到细小的硬弹丸高速撞击，使表层在再结晶温度下产生弹性和塑性变形，如图2所示，并呈现很大的残余压应力，因为当每个钢丸撞击金属部件时，就像一根微小的棒击中表面，产生微小的压痕或凹陷。要产生凹陷，金属表面必须被拉伸。在表面之下，被压缩的晶粒试图使表面恢复到原来的形状，形成一个在高压缩力下的半球形，无数的凹陷重叠在一起，形成均匀的残余压应力层，从而提高表面疲劳强度和抗应力腐蚀性能。

图2 喷丸表面塑性变形

喷丸处理还可用于厚度不小于2mm或对尺寸、轮廓要求不精确的中大型金属制品和铸件上去除氧化皮、铁锈、型砂和旧漆膜。喷丸处理是一种冷处理工艺，广泛应用于提高长期处于高应力条件下的金属零件的抗疲劳性能，如航空发动机压缩机叶片、机身结构件、汽车传动系统零件等。

喷丸按喷丸速度不同分为普通喷丸和超音速表面喷丸，超音速喷枪喷出的喷丸速度为300~500m/s，随着零件旋转，可对零件整个表面进行喷丸处理。

（1）喷丸设备

根据弹丸驱动方式，喷丸机可分为机械离心式喷丸机和气动式喷丸机两大类。此外，喷丸机又可分为干喷丸和湿喷丸。干喷丸机的工作条件是：相反，湿喷丸机将丸粒混合成悬浮液，然后喷射，因此工作条件得到改善。

①机械离心式喷丸机弹丸在高速旋转的叶片和叶轮的离心力作用下被加速并抛出，该类喷丸机喷丸功率较小，制造成本较高，主要用于喷丸强度要求高、品种少、批量大、形状简单、尺寸较大的工件，如图3所示。

1-叶轮；2-叶轮转动方向；3-接触叶片之前的抛射物；

4-弹丸输送管；5-漏斗；6-压缩空气；7-喷射管；

8-90°弯喷嘴；9-射弹

图3 机械离心抛丸机

②气动离心式喷丸机以压缩空气为动力，使弹丸加速到较高的速度，然后弹丸撞击工件表面，该类喷丸机通过控制气压，可以控制喷丸的强度，操作灵活，一机可喷多个零件，适用于喷丸强度要求不高、品种多、批量小、形状复杂、尺寸较小的零件，但电耗大，生产效率低，如图4所示。

1-零部件；2-阀门；3-空气过滤器；4-管路；

5-喷嘴；6-导球管；7-储球盒；8-排尘管；9-转换口

图4 气动离心喷丸机

（2）抛射物种类

线切割丸：常用丝径为d=0.4~1.2mm，硬度最好在45~50HRC，组织最好为调质M或B。

铸钢丸：丸粒大小为0.2~1.5mm，退火后硬度为30~57HRC，性脆，消耗量大，但价格便宜。铸钢丸的质量与含碳量有关，一般含碳量为0.85%~1.2%，含锰量为0.65%~1.2%。

玻璃丸：含SiO₂60%，硬度为46~50HRC，性脆，适用于零件硬度低于丸料硬度的场合。

陶瓷弹丸：弹丸硬度较高但脆性较大，喷丸处理后可获得较高的残余压应力。

液体喷丸：包括SiO₂粒子和Al₂O₃粒子。喷丸时，SiO₂粒子与水混合，用压缩空气溅射。

表面滚压技术

表面滚压技术是用球或滚子在一定的压力下滚压或挤压加工件表面，使其产生塑性变形，形成强化层的过程，如图5所示。

图5 表面滚压强化示意图

表面滚压技术的表面改性层深度可达5mm以上，只适用于一些形状简单的平面件、轴类零件及槽类零件等，无法应用于形状复杂的零件表面。表面滚压技术有许多无法比拟的优势，如表面滚压技术只改变材料的物理状态，而不改变材料的化学成分；表面滚压技术所用的工具和工序比较简单，加工效率高；滚压滚压技术是一种无切削加工工艺，加工过程中不产生废屑、废液，对环境污染小，符合“绿色制造”的发展理念；另外，表面滚压技术可以消除切削加工产生的表面应力，使零件表面处于压应力状态。残余压应力不仅可以封闭裂纹尖端，还可以抑制裂纹尖端的扩展，从而进一步提高零件的疲劳寿命。该技术在工业上得到了广泛的应用，并产生了巨大的经济效益。

（1）作用机制

①微观组织机理。金属在切削加工后，表面会留有刀具切削的痕迹，在微观观察下，可见金属表面凹凸不平。滚压加工是一种压力精加工工艺，在刀的作用下，金属表面会发生强烈的塑性变形。根据工程材料有关理论，金属发生塑性变形的基本方式是滑移，即晶体沿一定的晶面和晶向相对另一部分发生滑移。在外力作用下，晶体不断滑移，在变形过程中晶粒逐渐由软取向旋转到硬取向，晶粒间相互制约，阻碍晶粒的变形。由于工业上所用的金属大多为多晶，金属内部晶粒的不断滑移，会使晶粒的位错密度增加，使晶格发生畸变，异号位错相互抵消，同号位错相互抵消，重新排列成更小的亚晶粒。 晶粒越细小，位错密度越高，产生的变形弥散度越大，因而不容易产生局部应力集中，从而显著提高金属材料轧制后的屈服强度和疲劳性能。

②表面质量机理。金属表面的质量常用表面粗糙度来衡量，表面粗糙度是造成应力集中的主要因素之一，粗糙的表面易形成尖锐的切痕，造成应力集中，疲劳源往往出现在应力集中处，在交变应力的作用下，应力集中促使疲劳裂纹的形成和扩展，表面越粗糙，尖锐的切痕越尖锐，应力集中越严重。滚压强化是利用​​滚轮对工件表面的滚压作用，使工件表层金属发生塑性流动，填入原残留的凹陷沟内，从而降低工件表面粗糙度，消除残留刀痕，减少应力集中，从而提高工件的疲劳寿命。

③残余压应力机理。早在20世纪30年代，人们就发现零件表面的残余压应力可以延长工件的疲劳寿命，金属材料表面裂纹扩展的条件是外加交变载荷达到一定限度时(即应力强度达到材料本身的临界应力强度时)。滚压可以减少表面原有的微裂纹，产生残余压应力，从而提高零件的疲劳寿命。

（2）影响轧制效果的工艺参数

影响表面滚压效果的主要工艺参数有滚压力、滚压次数和滚压速度。滚压力是滚轮压在工件表面的力，对工件的疲劳强度影响很大，对它的研究还不够成熟，尚无能准确计算最佳滚压力的数学公式。最佳滚压力还与零件本身强度、零件尺寸、滚轮直径等因素有关，生产中通过工艺试验确定最佳滚压力；滚压次数是指滚轮压在工件同一位置的次数，对工件的疲劳强度影响很大，次数较少时工件表面达不到要求的塑性变形，次数较大时工件就会产生接触疲劳，严重时会导致表面脱落；滚压速度是滚压加工时工件的旋转速度，对工件的疲劳强度影响不大，但影响滚压加工的效率。 速度过高，会引起较大的塑性变形，速度过慢又会降低生产效率，生产中要根据实际情况确定合适的轧制速度。

（3）孔挤压强化

孔挤压强化是利用​​特定的工具（棒材、衬套、开闭模等）对工件的孔壁或周边进行连续、缓慢、均匀地挤压，形成一定厚度的塑性变形层，从而提高表面疲劳强度和抗应力腐蚀性能的一种表面强化工艺。

常用的工艺方法有：棒材挤压、衬套挤压、冲压模具挤压、旋压挤压等，如图6所示。

（a）1-液压机；2-卡盘；3-挤压杆；4-零件；5-底座

（b）1-部件；2-衬套；3-挤压杆；4-拉枪

（c）1-液压机；2-压模；3-零件；4-底座

（d）1-孔臂钻；2-卡盘；3-挤压头；4-部件；5-底座

图6 孔挤压强化的工艺方法

孔挤压强化主要针对对内孔有抗疲劳要求或用其他方法无法达到要求的工件，如飞机上的重要零件；冲压模挤压适用于大型零件、蒙皮等关键受力部位的强化；旋压挤压适用于起落架等大型零件内孔的强化。

等离子扩散技术

等离子体是由大量自由电子和离子组成，是一种近似电中性的电离气体，等离子化学热处理技术又称等离子扩散技术（PDT）或粒子轰击扩散技术，是一种利用低真空环境下气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，引起金属表面成分、组织结构和性能发生变化的过程。

与普通气体热扩散技术相比，离子热扩散具有以下特点：

（1）离子轰击和溅射，会去除工件表面的氧化（钝化）膜或杂质，提高工件表面活性，使其更易于吸附渗入元素，加速热扩散速度；

（2）等离子体可以激活反应气体，降低化学反应的温度；

（3）通过调节工艺参数可以控制热扩散层的结构和厚度；

（4）对环境无污染，是一种环保处理工艺。

等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体，极光、荧光灯、电弧、碘钨灯等属于低温等离子体，而核聚变、太阳核心等属于高温等离子体。

低温等离子体（又称非平衡等离子体）中重粒子的温度接近室温，而电子的温度则高达10³~10⁴K。

气体由绝缘体变成导体的现象叫气体放电。气体放电的条件是：一定的电场强度和气体中带电粒子的存在。

在电场中，带电粒子作定向运动。带电粒子与气体原子之间、带电粒子与电极之间，都发生一系列物理化学变化。即带电粒子之间的碰撞使气体受激发而电离；碰撞使原子中的电子由正常能级跃迁到更高的能级，成为亚稳态的受激发原子；受激发电子回到基态时，以光子的形式释放能量（辉光）。如果带电粒子碰撞的能量很大，就可能把原子中的一个电子撞离原子（电离）。

离子氮化机理

（1）离子溅射氮化模型

高能氮离子轰击阴极，使Fe原子从阴极表面溅射出来，Fe原子与N原子结合生成FeN并重新沉积在工件表面（背散射），亚稳态的FeN按FeN→Fe₂-₃N→Fe₄N的顺序分解，分解出的活性N原子渗入到钢的表面或近表面，同时在钢表面由外向内生成由Fe₂-₃N（ε相）和Fe₄N（γ'相）组成的氮化层，如图7所示。

图7 离子溅射氮化模型

（2）新的离子氮化模型

新型直流离子氮化模型如图8所示，离子氮化装置如图9所示。

图8 新型直流离子氮化模型

1-直流电源；2-真空室；3-工件；4-温控器；

5-真空计；6-真空泵；7-流量计；8-供气系统

图9 离子氮化装置示意图

离子氮化工艺

（1）将清洗过的工件放入离子氮化炉内，抽真空至1Pa左右；

（2）通入少量含氮气体，接通直流高压电源，使气体发光放电；

（3）对被加工工件的表面进行溅射净化；

（4）调整气体压力、电压，加热工件到所需的加工温度，开始氮化；

（5）保温一定时间，使渗氮层达到要求的厚度；

（6）关闭电源，将工件在真空中冷却到200℃以下。氮化后的工件表面呈银灰色。

离子氮化的组织类型及影响因素

氮化是在低于590℃（共晶温度）的温度下进行的，随着氮势的升高，氮化层从外到内组织为：ε→ε+γ'→γ'+扩散层→α扩散层，如图10所示。

图10 氮化后钢的表面组织（560℃×5h）

影响离子渗氮层的主要因素有：

（1）氮化温度：随着温度的升高，氮化层厚度增加。当温度小于550℃时，随着温度的升高，γ'相的比例增加；当温度大于550℃时，随着温度的升高，ε相的比例增加。

（2）氮化时间：氮化初期（

（3）氮化气体：常用的有氨、氮气+氢气等。

（4）氮化气体压力、电压及电流密度：气体压力越大，氮化层越厚；放电功率越大，氮化层越厚；电流密度越大，氮化层越厚。

离子渗氮层性能

评价离子渗氮层性能的指标主要有以下几个方面：

（1）硬度：氮化层的硬度取决于氮化温度、钢中合金元素的类型和钢的品种。

（2）疲劳强度：氮化可以提高工件的疲劳强度，并且随扩散层厚度的增加而提高。

（3）韧性：氮化层中，仅存在扩散层的部分韧性最好，其次是存在单相化合物层（ε相或γ'相）的部分，γ'+ε混合相的部分韧性最差。

（4）耐磨损性：离子氮化与其他渗氮方法相比，对滚动摩擦的耐磨性最好。

常见钢种的离子氮化工艺如表1所示。

表1 常见钢种离子氮化工艺

激光表面处理技术

激光表面处理技术是指利用激光束独特的性能特点对材料表面进行处理，形成一定厚度的处理层，可以显著改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能，从而提高零件和工件的耐磨、耐腐蚀、抗疲劳等性能。是一种高效、成熟的表面处理技术。

特征

（1）经过激光束处理后，材料表面化学均匀性很高、晶粒细小，因而表面硬度高、耐磨性好，在不损失韧性的情况下获得了较高的表面性能。

（2）热输入低，热变形小。

（3）能量密度高，加工时间短。

（4）加工区域可任意选择，如深孔、凹槽等特殊区域均可用激光加工。

（5）该过程不需要抽真空、无化学污染。

（6）激光处理过程中，表层发生马氏体转变，并存在残余压应力，提高了其疲劳强度。

激光表面处理设备

激光表面处理设备包括：激光器、功率计、导光及聚焦系统、工作台、数控系统和软件编程系统。

激光表面处理技术原理及特点

激光是一种相位一致、波长恒定、方向性强的电磁波，激光束通过一系列反射镜和透镜的控制，因此可以把激光束聚焦成一束直径很小的光束（直径只有0.1mm），从而可以获得很高的功率密度（10⁴~10⁹W/cm²）。根据激光强度和辐射时间，激光与金属的相互作用可分为以下几个阶段：光束的吸收、能量的传递、金属组织的改变和激光作用的冷却。

激光表面处理技术是利用高功率密度的激光束以非接触的方式对材料表面进行加热，依靠材料表面的热传导达到冷却的目的，从而实现其表面强化过程。优点包括：

（1）能量传递方便，可对工件表面进行局部选择性强化；

（2）能量作用集中，加工时间短，热影响区小，激光处理后工件变形小；

（3）能加工表面形状复杂的工件，易于实现自动化；

（4）改性效果比常规方法更显著，速度更快、效率更高、成本更低；

（5）通常只能加工一些薄的板材，不适合加工较厚的板材。

激光表面处理后的组织类型

由于激光加热速度极快，相变过程是在很大的过热度下进行的，因此晶核的形核速度很高，由于加热时间短，碳原子的扩散和晶粒的长大都受到限制，因此获得的奥氏体晶粒较小，冷却速度也比使用任何淬火剂都快，所以很容易获得隐针或细针马氏体组织，通过观察组织类型，可以将激光束处理后的钢材分为：低碳钢表面可分为两层：外层为完全淬火区，组织为隐针马氏体；内层为不完全淬火区，保留有铁素体。中碳钢可分为四层：外层为亮白色的隐针马氏体，硬度为800HV，比一般淬火硬度高100以上； 第二层为隐针马氏体加少量屈氏体，硬度稍低；第三层为隐针马氏体加网状屈氏体，加少量铁素体；第四层为隐针马氏体和完整的网状铁素体。高碳钢也可分为两层：外层为隐针马氏体；内层为隐针马氏体加未溶碳化物。铸铁大致可分为三层：表层是熔化、凝固后得到的树枝状组织。结晶，此区域随扫描速度的增加而减小；第二层为隐针马氏体加少量残余石墨及磷共晶组织；第三层是较低温度下形成的马氏体。

激光表面处理技术分类

（1）激光相变硬化

激光相变硬化又称激光淬火，是指用高能量密度的激光束照射工件表面，使需硬化的部位瞬间吸收大量的光能并立即转化为热能，从而使激光作用区温度急剧上升，组织类型迅速转变为奥氏体，经快速冷却后，获得极其细小的马氏体等组织，具有以下特点：

①材料表面可高速加热、冷却，加热速度可达10⁴~10⁹℃/s，冷却速度可达10⁴℃/s，有利于提高扫描速度和生产效率。

②激光淬火处理后的工件表面硬度较高，一般比常规淬火提高5%~20%，处理后可获得极其细小的硬化层组织。

③由于激光加热速度快，热影响区小，淬火应力与变形较小，一般认为激光淬火处理几乎不产生变形，而相变硬化可在表面产生较大的压应力，有助于提高零件的疲劳强度；但对于厚度小于5mm的零件的变形则不能忽略。

④对形状复杂的零件及其他常规方法无法加工的部位，如带有沟槽的零件，可进行局部硬化处理。

⑤激光淬火工艺周期短，生产效率高，且过程易于实现计算机控制且自动化程度较高，可纳入生产线。

⑥激光淬火依靠自身的导热性，由表面向内部传导冷却，不需要冷却介质，对环境没有影响。

污染。

（2）激光熔覆激光熔覆是在激光束作用下，使合金粉末或陶瓷粉末及基体表面迅速加热熔化，在光束撤离时自冷却的一种表面强化方法。其特点如下：

①冷却速度快（可达10⁶℃/s），组织具有快速凝固的典型特征；

②热输入和变形较小，涂层稀释率低（一般小于5%），且与基体呈冶金结合；

③对粉末选择几乎没有限制，特别是在低熔点金属表面沉积高熔点合金时；

④可进行选择性沉积，材料消耗少，性能价格比优良；

⑤ 光束瞄准可在难以接近的区域进行沉积；

⑥该过程易于实现自动化。

（3）激光表面合金化

激光表面合金化是指在高能激光束的照射下，使基体表面薄层与所添加的合金元素发生快速熔化混合，形成厚度为10～1000μm的表面熔层的过程。其速度可达10⁵～10⁸℃/s，相当于快速冷却淬火技术所能达到的冷却速度。由于熔层液中的扩散、表面张力效应等物理现象，材料表面可以在很短的时间内（50μs～2ms）冷却下来，形成具有预定深度和化学成分的表面合金层。

激光表面合金化过程的最大特征是，组成，结构和性能的变化仅发生在熔化区和很小的受影响区域，对底物的热效应可以降低至最小值，并且导致的变形也很小。

熔融深度由激光功率和辐照时间控制，厚度为0.01〜2mm，可以在碱金属的表面上形成。

（4）激光冲击硬化

当短脉冲（数十个纳秒）时，高峰值，高功率密度（> 10W/cm²）激光束照射金属靶标，金属表面吸收层会爆炸并蒸发爆炸，并在高压力（> 1GPA）的质量上产生高温（> 1GPA），当时将一定的压力构成一层，将其构成一定的均应当冲击波的峰值压力超过屈服强度时要处理的材料的动态压力时

激光剥离的特征是应变层的深度，可控撞击区域，对表面粗糙度的影响很少，并且与射击相比，通过激光休克处理获得的残留压力层可以达到1mm，这比 shots pe and Shote pe and pe pe and shote pe of Shote 此外，激光减震可以很好地维持增强位置的表面粗糙度和尺寸准确性。

（5）激光表面无形

激光表面使用激光熔融池的超高速度冷却条件，与某些成分合金表面具有特殊特性相比，与其他非晶方法相比，激光无形的层可以在大型面积上形成大面积，并且可以形成不适的组成部分。

电子束表面处理技术

电子束表面处理是一种使用高能电子梁来轰击材料的表面，从而增加了其温度并改变其组成和结构，从而实现了所需的性能，因此电子束的能量密度可以达到10⁹W/CM的特征。需要在像激光束处理之前进行“涂黑”，因为需要真空条件，所以零件的大小受到限制。

电子束表面处理技术的原理

电子束是一种高能电子流，是由阴极丝产生的，当带电的电子束在高速上飞向高电位的正电极时，它会被加速器加速，并通过电磁镜头浓缩，而电子束的力量非常浓度，并且是一个非常浓度的电子束，并且它是一定浓度的。 。

电子束表面处理设备

电子束表面处理技术由以下五个系统组成：

①电子枪系统发出高速电子流；

②真空系统确保系统要求的真空度；

③控制系统控制电子束的大小，形状和方向；

④当前系统提供高电压调节的电流；

⑤传输系统控制工作台的运动。

电子束表面处理技术的特征

①将工件放在真空室中，没有氧化或脱氧化。

②电子束的能量转化速率约为80％〜90％，能量浓缩，热效率高，并且可以实现局部相变的强化和表面合金。

③由于热量的浓度，热作用点很小，并且在加热过程中形成的热应力很小，因为硬化层是浅的，组织应力很小，并且表面相变的增强变形很小。

④电子束表面处理设备的一次性投资小于激光（约1/3的激光），使用电子束的成本仅为激光的一半。

⑤设备具有简单的结构。

⑥电子束表面处理的应用范围很广。

⑦电子梁很容易激发X射线，因此应注意在使用过程中保护它们。

电子束表面处理技术的分类

电子束表面处理技术的分类如图11所示。

图11电子束表面处理技术的分类

（1）电子束表面相变强

对于具有相变的金属，该过程的关键是参数控制：电子束点的平均功率密度为10⁴〜10⁵W/cm²，加热速率为10³〜10⁵/s，冷却速率可以达到10⁴〜10⁶10⁶/s。

快速电子束固化会导致过度固体溶液的增强并形成超铁矿石，从而增加了硬度并在表面产生残留的压缩应力，从而提高了材料的耐磨性。

（2）电子梁表面再磨处理处理

电子束的再分配可以重新分布合金的化学元素，减少某些元素的微层次，因此可以改善工件的表面性能，因为电子束在真空条件下进行了，因此可以防止表面氧化。

（3）电子束表面合金

通常，W，Ti，B，Mo及其碳化物被选为改善材料耐磨性的合金元素；

（4）电子束表面无形处理

电子束的平均功率密度增加到10 〜10⁷W/cm²，而动作时间缩短到约10-秒，以便在金属基板和熔融表面之间产生大量温度梯度结构具有致密的形态和出色的疲劳和耐腐蚀性。

（5）电子束表面薄层退火

当电子束用作表面薄层退火的热源时，所需的功率密度远低于上述方法，从而降低了材料的冷却速率。

电子束表面加强技术的应用

在通过电子束增强表面后，材料的最外层融化，表面再覆盖层的厚度约为10μm，使表面微硬度降低。对于相对耐磨性增加了5.63倍，轰炸时间越多，受影响的区域越深，微硬度的增加就越大。

电压表面处理技术

EDM表面处理技术的基本原理是，能源的电源通过电极通过电极和10个频率之间产生火花放电，并在电极进入工件表面时熔化导电材料以形成合金的表面强度层，改善工件表面的物理特性。

EDM表面强化层的性能主要取决于基本材料本身和电极材料。

电压表面处理过程

图12是EDM表面处理过程的示意图。如图12（b）所示，当金属融化甚至蒸发时，电极继续接近工件并接触工件，而火花放电停止，而短路电流则流过接触点，使该区域与适当的压力构成，以使材料保持良好。 2（c）；如图112（d）所示，电极将工件留在振荡器的作用下。

图12 EDM表面加强过程的示意图

（1）在高温和高压下的物理和化学冶金过程。基础表面。

（2）高温扩散过程。由于扩散时间非常短，在熔融区和液体固定界面上都会发生扩散过程。

（3）由于热影响区域的急剧而快速的冷却过程，工件矩阵的熔化区域附近的零件经历了草甘膦和马氏体的遗传转化，从而改善了谷物并改善了残留压力。

电动火花表面处理技术的特征

（1）优势

①设备很简单，成本很低；

②增强层和矩阵的组合非常牢固；

③工件的内部没有听到或温度很低，没有组织和绩效变化，工件不会退火和变形；

④低能消耗和减少材料消耗；

⑤处理对象没有限制，特别适合本地处理；

⑥表面加固效应很重要；

⑦可以用来维修穿得太差的工人；

⑧简单操作且易于掌握。

（2）缺点

①表面加固层浅，通常只有0.02〜0.5mm；

②表面粗糙度不会很低；

③很难处理小孔和狭窄的凹槽，表面增强层的均匀性很差。

03

金属表面修饰技术

01

电镀

电镀的定义和原理

电镀是通过电解方式在固体表面上获得金属沉积物的过程。

电镀原理：将工件的负电极连接到直流电源，连接电镀金属和直流电源的正极电极，然后将它们放入金属板上的板溶液中，将金属的反应连接到dc电流，并将金属的电源与金属构成，并将其置于金属底板，并将其转换为dc电流。在工件的表面上，金属离子继续进行电镀。

图 13

电镀的目的：获得与基质材料不同的表面层，并具有特殊的性能以提高表面耐耐性和耐磨性。

涂层的厚度通常是几微米到数十万微米。

镀层的特征：电镀过程更简单，操作条件易于控制，镀层材料宽，成本很低。

电镀分类

电镀层有很多类型，分类如下：如下：如下：

（1）保护层：电镀金属包括锌，镉，锡及其合金，例如锌镍，锌铁，锌锡，锌钛，镍，镍等。

(2)防护-装饰性镀层：这类镀层除要求有较高的耐蚀性外，对表面装饰性也有较高要求如汽车、摩托车、机床、日用品等表面电镀铜镍铬、镍铬、 -layer , three-layer , and - gold.

（3）装饰镀层层：例如，AU和Cu-Zn模仿金涂层，黑色铬，黑色镍镀层层等。

（4）耐磨损和研磨镀层层：例如硬铬镀层，松树孔涂层，Ni-Sic涂层，Ni- ，Ni-Ptfe复合涂层，等等。

（5）电涂层：例如，具有高电导率和氧化的AU镀层，Ag涂层等可以避免增加接触性。

（6）磁镀层层：例如，软磁性性能板层包括Ni-Fe涂层，Fe-Co涂层；

（7）可浸水层：例如，SN-PB涂料，Cu镀金，SN镀层，Ag涂层等可以提高焊接性，并在电子行业中广泛使用。

（8）耐热涂层：例如，Ni-W涂层，Ni电镀，CR板等，高熔点，高温抗性。

（9）修理层：一些高成本的磨损零件或加工超级门诊零件，使用电镀式维修尺寸，可以节省成本并延长服务寿命。

如果将涂层和基质金属之间的电化学性能分为：阳极镀层和阴极涂层。

如果根据涂层的组合进行划分，则可以将涂层分为：单层，例如Zn或Cu层；

如果根据涂层的组成进行分类，则可以将其分为单个金属涂料，合金涂料和复合涂层。

电镀预镀处理和盘后处理

电镀过程通常包括三个阶段：预盘前处理，电镀和拼盘处理：

（1）电镀之前的准备处理

在电镀之前进行准备处理是要获得干净的金属表面，准备最终获得高质量的电镀，主要是脱水，去除生锈，去除灰尘等。这些步骤如下：

1）表面粗糙度满足某些要求，可以通过表面抛光，抛光和其他过程来实现。

2）可以通过溶剂溶解和化学，电化学和其他方法来实现油脱水。

3）除去卸下的去除剂可用于清除生锈。

4）治疗的激活。

（2）镀术治疗

1）在特定的溶液中，化学处理是在镀膜上形成薄膜表面处理方法，并在镀锌后广泛使用。防止氢和灌输。

电镀溶液的基本组成

主盐沉积金属的盐类别包括：单盐，例如硫酸盐，硫酸镍等；

合作剂和沉积金属离子形成成熟的主要功能。

导电盐的作用是提高电镀溶液的导电能力并降低槽端电压的电压并增加过程电流密度。

在弱酸或弱碱性板中，pH值仅是一个重要的过程参数，以有效地控制酸碱平衡。

在电镀过程中电镀过程中，金属离子会连续消耗。

表1镀铬液体配方和过程条件

表2镍电镀溶液的公式和过程条件

特殊添加剂以提高电镀性能并提高电镀的质量，通常会添加一些特殊的添加剂。

（1）照明剂 - 可以增加镀层层的亮度。

（2）大放异彩剂 - 可以改变涂层的结晶状态，完善晶粒，并致密涂层。

（3）-可以提高电镀溶液的微观分配能力，并使底物表面稍微粗糙。

（4）润湿剂 - 可以减少金属和溶液的界面张力，从而可以更好地连接镀层层和底物以减少针孔。

（5）消除压力剂 - 可以减轻涂层应力。

（6）支柱硬化 - 可以增加涂料硬度。

（7）燃烧剂 - 可以消除痕量杂质的影响。

电镀过程的基本步骤

电镀过程的基本步骤包括：液相传递，电化学还原和电晶体。

影响电镀质量的因素

（1板溶液：离子溶解性，pH值；

（2）电镀方法：悬挂板。

（3）存款条件：

①至少两种金属中的一种可以从其盐的水溶液中沉积。

②总矿床的两种沉积物的沉积电势必须非常接近。

02

化学电镀

化学电镀是指使用化学方法恢复金属溶液中的金属离子并沉积在底物表面上以形成底物表面的镀层层。

在化学镀层过程中，通过化学反应直接在溶液中生产了恢复金属离子所需的电子。

替换沉积

使用金属M F（例如Fe）的电势比播种的金属M₂（例如CU）更为负（例如CU）。

接触存款

除了镀金的金属和浸渍的金属M板外，在金属M₁也完全覆盖了金属M₁中，也有第三个金属M₃。

恢复

还原剂释放的自由电子被氧化，将金属离子还原为金属原子的过程称为恢复。

它的反应方程如下：

比例氧化

RN+→2e-+ r（n+ 2）+

金属离子还原

M2 ++ 2E-→M

该项目中提到的化学镀层也主要是指减少沉积化学电镀。

化学电镀的条件是以下方面：

（1）镀层流体中还原剂的还原电位应显着低于沉积金属的电势，以便可以将金属恢复并沉积在基板上。

（2）分布式板溶液在接触催化表面时不会产生自发分解。

（3）调节溶液的pH和温度时，可以控制金属的降低速率以调节镀层速率。

（4）恢复的金属还具有催化活性，因此可以继续进行氧化和还原沉积过程，并且涂层可以连续增厚。

（5）反应产生并不能阻止镀层过程的正常进展，也就是说，解决方案具有足够的使用寿命。

有许多类型的化学镀金金属和合金，例如Ni-P，Ni-B，Cu，Ag，PD，SN，IN，PT，CR，CR和多个共同构成，但是最广泛的化学镀层是化学镀镍的，通常具有良好的腐蚀性，均具有良好的效果。

03

热喷涂技术，热瘀伤技术

使用热能（例如氧气 - 乙炔火焰，弧，等离子体火焰等）使用热喷涂技术和热颠簸焊接技术，以特殊性能（0.1〜10mm）融化涂层材料。

热喷雾技术

（1）热喷雾技术技术的原理和特征

使用各种热源来加热，融化或融化涂料材料，然后使用高速气体分散涂层材料，并以高速将其改进到底物的表面，从而形成涂料的过程，如图14所示。

图14热喷雾的基本过程图

喷雾过程主要包括：喷涂材料的雾化；

（2）涂料材料

喷洒某些涂层，需要满足的条件：在喷雾温度下，不容易分解或挥发。

（3）热喷涂涂层的组合机理

①Plip-mover：熔化颗粒击中了基板的表面，并将其扩散到平坦的液体薄层中。

②冶金结合：底物的涂层和表面被扩散和焊接，称为冶金结合。

③物理组合：当高速运动的熔化粒子的表面在表面上，如果界面两侧的距离在原子晶格常数的范围内，则颗粒由扇形dehua li组合。

（4）涂层的形成过程

①喷雾材料被加热到熔融状态；

②喷涂材料被雾化成微小的熔体滴灌，并且基质的表面高速度撞击。

③在冲击底物表面后变形的高速度颗粒融化，并在冷凝后形成涂层。

涂层的形成过程如图15所示。

图15涂料形成过程的示意图

涂层结构由不同大小的平坦颗粒组成，无限的球形颗粒，混合和毛孔。

热彩带焊接技术

（1）热瘀伤技术的原理和特征

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