表面工程实验指导书

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1、《表面工程基础》实验指导书（试行本）冷培榆编2003年12月12实验一表面处理显微组织观察一、实验目的1.熟悉常用表面处理工艺种类和基本原理2.观察表面渗层和表面镀层的组织和结构二、概述材料表面工程是一门新兴学科，涉及许多领域，涵盖面和影响面非常广，几乎涉及社会生产、生活的各个方面。它对于机械产品的表面保护和表面强化，对于提高零件的使用寿命和可靠性，对于改善机械设备的性能、质量，增强产品的竞争能力，推动高新技术的发展，对于节约材料、节约能源等都具有重要意义。表面工程技术主要指表面改性技术，主要目的在于通过表面处理在不改变基体材料的成分、不削弱基体材料的强度的情况下，赋予材料表面以特殊的性能。

2、材料表面工程技术按工艺特点分为电镀、化学镀、热渗镀、气相沉积、表面热处理、形变强化、高能束表面改性等13个大类。电镀是一种用电化学方法在镀件表面上沉积金属覆层工艺，目的在于改善材料的外观，提高材料的各种物理化学性能，赋予表面特殊的耐蚀性、耐磨性、装饰性、焊接性及电、磁、光学性能等。它的特点是设备简单，操作易于控制，镀层材料广泛，成本较低，工业中广泛应用。常用的有镀镍、镀铜、镀银等。12电刷镀是电镀的一种特殊形式，它不用镀槽，只需在不断供应电解液的条件下，用一支镀笔在工件表面上进行擦拭，从而获得电镀层。它的特点是技术设备简单，操作容易，镀层结合牢固，主要用于机械设备维修，改善零部件的表面理化性

3、能。化学镀，水溶液中金属离子按M2++2eM还原反应形成无外电源沉积。化学镀层具有良好的耐蚀性、耐磨性、钎焊性及其它特殊的电学或磁学等性能，广泛应用于电子、石油、化工、航空航天、核能、汽车、印刷、纺织、机械等工业中，可镀覆的金属和合金常用的是化学镀镍和化学镀铜。化学镀镍合金中最常用的是Ni-P和Ni-B合金，化学镀镍层具有高的强度和弹性模数，塑性较差，但可完全弯曲，而不破坏。Ni-P合金镀层，热处理后硬度可达1000HV100，Ni-B合金镀层热处理后最高硬度1200HV100，特殊处理硬度更高。同时具有良好的耐磨性、耐蚀性、结合力。化学镀铜，镀层为纯铜，广泛用于非导体材料表面金属化，作电镀

4、的底层和电子仪器的电磁屏蔽层等。复合镀是将固体微粒子加入镀液中与金属或合金共沉积，形成一种金属基的表面复合材料的过程。它能够提高镀层的耐磨性、减摩性，但耐蚀性较低。热喷涂是一种用专用设备把某种固体材料熔化并加速喷射到机件表面上，形成一特制薄层，以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的新兴材料表面科学技术。12物理气相沉积（PVD）包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀膜等多种，其中离子镀膜是在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片表面和膜层的镀膜技术，如高速钢表面镀TiN，以提高耐磨性。高能束表面改性是近十几年来迅速发展起来的材料表面新技术，是材料科学的最新领域之一。激光相变获得的淬火层硬度高、变形小、耐磨性

5、能好。激光表面合金化就是把合金元素、陶瓷等粉末以一定方式添加到基体金属表面上，通过激光加热使其与基体表面共熔而混合，形成表面特种合金层，提高工件表面的耐磨、防腐等性能。激光表面熔覆是在金属基体表面上预涂一层金属、合金或陶瓷粉末，在进行激光重熔时，控制能量输入参数，使添加层熔化并使基体表面层微熔，从而得到一外加的熔覆层。它与激光表面合金化的区别是避免了熔化基体对添加层的稀释，可获得具有原来特性和功能的强化层。而目前最广泛应用的工件表面渗层是通过化学热处理来实现的。化学热处理是将钢件在含有活性元素的介质中加热一定时间，使合金元素渗入表面层或形成某种化合物的覆盖层，以提高钢件的强度、耐磨性、抗蚀性

6、、疲劳抗力或接触疲劳抗力等性能的工艺方法。常见的有表面渗碳、渗氮、碳氮共渗等。表面渗碳是将低碳钢（0.1-0.3%C）或低碳合金钢在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层，在保持心部高韧性的条件下获得高硬度的表面层，从而提高工件耐磨性和疲劳强度。常用的渗碳温度为900-950℃，表面层的碳浓度为0.8-1.2%，层深为0.5-2.0毫米。12渗氮就是在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面，以提高工件的硬度、耐磨性、疲劳强度及红硬性等的化学热处理工艺。常用的温度是450-600℃，渗氮层深度较薄（0.2-0.7毫米）。渗氮后无需进行任何处理，表面硬度600-1200HV，可保持到500℃。碳氮共渗

7、是在一定温度下将碳、氮渗入工件表层奥氏体中并以渗碳为主的化学热处理工艺。还有一类液体氮碳共渗，也称软氮化，它是在盐浴中同时渗入氮和碳，并以渗氮为主的化学热处理工艺。渗硼是将硼元素渗入工件表层的化学热处理工艺，它可获得极高的表面硬度（1500-2000HV）、耐磨性、红硬性（900-950℃）以及在盐酸、硫酸及碱中高的抗蚀性。三、实验内容及实验方法指导观察下列显微样品，并画出组织示意图。序号表面处理工艺1表面渗