表面技术的特点与应用

镀覆方法

操 作

特  点

应 用

表

面

涂

覆

技

术

是利用机械、物理或化学等工艺手段，在工件表面制备一涂层或膜层。其化学成分、组织结构可以和工件材料完全不同，以满足工件表面性能，如耐磨、耐蚀、耐热、抗疲劳、耐辐射、提高产品质量、延长使用寿命、涂层与工件基材的结合强度适应工况要求、经济性好、环境性好为准则。涂层的厚度可以为几毫米或几微米。通常在工件表面预留加工余量，以实现表面具有工况需要的涂层厚度。与表面改性和表面处理相比，其约束条件少，技术类型和材料的选择空间大，因而属于这类的表面技术非常多，应用也最为广泛

电

化

学

沉

积

是由电子直接参加化学反应的表面沉积工艺方法

电

镀

槽镀

是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀工件为阴极，通过电解作用，使镀液中欲镀金属的阳离子在工件表面沉积出来，形成镀层的方法

可沉积单金属，如锌、镉、铜、镍、铬、锡、银、金、钴、铁等数十种；合金，如锌-铜、镍-铁、锌-镍-铁等100多种及复合镀层；可形成较厚镀层，镀层性能不同于工件金属，功能多样，工艺成熟，质量稳定，适合批量生产。因在槽中施镀，需要厂房、镀槽及辅具、废水等配套设备，工件受镀槽尺寸限制，非电镀部分需加保护

制备防护性镀层、装饰性镀层和功能性镀层。功能性镀层有耐磨、减摩、抗高温氧化、导电、磁性、焊接修复性镀层以及工业生产中应用的其他功能性镀层

流镀

用强制手段使电解液高速流过阴、阳极的窄小空间(1～10mm)沉积出镀层的方法

适用于外形简单或规则的工件，电流密度大，生产效率高

但需根据具体工件制作专用设备、夹具或自动控制装置

轴类零件、型材、活塞杆、印刷电路、缸套等镀覆镍、铁、铜、锌、铬、金等

脉冲

电镀

用脉冲电流施镀

脉冲电流有方波、锯齿波等，导通时间短，峰值电流大，可改善深镀能力和分散能力，降低孔隙，提高镀层质量，提高电流效率，但需要大电流脉冲电源

制备金、银、镍等镀层

电铸

用电化学方法将金属沉积在芯膜上，后将两者分离，制出与芯模逆反形状的制品的方法

芯模可用低熔点金属、蜡、石膏等制作，电铸金属常用铜、镍、铁等

制作复制品、冲压模、塑料挤出模、吹塑模、玻璃模、橡胶模及金属箔、网

电刷镀

用吸水材料包裹阳极镀笔，浸满镀液，在阴极工件表面刷涂形成镀层的方法

不用镀槽，设备简单，工艺灵便，镀层种类多，电流密度大，镀积速度快，工件尺寸不受限制，能完成许多槽镀不能完成或不易完成的电镀工作。适于大型零件局部表面处理及对工件进行现场不解体修复

修复零件，制备各种耐蚀、耐磨及功能性镀层

化

学

沉

积

化学镀

在固体表面催化作用下通过水溶液中还原剂与金属离子在界面的氧化-还原反应产生金属沉积的方法

不用外电源，设备简单，镀层致密，孔隙率低，可在复杂表面上沉积出均匀的镀层，容易制取非晶态镀层和特殊功能性镀层，可在非金属基材上沉积；沉积速度慢，常需维持较高操作温度，镀液稳定性低，寿命较短，生产维护较难。均镀能力比电镀好

制备各种耐蚀、耐磨、减摩及功能性镀层。可自催化沉积Ni、Co、Pd、Cu、Au、Ag等十几种单金属镀层和多种合金镀层

气

相

沉

积

是利用气相之间的反应，在各种材料或工件表面沉积单层或多层薄膜，使其获得所需的优异性能。可分物理气相沉积和化学气相沉积。物理气相沉积是在真空条件下，利用各种物理方法将镀料气化成原子、分子或离子化为离子，直接沉积到基体表面的方法。化学气相沉积是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物或单质气体供给基体，借助气相作用或基体表面上的化学反应生成所要求的薄膜；它比物理气相沉积具有更好的覆盖性，可以在深孔、阶梯、洼面或其他复杂的三维形体上沉积

物

理

气

相

沉

积

(PVD)

真空

蒸发

是将工件放入真空室，并用一定方法加热镀膜材料，使其蒸发或升华，飞至工件表面凝聚成膜

薄膜的沉积速率较高，纯度易于保证。工件材料有金属、半导体、绝缘体及塑料、纸张、织物等；镀膜材料有金属、合金、化合物、半导体和一些有机聚合物等。加热方式有电阻、高频感应、电子束、激光、电弧加热等

最适合制备成分较简单、膜纯度要求较高的金属和化合物薄膜。能制备金属磁记录薄膜和热障陶瓷涂层等

溅射

是将工件放入真空室，并用正离子轰击作为阴极的靶(镀膜材料)，使靶材中的原子、分子逸出，飞至工件表面凝聚成膜

溅射镀膜的致密性和结合强度较好，基片温度较低，但成本较高。溅射粒子的动能约10eV左右，为热蒸发粒子的100倍。按入射离子来源不同，分为直流溅射、射频溅射和离子溅射。入射离子的能量还可用电磁场调节，常用值为10eV。比真空蒸镀法制得的膜更为致密，其附着力也较高

制备各种金属和合金薄膜，各种化合物和各种不同物质有机组合而成的多层薄膜，以及宽度达数米、厚度均匀性很高的各种薄膜

离子镀

是将工件放入真空室，并利用气体放电原理将部分气体和蒸发源(镀膜材料)逸出的气相粒子电离，在离子轰击的同时，把蒸发物或其反应物沉积在工件表面成膜

是一种等离子体增强的物理气相沉积，镀膜致密，结合牢固，可在工件温度低于550℃时得到良好的镀层，绕镀性也较好，即使形状复杂的工件也可得到均匀涂覆，沉积速率高，通常为1～50μm/min，而溅射(二极型)只有0.01～1μm/min。可镀材质广泛，可在金属或非金属，包括石英、陶瓷、玻璃、塑料、橡胶等表面上涂覆不同性能的单一镀层、化合物镀层、合金镀层及复合镀层

制备耐磨、耐蚀镀层、润滑镀层、各种颜色的装饰镀层，以及电子学、光学、能源科学所需的特殊功能性镀层

化

学

气

相

沉

积

(CVD)

化学气

相沉积

(CVD)

是将工件放入密封室，加热到一定温度，同时通入反应气体，利用室内气相化学反应在工件表面沉积成膜

其物质源可以是气态、液态和固态，沉积过程包括：①反应气体到达基材表面；②反应气体分子被基体表面吸附；③在基体表面产生化学反应；④化学反应生成物从基体表面扩散。采用的化学反应有：热分解、氢还原、金属还原、化学输送反应、等离子体激发反应、氧化反应等。工件加热方式有电阻、高频感应、红外线加热等。设备和操作费用相对较低，适合于批量生产和连续生产，与其他加工过程有很好的相容性，与其他方法相比，更突出的是它可以在很宽的范围内控制薄膜的化学计量比

可以制备各种涂层，如各种冶金涂层、防护涂层和装饰涂层；粉末、纤维和成形元器件。广泛用于微电子-光电子集成技术、光电子技术、微电子技术、半导体材料以及工具、模具、磨具等

等离子

体增强

CVD

(PECVD)

是依靠等离子体能量激活CVD反应，利用等离子体产生的化学性质活泼的离子和原子团沉积成膜

在热CVD工艺中，CVD化学反应是靠热能激活的，因此沉积温度一般较高，对于许多应用来说是不适宜的。而本法是利用等离子体能量激活CVD反应，因此可以显著地降低衬底的温度，并使许多在热CVD条件下进行十分缓慢或不能进行的反应能够得以进行；其次可以减小由于薄膜和衬底热膨胀系数不匹配造成的内应力；还可提高沉积速率，改善膜厚均匀性，并有利于得到非晶态和微晶态薄膜，两者往往具有独特的优异性能

可制备钝化膜、光学纤维、金刚石膜、类金刚石膜，摩擦、磨损、腐蚀防护等涂层；广泛应用于半导体器件、半导体光电器件、集成电路、切削工具以及电子、热学、工具等方面

激光

CVD

(LCVD)

是利用激光的能量激活CVD化学反应进行沉积成膜

它的沉积机制有两种：①光热解机制，光子加热了衬底，使在衬底发生要求的CVD反应，但其光热分解反应相对于热CVD的优点是可利用激光束快速加热和脉冲特性在热敏感衬底上沉积；②光化学机制，其化学反应是靠光子激活的，因此不需要加热，沉积有可能在室温下进行，但其沉积速率太慢，限制了它的应用

热解LCVD用来制作不同材料的耐氧化、耐蚀和耐磨损涂层；而光解LCVD通常用来沉积电子材料和同位素分离。可有效控制薄膜沉积过程及薄膜尺寸

热

喷

涂

它是将金属、合金、金属陶瓷材料加热到熔融或部分熔融，以高的动能使其雾化成微粒并喷至工件表面，形成牢固的涂覆层

火焰喷涂

是利用乙炔等燃料与氧气燃烧时所释放出的化学能产生热源，喷制涂层

可以喷涂各种金属、非陶瓷、塑料及尼龙等材料，使用设备简单轻便，可移动，价格低于其他喷涂设备，成本低，手工操作，灵活方便。但火焰线材喷涂，由于喷出熔滴大小不均，因而涂层不均匀，孔隙大

除广泛应用于维修工作，加工工件不当的修复外，已大量直接用于新产品的设计，并开发出许多新材料、新涂层，为生物工程新材料、某些领域的压电陶瓷材料、非晶态材料以及宇航技术中应用的防远红外、微波、激光等功能性涂层。一般常用耐磨、耐蚀、耐热、耐氧化以及导电、绝缘等涂层

电弧喷涂

是通过相互呈15°～30°的两根金属丝之间产生的电弧热能将丝材熔化，利用高压气流将熔化的金属雾化喷制涂层

①涂层性能优异。可以在不提高工件温度、不使用贵重底材的情况下获得性能好、结合强度高的表面涂层，是火焰喷涂涂层的2.5倍。②喷涂效率高。单位时间内喷涂金属的重量大，生产效率正比于电弧电流。如：当电弧喷涂电流为300A时，喷Zn，30kg/h；Al，10kg/h；不锈钢，15kg/h，比火焰喷涂提高了2～6倍。③能源利用率达57%，而等离子喷涂和火焰喷涂分别只有12%和13%④经济性好，其费用通常约为火焰喷涂的1/10。设备投资一般为等离子喷涂设备的1/5以下。⑤安全性好。仅使用电和压缩空气。⑥设备相对超音速火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂简单、轻、小，便于现场施工

等离子

喷涂

利用钨极与水冷铜电极之间产生非转移型压缩电弧，获得高温、高压等离子射流进行喷涂

①基体受热温度低(＜200℃)，零件无变形，不改变基体金属的热处理性质，因此，可以喷涂一些高强度钢或一些薄壁的、细长的零部件；②喷焰温度高，可喷涂材料非常广泛，包括金属或合金涂层、陶瓷和一些高熔点的难熔金属，这是燃烧火焰或电弧热喷涂难以达到的；③等离子射流速度高，因此形成的涂层更致密，结合强度更高，特别是在喷涂高熔点的陶瓷粉末或难熔金属等方面更显示出独特的优越性

热

喷

特

种

喷

涂

悬浮液

热喷涂

是采用一定的溶液与喷涂微粉制成悬浮液，以液体为载体将粉末送入热源中实现均匀喷涂

作为载体的溶液可以是水、乙醇等简单的载体溶液，也可以是受热后发生化学反应生成某种物质的金属有机或无机盐类溶液。当完全用金属有机或无机盐类溶液作原料时，可通过化学反应生成目标沉积物质制备涂层，称为液体热喷涂

采用钛酸丁酯乙醇溶液，可以通过反应制备TiO₂涂层。其特点是可以制备纳米结构涂层

激光

喷涂

在工件被一辅助激光加热器加热的同时，用激光束接近工件表面直射，这时需喷的粉末以倾斜的角度被吹送到激光束中熔化黏结到工作表面，形成涂覆层

获得的涂层结构与原始粉末相同，与工件表面结合良好。可喷涂从低熔点到超高熔点的涂层材料

可制备如高超导薄膜、固体氧化物燃料电池的陶瓷涂层等

气体爆

燃喷涂

是一种利用可燃气体混合物有方向性的爆燃，将被喷涂的粉末材料加热，加速轰击到工件表面形成涂层的方法，其涂层结合强度高(可达250MPa)、致密度好(孔隙率0.5%～3.0%)，喷涂材料广泛，工件受热小，不发生相变或形变，操作简便，易于掌握，制备耐磨、耐蚀涂层有独特优势

从航空、航天逐步向冶金、机械、纺织、石油、化工、钻探、造纸、生物、医学等方面发展

超音速

火焰喷涂

(HVOF)

第三代HVOF:火焰功率达100～200kW，可实现高效喷涂，喷涂速率可达6～8kg/h(WC-Co)，为其他轴向送粉枪的2倍，粒子速度可达300～650m/s，高速粒子使涂层产生压应力；粒子与周围大气接触时间短，对喷涂碳化物金属陶瓷能有效避免其分解和脱碳；高速区范围大，可操作喷涂距离大(150～300mm)，工艺性好；火焰温度比等离子喷涂要低很多。因此喷涂WC和硬质合金类效果最佳。其涂层的孔隙率可小于0.5%，结合强度可达150MPa，接近或达到爆燃喷涂层的质量，涂层的耐磨性能与爆燃喷涂层相当，显著优于等离子喷涂层和电镀硬铬层

冷

喷

涂

是采用温度远低于材料熔点的超音速气流(一般低于600℃)，将具有一定塑性变形能力的粉末加速到某一临界速度以上，通过与基体的塑性碰撞实现涂层沉积的方法

①可以避免喷涂粉末的氧化、分解、相变、晶粒长大等

②对基体几乎没有热影响

③可以用来喷涂对温度敏感材料，如易氧化材料、纳米结构材料等

④粉末可以进行回收利用

⑤涂层组织致密，可以保证良好的导电、导热等性能

⑥涂层内残余应力小，且为压应力，有利于沉积厚涂层

⑦送粉率高，可以实现较高的沉积效率和生产率

⑧噪声小，操作安全

喷涂具有一定塑性的材料如纯金属、金属合金、金属陶瓷、塑料以及金属基复合材料等，甚至可以在金属基体上制备较薄的陶瓷功能涂层。不但可制备高硬度、耐磨损、耐蚀、导电、导热、导磁等性能的涂层，也用于快速成形，直接生产零部件

堆

焊

氧-乙炔

火焰堆焊

是用焊接方法把填充金属熔敷在金属工件表面，以满足工艺要求的性能和尺寸的方法

①在各种表面技术中，堆焊的表面(镀)层最厚，特别适合严重磨损工况下工件表面的强化或修复；②堆焊层与工件基材为冶金结合，剥落倾向小，因而容易满足各种要求，适用范围广；③受工件大小、形状的限制小，有利于现场施工；④能堆焊的合金种类多，有铁基、镍基、钴基、碳化钨基和铜基等几种类型，且焊层致密

可制备包覆层、耐磨层、堆积层和隔离层(用于焊接异种或有特殊要求的材料时，防止基材的不良影响等情况)

手工电弧堆焊

气体保护堆焊

埋弧堆焊

等离子弧堆焊

电渣堆焊

电火花堆焊

熔敷

(熔结)

氧-乙炔

火焰熔结

与堆焊相似，也是在材料或工件表面熔敷金属涂层，但用的涂敷金属是以铁、镍、钴为基，含有强脱氧元素硼和硅而具有自熔性和熔点低于基体的自熔性合金

金属表面强化有多种，其中表面冶金强化是常用的一种，它包括四个方面:表面熔化-结晶处理；表面熔化-非晶态处理；表面合金化；涂层熔化，凝结于表面。涂层熔化，凝结于表面，可以是直接喷焊(一步法)，也可以是先喷后熔(二步法)，冷凝后形成与基体具有冶金结合的表面层，通常简称为熔结。与表面合金化相比，特点是基体不熔化或熔化极少，因而涂层成分不会被基体金属稀释或轻微稀释

所用工艺是真空熔敷、激光熔敷和喷熔涂敷等

真空熔结涂层主要用于耐磨、耐蚀涂层、多孔润滑涂层、高比表面积涂层和非晶态涂层，还可熔结成形、熔结钎接、熔结封孔、熔结修复等

真空电

热熔结

激光熔结

电子束熔结

热浸镀

是将工件浸在熔融的液态金属中，使工件表面发生一系列物理和化学反应，取出后表面形成金属镀层

镀层金属的熔点必须低于基体金属，而且通常要低得多。常用的镀层金属有锡、锌、铝、铅、Al-Sn、Al-Si、Pb-Sn等。基体材料为钢、铸铁、铜，以钢最为常用。热浸镀工艺包括表面预处理、热浸镀和后处理三部分。可分为熔剂法和保护气体还原法

提高工件的防护能力和延长使用寿命

表

面

涂

覆

技

术

粘涂

是将二硫化钼金属粉末和纤维等特殊填料的胶黏剂，直接涂覆于材料或工件表面形成涂层的方法

它具有粘接技术的大部分优点，如应力分布均匀，容易作到密封、绝缘、耐蚀和隔热等。且工艺简单，不需要专门设备，通常在室温下操作，不会使工件产生热影响和变形等。能粘涂各种不同的材料。粘涂厚度可以从几十微米到几十毫米。具有良好的结合强度。该工艺适应面广，除可用于一般零件外，突出优点是对无法焊接的工件、薄壁件、复杂件、有爆炸危险的零件，以及需要现场修复的零件也都可使用。粘涂层材料品种繁多，一般由黏料、固化剂、特殊填料及辅助材料等组成

可制备耐磨、耐蚀、耐高温(低温)涂层，密封堵漏涂层，保温、导电、导磁、绝缘、抗辐射等涂层。目前主要用于表面强化和修复

涂

装

是以涂料为原料，通过涂装方法使涂料在被涂工件表面形成牢固的、连续的涂膜，而发挥装饰、防护和特殊功能等作用的方法

通

用

涂

装

刷涂

最简便，所用工具简单，适用各种材质、各种形状的工件的涂装，除极少数流平性较差或干燥较快的涂料不适宜外，大部分油性、合成树脂、水性涂料等都适应；它不受涂装场所、环境条件的限制，应用范围广，但效率低，工作条件差，涂膜外观易出现刷痕

刮涂

主要用于刮涂腻子，修饰工件凹凸不平的表面，工件的造型缺陷，广泛用于铸造成形物等

滚刷

比刷涂效率高一倍，但对窄小的工件和棱角、圆角等形状复杂的部位比较困难，用于船舶、桥梁、大型机械、建筑涂漆

浸涂

适用于形状复杂工件，如热交换器、弹簧等，但对带有深槽、不通孔等部位，能积存余漆且不易除去的工件不宜采用

淋涂

和浸涂差不多，都是用过量的涂料润湿、黏附、覆盖工件表面，并借助涂料自身重力流平，滴去余漆成膜，用于会漂浮不易浸涂的大型板状、中空类的工件，不适于形状复杂和有易存留余漆部位的工件

转鼓涂

是将工件与涂料同置入密闭的鼓形容器中，借助转鼓转动，使工件相互摩擦，将涂料均匀地涂覆在工件表面，用于批量多的小件，如小五金等

压缩空

气喷涂

几乎适应各种涂料和各种工件，虽然目前有许多新的涂装方法，但它仍是应用最广泛的涂装方法之一。简称压气喷涂

高压无

气喷涂

不需要借助压缩空气喷出使涂料雾化，而是给涂料施加高压使涂料喷出时雾化的工艺，涂装效率比压气喷涂高3倍以上，漆膜质量好，避免了压气对漆膜造成的不良影响，减少环境污染，对涂料黏度适应范围广，可获得较厚的漆膜。简称无气喷涂

特

殊

涂

装

静电

涂装

是在喷枪口(或喷盘)与工件之间形成一高压静电场，工件接地为阳极，喷枪口为负高压，当电场强度足够高时，枪口附近的空气即产生电晕放电，使空气发生电离，当涂料粒子通过枪口带上电荷，成为带电粒子，在通过电晕放电区时，进一步与离子化的空气结合而再次带电，并在高压静电场的作用下，向极性相反的工件运动，沉积于工件表面形成涂层。可多支喷枪同时喷涂，与压气喷涂比，效率提高1～3倍(盘式更高)，涂料利用提高1～2倍，可获得均匀、平整、光滑、丰满的高装饰性涂层，并显著改善了涂装作业环境，但存在高压火花放电，易引起火灾危险，尖端效应对坑凹部位会产生电场屏蔽，形成涂层较薄，需手工补喷，对涂料的电性能也有一定要求，并易受环境温度、湿度的影响

可制备高级装饰性涂层

广泛用于汽车、电器、家电、小五金等工业领域

电泳

涂装

是将工件浸渍在水溶性涂料中作为阳极(或阴极)，另设一与其相对应的阴极(或阳极)，在两极间通直流电，通过电流产生的物理化学作用，使涂料沉积在工件表面。分阳极电泳(工件是阳极，涂料是阴离子型)和阴极电泳两种

①两种电泳用的涂料均是与传统涂料完全不同的水溶性涂料体系；用电沉积工艺

②易于实现机械化、自动化，大大减轻了劳动强度，提高了生产率、涂料利用率

③涂层均匀，边缘覆盖性好，有优异的附着力及抗冲击强度

④从根本上改善了劳动条件和环境污染

⑤阴极电泳涂膜耐蚀性突出，其耐盐雾性一般为阳极电泳的3～4倍，达720～1000h，耗电量少30%，泳透力为阳极电泳的13～15倍，适用于形状复杂的工件，如汽车车身的涂装，不需要加辅助电极即可获得厚度均匀的涂层，从而简化了工艺。其缺点是电泳液对设备有腐蚀性，相关设备要用不锈钢制作，成本较高。以环氧树脂为基础的阴极电泳涂层耐候性较差，只能作耐蚀性底漆，若面漆透光性太高，仍易引起底漆粉化，导致面漆剥落，应加中间涂层

流化

床涂装

是先将净化的压缩空气通入气室，气流均压后，通过微孔板进入流化槽中，把槽中的粉末涂料搅动上浮，形成平稳悬浮流动的沸腾状态，再将预热到粉末涂料熔点以上温度的工件浸入槽中，粉末涂料接触到工件立即黏附、熔融在工件表面，然后取出工件加热烘烤，形成连续均匀的涂层

对热塑性和热固性粉末涂料均适应，但对热容量小的工件不一定适用

主要用于绝缘和耐蚀涂层，广泛用于家用电器和生活用品的工业领域

是不改变工件基质材料的化学成分，只改进表面组织结构，达到改善表面性能的目的

表

面

形

变

强

化

喷丸

是利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产生形变硬化层，引进残余应力的一种再结晶温度以下的强化方法

①可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀(孔蚀)能力

②能减弱或消除许多表面缺陷的影响，使表面层浅的缺陷压合，产生超过缺陷深度的压应力层

③设备简单，操作简便，耗能少，生产效率高

④不受工件表面状态的限制。适于各种普通钢、高强度钢和有色金属的表面处理，适应性广

广泛应用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮、轴承、涡轮盘、模具、工具以及焊接件的防腐和延长寿命等方面

滚压

是利用辊轮对工件表面施加滚压力，实现滚压强化的方法。如图a

对于圆角、沟槽等可通过滚压获得表层形变强化，并能产生约5mm深的残余压应力，如图b所示，目前滚压强化用的辊轮、滚压力大小等尚无标准

孔挤

是使孔的内表面获得形变强化的方法，效果明显

表

面

淬

火

感应加热

表面淬火

是将工件放入感应圈内，通以交流电后，圈内形成交流磁场，工件被加热，引起感应电动势，在工件内产生闭合电流，即涡流，在每一瞬间，涡流的方向与感应线圈中电流方向相反，由于工件的电阻很小，所以涡流很大，工件被迅速加热到淬火温度，喷水快冷，形成表面硬化的方法

它具有加热温度高，加热效率高，温度容易控制，可局部加热，适用形状复杂的工件，工件容易加热均匀，表面氧化脱碳小，变形小，便于机械化、自动化，作业环境好等特点

所得表面组织为细小隐晶马氏体，碳化物质点弥散分布，质量稳定，表面硬度比普通淬火高2～3HRC，耐磨性也高了

激光加热

表面淬火

是以高能密度的激光束照射工件表面，使其需要硬化的部位瞬间吸收光能并立即转化为热能，使激光作用区的温度急剧上升，形成奥氏体，并在激光停止辐射后，快速自淬火，获得极细小马氏体和其他组织的高硬化层的方法

它不需外加淬火介质；加热、冷却快；工艺简便易行，一般不需后续加工即可直接装配；并可不回火即能应用；特别适合形状复杂、体积大，精加工后不宜采用其他方法强化的工件；处理的工件表面光滑，变形小，硬化层硬度很高；它可在工件表面有选择性地局部产生硬化带，以提高耐磨性；还可通过在表面产生压应力，提高表面疲劳抗力

电子束加热

表面淬火

是采用散焦方式的电子束轰击金属工件表面，控制加热速度为10³～10⁵℃/s，使工件表面加热到相变点以上、熔点以下时，自身淬火冷却(冷速可以超过10⁵K/s)达到表面硬化

本法所得硬化层的硬度比感应加热、火焰加热等方法所得硬化层硬度高3～4HRC，组织也更加细化。硬化层深度一般为几微米到几毫米，摩擦性能得到大幅度提高，疲劳性能也得到改善

适用于低碳钢、合金结构钢、轴承钢、工具钢以及白口铁和灰铸铁

表面纳米

化加工

是目前已经开发出来的8种实用纳米表面工程技术中的一种

金属表面纳米晶化可以通过不同方法实现。例如，应用超声冲子冲击工艺，可以在Fe或不锈钢表面获得晶粒平均尺寸为10～20nm的表面层。超声冲子冲击450s后，纯Fe表面层的显微组织形成了结晶位向为任意取向的纳米晶相，晶粒平均尺寸为10nm，而Fe的原始晶粒尺寸为50nm

改善表面力学性能使后续渗扩处理节省能源，缩短时间

表

面

改

性

技

术

是通过改变工件表面的化学成分，达到改善表面组织结构和性能的目的

化

学

热

处

理

(表

面

渗

扩)

非金属元素

(如C、N、B、S)表面渗扩

是将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热，使渗入元素的活性原子或离子通过吸附、扩散渗入工件表面中，以改变其表层的成分、组织和性能

①大多数化学热处理形成的表面层与基体没有明显的界面，表面化合物层与其基体为冶金结合，故其结合强度比镀/涂层高得多

②选择合适的渗入元素及改变工艺条件(如温度、时间等)可形成从几十微米到几毫米的渗层深度范围

③一些化学热处理可原位形成表面复合处理层，即表面化合物层及其底下的扩散层，以获得高的表面耐磨性或耐蚀性和很高的承载能力，同时，大多数化学热处理及渗碳、渗氮等，还可以在表面层中引入残余压应力，以提高材料的疲劳强度

④化学热处理与离子注入、气相沉积及高能束等近代表面技术相比，具有成本低、不受工件几何形状和尺寸的限制等优点

但多数传统的化学热处理工艺较复杂，处理周期长，耗能高，有一些化学热处理工艺，特别是液态处理还对环境造成污染，工作条件较差。近年来新工艺不断涌现，在很大程度上，克服了上述不足之处

①可以赋予普通廉价的金属材料以特殊的性能来代替高成本的优质材料或贵重的特种材料

②几种主要方法渗扩不同元素，可以获得下表所列主要功能

金属元素

(Al、Cr、Si、V等)表面渗扩

复合元素

表面渗扩

方法

(元素)

基体

状态

主要功能

方法

(元素)

基体

状态

主要功能

方法

(元素)

基体

状态

主要功能

渗碳(C)

奥

氏

体

提高硬度、耐磨性和疲劳强度

渗硼(B)

奥

氏

体

提高硬度、耐磨性和耐蚀性

渗钒(V)

奥

氏

体

提高硬度、耐磨性及耐蚀性

碳氮共渗

(C+N)

提高硬度、耐磨性和疲劳强度

渗氮(N)

铁

素

体

提高硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性

渗硅(Si)

提高耐蚀性和抗氧化性

铬铝共渗

(Cr+Al)

提高抗高温氧化、硫介质腐蚀性及抗疲劳性

氮碳共渗

(N+C)

提高硬度、抗咬合性、疲劳强度和耐蚀性

渗铝(Al)

提高抗高温氧化及硫介质腐蚀性

硼铝共渗

(B+Al)

提高耐磨性、耐蚀性和抗氧化性

渗硫(碳氮)

[S(C，N)]

降低摩擦，提高抗咬合性及抗疲劳性

渗铬(Cr)

提高抗氧化性、耐蚀性及耐磨性

铬硅共渗

(Cr+Si)

提高耐磨性、耐蚀性和抗氧化性

原则上说表列绝大多数的化学热处理可在固态、液态、气态及等离子态四种渗入介质的任一种中进行，但对于渗非金属来说，目前使用最普遍的是气态及液态，而对于渗金属来说是固态及液态，基于环境及可持续发展的要求，液态处理将逐渐减少，无污染、低能耗的等离子渗扩处理逐渐得到越来越广泛的应用

等

离

子

化

学

热

处

理

离子

渗氮

等离子渗扩处理是利用稀薄气体中的工件(阴极)与炉体(阳极)之间的辉光放电现象进行的化学热处理

离子渗氮具有渗速快、渗层性能好、处理温度范围大、无污染的特点。它与可控气体渗氮相比：①二者都可实现对化合物层厚的控制，防止厚的脆性氮化物形成；②离子渗氮适用材料范围广，由于处理时的溅射，它可以处理表面有钝化膜的奥氏体不锈钢、耐热合金及钛合金等，而可控气体渗氮则难且贵；③离子渗氮对零件形状与装炉要求苛刻些；④对工件的局部保护，离子渗氮用机械屏蔽即可，而气体渗氮则需镀或涂层；⑤离子渗氮的能耗、气耗和废气排放都比可控气体渗氮的少；⑥可控气体渗氮最佳处理温度一般为480～570℃，而离子渗氮过程中，氮的活化是由外加电场控制的，与处理温度关系不大，所以它可以在很宽的温度范围内进行，例如，钛合金离子渗氮时温度可提高到700～900℃，对奥氏体不锈钢低温离子渗氮时温度则为300～450℃

氮、碳、硼、硫等元素都可通过这种处理方法渗入到金属工件表面，从而使工件的表面硬度、耐磨性和疲劳强度得到大幅度提高

离子碳

氮共渗

离子

渗碳

离

子

注

入

非金属

离子注入

是将所需的气体或固体蒸气在真空系统中电离，引出离子束后，用数千电子伏至数十万电子伏进行加速直接注入材料达一定深度，改变表面成分与结构，以改善性能的方法

①离子注入表面改性，注入元素不受材料固溶度限制，适用于各种材料

②注入元素的数量可精确测量和控制，控制方法是监测注入电荷的数量

③离子注入是原子的直接混合，注入层厚度为0.1μm，但在摩擦条件下工作时，由于摩擦热作用，注入原子不断向内迁移，其深度可达原始注入深度的100～1000倍，使用寿命延长。注入元素是分散停留在基体内部的，没有界面，故改性层与基体之间结合强度很高，附着性好。改变注入离子的能量大小，可以控制注入层的厚度

④离子注入是在高真空(10-4～10-5Pa)下进行的，并且靶温可以控制在低温、室温、高温，被处理工件不会受环境污染，在低温、室温处理时不会变形或退火软化

⑤离子注入具有直进性，横向扩展小，可以实现大面积均匀性掺杂

⑥对复杂形状的工件注入有困难

①适宜于零件和产品的最后表面处理；②制作大规模集成电路、大容量磁芯存储器，延长磁头寿命几倍；③可得到许多很难互溶的金属合金相和金属玻璃

金属离子注入

复合离子注入

是指采用化学处理液使金属表面与溶液界面上产生化学或电化学反应，生成稳定的化合物薄膜的处理方法

转

化

膜

技

术

氧化处理

是金属在含有氧化剂的溶液中形成的膜

铝

、铝

合金

有化学氧化和电化学阳极氧化。化学氧化处理液多以铬酸(盐)法为主，其设备简单，不受工件大小限制，氧化膜厚0.5～4μm，质地软，吸附能力好；阳极氧化处理有硫酸法、铬酸法、草酸法、磷酸法、硬质法和瓷质法等，膜厚5～20μm，膜硬，耐蚀、耐热、绝缘及吸附能力更好，硬质法硬度可达400～1500HV，熔点可达2050℃

硫酸法：涂装底层、装饰与防护层；草酸法:电器绝缘、日用品装饰；硬质法:耐磨、耐热、绝缘，如活塞、汽缸、轴承等

钢

铁

等

钢铁氧化以化学法为主，处理液分碱性和酸性，按膜颜色分发蓝和发黑，多在含氧化剂的浓碱中进行，形成厚度0.6～1.5μm以Fe₃O₄为主的膜，后经皂化、填充或封闭处理；镁合金、锌合金的氧化多在重铬酸盐中进行，铜合金氧化多在碱性溶液中进行

钢铁氧化可提高耐蚀与润滑性；镁合金氧化用于装饰及涂装底层；铜合金氧化用于装饰及电器仪表

磷化处理

是金属在磷酸盐溶液中形成的膜

钢

铁

分高、中、低温工艺，漆前磷化用锌或碱金属磷酸盐，防锈磷化用锌、锰或铁的磷酸盐，冷变形前磷化用锌或锰磷酸盐，耐磨磷化用锰磷酸盐，后处理有皂化、填充或封闭等，膜多孔，吸附力好

钢铁防护层，涂装，塑性加工和滑动摩擦副中的减摩，硅钢片绝缘

锌

、铝

锌材磷化常用锌系磷化液

铝及铝合金磷化常用锌系溶液和铬-磷酸系溶液(Alodine法)，其耐蚀性好，应用广泛

锌磷化用于热镀锌、热浸锌等；铝磷化用于塑性变形加工及耐蚀

钝化处理

是金属在铬酸或铬酸盐溶液中形成的膜

铜、锌及其合金

铜及铜合金常用铬酸法、重铬酸盐法、钛酸盐法等进行钝化处理

锌及锌合金的钝化常用于电镀锌及锌基合金的后处理，以铬酸盐法为最普遍，按色彩分为彩色、白色、黑色及草绿色钝化，一般需进行老化后处理

铜钝化用于防护及装饰；锌钝化用于耐蚀、涂装或装饰

不锈钢等

不锈钢钝化用硝酸或硝酸加重铬酸钠，保持原色；镉镀层钝化可参照锌钝化；银钝化可用铬酸盐或有机物钝化液，电化学钝化防变色效果好

不锈钢钝化可提高耐蚀性；银钝化用于防变色

金属着色处理

是通过表面转化形成有色膜或干扰膜的过程

一般着色膜层厚度为25～55nm，其色调与处理方法及膜厚有关。通常可获得黄、红、蓝、绿等色调及彩虹、花斑等多种色彩。杂色色彩的产生，源于膜厚不均匀对光反射过程的影响。处理方法有化学转化法与电化学转化法(通过热处理或化学置换反应也能形成着色膜，以及金属染色处理，即用颜料通过金属表面的吸附作用和化学反应而着色，或通过电解作用使金属离子与染料共沉积而产生色彩，均不属此范围)。钢铁包括不锈钢、铝材及铜等金属材料经不同的着色处理，可呈现不同的色调或色彩

复

合

表

面

技

术

是将两种或两种以上的表面处理工艺方法，用于同一工件的处理，不仅可以发挥各种表面处理技术的各自特点，而且更能显示组合使用的突出效果，使表面性能达到优化，即称复合表面技术，又叫第二代表面技术

复合表面技术已有:复合表面化学热处理、表面热处理与表面化学热处理的复合强化处理、热处理与表面形变强化的复合处理、镀覆层与热处理的复合处理、覆层与表面冶金化的复合处理、离子辅助涂覆、激光、电子束复合气相沉积和复合涂镀层，以及离子注入与气相沉积复合表面改性等

在生产实际中许多方法已获得广泛应用，例如，渗碳淬火与低温电解渗硫复合处理，将工件先渗碳淬火，使表面获得高硬度、高耐磨性和较高的抗疲劳性能，然后渗硫获得复合渗层。渗硫层为多孔鳞片状的硫化物，其中的间隙和孔洞能储存润滑油，具有很好的自润滑性能，降低摩擦因数，改善润滑性能和抗咬合性能，减少磨损。又例如，液体碳氮共渗与高频感应加热表面淬火的复合强化，其表面硬度可达60～65HRC，硬化层深度达12～2mm，零件的疲劳强度也比单纯高频淬火的零件明显增加，其弯曲疲劳强度提高10%～15%，接触疲劳强度提高15%～20%

纳

米

表

面

技

术

是充分利用纳米材料的优异性能，将传统表面技术与纳米材料、纳米技术交叉、综合、融合，制备出含纳米颗粒的复合覆层或纳米结构的表面技术

当前已开发出8种进入实用阶段的纳米表面技术:①纳米颗粒复合电刷镀技术；②纳米热喷涂技术；③纳米涂装技术；④纳米减摩自修复添加剂技术；⑤纳米固体润滑干膜技术；⑥纳米粘涂技术；⑦纳米薄膜制备技术；⑧金属表面纳米化

由于纳米材料的奇异特性，赋予纳米表面技术比传统表面技术更多优越的新特点：

①涂覆层本身性能如抗拉强度、屈服点和抗接触疲劳性能大幅度提高

②涂覆层功能的提升，解决了许多传统表面技术解决不了的问题，如高性能的纳米声、光、电、磁膜反超硬膜的制备；纳米原位动态自修复技术，由于纳米颗粒材料的作用，能够在金属摩擦副表面形成修复薄膜，能够在工作状态下完成金属摩擦副的原位动态修复，延长了工件的使用寿命

③纳米涂层与基材优化组合，使设计选材更有利于节约能源和节约贵重金属

④为表面技术的复合提供新途径，例如，金属表面纳米化，赋予了基材表面层以优异性能，与离子渗氮技术复合，使渗氮工艺由原来的在500℃条件下处理24h，转变为在300℃条件下处理9h