表面保护层设计与加工指南

第1章绪言

1.1表面工程技术的概念和内涵1

1.2表面工程工艺技术的近代发展5

1.3表面工程技术的应用6

1.4表面工程学的形成7

1.5表面工程技术与国家可持续发展7

参考文献9

第2章表面形变强化和相变强化层

2.1概述11

2.2表面形变强化层12

2.2.1金属表面形变强化原理13

2.2.2弹丸种类的选择14

2.2.3喷丸强化层设计与加工建议14

2.2.4表面强化工艺特点16

2.2.5可 2100433B

本书是《材料延寿与可持续发展》丛书之一。为了预防与控制引发材料提前失效的腐蚀、摩擦磨损和断裂（疲劳与腐蚀疲劳等），可广泛采用材料表面防护层，包括形变与相变强化、化学与电化学转化膜、热扩散层，以及电镀、热喷涂层、热浸镀、有机涂层、无机漆层、复合涂镀层和气相沉积层等。本书简明地阐述各种保护层的性能、特点、适用范围、不适用范围、相关标准，特别提出了它们的设计与加工指南。

第一章表面工程基础1

第一节表面热力学基础1

一、物理界面1

二、表面自由能2

三、表面厚度3

四、表面热力学函数6

五、金属的力学性能与表面自由能10

第二节二维晶体结构及表面缺陷12

一、二维布拉菲晶格12

二、二维晶列指数12

三、TLK模型（表面台阶结构）13

四、表面结构中的晶格缺陷14

五、固体表面的粗糙性20

六、固体表面的多孔性21

第三节固体表面的吸附22

一、物理吸附与化学吸附的区别22

二、活化吸附理论23

三、分子在表面上的滞留时间25

第四节金属表面的钝化及活化27

一、金属表面钝化现象27

二、钝化理论27

三、金属表面的活化28

第五节荷能粒子和固体表面的交互

作用28

参考文献30

第二章电镀技术及特种电镀加工32

第一节电镀的电化学原理32

一、电镀的基本概念32

二、电镀过程中的计算33

第二节电镀基本理论35

一、金属电沉积35

二、电结晶过程中的晶体生长37

三、电流在阴极上的分布38

四、金属在阴极表面上的分布44

第三节普通电镀45

一、镀铬层的性质和用途45

二、镀铬溶液的种类46

三、防护装饰性镀铬47

四、镀耐磨铬49

五、镀松孔铬49

六、镀黑铬50

七、镀铬、镍添加剂的发展50

第四节合金电镀层加工54

一、概述54

二、镀铜锡合金（青铜）55

第五节复合电镀57

一、复合电镀的沉积机理57

二、复合电镀的条件58

三、复合镀层的分类及应用59

第六节非金属电镀62

一、概述62

二、非金属表面金属化63

三、塑料电镀63

四、玻璃和陶瓷电镀64

第七节电刷镀65

一、概述65

二、刷镀的原理与特点65

三、刷镀电源66

四、刷镀溶液66

五、刷镀工艺简介67

第八节电刷镀铬及其加工67

一、刷镀铬基本原理67

二、阴阳极相对运动影响分析70

三、刷镀铬加工的镀液配方及工艺73

参考文献74

第三章表面化学处理技术75

第一节化学表面清洗75

一、脱脂75

二、表面除锈77

三、不锈钢表面清洗79

四、除垢79

五、化学浸蚀80

六、中和82

七、表面调整82

第二节化学Ni"para" label-module="para">

一、化学镀原理84

二、化学镀的特点84

三、化学镀的热力学和动力学85

四、化学镀镍溶液组分影响86

五、化学镀工艺及镀层形貌90

六、化学镀Ni"para" label-module="para">

第三节化学转化膜技术93

一、概述93

二、化学转化膜的基本原理95

三、化学氧化处理96

四、磷化处理102

五、铬酸盐的钝化处理108

六、草酸盐转化膜111

参考文献114

第四章热喷涂及其喷涂加工技术115

第一节热喷涂技术基础115

一、热喷涂技术定义115

二、热喷涂技术的分类和特点115

三、热喷涂技术的原理116

四、涂层结构117

五、涂层与基体结合机理118

六、基体表面预处理119

第二节火焰热喷涂121

一、火焰喷涂的原理与特点121

二、火焰喷涂设备123

三、火焰喷涂工艺125

四、火焰喷涂常见的问题及预防

措施126

第三节电弧喷涂127

一、电弧喷涂的原理与特点127

二、电弧喷涂设备128

三、电弧喷涂工艺129

四、易氧化材料的电弧喷涂技术130

第四节等离子喷涂技术134

一、等离子喷涂的原理与特点134

二、大气等离子喷涂设备135

三、大气等离子喷涂常见的问题137

四、不同等离子喷涂技术简介137

第五节喷焊技术及加工139

一、氧"para" label-module="para">

二、等离子喷焊141

三、感应重熔144

四、激光熔覆技术145

五、热喷焊加工中常见的问题147

第六节热喷涂材料148

一、热喷涂材料分类和要求148

二、纯金属及其合金喷涂材料148

三、自熔性合金材料153

四、热喷涂用陶瓷材料157

五、热喷涂用复合材料160

第七节塑料粉末喷涂技术162

一、塑料静电喷涂的特点162

二、塑料静电喷涂的基本原理163

三、静电喷涂工艺流程165

四、几种常见的塑料喷涂方法166

五、塑料喷涂粉末168

第八节热喷涂技术的发展170

一、热喷涂制备纳米粉末170

二、热喷涂制备非晶材料172

三、热喷涂制备梯度涂层175

四、在线控制系统进行涂层制备基础

理论研究178

参考文献179

第五章表面沉积加工技术181

第一节表面沉积技术基础181

一、表面沉积分类及特点181

二、表面沉积加工的物理基础182

三、表面沉积层的组织结构183

第二节物理气相沉积技术184

一、物理气相沉积的基本原理、特点

及分类184

二、真空蒸发沉积镀膜技术186

三、溅射沉积技术190

四、离子镀技术198

五、闭合场非平衡磁控溅射离子镀

技术204

第三节化学气相沉积技术208

一、化学气相沉积技术的分类和

特点209

二、化学气相沉积的原理209

三、影响化学气相沉积层质量的

因素210

四、化学气相沉积装置210

五、特种化学气相沉积方法211

第四节等离子化学气相沉积212

一、等离子化学气相沉积原理213

二、PECVD沉积装置214

参考文献216

第六章金属电化学加工218

第一节阳极氧化加工技术219

一、铝的阳极氧化原理219

二、铝及其合金的阳极氧化工艺223

三、阳极氧化膜的染色229

四、氧化膜的封闭与退除232

第二节微弧氧化加工技术234

一、微弧氧化原理235

二、微弧氧化的基本设备237

三、微弧氧化工艺238

四、几种典型的微弧氧化加工242

第三节电化学抛光244

一、电化学抛光的定义及特点244

二、电化学抛光原理245

三、影响电化学抛光效果的因素248

四、电化学抛光工艺及设备250

五、铜和铝材料表面的环保型电化学

抛光加工253

六、电化学抛光技术的研究进展254

参考文献256

第七章表面形变强化技术258

第一节表面形变强化概述258

第二节表面形变强化原理259

一、表面形变强化层的组织结构259

二、形变强化对表面形貌的影响261

三、形变强化层内宏观残余应力对

材料疲劳性能的影响261

四、零件表层的残余压应力的热稳

定性265

五、零件表层的残余压应力在交变

载荷作用下的变化265

第三节喷丸强化技术266

一、喷丸强化原理266

二、喷丸强化设备及弹丸材料267

三、喷丸工艺及其质量控制273

四、喷丸强化技术的应用277

第四节滚压和孔挤压强化技术280

一、滚压和孔挤压强化原理281

二、滚压和孔挤压强化设备282

三、滚压和孔挤压强化的影响因素284

四、滚压和孔挤压强化技术的应用285

第五节机械镀技术286

一、机械镀技术的分类及特点287

二、机械镀层形成原理287

三、机械镀用设备289

四、机械镀工艺290

五、机械镀加工常见的问题及处理

方法291

参考文献291 2100433B

一. 超声波表面加工简述

频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。人类耳朵能听到的声波频率为20～20，000赫兹，所以人耳是听不到超声波的（每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹）。

超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。超声波在清洗方面,医学方面,检验方面,金属焊接，表面加工等方面已经应用开来。

超声波在金属表面加工方面的应用，是通过高频振动的硬质滚轮作用于待加工金属工件表面，使工件表层金属产生塑性变形，在塑性变形的过程中，产生了冷作硬化，达到了改善表面质量的目的。这种表面质量的改善是综合的，既有硬度的提高，又有表面粗糙度降低，同时也弥合了一些微观裂纹，提高了工件的疲劳强度。

超声波利用金属在常温状态下冷塑性的特点，运用超声波对金属零件表面进行无研磨剂的研磨、强化和微小形变处理，使金属零件表面达到更理想的表面粗糙度要求，也可以形象的说是利用超声波将零件的表面熨平；同时在零件表面产生压应力，提高零件表面的显微硬度、耐磨性及耐腐蚀性，延长疲劳寿命。

二. 加工原理

超声波金属表面加工利用金属在常温状态下冷塑性的特点，运用超声波对金属零件表超声波表面加工相比，面进行无研磨剂的研磨、强化和微小形变处理，使金属零件表面达到更理想的表面粗糙度要求，也可以形象的说是利用超声波将零件的表面熨平；同时在零件表面产生压应力，提高零件表面的显微硬度、耐磨性及耐腐蚀性，延长疲劳寿命。

三.设备组成

超声波设备由超声波刀具总成、超声波控制箱等组成，以车代磨！

四.加工过程

在机床上，用普通刀具将工件尺寸加工基本到位后，再用超声波金属表面加工设备的超声波刀具代替原普通刀具加工一遍，即可使被加工工件表面光洁度提高3级以上（粗糙度Ra值可达0.2以下）；表面显微硬度提高20%以上；并大大提高了工件的表面耐磨性和耐腐蚀性。告别磨床、滚压、磨头、砂带磨……

五.超声波表面加工的优势

表面粗糙度直达Ra<0.2μm,镜面效果；

零件表面显微硬度提高20%以上

零件表面耐磨性提高50%

零件表面耐腐蚀性提高40%倍以上

零件疲劳强度提高2倍以上

与传统工艺相比，效率提高3被以上。

六.应用范围

超声波金属表面加工设备可在卧车、立车、磨床、镗床、刨床、球面车床、加工中心等多种机床上使用，以车代磨，达到镜面效果

超声波表面加工设备可加工工件类型外圆，内孔，R弧，曲面，端面，球面等等，例如加工淬火R弧滚轮，柴油机用R弧工件，双向液压杆，车后桥R弧，薄壁铜管，铝盘，轧辊，轴类，镜板等。

超声波表面加工设备可加工的材料包括碳钢、工具钢、合金钢、不锈钢、铸铁、铸钢、铜及铜合金、铝及铝合金、铝镁合金等材料，2100433B

本书系统地阐述了表面工程技术的基础理论，各种实用表面工程技术的基本原理、特点、工艺和应用，以及表面分析和检测技术的内容与方法。