表面工程技術(shù)

ModernSurfaceEngineeringandTechnology

教學(xué)目的通過本課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)地掌握現(xiàn)代表面處理技術(shù)的基本原理；能合理選擇表面工程技術(shù)；解決材料表面硬度、強(qiáng)度、耐磨性與心部強(qiáng)韌性之間的矛盾；充分發(fā)揮材料性能的潛力；延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命和提高產(chǎn)品質(zhì)量。人類很早就掌握了表面技術(shù)為自己的生存和發(fā)展服務(wù)。最早的表面技術(shù)發(fā)明，恐怕要追溯到遠(yuǎn)古人樹葉加身以抵御大自然風(fēng)沙雨雪侵蝕的創(chuàng)舉。這一發(fā)明一直被沿用至今，只不過現(xiàn)代布料已經(jīng)代替了遠(yuǎn)古樹葉，這就是文明。他們發(fā)明的意義不僅僅是寶劍本身，而是用生命譜寫了一曲壯麗的表面滲碳的贊歌，因而受到后人的敬仰！現(xiàn)代，中國(guó)神舟5號(hào)宇宙飛船的發(fā)射成功，也標(biāo)志著中國(guó)的表面工程技術(shù)走向太空層次。

因?yàn)椋瑳]有抗高溫涂層技術(shù)，載人飛船不可能穿過大氣層安全還航；沒有抗輻射薄膜技術(shù)，太陽(yáng)能電池不可能在太空正常工作。

可見，從古代文明到現(xiàn)代文明，人類離不開表面工程。

20世紀(jì)80年代，電子、信息、海洋、航天、先進(jìn)制造等高科技的急劇發(fā)展和對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)改造的迫切需要，英國(guó)搶先提出表面工程概念。一、表面工程學(xué)的產(chǎn)生背景表面工程技術(shù)日益得到重視的主要原因：

1）

社會(huì)生產(chǎn)、生活的需要2）

通過表面處理大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量3）

節(jié)約貴重材料4）

實(shí)現(xiàn)材料表面復(fù)合化，解決單一材料無法解決的問題5）

良好的節(jié)能、節(jié)材效果6）

促進(jìn)了新興工業(yè)的發(fā)展

我國(guó)對(duì)表面工程學(xué)的興起作出了快速反應(yīng)，1987年中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)表面工程研究所在北京成立。

1988年全國(guó)首屆表面工程現(xiàn)狀與未來發(fā)展研討會(huì)召開，同年創(chuàng)辦了《中國(guó)表面工程》雜志。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，從第六個(gè)國(guó)家五年計(jì)劃以來，通過在機(jī)械制造和維修領(lǐng)域推廣應(yīng)用表面工程，取得的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)幾百億元。二、表面工程的現(xiàn)實(shí)意義材料表面失效是零件失效主要原因，帶來驚人的破壞和損失。例如僅腐蝕一項(xiàng)年損失就超過水災(zāi)、火災(zāi)、地震和臺(tái)風(fēng)颶風(fēng)加上恐怖分子所造成損失的總和。

表面工程是抗磨損,抗腐蝕的最積極手段,通過表面強(qiáng)化,防護(hù)來提高零件的使用壽命,減少維護(hù)費(fèi)用和資源耗散.磨損、腐蝕、斷裂是機(jī)械零件工程構(gòu)建的三大主要破壞形式。前二者造成經(jīng)濟(jì)損失占很大比重。磨損：美國(guó)國(guó)家材料政策委員會(huì)向美國(guó)國(guó)會(huì)提出的一份報(bào)告：摩擦磨損引起的損失1000億/年；材料損失約為200億.1983年，前聯(lián)邦德國(guó)調(diào)查，摩擦磨損損失287億馬克；英國(guó)摩擦磨損損失51500英鎊/年；腐蝕：美國(guó)：Battelle實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局1978年調(diào)查：1975年腐蝕損失達(dá)820億美元，4.9%（占國(guó)民生產(chǎn)總值）1995年腐蝕損失達(dá)3000億美元我國(guó)：1983年調(diào)查：400億元/年二、表面工程的現(xiàn)實(shí)意義腐蝕磨損均是發(fā)生于機(jī)件表面的材料流失過程，其他形式的失效過程有許多也是從表面開始→延緩和控制表面破壞→促進(jìn)表面工程學(xué)的發(fā)展與形成。表面工程學(xué)圍繞腐蝕、摩擦與磨損和功能特性（聲，光，磁，電的轉(zhuǎn)換）三大因素成為80年代重點(diǎn)發(fā)展的7項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一，形成表面工程學(xué)。二、表面工程的現(xiàn)實(shí)意義應(yīng)用實(shí)例汽車輕量化→鋁合金→表面耐磨問題突出→表面耐磨涂層火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管內(nèi)壁和燃燒室：需承受2000～3300℃溫度和巨大的熱焰流沖擊應(yīng)用實(shí)例3人造衛(wèi)星在宇宙中的溫度控制：?jiǎn)栴}：衛(wèi)星表面受太陽(yáng)照射的一面溫度可達(dá)+200℃，沒有被太陽(yáng)照射的一面溫度可低到-200℃應(yīng)用實(shí)例4航天飛機(jī)外殼了要防熱材料和涂層：如美國(guó)洛克希德導(dǎo)彈與航天公司了一種LI-900全氧化硅絕熱氈特性：1）

重量輕，整個(gè)體積的95%都是空的。2）

為防水、耐蝕以主散熱，表面加涂了一種碳化硅涂層，該涂層可把90%的入射熱反射掉，而剩下10%幾乎都被氧化硅氈所隔絕。應(yīng)用實(shí)例5在太陽(yáng)能的利用中，必須利用涂層來吸收太陽(yáng)光譜中所有波段的能量。如用電子束蒸鍍的金屬陶瓷層Co-Al2O3作為太陽(yáng)能吸熱器，使對(duì)太陽(yáng)能的吸收率可達(dá)95%表面技術(shù)倍受重視的原因表面新技術(shù)的出現(xiàn)之所以受到重視，不僅僅在于重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，這是因?yàn)椋?）

材料物理、化學(xué)性能及其變化都從表面開始；2）隨著器件的微型化，表面/體相的原子比增大，會(huì)出現(xiàn)許多新的特性；3）材料表面的研究是許多高新技術(shù)的理化基礎(chǔ)等。世界各發(fā)達(dá)國(guó)家均對(duì)表面工程高度重視：如美國(guó)工程科學(xué)院早在幾年前為美國(guó)國(guó)會(huì)提供的2000年前集中力量加強(qiáng)發(fā)展的9項(xiàng)新科學(xué)技術(shù)中，有關(guān)材料方面的僅有材料表面科學(xué)與表面技術(shù)的研究。三、使用表面技術(shù)的目的（1）

提高材料抵御環(huán)境作用能力。（2）

賦予材料表面某種功能特性。包括光、電、磁、熱、聲、吸附、分離等等各種物理和化學(xué)性能。（3）

實(shí)施特定的表面加工來制造構(gòu)件、零部件和元器件等。四、表面技術(shù)的內(nèi)涵表面改性技術(shù)：指通過改變表面成分和組織達(dá)到所需的功能。如離子注入、表面滲碳、輝光氮化、感應(yīng)淬火等。表面沉積技術(shù)：指通過原子層面的堆積過程形成薄膜。如PVD、CVD、PEP、電沉積等。表面涂敷技術(shù)：指通過宏觀堆積過程形成涂層。如熱噴涂、堆焊、涂料涂裝等。表面硬化技術(shù)：指通過塑性變形達(dá)到強(qiáng)硬化。如表面噴丸、爆炸強(qiáng)化等。表面工程技術(shù)的主要目的：就是在于通過表面處理使材料表面按人們希望的性能進(jìn)行改變。具體說：表面工程技術(shù)是在不改變基體材料的成分、不削弱基體材料的強(qiáng)度的條件下，通過物理手段或化學(xué)手段賦予材料表面以特殊的性能，從而滿足工程技術(shù)上對(duì)材料提出的要求的技術(shù)。表面工程技術(shù)的作用就是改善或賦予表面各種性能四、表面技術(shù)的內(nèi)涵表面工程另一技術(shù)特點(diǎn)是基材與鍍覆材料選擇范圍很廣，具有極大的靈活性。通過采用不同的處理工藝，能在金屬、有機(jī)、無機(jī)材料的基體表面制備單金屬、合金、陶瓷、有機(jī)高分子材料、類金剛石、非晶態(tài)等多種單一材料或復(fù)合材料的表面層，充分利用各種基材-涂層組合的特點(diǎn)設(shè)計(jì)新的功能，滿足產(chǎn)品特種功能或綜合功能多種使用要求。四、表面技術(shù)的內(nèi)涵五、表面技術(shù)的分類按學(xué)科特點(diǎn)將表面技術(shù)大致劃分為三個(gè)方面：

1）

表面合金化：包括噴焊、堆焊、離子注入、激光溶敷、熱滲鍍等。2）

表面覆層與覆膜技術(shù)：包括熱噴涂、電鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化處理、化學(xué)鍍、氣相沉積、涂裝、堆焊、金屬染色、熱浸鍍等。3）

表面組織轉(zhuǎn)化技術(shù)：包括激光、電子束熱處理技術(shù)以及噴丸、輥壓等表面加工硬化技術(shù)。按表面層種類分類之二無機(jī)覆層：在基體表面涂覆玻璃搪瓷、水泥、陶瓷和琺瑯等無機(jī)材料。轉(zhuǎn)化覆層：鋼、鋅、鋁或鎂、鈦等金屬表面經(jīng)化學(xué)或電化學(xué)處理產(chǎn)生的金屬化合物覆層，有氧化物、磷酸鹽、鉻酸鹽等覆層。五、表面技術(shù)的分類按表面層功能特性分類之二熱功能：耐熱、抗高溫氧化、熱絕緣、熱輻射、高溫封嚴(yán)等。光、電、磁特種功能：反光、滑光、吸收、超導(dǎo)、導(dǎo)電、絕緣、半導(dǎo)體、電磁屏蔽等。其他特種功能：吸波、紅外反射、太陽(yáng)能吸收、輻射屏蔽、催化、生物功能等。五、表面技術(shù)的分類按工藝方法分類之一電化學(xué)方法：利用電極反應(yīng)，在基體上形成鍍覆層，如電鍍、陽(yáng)極氧化等?；瘜W(xué)方法：利用化學(xué)物質(zhì)的相互作用，在基體表面形成鍍覆層如化學(xué)鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化等。熱加工法：利用高溫條件下材料熔融或熱擴(kuò)散，在基體表面形成鍍、滲層，如熱浸，表面合金化等。五、表面技術(shù)的分類按工藝方法分類之二高真空法：利用材料在高真空下氣化或受激離子化而形成表面鍍覆層，如真空蒸發(fā)鍍、濺射鍍、離子鍍等。其他物理方法：如機(jī)械鍍、涂裝、激光表面加工等。五、表面技術(shù)的分類按作用原理分類之一原子沉積：沉積物以原子、離子、分子和粒子集團(tuán)等原子尺度的粒子形態(tài)在材料表面上沉積形成外加覆蓋層，如電鍍、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積。顆粒沉積：沉積物以宏觀尺度的顆粒形態(tài)在材料表面上形成覆蓋層，如熱噴涂等。五、表面技術(shù)的分類按作用原理分類之二整體覆蓋：包覆、粘結(jié)、浸鍍、涂刷、堆焊等。改性處理：化學(xué)轉(zhuǎn)化、離子注入、離子滲、擴(kuò)散滲、激光表面處理、熱加工相變硬化、表面機(jī)械處理強(qiáng)化（噴丸、滾壓）等五、表面技術(shù)的分類六、表面工程常用工藝表面化學(xué)法預(yù)處理：溶劑清洗，堿洗，堿蝕，酸洗，酸蝕，乳化液清洗，化學(xué)拋光，電解拋光，電解清洗等；清潔表面（去油、銹、氧化皮）滿足表面光亮、粗化或其他要求表面均一表面機(jī)械法精整：噴砂、噴丸、磨光、拋光、刷光、滾光等清理表面雜質(zhì)表面均一及粗化表面強(qiáng)化（噴丸硬化）六、表面工程常用工藝熱加工相變硬化：火焰加熱硬化、激光淬火、電子束硬化等提高表面硬度與耐磨性（不改變基體表面化學(xué)成份）熱化學(xué)（擴(kuò)散）表面改性：滲碳、碳氮共滲，滲氮、滲硫與多元共滲，滲硼及多元共滲，滲金屬及復(fù)合滲，激光表面合金化，熱浸鋅、鋁等提高耐蝕、耐熱、耐磨及抗疲勞性能六、表面工程常用工藝化學(xué)法鍍覆：化學(xué)鍍，溶膠一凝膠法，磷酸鹽處理，（磷化）鉻酸鹽處理（鉻酸鹽鈍化）草酸鹽處理，鋼鐵氧化（發(fā)蘭）等防護(hù)裝飾改善耐磨性能冷變形加工潤(rùn)滑六、表面工程常用工藝電鍍：常規(guī)單金屬鍍，復(fù)合電鍍，合金電鍍，脈沖電鍍，高速電鍍，激光電鍍，刷鍍等防護(hù)裝飾提高減摩耐磨性能制備特殊功能金屬鍍層（光、電、磁、可焊性等）六、表面工程常用工藝陽(yáng)極氧化：鋁及鋁合金陽(yáng)極氧化，鎂及鎂合金陽(yáng)極氧化，鈦及鈦合金陽(yáng)極氧化等防護(hù)裝飾提高喊摩耐磨性能制備特殊功能膜（耐熱、絕緣、太陽(yáng)能吸收等）六、表面工程常用工藝有機(jī)涂裝：浸涂，淋涂，幕簾淋涂，輥涂，電泳涂裝，自泳涂裝，靜電涂裝，噴涂，流化床涂覆等防護(hù)裝飾耐腐蝕制備特種功能有機(jī)涂層（隔音、減震、隔熱、耐油、防火、電絕緣、防污等）六、表面工程常用工藝熱噴涂：火焰噴涂，電弧噴涂，等離子噴涂，爆炸噴涂，粉末等離子堆焊等制備耐蝕，耐磨，減摩，隔熱，導(dǎo)電，絕緣，可磨耗封嚴(yán)等多種功能涂層六、表面工程常用工藝物理氣相沉積（PVD）：蒸發(fā)鍍，濺射鍍，離子鍍等制備裝飾性，耐磨，耐蝕及光，電，磁等功能薄膜化學(xué)氣相沉積（CVD）：常壓化學(xué)氣相沉積，低壓化學(xué)氣相沉積，激光化學(xué)氣相沉積，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積，等離子體化學(xué)氣相沉積等制備耐磨，抗氧化，抗腐蝕固態(tài)薄膜，適用于復(fù)雜零件及難熔金屬、石墨、陶瓷等基體材料零件處理，可沉積難熔金屬六、表面工程常用工藝離子注入表面改性：氮離子注入（單一氣體注入），等離子源離子注入，離子輔助鍍膜等制備金屬成形刀具、模具耐磨硬質(zhì)涂層緩蝕材料防銹（封存防銹）：水劑防銹，油脂防銹，氣相防銹，可剝性塑料防銹，防銹切削液等整機(jī)設(shè)備及機(jī)械基礎(chǔ)件（包括原材料，毛坯件）在運(yùn)輸、儲(chǔ)存及加工工序間周轉(zhuǎn)過程中防銹六、表面工程常用工藝其他：包覆、襯里、搪瓷涂覆、離心澆注、料漿噴涂、機(jī)械鍍等制備耐化工腐蝕厚覆層及耐蝕鍍層（機(jī)械鍍）六、表面工程常用工藝七、表面技術(shù)的廣泛涵義1）

表面技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用理論。2）

表面處理技術(shù)。它又包括表面覆蓋技術(shù)、表面改性技術(shù)和復(fù)合表面處理技術(shù)三部分。3）

表面加工技術(shù)。4）

表面分析和測(cè)試技術(shù)5）

表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)。一、表面技術(shù)應(yīng)用的廣泛性和重要性二、表面技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料以及工程構(gòu)件和機(jī)械零部件上的應(yīng)用主要起：防護(hù)、耐磨、強(qiáng)化、修復(fù)、裝飾等。七、表面技術(shù)的廣泛涵義三、表面技術(shù)在功能材料和元器件上的應(yīng)用光學(xué)特性、電學(xué)特性、磁學(xué)特性、熱學(xué)特性、化學(xué)特性、工能轉(zhuǎn)換磁記錄材料、雙金屬、防護(hù)涂層。四、表面技術(shù)在人類適應(yīng)、保護(hù)和優(yōu)化環(huán)境方面的一些應(yīng)用抗菌滅菌TiO2,生物醫(yī)學(xué)材料。七、

表面技術(shù)的發(fā)展材料表面改性和強(qiáng)化問題引起國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)界的極大關(guān)注，學(xué)術(shù)研究異常活躍，舊的工藝被不斷革新，新的工藝技術(shù)相