《神奇的表面工程》

全校通選課一、開課目的1.1、表面工程技術發(fā)展概況磨損、腐蝕、斷裂是機械零件工程構建的三大主要破壞形式。前二者造成經濟損失占很大比重。數(shù)據磨損美國：美國國家材料政策委員會向美國國會提出的一份報告：摩擦磨損引起的損失1000億美元/年；德國：據調查，摩擦磨損損失1287億歐元/年；英國：摩擦磨損損失51500英鎊/年；1.2、表面工程學的定義表面工程學圍繞腐蝕、摩擦與磨損和功能特性（聲，光，磁，電的轉換）三大因素，成為重點發(fā)展的關鍵技術之一，形成表面工程學。定義為滿足特定的工程需求，使材料表面或零部件表面具有特殊的成分，結構和性能(或功能)的化學，物理方法與工藝。內涵擴展表面工程技術所涉及的基材包括幾乎所有的工程材料，如金屬、陶瓷、半導體材料、高分子材料、混凝土、木材和各類復合材料等，所涉及的工藝方法數(shù)以百計，各具特點。經過內涵擴展以后的表面工程技術，由單純的表面改性擴展到表面加工和合成新材料等領域，涵蓋材料科學、物理、化學、冶金、機械、電子與生物等領域，成為新型的、名副其實的交叉學科。表面工程對制造業(yè)的技術創(chuàng)新提供了必要的工藝支持；表面工程與機械維修創(chuàng)新；“再制造”觀念表面工程為高新技術產業(yè)的發(fā)展提供了工藝及材料支持；表面工程與節(jié)約能源、資源；表面工程與人民生活的改善。1.4、推廣表面工程的意義1.5、學習本課程的目的我希望選修該課程的同學：找一找自己接觸的機電產品中哪些部位應用了表面工程技術；評價一下效果是否合乎自己的想象；哪些產品和部位通過應用表面工程技術還有創(chuàng)新的余地。

我們--理工科院校的學生--必須了解和掌握表面工程的相關知識。開闊視野，擴大知識面二、課程主要內容1. 神奇的表面工程概論；（2學時）2. 使零件表硬內韌的表面熱處理技術；（2學時）3. 立竿見影的噴丸強化技術；（2學時）4. 變化無窮的摩擦化學轉移膜技術；（4學時）5. 多姿多彩的氣相沉積技術；（4學時）6. 所向披靡的三束及其改性技術；（4學時）7. 點石成金的電刷鍍技術；（2學時）8. 噴槍射彩虹，零件換新裝的熱噴涂技術；（4學時）9. 簡便易行的表面粘涂技術；（4學時）10. 1+1＞2的復合表面技術（4學時）神奇的表面工程概論隨著人民生活水平的提高，皮膚保健已成為時尚，各種基本的和功能性的護膚用品像潤膚霜、防曬霜、防皺霜、增白霜等大量上市。皮膚保健機械零件的表面機械零件、構件和電子元器件也有“皮膚”，也需要保護。機械零件、構件和電子元器件的“皮膚”，我們統(tǒng)稱為表面。各種表面的防腐性保護和預防磨損強化處理高聳云空的電視塔表面、浸入海水的鉆探機械表面、埋入地下的各種管道表面都必須進行防腐性保護；破土開山的挖掘機鏟斗表面必須進行預防磨損強化處理；錄音機磁帶與不粘鍋錄音機磁帶表面，因為有了鈷-磷或鈷-鎳磁性鍍層，才能復奏出美妙的音樂；氟樹脂涂于鍋體內表面而成為不粘鍋。這些都是表面工程為人類做出的貢獻。什么是表面工程一位美國學者說過一句俏皮話，即“上帝創(chuàng)造了物質，魔鬼給了一個表面”。物質內部的成分、結構和性能都比較均勻，其規(guī)律性相對容易掌握，改造它們也易得其法。表面成分、結構和性能有很大的不均勻性，并常伴有許多缺陷，表面的規(guī)律難以掌握，可用“活見鬼”三個字來形容。表面工程是與魔鬼斗法的科學。一輛汽車制造出來，即使你不使用它，車中的橡膠零件、塑料制品件也會逐漸老化失效，金屬零件、構件也會慢慢發(fā)生銹蝕。如果你使用它，則在發(fā)揮其運輸功能的同時，車中相互接觸又相對運動的零件表面都會發(fā)生摩擦磨損，曲軸、齒輪等零件長時間使用會發(fā)生疲勞斷裂。機械產品其本身不可能“青春常駐”提高機械產品的性能就需要從延緩和控制零件表面失效著手，這就推動著表面學科的研究與發(fā)展。性能下降、失效，往往是在零件表面發(fā)生的，

腐蝕從零件表面開始，

摩擦磨損在零件表面發(fā)生，

疲勞斷裂由表面向里延伸。表面學科包括表面基礎科學、表面技術和表面工程三個部分。表面基礎科學是研究物質表面基本規(guī)律的科學，其研究成果形成了表面物理、表面化學、固體力學、

摩擦學、

腐蝕學等分支，它是表面技術和表面工程的理論基礎。表面技術是改變和控制零件表面性能的知識、技能、工藝、手段及方法是電鍍技術、熱噴涂技術、表面熱處理技術、堆焊技術、化學轉化膜技術、粘涂技術、物理及化學氣相沉積等技術群的總稱隨著表面技術的迅速發(fā)展，現(xiàn)在需要進入綜合研究階段，需要進入盡快把表面技術轉化為生產力的綜合運用階段。表面工程是以表面基礎科學為指導以表面技術作為要素引入產品的生產體系中，實現(xiàn)表面技術要素之間的復合以及表面技術要素與其他生產要素的優(yōu)化組合以獲取先進的產品性能，高的生產率、利潤率以及高的市場占有率表面工程是表面技術的綜合和向產品化的延伸表面預處理后，通過表面涂覆、表面改性或多種表面技術復合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學成分、組織結構和應力狀態(tài)，以獲得所需表面性能的系統(tǒng)工程。表面工程的功能·提高零件表面的耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞性、抗氧化性、防輻射性等；·既有辦法改善零件表面的傳熱性，又有辦法改善零件表面的隔熱性；·既有辦法改善零件表面的導電性，又有辦法改善零件表面的絕緣性；·既有辦法改善零件表面的導磁性，又有辦法改善零件表面的磁屏蔽性；表面工程的神奇功能人們可以用比較簡單的方法在零件表面制備由多種性能的涂覆層，使產品的總體大大提高，大量節(jié)約能源和原材料。表面工程的功能還可以列舉很多，如用于減輕機械振動，降低噪聲，用于密封，用于改善釬焊性，用于化學催化反應，用于金屬染色等等。表面工程的神奇功能在機電產品中應用得最多、最廣泛、效果也最顯著的是應用表面工程提高零件、構件的耐磨性與耐腐蝕性。遠古時期我們的祖先就懂得用各類植物油漆進行表面防腐蝕處理。公元前3世紀，我國己采用金汞齊鎏金術在金屬表面上鍍金以增加其美觀性，同時收到防腐蝕的效果。近年來出土的秦始皇時代的青銅劍和大量箭杵，有的至今還毫無銹蝕。對其表面的組織及成分鑒定分析表明，早在兩千多年前我國似乎已掌握了與現(xiàn)代鉻酸鹽(或重鉻酸鹽)鈍化處理相似的表面技術，可稱為中國文明史上的又一項奇跡。表面工程的發(fā)展改革開放以來，表面技術有了飛速進步。與工業(yè)發(fā)達國家相比，技術門類齊全，部分表面技術的設備、材料和工藝已達到了國際先進水平，而且在摩擦學、界面力學和表面力學、材料失效與防護、金屬熱處理學、焊接學、腐蝕與防護學、光電子學等學科，對各種表面技術的發(fā)展及其基礎理論的研究都作出了巨大貢獻，并成功地應用于工程之中。表面工程的發(fā)展磁記憶裝置載體涂層表面工程概念的提出始于20世紀80年代。表面工程學科發(fā)展的重要標志是1983年英國伯明翰大學沃福森表面工程研究所的建立和1985年《表面工程》國際刊物的發(fā)行。1985年召開了第一屆表面工程國際會議。1986年10月在布達佩斯召開的國際熱處理聯(lián)合會，決定接受表面工程學科并改名為國際熱處理及表面工程聯(lián)合會表面工程的發(fā)展歷程表面工程概念的提出始于20世紀80年代。中國機械工程學會表面工程研究所于1987年在北京成立，1988年11月在北京召開全國首屆表面工程現(xiàn)狀與未來研討會。同年創(chuàng)辦了中國的《表面工程》期刊，現(xiàn)改版為國內外公開發(fā)行的《中國表面工程》。1993年成立了中國機械工程學會表面工程分會，以后在國內召開了多次國際和全國性的表面工程學術會議。自“六五”計劃以來，通過在設備維修領域和制造領域推廣應用表面技術己取得了幾百億元的經濟效益。在國家的節(jié)能節(jié)材?！熬盼濉币?guī)劃中建議將發(fā)展表面工程作為重大措施之一，并列為節(jié)能節(jié)材示范項目。表面工程的發(fā)展歷程第一，現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對機電產品提出了更高的要求，即在高溫、高壓、高速、重載，以及腐蝕介質、惡劣工況下能可靠而持續(xù)地工作，表面工程為實現(xiàn)這些要求可大顯身手。第二是相關的科學技術的發(fā)展為表面工程注入了活力，提供了支撐。如高分子材料和納米材料的發(fā)展，激光束、離子束、電子束三種高能量密度熱源的實用化等，都大大拓寬了表面工程的應用領域，豐富了表面工程的功能，提高了表面處理的質量。表面工程發(fā)展背景相關科學技術的發(fā)展為表面工程注入了活力、提供了支撐。如納米材料的發(fā)展，激光束、離子束、電子束三種高能量密度熱源的實用化等。第三是表面工程適合我國國情，能大量節(jié)約能源、資源，體現(xiàn)了科技盡快轉化為生產力的要求，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，因而得到了黨和政府的關心、扶植和廣大科技工作者的積極參與。表面工程發(fā)展背景一些傳統(tǒng)的表面技術不斷得到完善并以嶄新的面貌出現(xiàn)；一批先進表面新技術得以實用化并進入工業(yè)領域；特別是綜合運用兩種或多種表面技術的復合表面技術，稱為第二代表面技術的出現(xiàn)，通過最佳協(xié)同效應使工件材料的表面體系在技術指標、可靠性、壽命、質量和經濟性等方面獲得最佳的效果，克服了單一表面技術存在的局限性，解決了一系列工業(yè)關鍵技術和高新技術發(fā)展中特殊的技術問題。表面工程發(fā)展背景目前，復合表面技術的研究和應用己取得了重大進展，如熱噴涂與激光重熔復合、化學熱處理與電鍍的復合、表面強化與固體潤滑膜的復合、多層薄膜技術的復合、金屬材料基體與非金屬材料涂層的復合等等，復合表面技術使基體材料的表面薄層具有了更加卓越的性能。復合表面技術表面工程的實施，可促進機械產品結構的創(chuàng)新。

表面工程的推廣應用非常適合我國國情，發(fā)展表面工程對促進國民經濟的發(fā)展和推進國防現(xiàn)代化，對于貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有十分重要的意義。推廣表面工程的意義表面工程與制造業(yè)技術創(chuàng)新表面工程與機械維修創(chuàng)新表面工程與高新技術產業(yè)的發(fā)展表面工程與節(jié)約能源、資源表面工程與人民生活的改善表面工程是針對零件表面失效的形成、特征和機理，綜合運用各種表面技術進行防護的工程。最大的優(yōu)勢是能夠以多種方法制備出性能優(yōu)異的表面功能薄層，使零件表面具有比基體材料更高的耐磨性、抗腐蝕性和耐高溫等性能，它具有優(yōu)質、高效、低耗等先進制造技術的基本特征。表面工程的研究和推廣應用，將有力地推動我國先進制造技術的發(fā)展。表面工程與制造業(yè)技術創(chuàng)新

表面工程的快速發(fā)展及廣泛應用被認為是制造領域技術創(chuàng)新點之一，對提高機械設備及儀器儀表的性能、質量，增強產品的競爭力，促進國外引進設備零部件、儀器設備的國產化，以及在節(jié)能節(jié)材諸多方面發(fā)揮了巨大的作用，并且取得了顯著的經濟效益和社會效益。表面工程與制造業(yè)技術創(chuàng)新表面工程的實施，可促進機械產品結構的創(chuàng)新：例如汕頭海灣公路大橋和西陵長江公路大橋主懸索鞍座用電刷鍍技術與減摩劑復合制備出新型超級減摩滑動摩擦結構，改變了通常用千根滾針支撐的滾動摩擦結構，大大降低了成本，縮短了工期。表面工程的實施可促進產品材料的創(chuàng)新：例如大慶石化總廠8個直徑6m、高20m的ABS料倉的防腐問題，采用了碳鋼材料加內表面電弧噴涂防腐層的方法代替了昂貴的不銹鋼倉體。表面工程與制造業(yè)技術創(chuàng)新表面工程的實施還可以促進機械產品性能的創(chuàng)新：例如在切削刀具上應用離子鍍新技術，可使刀具壽命延長2~10倍，切削速度、進給量和零件的光潔度亦大幅度提高，為加工自動化提供了有力的支持。表面工程與制造業(yè)技術創(chuàng)新

機械維修伴隨著機械制造，有制造就必有維修。一方面由于人們環(huán)保意識的增強，“用后丟棄”的觀念開始向“再制造”的觀念轉變；另一方面，科學技術的發(fā)展，使原先的原樣修復變成為超過原始性能的改進性修復，由原先的被動修理變?yōu)橹圃炫c維修一起納入設備和零部件的設計、制造與運行的全過程，以優(yōu)質、高效、節(jié)能、節(jié)材、低污染為目標的系統(tǒng)工程。表面工程與機械維修創(chuàng)新1984年美國“技術評論”提倡舊品翻新或再生，并稱為“重新制造”。在重新制造中采用各種先進維修技術，把因損壞、磨損或腐蝕等而失效的可能維修的機械零件翻新如初。據美國1996年統(tǒng)計，美國重新制造的公司構成一個價值530億美元的產業(yè)，雇傭48萬人。美國商務部分析認為，表面技術、新材料技術、計算機技術、生物技術、自動化及傳感技術、電子技術、醫(yī)學技術等七項技術將成為主導21世紀發(fā)展的關鍵技術。日本也提出了“再生工廠技術”的概念。表面工程與機械維修創(chuàng)新1990年10月在德國召開的歐洲國家維修團體聯(lián)盟第10次全體會議的主題是：“維修-對未來的投資”，反映了發(fā)達國家對維修的新認識。我國改革開放以來，國家機關設立了設備管理維修業(yè)務主管部門，成立了中國設備管理協(xié)會，國務院頒布了設備管理條例設備維修中的三大通用技術即計算機技術、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術、表面工程技術得到了大力推廣。需要對“再制造”技術從可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的高度進行再認識表面工程與機械維修創(chuàng)新

表面工程在維修中的運用，不僅保障了設備的正常運行，較好地解決了進口設備配件問題，而且還為新一代產品的設計制造積累了豐富的經驗。表面工程技術在維修中的應用已成為新產品應用表面工程技術的先導。表面工程與機械維修創(chuàng)新機械維修伴隨著機械制造，有制造就必有維修。表面工程為高新技術產業(yè)的發(fā)展提供了工藝及材料支持在電子信息技術中表面工程可提供關鍵的薄膜材料及功能器件在超大規(guī)模集成電路中理想的功能材料是采用化學氣相沉積的金剛石薄膜，它具有極為優(yōu)異的導熱性、高介電性和半導體性能。采用氣相沉積、電鍍、刷鍍、激光等表面技術可以獲得非晶態(tài)薄膜或涂層。非晶硅具有優(yōu)良的光吸收能力，而且可以大面積涂敷，成本也比較低，是理想的光電轉換材料。表面工程與高新技術產業(yè)的發(fā)展表面工程為高新技術產業(yè)的發(fā)展提供了工藝及材料支持。

據統(tǒng)計，世界鋼產量的1/10由于腐蝕而損失，機電產品提前失效的原因70%屬于腐蝕和磨損，機電產品制造和使用中大約1/3的能源直接消耗于摩擦磨損。表面工程與節(jié)約能源、資源表面工程與節(jié)約能源、資源我國機電系統(tǒng)1990年調查27個省市約400個企業(yè)，腐蝕損失達116億元，磨損損失與之相近。據估計，我國每年因腐蝕造成的經濟損失至少達2000億元，占國民生產總值的2%~4%。

表面工程最大的優(yōu)勢是能夠以多種方法制備出優(yōu)于基體材料性能的表面功能薄層，該薄層厚度一般從幾十微米到幾毫米，僅占工件整體厚度的幾百分之一到幾十分之一，但卻使工件具有