新1第一章 現(xiàn)代表面工程技術(shù)

1現(xiàn)代表面工程技術(shù)

ModernSurfaceEngineeringandTechnology

江蘇大學(xué)材料學(xué)院教學(xué)目的

（1）系統(tǒng)地掌握現(xiàn)代表面處理技術(shù)的基本原理；（2）能合理選擇并應(yīng)用這些新的表面工程技術(shù)；（3）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；（4）充分發(fā)揮材料性能的潛力；（5）延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命和提高產(chǎn)品質(zhì)量。2教材及參考資料教材：現(xiàn)代表面技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，錢苗根等編著參考書目：面向二十一世紀(jì)的表面工程，徐濱士，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997表面工程手冊(cè)，李國(guó)英主編，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998表面涂層技術(shù)，陳學(xué)定，韓文政，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994表面工程與維修，徐濱士，朱紹華等，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996第一章表面技術(shù)概論

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表面技術(shù)和表面工程概述

表面技術(shù)的分類

表面技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展第一章表面技術(shù)概論表面技術(shù)是直接與各種表面現(xiàn)象或過(guò)程有關(guān)的，能為人類造福或被人們利用的技術(shù)。通過(guò)對(duì)材料基體表面加涂層或改變表面形貌、化學(xué)組成、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)，達(dá)到提高材料抵御環(huán)境作用能力或賦予材料表面某種功能特性的工藝技術(shù)。5一、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(lái)制造構(gòu)件、零部件和元器件等。6第一節(jié)表面技術(shù)的涵義7

改變材料表面的形貌、化學(xué)成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)，即采用各種表面改性技術(shù)。主要有噴丸強(qiáng)化、表面熱處理、化學(xué)熱處理、等離子擴(kuò)滲處理、激光表面處理、電子束表面處理、高密度太陽(yáng)能表面處理、離子注入表面改性等。二、主要技術(shù)途徑:(1)覆蓋層

電鍍、電刷鍍、化學(xué)鍍、涂裝、粘結(jié)、堆焊、熔結(jié)、熱噴涂、塑料粉末涂敷、熱浸涂、搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍、化學(xué)氣相沉積、分子束外延制膜、離子束合成薄膜技術(shù)等。此外，還有其他形式的覆蓋層，例如各種金屬經(jīng)氧化和磷化處理后的膜層，包箔，貼片的整體覆蓋層，緩蝕劑的暫時(shí)覆蓋層等。（2）機(jī)械、物理、化學(xué)等方法表面工程技術(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(guò)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(wú)法解決的問(wèn)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。8應(yīng)用實(shí)例1汽車輕量化→鋁合金→表面耐磨問(wèn)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9輕量化材料的確能降低汽車的整體重量和碳排放量，但大大增加了汽車的成本。輕量化汽車材料市場(chǎng)在2010年的收入達(dá)到380億美元，2017年該數(shù)字有望達(dá)到953.4億美元。

應(yīng)用實(shí)例2飛船或者洲際導(dǎo)彈的頭部錐體和翼前沿：由于具有幾十倍的音速，并與大氣層摩擦，即所謂氣動(dòng)加熱，其溫度高達(dá)4000～5000℃：?jiǎn)栴}：絕大多數(shù)的金屬和合金不能承受如此高的溫度。解決問(wèn)題的方法：依靠各種形式的隔熱涂層、防火涂層和燒蝕涂層。隔熱防火涂層是熱導(dǎo)率低的氧化物：氧化鋁、氧化鋯、氧化釷等。燒蝕涂層：有機(jī)材料加石英纖維、陶瓷纖維或碳纖維。10應(yīng)用實(shí)例3

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)彈與航天公司研制出LI-900全氧化硅絕熱氈：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。11應(yīng)用實(shí)例4在太陽(yáng)能的利用中，必須利用涂層來(lái)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%。12應(yīng)用實(shí)例5人造衛(wèi)星在宇宙中的溫度控制問(wèn)題：衛(wèi)星表面受太陽(yáng)照射的一面溫度可達(dá)200℃，沒(méi)有被太陽(yáng)照射的一面溫度可低到-200℃。13汽車噴漆鍍銀壺16磨損腐蝕據(jù)世界摩擦學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)：摩擦損失世界性一次能源的1/3~1/2；磨損給工業(yè)國(guó)家?guī)?lái)的損失達(dá)國(guó)民生產(chǎn)總值的2%~8%。三、表面失效的形式171.機(jī)械零件表面失效機(jī)械零件失效一般都發(fā)生在工作面（表面），因?yàn)闄C(jī)械零件相互接觸的表面受力最大，最易摩擦磨損、疲勞而失效；零件表面易受外界環(huán)境中的水、氣、某些化學(xué)介質(zhì)的作用而腐蝕失效。18磨損失效機(jī)械零件由于相互之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生摩擦磨損引起零件工作表面金屬不斷損失，稱為零件的磨損。磨損引起零件幾何尺寸與形狀的改變，使零件之間間隙增大，使機(jī)械設(shè)備喪失精度，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)械設(shè)備無(wú)法正常工作，稱為零件的磨損失效。磨損失效有多種形式：粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、微動(dòng)磨損和疲勞磨損。

19腐蝕失效：

零件表面與周圍環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，而導(dǎo)致的損傷或損壞，稱為腐蝕失效，特別在強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中這情況非常嚴(yán)重。金屬腐蝕按破壞的特性可分為全面腐蝕和局部腐蝕。202.疲勞失效：材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過(guò)程。3.其它失效：其它失效形式有多種，如斷裂失效、塑性變形失效等等。21四、

材料表面失效防護(hù)與現(xiàn)代材料表面改性1.材料表面失效防護(hù)(1)選用優(yōu)質(zhì)材料：選用具有更高抗磨損、耐腐蝕、抗疲勞性能的優(yōu)質(zhì)材料來(lái)制造零件。(2)零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和精密加工制造工藝：可提高表面光潔度，降低表面摩擦系數(shù)，減少表面承受的應(yīng)力，減少表面與外界環(huán)境的接觸，提高零件表面的抗磨損、耐腐蝕、抗疲勞能力。22(3)采用現(xiàn)代材料表面改性技術(shù)：在零件表面涂覆一層保護(hù)膜;采用機(jī)械、物理、化學(xué)等方法，使材料表面的形貌、化學(xué)成份、

相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)得到改變;

有效地提高零件表面的抗磨損、耐腐蝕、抗疲勞性能。

23(4)現(xiàn)代材料表面改性技術(shù)的優(yōu)化組合:由于零件的材質(zhì)、形狀、使用環(huán)境、受力狀態(tài)等不同，每種表面改性技術(shù)均有它的局限性，不可能采用相同的表面改性技術(shù)。把表面改性技術(shù)作為一個(gè)系統(tǒng)工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化組合，選擇適合于某種材質(zhì)、零件形狀、使用環(huán)境、受力狀態(tài)等的一種或幾種組合的表面改性技術(shù)。24

目的：材料表面與基體看作統(tǒng)一的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與改性，以最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法改變材料近表面層的形態(tài)、化學(xué)成份和組織結(jié)構(gòu)，賦予新的復(fù)合性能，以新型的功能實(shí)現(xiàn)新的工程應(yīng)用。

使材料表面獲得更好的表面特性，有效地延長(zhǎng)零件使用壽命；用性能較差的合金鋼代替優(yōu)質(zhì)合金鋼，以節(jié)省優(yōu)質(zhì)合金鋼材料；研制出新穎材料，這種多功能綜合化，用于提高材料表面性能的各種現(xiàn)代表面改性技術(shù)統(tǒng)稱為現(xiàn)代表面改性技術(shù)。五、表面改性目的和意義表面技術(shù)倍受重視的原因表面新技術(shù)不僅在于重要的學(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。25美國(guó)工程科學(xué)院為美國(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。六、與表面現(xiàn)象有關(guān)的一些表面技術(shù)1）

表面濕潤(rùn)和反濕潤(rùn)技術(shù)2）

表面催化技術(shù)3）

膜技術(shù)4）

表面化學(xué)技術(shù)本課程將主要學(xué)習(xí)：表面覆蓋、表面改性和表面加工等表面技術(shù)。26第二節(jié)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)。2728(4)表面改性。用各種物理、化學(xué)等方法處理表面，使之組成、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變性能，如表面處理、化學(xué)熱處理、激光表面處理、電子束表面處理、離子注人等。按照作用原理，分為四種基本類型：(l)原子沉積。沉積物以原子、離子、分子和粒子基團(tuán)等原子尺度的粒子形態(tài)在材料表面上形成覆蓋層，如電鍍、化學(xué)鍍、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等。(2)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、搪瓷涂覆等。(3)整體覆蓋。它是將涂覆材料于同一時(shí)間施加于材料表面，如包箔、貼片、熱浸鍍、涂刷、堆焊等。①原子沉積物原子在基體上凝聚,生核、長(zhǎng)大、成膜.如電鍍、PVD、CVDCVD氮化鈦刀具TiCl4+H2+N2→TiN(s)+HCl②粒狀沉積物熔化的液滴或細(xì)小的固體顆粒在外力作用下于基體表面凝聚、沉積或燒結(jié),形成的表面涂層.例如,熱噴涂、搪瓷、噴漆等.齒輪表面噴涂WC③整體沉積層

欲涂敷的材料于同一時(shí)間施于基體表面.如,涂漆、熱浸漬等熱鍍鋅激光表面合金化④表面改性用離子處理、熱處理、激光處理等方法改變材料表面的組織和性能.如噴丸、離子注入、激光處理.33電鍍、化學(xué)鍍、熱滲鍍、熱噴涂、堆焊、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、涂裝、表面著色、氣相沉積、“三束”改性以及表面熱處理、形變強(qiáng)化和襯里等13類。材料表面工程技術(shù)按工藝特點(diǎn)分：34表面技術(shù)有著廣泛的涵義，大致上可分為以下幾個(gè)部分：

(l)表面技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用理論。

(2)表面處理技術(shù)。表面覆蓋技術(shù)表面改性技術(shù)復(fù)合表面處理技術(shù)

(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)。35第三節(jié)表面技術(shù)的應(yīng)用一、

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：工具、模具、

主要起防護(hù)、耐磨、強(qiáng)化、修復(fù)、裝飾等。36三、

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

抗菌滅菌材料，TiO2,生物醫(yī)學(xué)材料。37第四節(jié)

表面技術(shù)的發(fā)展

材料表面改性和強(qiáng)化問(wèn)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?；钴S，舊的工藝被不斷革新，新的工藝技術(shù)相繼問(wèn)世，工程應(yīng)用不斷擴(kuò)大。38

究其原因，主要是：（1）

高新技術(shù)的發(fā)展對(duì)機(jī)件質(zhì)量的要求越來(lái)越高，如要求高耐磨、強(qiáng)耐蝕、抗高溫及各種特殊功能。而現(xiàn)有的材料往往不能滿足需要。（2）器件的微型化，使表面問(wèn)題更為突出。（3）