表面工程技術(shù)序論

1、§1 序 論§1.1 表面工程技術(shù)一、基本定義表面：固體與氣體，或液體與氣體的交界面（固體與固體、固體與液體、液體與液體的交界面稱為界面）。幾何表面在幾何意義上只有二維尺度、厚度為零的理想面。物理表面表面幾個(gè)原子層厚度的部分，其結(jié)構(gòu)、成分和機(jī)體部分有很大的不同，“表面物理”、“表面化學(xué)”、“表面與界面物理”是以表面和界面為研究對(duì)象的基礎(chǔ)學(xué)科。二、表面的重要性大部分材料在應(yīng)用時(shí)是通過表面起作用的，如摩擦性、腐蝕性能、裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展、疲勞斷裂等均與表面有關(guān)。因此，材料表面的性質(zhì)對(duì)材料的使用性能有著重要的作用，有時(shí)候甚至起著決定性作用。三、表面工程技術(shù)及其應(yīng)用1、表面工程技術(shù)就

2、是運(yùn)用各種物理、化學(xué)和機(jī)械工藝過程來改變材料表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)或應(yīng)力狀態(tài)，使其具有某種特殊性能，從而滿足特定的使用要求。如：2、表面工程技術(shù)的應(yīng)用表面防護(hù)類：（1）耐高溫隔熱、防火涂層耐高溫、低熱導(dǎo)率的氧化物。主要有Al2O3、CrO2、ThO2。用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭和導(dǎo)彈的噴管、推力室、航天器等方面。燒蝕涂層有良好的隔熱能力，同時(shí)還有大的熱容量、熱輻射系數(shù)，在高溫下升華，把熱量帶走，主要有有機(jī)物加石英纖維、陶瓷纖維、碳纖維制作的復(fù)合涂層。用在航天器（返回倉）。溫控涂層用在人造衛(wèi)星表面（溫度在200+200）,使衛(wèi)星內(nèi)部溫度變化不大，保證儀表的正常工作。（2）防腐蝕艦船用涂料海洋生

3、物的附著給艦船帶來極大的危害，一方面會(huì)增加船體自重和船體摩擦阻力，使艦船航速明顯下降，增加燃料消耗；另一方面會(huì)加速船體腐蝕，縮短艦船使用壽命。汞、砷等的化合物（毒性太大，被淘汰）>氧化亞銅為毒料，松香、瀝青、乙烯樹脂、氯化橡膠為基料的防污涂料>有機(jī)錫化合物應(yīng)用到防污涂料中（能單獨(dú)使用也能與氧化亞銅配合使用，具有廣譜性和長效性，但當(dāng)海水中有機(jī)錫含量高于0.1ppm時(shí)，將嚴(yán)重影響海洋生物的生長、繁殖，并會(huì)導(dǎo)致海洋生物遺傳變異。因此，國際海事機(jī)構(gòu)（IMO）1997年決定2003年1月1日起禁止在新造船舶上使用有機(jī)錫防污涂料，2008年1月1日起全面禁止在所有船舶上使用有機(jī)錫防污涂料）在船

4、體表面噴涂主要是鋅、鋁及其合金（例如85%Zn15%Al合金）來防腐，并與環(huán)氧瀝青、環(huán)氧云鐵、鋁粉氯化橡膠和磷酸鋅四種涂料涂層組成復(fù)合涂層。（3）耐磨損車床、刀具、鉆頭在使用中受到磨損，表面涂覆耐磨涂層可大大提高壽命。如：表面激光熔覆TiC/Ni基合金復(fù)合耐磨涂層；用火焰噴吐WC涂層；制備TiN涂層。鉆井泵、發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、火電廠磨煤機(jī)的磨盤、磨輥在高速運(yùn)動(dòng)下極易磨損，可通過涂渡硬質(zhì)涂層（Cr）、表面滲碳、滲硼、滲氮、淬火等技術(shù)提高其耐磨性。（4）抗疲勞如汽車車軸經(jīng)過長期使用會(huì)產(chǎn)生疲勞、引起斷裂，很容易造成事故。分析疲勞斷裂的斷口特征，可以發(fā)現(xiàn)99.9%斷口的裂紋源位于零件的表層或次表層，而裂紋源

5、位于零件內(nèi)部只是個(gè)別現(xiàn)象。強(qiáng)化零件表層或次表層就能有效地提高零件的抗疲勞能力，減少疲勞斷裂帶來的危害。通常使用噴丸強(qiáng)化技術(shù)可以使金屬表面強(qiáng)度增加。（5）裝飾表面裝飾提高產(chǎn)品美觀性，噴塑，涂料等。（6）防輻射紫外、X射線等的防輻射涂層。表面功能類：（7）聲聲表面濾波器是在一塊具有壓電效應(yīng)的材料基片上蒸發(fā)一層金屬膜，然后經(jīng)光刻，在兩端各形成一對(duì)叉指形電極組成。當(dāng)在發(fā)射換能器上加上信號(hào)電壓后，就在輸人叉指電極間形成一個(gè)電場(chǎng)使壓電材料發(fā)生機(jī)械振動(dòng)（即超聲波）以超聲波的形式向左右兩邊傳播，向邊緣一側(cè)的能量由吸聲材料所吸收。在接收端，由接收換能器將機(jī)械振動(dòng)再轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并由叉指形電極輸出）（8）光增透、

6、增反、濾波，薄膜波導(dǎo)等（9）電IT產(chǎn)業(yè)中，微電子制造業(yè)中大量使用的薄膜技術(shù)、表面氧化技術(shù)。（10）磁計(jì)算機(jī)硬盤表面的存儲(chǔ)介質(zhì)是鐵磁性薄膜；飛機(jī)隱身涂層多采用鐵氧體磁性耗能雷達(dá)吸波材料，如LiCd鐵氧體、LiZn鐵氧體和陶瓷鐵氧體等一系列涂料，涂覆在飛機(jī)機(jī)體表面。§1.2 表面工程技術(shù)的基本特征綜合性 交叉性 復(fù)合性表面工程技術(shù)在表面物理與表面化學(xué)的理論基礎(chǔ)上，融會(huì)了材料學(xué)、摩擦學(xué)、力學(xué)、失效與防護(hù)、金屬熱處理、焊接、腐蝕與防護(hù)、光學(xué)、電子、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、能源等學(xué)科。如：（1）對(duì)太陽能進(jìn)行波段選擇性吸收、反射、透射的涂層材料，可以使可見光透過、紅外線反射，可以大大提高室內(nèi)的保溫效果

7、；大量能源利用設(shè)備采用表面合金涂層，提高了導(dǎo)熱或絕熱性能，大大降低了能耗。涉及到了材料的選擇、制備、光學(xué)、太陽能利用等領(lǐng)域。（2）表面工程技術(shù)是微電子與信息技術(shù)發(fā)展的重要支柱，計(jì)算機(jī)的集成電路、光盤讀寫頭、顯示器、存儲(chǔ)器、接口，以及光纜、衛(wèi)星，表面技術(shù)遍及信息網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)角落。涉及到電子、信息、材料等領(lǐng)域。（3）生物芯片在基因圖譜識(shí)別與地址圖譜編制中，其識(shí)別和分辨率的高低很大程度上取決于傳感器的表面材料。涉及到了生物、醫(yī)學(xué)、材料、電子、信息等。§1.3 表面工程技術(shù)的發(fā)展表面工程技術(shù)是一門古老而新興的學(xué)科。一、瓷釉：1、商代 3000年前（公元前16世紀(jì)）出現(xiàn)了青釉；2、周代 出現(xiàn)了琉

8、璃；琉璃（1）是指用各種顏色的人造水晶(含24%的氧化鉛)為原料，用水晶脫蠟鑄造法高溫?zé)Y(jié)而成的藝術(shù)作品。琉璃被譽(yù)為中國五大名器之首（金銀、玉翠、琉璃、陶瓷、青銅）、佛家七寶之一。（2）指用鋁和鈉的硅酸化合物燒制成的釉料，常見的有綠色和金黃色兩種，多加在黏土的外層，燒制成缸、盆、磚瓦等。3、唐朝（1000多年）發(fā)展到“唐三彩”。唐三彩：唐代彩陶的釉色有很多種，如淺黃、赭黃、淺綠、深綠、天藍(lán)、褐紅、茄紫等，但主要以黃、綠、白（或綠、赭、藍(lán)）三色為主，所以稱之為“三彩”。采用二次燒成法。首先使用白色粘土作胎，在窯內(nèi)經(jīng)過10001100的素?zé)?，?jīng)過冷卻，再于胎上繪以各種釉料入窯進(jìn)行釉燒。唐三彩是一種

9、低溫（850-950）釉陶器，用含有銅（釉為綠色）、鐵（赭黃色）、錳（紫色）、鈷（藍(lán)色）、銻（淺黃）等作釉料著色劑，并加入鉛、鋁作助熔劑。其釉色互相滲化，加上年代久遠(yuǎn)，部分顏色發(fā)生變化并產(chǎn)生新色，具有較高的裝飾藝術(shù)水平。但由于實(shí)用性較差，唐三彩主要用于隨葬，即明器和俑。二、青銅器和木器表面的防繡、防腐技術(shù)湖北荊州楚墓中出土的越王劍（青銅劍），經(jīng)地下2000年埋藏后還光彩絢麗、鋒利無比，北京鋼鐵研究總院的柯俊院士用質(zhì)子X射線熒光研究發(fā)現(xiàn)表面被鍍上了一層含鉻的金屬，有5的硫，是表面防腐處理的結(jié)果；秦始皇墓二號(hào)坑出土的16把青銅劍同樣保存完好、鋒利無比，是因?yàn)楸砻嫱扛层t的氧化物抗氧化涂層。還有在木頭

10、（比如土葬用的棺材）表面涂刷桐油來防腐、防蟲蛀。鉻鹽氧化處理方法，是近代才出現(xiàn)的先進(jìn)工藝，德國在1937年，美國在1950年先后發(fā)明并申請(qǐng)了專利。鉻是一種極耐腐蝕的稀有金屬，地球巖石中含鉻量很低，提取十分不易。再者，鉻還是一種耐高溫的金屬，它的溶點(diǎn)大約在4000。三、“表面工程”的概念于1984年才由英國伯明翰大學(xué)的Tom Bell教授首次提出隨即得到了全世界廣泛的重視（1）有光表面工程的大事記：ü 1986年，國際熱處理聯(lián)合會(huì)更名為國際熱處理與表面工程聯(lián)合會(huì)聯(lián)合會(huì)ü 1987年，中國機(jī)械工程協(xié)會(huì)表面工程研究所成立ü 1988年，表面工程創(chuàng)刊，1997年更名為中國

11、表面工程ü 1989年起，全國表面工程學(xué)術(shù)交流會(huì)每兩年召開一次，2007年在佳木斯。ü 2000年，“堆焊與熱噴涂專業(yè)委員會(huì)”更名為“堆焊及表面工程專業(yè)委員會(huì)”（2）在20多年的時(shí)間里，表面工程技術(shù)得到了快速的發(fā)展。ü 從單一表面工程技術(shù)發(fā)展到復(fù)合表面工程技術(shù)再到納米表面工程技術(shù)ü 形成獨(dú)立的材料表面工程學(xué)科：表面工程基礎(chǔ)理論：表面失效分析、表面摩擦與磨損、表面腐蝕與防護(hù)、表面界面結(jié)合與復(fù)合；復(fù)合表面工程技術(shù)：復(fù)合表面技術(shù)、表面改性技術(shù)、表面涂層技術(shù)、表面薄膜技術(shù)、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)等；表面加工技術(shù)：表面質(zhì)量檢測(cè)與控制技術(shù)：表面工程設(shè)計(jì)：§1.4

12、表面工程技術(shù)的意義一、良好的節(jié)能、節(jié)材效果（1）中國主要支柱產(chǎn)業(yè)部門每年因機(jī)器磨損失效所造成的損失在400億元人民幣以上，而通過表面技術(shù)改善潤滑，降低磨損可能帶來的經(jīng)濟(jì)效益約占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的2以上。如三峽工程中的各種鋼鐵閘門，占大壩全長的72。既要防止酸雨和海蜊子等水中微生物的侵蝕，又要抵抗泥沙的沖刷。使用長效復(fù)合涂層可確保其使用壽命達(dá)到20年以上。（2）“十一五”規(guī)劃強(qiáng)調(diào)：“我國要加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)?！苯ㄔO(shè)節(jié)約型社會(huì)、構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)的主要原則是“4R”原則（Reduce、Reuse、Recycle、Remanufacture）。ü 再制造是其中最重

13、要且最活躍的要素。ü 表面工程技術(shù)是再制造的重要組成技術(shù)。ü 再制造工程是廢舊設(shè)備高技術(shù)修復(fù)、改造的產(chǎn)業(yè)化。ü 再制造的重要特征是再制造后的產(chǎn)品的質(zhì)量和性能達(dá)到甚至超過新品，成本只為新品的50%、節(jié)能60%、節(jié)材70%，對(duì)環(huán)境的不良影響顯著降低。ü 再制造產(chǎn)品不是二手產(chǎn)品而屬于新品。ü 再制造是先進(jìn)制造的組成部分，也屬于綠色制造。ü 再制造也是維修工程的組成部分，是維修發(fā)展的高級(jí)階段。ü 我國已把表面工程作為一項(xiàng)重要內(nèi)容，2010年長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃，將作為一項(xiàng)重大的節(jié)能措施大力組織實(shí)施。二、節(jié)約貴重材料、節(jié)約成本在電子器件、電力

14、設(shè)備中，許多電極材料要求優(yōu)良導(dǎo)電性、穩(wěn)定的電阻以及優(yōu)良的耐蝕性、可加工性、熱穩(wěn)定性等。由于金及金的合金具有上述優(yōu)良性質(zhì)，被廣泛地應(yīng)用。若把金做成薄膜電極則可極大的節(jié)約成本。三、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許多情況下，對(duì)材料的性能不能同時(shí)滿足多種要求。軸承：整體要求韌性好、抗彎強(qiáng)度高，而頸部要求硬度高，而許多材料不能同時(shí)滿足齒輪：表面要求硬度高，芯部要求韌性好刀具：刃部要求硬度高，其他部位要求韌性好用來制造上述部件的合金鋼強(qiáng)度高、韌性好，但硬度低，可以在表面涂覆TiN、TiC、CNx等硬質(zhì)膜來滿足。四、促進(jìn)新興工業(yè)、高新技術(shù)的發(fā)展在電子信息技術(shù)中，表面工程可為其提供關(guān)鍵的薄膜材

15、料及功能器件ü 利用真空濺射鍍膜的方法，通過荷能離子束轟擊Si靶材，使靶材表面的原子飛逸出來，然后在大規(guī)模集成電路中以SiO2為基的絕緣襯底上生長Si的薄膜技術(shù)已得到應(yīng)用。ü 金剛石薄膜具有極為優(yōu)異的導(dǎo)熱性、高介電性和半導(dǎo)體性能，是制作超大規(guī)模集成電路中最理想的功能材料，它主要是采用化學(xué)氣相沉積的方法制備。ü 通過在人造生物器官中注入鈦等離子可以大大提高器官的適應(yīng)性，解決了人造器官與人體肌肉生物相容性的難題。ü 人造骨、關(guān)節(jié)、牙齒、皮膚、血管等人造生物材料已經(jīng)開發(fā)成功，用等離子弧加熱法噴涂制造人工齒根的技術(shù)也已得到應(yīng)用。五、提高產(chǎn)品質(zhì)量表面工程在制造、在

16、制造產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用對(duì)提高產(chǎn)品壽命、性能有著重要的作用北京郵票廠從瑞士進(jìn)口的七色機(jī)是高速輪轉(zhuǎn)印郵票機(jī)，一個(gè)輥筒原來只能打50150萬張，之后孔的質(zhì)量嚴(yán)重下降，不能繼續(xù)使用。近年來，七色機(jī)主要由于打孔器輥筒質(zhì)量的原因，每年只能完成1000萬張左右，而且還需要經(jīng)常更換輥筒。清華大學(xué)和北京機(jī)電研究院利用高能量密度激光對(duì)郵票打孔器的輥筒的表層輻照，其表層被迅速加熱至奧氏體化溫度以上，并在激光停止輻射后快速自淬火得到馬氏體組織，實(shí)現(xiàn)了固態(tài)相變硬化，即激光淬火，一個(gè)輥筒就可以打1000萬張，每年直接經(jīng)濟(jì)效益為250500萬元。六、對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行裝飾，使富麗堂皇、美觀大方，生活需要ü 如金絲邊眼鏡框、手表鏈呈金黃色，美觀大方，是在表面鍍了一層TiN薄膜ü 各種金屬制品，如鋁制暖氣片、鋁制天花板、鋼制扶手等，通過表面噴塑或噴漆，可以克服冰冷、堅(jiān)硬的感覺，還可以防止以外化傷。七、表面工程技術(shù)還具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，促進(jìn)了材料、機(jī)械、物理、化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展（待補(bǔ)充）§1.5 表面工程技術(shù)的分類一、按工藝分類（13類）電鍍、化學(xué)鍍、熱