表面處理技術(shù)概論-緒論課件

1、表面工程技術(shù)Modern Surface Engineering and Technology 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；延長產(chǎn)品使用壽命和提高產(chǎn)品質(zhì)量。第一章：緒論 表面工程是在傳統(tǒng)表面技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用材料科學(xué)、冶金學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、摩擦學(xué)等學(xué)科的原理、方法及最新成就綜合發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。 研究材料表面、界面的特征、性能及改質(zhì)過程和相應(yīng)方法。是直接與各種表面現(xiàn)象或過程有關(guān)的，能為人類造福或被人們利用的技術(shù)。 人類很早就掌握了表面技術(shù)為

2、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。 在漫長的文明發(fā)展歷史長河中，中國人為發(fā)展表面技術(shù)作出了卓越的貢獻(xiàn)。典型的例子有：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，中國神舟5號(hào)宇宙飛船的發(fā)射成功，也標(biāo)志著中國的表面工程技術(shù)走向太空層次。 因?yàn)?，沒有抗高溫涂層技術(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。 198

3、3年英國伯明翰大學(xué)成立國際上的第一個(gè)表面工程研究所沃爾森表面工程研究所； 1985年國際刊物表面工程發(fā)行；同年召開第一次國際表面工程會(huì)議； 1986年國際熱處理聯(lián)合會(huì)改名為國際熱處理與表面工程聯(lián)合會(huì)。 在短短的時(shí)間內(nèi)，表面工程學(xué)就在國際上得到巨大的反響。 我國對(duì)表面工程學(xué)的興起作出了快速反應(yīng)，1987年中國機(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)辦了中國表面工程雜志。 根據(jù)統(tǒng)計(jì)，從第六個(gè)國家五年計(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

4、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.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)40005000：問題：絕大多數(shù)的金屬和合金不能承受如此高的溫度。解決問題的方法：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。應(yīng)用實(shí)例3人造衛(wèi)星在宇宙中的溫度控制：問題：衛(wèi)星表面受太陽照射

5、的一面溫度可達(dá)+200，沒有被太陽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在太陽能的利用中，必須利用涂層來吸收太陽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作為太陽能吸熱器，使對(duì)太陽能的吸收率可達(dá)95%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

6、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)涵表面工程最突出的技術(shù)特點(diǎn)是無需整體改變材質(zhì)而能獲得原材料所不具備的某

7、些特殊性能。采用不同的處理工藝，可使基材表面獲得整體材料很難得到的特殊成份與結(jié)構(gòu)，如超細(xì)晶粒、非晶態(tài)、超飽和固溶體、多重結(jié)構(gòu)、多相彌散結(jié)構(gòu)等，相應(yīng)具備一些整體材料很難得到的特殊性能。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：

8、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一 無覆層：基體表面經(jīng)過化學(xué)預(yù)處理、精整或熱加工硬化，僅改變表面應(yīng)力或組織狀態(tài)，不改變基體表面成份。金屬覆層：用電鍍、金屬噴涂、表面合金化或熱浸、包覆、氣相沉積等方法，在基體表面覆以薄層金屬、合金或金屬基復(fù)合材料。有機(jī)覆層：基體表面覆以有機(jī)材料，主要是涂裝層，此外還有塑料、橡膠粘附等覆層。五、表面技術(shù)的分類 按表面層種類分類之二無機(jī)覆層：在基

9、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一 表面裝飾：不同光亮、色澤、花紋的組合，使外觀精美、多樣化，增加美感與耐用性。防腐蝕：耐環(huán)境氣氛腐蝕，耐淡水、海水腐蝕、耐化學(xué)介質(zhì)浸漬腐蝕等。耐磨：耐腐蝕磨損、微動(dòng)磨損、磨粒磨損、硬面及纖維磨損，抗擦傷咬死、減摩自潤滑、可磨耗密封等。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、

10、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

11、、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滑六、表面工程常用工藝電

12、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極氧化：鋁及鋁合金陽極氧化，鎂及鎂合金陽極氧化，鈦及鈦合金陽極氧化等防護(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，

13、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)

14、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)相繼問世，工程應(yīng)用不斷擴(kuò)大。究其原