第1章 緒論-石油大學(xué)

表面工程主講：于思榮

韓彬機(jī)電工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系電話：182666399282/3/20231課程的目的與意義：

《表面工程》是一門介紹“材料表面改性和強(qiáng)化”方面的課程，闡述了表面工程的基本概念和理論，分別論述了表面工程中所涉及的各類處理技術(shù)。目的：掌握各種表面處理技術(shù)的基本原理；能合理選擇并應(yīng)用各種表面工程技術(shù)；選擇所用材料和制定最佳工藝；研究與開發(fā)表面工程新技術(shù)；為將來(lái)從事這方面的工作或研究打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。2/3/20232第一章：緒論2學(xué)時(shí)第二章：表面科學(xué)基礎(chǔ)4學(xué)時(shí)第三章：表面熱處理與化學(xué)熱處理2學(xué)時(shí)第四章：熱噴涂8學(xué)時(shí)第五章：電鍍與化學(xué)鍍2學(xué)時(shí)第六章：化學(xué)轉(zhuǎn)化膜2學(xué)時(shí)第七章：涂料及涂裝2學(xué)時(shí)第八章：氣相沉積2學(xué)時(shí)第九章：高能束表面改性6學(xué)時(shí)第十章：表面分析與測(cè)試2學(xué)時(shí)1.教學(xué)內(nèi)容（32學(xué)時(shí)/2學(xué)分）2/3/202332.教材及參考資料[1]曾曉雁,吳懿平.表面工程學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社,2007。[2]錢苗根,等.現(xiàn)代表面技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社,2002.[3]徐濱士.神奇的表面工程.清華大學(xué)出版社,2000.TG17-49/1[4]劉新田.表面工程.河南大學(xué)出版社,2000.[5]趙文軫.金屬材料表面新技術(shù).西安交通大學(xué)出版社,1992.TG139/6[6]董允,等.現(xiàn)代表面工程技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社,2000.TG17/29[7]徐濱士,劉世參.表面工程.機(jī)械工業(yè)出版社,2002.TG174.4/3[8]姚壽山,等.表面科學(xué)與技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社,2005.TG174.4/5[9]姜銀方.現(xiàn)代表面工程技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社,2006.TG17/48[10]李金桂.現(xiàn)代表面工程設(shè)計(jì)手冊(cè).國(guó)防工業(yè)出版社,2000.TG17/30[11]劉江南.金屬表面工程學(xué).兵器工業(yè)出版社,1995.TG17/242/3/202344.成績(jī)?cè)u(píng)定方式：期末考試(70%)

平時(shí)(30%)(出勤、課堂討論、作業(yè)、實(shí)驗(yàn))3.教學(xué)方法：上課（多媒體+板書）課堂討論（Presentation）2/3/20235表面工程第一章緒論2/3/2023主要內(nèi)容1.1表面工程技術(shù)的概念1.2表面工程技術(shù)的意義和目的1.3表面工程技術(shù)的發(fā)展1.4表面工程技術(shù)的應(yīng)用1.5表面工程技術(shù)的分類2/3/202371.1表面工程技術(shù)的概念表面工程學(xué)是材料科學(xué)與工程中發(fā)展最快的學(xué)科之一?，F(xiàn)有的表面工程技術(shù)種類繁多，但在最初它們分屬不同學(xué)科，如：1）金屬材料學(xué)←—化學(xué)熱處理、表面淬火技術(shù)；2）化學(xué)或化工←—電鍍與電刷鍍、涂裝技術(shù)；3）物理電子學(xué)←—真空鍍膜、離子鍍。2/3/202381、表面工程技術(shù)的定義

定義：為滿足特定的工程需要，使材料或零部件表面具有特殊的成分、結(jié)構(gòu)和性能（或功能）的化學(xué)、物理方法與工藝，稱表面工程技術(shù)。2/3/202392、表面工程技術(shù)的內(nèi)涵

1）表面改性技術(shù)：能提高零部件表面耐磨性、耐蝕性、抗高溫氧化性能或裝飾零部件表面、或使材料表面具有各種特殊功能的有關(guān)工程技術(shù)。2）表面加工技術(shù)：能在材料表面加工、制作各種功能結(jié)構(gòu)的有關(guān)技術(shù)。3）表面合成材料技術(shù)：借助各種手段在材料表面合成新材料的技術(shù)。4）表面加工三維合成技術(shù)：快速成型技術(shù)。5）兩種或兩種以上上述技術(shù)的組合。2/3/202310表面工程技術(shù)的特點(diǎn)涉及的研究領(lǐng)域增大。由單純的表面改性擴(kuò)展到表面加工和新材料合成。涉及的研究對(duì)象增加。由“結(jié)構(gòu)材料”擴(kuò)展到“功能材料”。學(xué)科涵蓋面變寬。包括材料、物理、化學(xué)、冶金、機(jī)械、電子、生物等，是名副其實(shí)的交叉學(xué)科。涉及的基材面變廣，幾乎包括了所有的工程材料：（1）金屬；（2）陶瓷；（3）半導(dǎo)體；（4）高分子；（5）混凝土；（6）木材；（7）復(fù)合材料涉及的工藝方法增多，數(shù)以百計(jì)。隨著科技的發(fā)展，這類方法還會(huì)逐年增多。

2/3/2023111.2表面工程技術(shù)的意義和目的1.表面工程技術(shù)的意義A、經(jīng)濟(jì)意義（三方面）（1）機(jī)械部件在使用過程中會(huì)發(fā)生腐蝕、磨損、氧化、侵蝕等。表面往往首先發(fā)生破壞或失效，引起整個(gè)機(jī)件的破壞或失效，造成經(jīng)濟(jì)損失。在各種機(jī)電產(chǎn)品的失效破壞中，約有70%是由腐蝕和磨損造成的。因此，表面是防止設(shè)備失效的第一道防線。（2）即使承受扭轉(zhuǎn)或彎曲載荷、因疲勞斷裂失效的零件，其斷裂也是從表面（受力最大）開始，并逐漸向內(nèi)部發(fā)展，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，材料表面是防止疲勞破壞的第一道防線。（3）現(xiàn)代工業(yè)迅猛發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品提出了更高的要求。這必然對(duì)機(jī)件表面的耐磨、耐蝕等性能提出更高的要求。提高經(jīng)濟(jì)效益。2/3/202312為了滿足這些要求，在某些情況下可以選用貴金屬或合金來(lái)制造整體設(shè)備及零件。但從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，這是行不通的。畢竟不是所有行業(yè)都像航空航天、軍工領(lǐng)域那樣不計(jì)成本。另一方面，在許多時(shí)候無(wú)法找到一種能夠同時(shí)滿足整體和表面性能要求的材料。因此，開發(fā)材料表面工程技術(shù)，在不增加或少增加材料成本的同時(shí)使產(chǎn)品表面受到保護(hù)和強(qiáng)化，對(duì)提高產(chǎn)品的使用壽命和可靠性、增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力、節(jié)約材料和能源等均具有重要意義。

2/3/202313B、學(xué)術(shù)價(jià)值（表面科學(xué)）①材料的物理、化學(xué)性能的變化都從表面開始；微米變納米（物理），化學(xué)反應(yīng)（化學(xué)）②隨著科技的發(fā)展，器件的微型化，表面與體相的原子比增大，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)。表面科學(xué)的研究為表面工程新技術(shù)的開發(fā)提供理論指導(dǎo)；表面工程新技術(shù)的開發(fā)和完善，又提出許多新的學(xué)術(shù)研究課題；

這些研究有力地促進(jìn)了材料科學(xué)、冶金學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械制造工藝學(xué)以及物理學(xué)、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。2/3/2023142.金屬材料表面工程技術(shù)的目的表面工程技術(shù)的含義很廣泛，至少包括表面改性和表面加工兩方面，而后者主要是機(jī)械切削中的內(nèi)容，屬機(jī)械加工范疇。因此，本課程提到的表面工程技術(shù)主要指表面改性技術(shù)。目的：在不改變基體材料成分、不削弱基體材料強(qiáng)度、或削弱基體材料強(qiáng)度但不影響使用的條件下，通過某些物理或化學(xué)手段賦予材料表面特殊的性能，從而滿足工程對(duì)材料的要求。2/3/202315表面工程技術(shù)可以改變的主要表面性能有：機(jī)械性能：抗疲勞性、硬度等；可加工性：精密加工性、可修補(bǔ)性、可焊接性、冷作硬化性等；耐磨性；保護(hù)性：防銹性、耐腐蝕性、耐候性、防污染性；熱特性：熱障性、導(dǎo)熱性等；電特性：導(dǎo)電性、絕緣性等；電磁性：磁化性、電磁屏蔽性等；光特性：反光性、選擇吸收性等；裝飾性：著色性、光澤性、可修飾性等。材料用于室外經(jīng)受光照、冷熱、風(fēng)雨、細(xì)菌等的考驗(yàn)，造成的綜合破壞，其耐受能力叫耐候性。2/3/2023161.3表面工程技術(shù)的發(fā)展表面技術(shù)已有幾千年的歷史油漆技術(shù)鎏金、貼金技術(shù)鎏金是一種古老的傳統(tǒng)工藝，考古證實(shí)這種工藝在戰(zhàn)國(guó)中期就已開始。

鎏金：將金和水銀（汞）合成金汞漆→涂抹在器物上→烘烤使汞蒸發(fā)，金就牢固地附在器物的表面。

貼金：在器物上貼上金箔。淬火、鈍化--青銅劍2/3/202317表面工程的發(fā)展1983，表面工程概念被首次提出，英國(guó)T.Bell教授1984，英國(guó)建立第一個(gè)表面工程學(xué)會(huì)1985，《表面工程》國(guó)際刊物發(fā)行召開第一屆表面工程國(guó)際會(huì)議1986，更名為國(guó)際熱處理與表面工程聯(lián)合會(huì)1987，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)表面工程研究所成立1988，《表面工程》雜志創(chuàng)刊1991，成立中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)表面工程專業(yè)委員會(huì)2000，成立全國(guó)焊接學(xué)會(huì)，堆焊及表面工程委員會(huì)2004，納米表面工程、綠色再制造工程2/3/2023181.4表面工程技術(shù)的應(yīng)用一、表面工程技術(shù)應(yīng)用的廣泛性和重要性表面工程技術(shù)以其高度的實(shí)用性和顯著的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的特點(diǎn)在制造業(yè)、維修業(yè)中占領(lǐng)了日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)；在航空航天、電子、汽車、能源、石油化工、礦山等工業(yè)部門得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用；可以說幾乎有表面的地方就離不開表面工程。二、表面工程技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料及工程構(gòu)件和機(jī)械零部件上的應(yīng)用零部件、工具、模具作用：防護(hù)、耐磨、強(qiáng)化、修復(fù)、裝飾等。三、表面工程技術(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、功能轉(zhuǎn)換、磁記錄材料、雙金屬、防護(hù)涂層。2/3/202319四、表面工程技術(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：光催化條件下，能與細(xì)菌內(nèi)的有機(jī)物反應(yīng)，使細(xì)菌分解。Ag：銀離子能吸附水中的微生物，使微生物賴以呼吸的酶失去作用，從而殺死微生物。Cu：銅離子可以殺滅易于在水中滋生的大腸桿菌和痢疾等病菌，清除水中傳播血吸蟲病的蛞蝓和螺等軟體動(dòng)物，以及傳播瘧疾的蚊子幼蟲等疾病攜帶體。生物醫(yī)學(xué)材料：如膜材料：用于止血材料，傷口包覆材料，組織工程支架材料，藥物釋放膜，人造皮膚、人造血管、創(chuàng)傷敷料、藥物輸送、生物膜、術(shù)后防粘連材料、美容材料等。2/3/202320應(yīng)用實(shí)例1（齒輪）齒輪受力復(fù)雜（沖擊、磨損）要求：高強(qiáng)度、高沖擊韌性、表面耐磨性解決：中、低碳鋼，表面熱處理、化學(xué)熱處理2/3/202321應(yīng)用實(shí)例2艦船、儲(chǔ)罐、水閘等的腐蝕解決：刷漆、涂料、電弧噴涂等10萬(wàn)立方米的大型石油儲(chǔ)罐

船體外表面噴鋁可抗海水腐蝕15~20年，厚度0.15~0.20mm2/3/202322應(yīng)用實(shí)例3汽車輕量化→鋁合金→表面耐磨問題突出解決：耐磨涂層火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管，2000～3300℃溫度和巨大的熱焰流沖擊解決：熱障涂層2/3/202323應(yīng)用實(shí)例4太陽(yáng)能，要求吸收太陽(yáng)光譜中所有波段的能量。解決：電子束蒸鍍Co-Al2O3，吸收率可達(dá)95%2/3/202324管道2/3/2023251.4表面工程技術(shù)的分類材料表面工程技術(shù)的分類2/3/2023261.按學(xué)科特點(diǎn)：

1）表面合金化：離子注入、激光合金化、熱滲鍍等。2）表面覆層與覆膜技術(shù)：噴焊、堆焊、熱噴涂、電（化學(xué)）鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化、氣相沉積、涂裝、金屬染色、熱浸鍍等。3）表面組織轉(zhuǎn)化技術(shù)：淬火、噴丸、輥壓等。2/3/2023272.按作用原理：1）原子沉積：原子尺度的粒子形態(tài)，如電鍍、化學(xué)鍍、PVD、CVD等。2）顆粒沉積：宏觀尺度的顆粒形態(tài)，如熱噴涂、搪瓷涂敷等。3）整體覆蓋：涂覆材料同一時(shí)間施加于材料表面，如包箔、貼片、涂刷等。4）表面改性：用機(jī)械、物理、化學(xué)等方法，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)。2/3/202328

3.按表面強(qiáng)化層材料：

1）金屬材料層2）陶瓷材料層3）高分子材料層4）復(fù)合材料層2/3/2023294.按表面改性的目的或性質(zhì)：

1）表面耐磨和減摩技術(shù)2）表面耐蝕和抗氧化技術(shù)3）表面強(qiáng)化（抗疲勞）技術(shù)4）表面裝飾技術(shù)5）功能表面技術(shù)6）表面修復(fù)技術(shù)2/3/2023305.按工藝特點(diǎn)：

1.熱噴涂(火焰噴涂、超音速噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂等)2.電沉積(電鍍、電刷鍍、化學(xué)鍍、復(fù)合鍍)3.高能密度處理(激光、電子束、離子束)4.氣相沉積（PVD、CVD