表面工程(修訂稿2013-10)

表面工程講稿《表面工程》

修改稿2013.10.26.專業(yè)：材料成型及控制工程層次：本科性質(zhì)：專業(yè)必修課學(xué)分：2學(xué)時：30學(xué)時（課內(nèi)）＋4學(xué)時（實驗）考核方式：考試+實驗+上課+作業(yè)教材：表面科學(xué)與技術(shù)；姚壽山等編機(jī)械工業(yè)出版社；2005年1月第一版主要參考書:主要參考書：

1）曾曉雁吳懿平主編.表面工程學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社，北京.2001年4月第一版2）趙文軫主編.材料表面工程導(dǎo)論，西安交通大學(xué)出版社，1998年10月3）錢苗根等編.現(xiàn)代表面技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社,2000年4月4）李學(xué)丹等.真空沉積技術(shù).浙江大學(xué)出版社，杭州.1994年8月

表面工程第一章緒論第二章表面技術(shù)的理論基礎(chǔ)第三章表面強(qiáng)度：表面摩擦與磨損第四章表面強(qiáng)度：耐蝕性增補(bǔ)表面工程技術(shù)的預(yù)處理工藝與作業(yè)環(huán)境第五章電鍍和化學(xué)鍍第六章化學(xué)轉(zhuǎn)化膜與材料表面彩色化第七章表面涂敷技術(shù)第八章表面改性技術(shù)第九章氣相沉積技術(shù)第十章表面微細(xì)加工技術(shù)第十一章表面復(fù)合處理技術(shù)第十二章表面分析與測試技術(shù)第一章緒論1.1表面技術(shù)的意義、目的、途徑與應(yīng)用1.1.1表面技術(shù)的函義1.1.2表面工程技術(shù)的特點(diǎn)1.1.3表面工程技術(shù)的應(yīng)用1.2表面工程技術(shù)的分類1.3表面技術(shù)的應(yīng)用1.4表面技術(shù)的發(fā)展思考題表面工程，顧名思義，就是在材料的表面采取適當(dāng)?shù)拇胧?，通過改變材料的表面狀態(tài)、表面性能、表面形狀等，提高材料的性能以適應(yīng)工況要求。

一般來說，物體的表面不破壞，其內(nèi)部也就很難受到破壞。

材料的表面性能是它最有用、最起作用的性能之一。1966年出現(xiàn)“表面工程”概念詞1983年英國伯明翰大學(xué)成立國際上的第一個表面工程研究所—沃爾森表面工程研究所；1984年正式確定表面工程為一個學(xué)科；1985年國際刊物《表面工程》發(fā)行；1985年召開第一次國際表面工程會議；1986年國際熱處理聯(lián)合會更名為國際熱處理與表面工程聯(lián)合會。我國對表面工程學(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)展研討會召開，同年創(chuàng)辦了《中國表面工程》雜志。

量子力學(xué)的奠基人之一——狄馬克說過這樣一句話：上帝創(chuàng)造了物體，魔鬼創(chuàng)造了表面。因此，學(xué)習(xí)表面工程，需要與魔鬼打交道的勇氣以及相應(yīng)的手段：內(nèi)容極為龐雜；原理既簡單，又深奧；研究方法有別于常規(guī)的三維物體，需要特殊的手段。認(rèn)識一個人，也是首先從某人的表面——外觀開始的。因此，好的第一印象是至關(guān)重要的。至于內(nèi)容——這個人到底是一個什么樣的人，則是逐步認(rèn)識的。內(nèi)容——形式的關(guān)系，這是一個大家都了解的哲學(xué)問題，此處不做進(jìn)一步探討,但表面工程對于材料的重要性,由此可見一斑。世界是物質(zhì)的，物質(zhì)的主要表現(xiàn)形式就是材料。世界上所有的物體都是由一定的材料組成的，也都具有一定的表面。世界上材料極為豐富，材料所組成的物體的數(shù)量也極為龐大，這些物體的表面也是各種各樣、千差萬別的，構(gòu)成了我們所見到的豐富多彩的世界。因此，表面工程所要研究的內(nèi)容是極為龐雜的。而我們的課時只有34個學(xué)時，顯然與之不成比例，不可能對表面工程的內(nèi)容做深入、全面的介紹，甚至對大多數(shù)選講的內(nèi)容也不能做很具體的介紹。本課程將有選擇地介紹一些表面工程技術(shù)的科學(xué)原理，對各種表面工程技術(shù)方法，主要介紹原理、作用、應(yīng)用，不要求大家去強(qiáng)記具體的工藝參數(shù)。夸張地說，我們的課時用來為表面工程做名詞解釋都顯得緊張?，F(xiàn)實地說，我們當(dāng)然不會只做名詞解釋。我們的課程在全面介紹表面工程技術(shù)的同時，將重點(diǎn)介紹一些常用的以及最新的表面工程技術(shù)。表面的作用：保護(hù)；賦予特定性能或者功能；展示與對外交流。可能很多同學(xué)對表面工程的名詞和內(nèi)容都還不很清楚，但并不見得就不會運(yùn)用。傳統(tǒng)的化妝技術(shù)：洗面；粉底；功能化；保護(hù)層?，F(xiàn)代表面工程技術(shù)：表面清洗；預(yù)處理；表面功能化；后處理。表面工程的概念表面工程是經(jīng)表面預(yù)處理后，通過表面涂覆、表面改性、表面加工或多種表面工程技術(shù)復(fù)合處理，改變固體材料表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)等，以獲得所需要各類表面性能的系統(tǒng)工程。材料表面工程是材料表面處理技術(shù)的總稱。除材料科學(xué)與工程外，它還涉及到多個工程領(lǐng)域，諸如機(jī)械工程、電氣工程、化學(xué)工程、能源工程、動力工程、航空航天工程、建筑工程等。材料表面工程又是一門很新的邊緣學(xué)科，在理論上它不但涉及到諸如表面物理學(xué)、表面化學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子學(xué)、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)等多個學(xué)科的理論，而且其本身也溶入了諸多學(xué)科的新技術(shù)。表面工程技術(shù)的目的提高材料與環(huán)境的相容性賦予材料表面某種功能特性，包括光、電、熱、磁、聲、吸附、分離等實施特定的表面加工來制造構(gòu)件、零部件、元器件表面工程學(xué)研究的目的是賦于材料表面具有原來沒有的特殊性能：物理性能：包括電磁特性(導(dǎo)電性、絕緣性、半導(dǎo)體性、磁性、電磁屏蔽性)，光學(xué)特性(吸光性、反光性、光導(dǎo)、光電效應(yīng))，熱特性(熱傳導(dǎo)性、耐熱性)，聲特性及防輻射等；化學(xué)性能：包括腐蝕防護(hù)性、催化特性等；機(jī)械性能：包括加工性、密封性、抗疲勞性、強(qiáng)度、硬度、韌性等；摩擦學(xué)性能：包括減摩性、耐磨性、自潤滑性、浸潤性等；裝飾性：包括色彩、光澤性和可修飾性。表面工程有關(guān)的表面性能分類項目一般機(jī)械性能韌性、強(qiáng)度、塑性、抗疲勞性、硬度疏松度(空隙度)、殘余應(yīng)力可加工性精密加工性、可修補(bǔ)性、可焊性、冷作硬化性抗磨性抗磨料磨損性、抗粘著磨損性、抗腐蝕磨損性、抗沖蝕磨損性、抗微動磨損性、潤滑性保護(hù)性防銹性、耐各種水質(zhì)腐蝕性、耐侯性、耐藥品性、抗酸堿鹽腐蝕性、防污染性熱特性熱障性、導(dǎo)熱性、高溫氧化性、高溫軟化性、高溫蠕變性、抗熱沖擊性電特性導(dǎo)電性、絕緣性、電阻特性、半導(dǎo)體特性電磁性磁化性、電磁屏蔽性光特性反光性、選擇吸收性、消光性裝飾性著色性、染色性、光澤性、可修飾性表面工程是由多個學(xué)科交叉、綜合發(fā)展起來的新興學(xué)科，它以“表面”為研究核心。表面工程基礎(chǔ)理論包括表面物理、表面化學(xué)、表面動力學(xué)、表面電子學(xué)等。表面工程的最大優(yōu)勢是通過一定的技術(shù)方法制備出在某個或某些方面優(yōu)于本體材料性能的表面功能層，賦予材料表面耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射等熱、電、光、力學(xué)、物理、化學(xué)性能，這層表面材料與制作部件的整體材料相比，厚度薄，質(zhì)量小，但卻承擔(dān)著工作部件的主要功能。表面工程是一項系統(tǒng)工程

以表面科學(xué)為理論基礎(chǔ)，以表面和界面行為為研究對象，首先把相互依存、相互分工的基體與表面視為一個系統(tǒng)，同時又綜合了失效分析、表面技術(shù)、涂覆層性能、涂覆層材料、預(yù)處理和后處理、表面分析與檢測技術(shù)、表面質(zhì)量控制、使用壽命評估、表面施工管理、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、三廢處理和重大工程實踐等多項內(nèi)容。1.2表面工程技術(shù)的分類1.2.1表面技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用理論（表面物理、表面化學(xué)）1.2.2表面涂覆技術(shù)1.2.3表面改性技術(shù)1.2.4表面加工技術(shù)1.2.5復(fù)合表面處理技術(shù)1.2.6表面分析和測試技術(shù)1.2.7表面工程技術(shù)設(shè)計表面工程技術(shù)的分類按照技術(shù)特點(diǎn)分類：

表面改性技術(shù)表面加工技術(shù)表面涂覆技術(shù)復(fù)合表面工程技術(shù)納米表面工程技術(shù)也可以按照工藝特點(diǎn)、學(xué)科特點(diǎn)、表面改質(zhì)的目的和性質(zhì)分類按學(xué)科特點(diǎn)進(jìn)行分類表面合金化技術(shù)--包括噴焊、堆焊、離子注入、激光溶敷、熱滲鍍等。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。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)。此外，Mantton分類法將其分為：(1)原子沉積物；(2)粒狀沉積物；(3)整體涂層；(4)表面改性。按表面改性的目的或性質(zhì)分類表面耐磨和減磨技術(shù)、表面耐蝕抗氧化技術(shù)、表面強(qiáng)化(提高疲勞強(qiáng)度)技術(shù)、表面裝飾技術(shù)、功能表面技術(shù)及表面修復(fù)技術(shù)。這種分類方法便于應(yīng)用，有利于選擇。中國機(jī)械工程學(xué)會表面工程分會也是按這種分類方法成立了委員會。按照工藝特點(diǎn)進(jìn)行分類

材料表面工程技術(shù)按工藝特點(diǎn)可大致分為以下13類：電鍍、化學(xué)鍍、熱滲鍍、熱噴涂、堆焊、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、涂裝、表面彩色、氣相沉積、“三束”（激光束、電子束、離子束）改性以及表面熱處理、形變強(qiáng)化和襯里過渡層。每一類又可分為一些更細(xì)的工藝項目，如下圖。1.2.2表面涂覆技術(shù)電鍍與電刷鍍化學(xué)鍍化學(xué)轉(zhuǎn)化膜熱噴涂熱浸鍍氣相沉積分子束外延堆焊熔結(jié)涂料涂裝技術(shù)粘結(jié)搪瓷熱燙印陶瓷涂敷塑料涂敷鎏金包箔、貼片暫時性覆蓋表面涂覆表面涂覆是在基體材料表面上形成一種涂覆層。涂覆層的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)可以和基質(zhì)材料完全不同，它以滿足表面性能、涂覆層與基質(zhì)材料的結(jié)合強(qiáng)度能適應(yīng)工況要求、經(jīng)濟(jì)性好、環(huán)保性好為準(zhǔn)則。涂覆層的厚度可以是幾毫米，也可以是幾微米。通常在基體零件表面預(yù)留加工余量，以實現(xiàn)表面具有工況需要的涂覆層厚度。表面涂覆和表面改性、表面熱處理相比，由于它的約束條件少，技術(shù)類型和材料的選擇空間很大，因而，屬于此類的表面工程技術(shù)非常多，應(yīng)用最為廣泛。表面涂覆類的表面工程技術(shù)包括電化學(xué)沉積、化學(xué)沉積、氣相沉積、熱噴涂、堆焊、熔覆、熱浸鍍、黏涂、涂裝等。其中有的表面涂覆技術(shù)又分為許多分支。電化學(xué)沉積電鍍電刷鍍槽鍍液鍍電刷鍍摩擦電刷鍍化學(xué)沉積化學(xué)鍍氣相沉積物理氣相沉積化學(xué)氣相沉積真空蒸發(fā)濺射離子鍍化學(xué)氣相沉積（CVD）等離子體增強(qiáng)CVD(PCVD)激光CVD化學(xué)轉(zhuǎn)化膜分子束外延復(fù)合鍍熱噴涂火焰噴涂電弧噴涂等離子噴涂特種噴涂氧乙炔噴涂燃?xì)飧咚倩鹧鎳娡咳加透咚倩鹧鎳娡侩娀娡扛咚匐娀娡康入x子噴涂高能等離子噴涂低氣壓等離子噴涂氣體爆炸噴涂電容爆噴涂激光噴涂懸浮液料熱噴涂冷噴涂熱噴涂是一種用專用設(shè)備把某種固體材料熔化并加速噴射到機(jī)件表面上，形成涂層，以提高機(jī)件耐蝕、耐磨、耐高溫等性能的技術(shù)。冷噴涂是利用超音速的固體顆粒的動能在撞擊到鍍件表面時轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而完成冶金焊接。該工藝的原理是：每種金屬均有其特定的、與溫度相關(guān)的臨界顆粒速度，當(dāng)顆粒運(yùn)動超過這一速度時即會焊接于鍍件之上。此方法主要用于鋁等有色金屬。

堆焊--氧-乙炔火焰堆焊、手工電弧堆焊、氣體保護(hù)堆焊、埋弧堆焊、等離子弧堆焊、電渣堆焊、電火花堆焊熔覆--氧-乙炔火焰熔覆、真空電熱熔覆、激光熔覆、電子束熔覆涂裝通用涂裝技術(shù)特殊涂裝技術(shù)靜電涂裝電泳涂裝流化床涂裝燒結(jié)法涂裝1.2.3表面改性技術(shù)用機(jī)械、物理、化學(xué)等方法，改變表面的形貌、化學(xué)成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)等。噴丸強(qiáng)化表面熱處理化學(xué)熱處理（熱擴(kuò)滲）等離子體擴(kuò)滲高能束表面改性離子注入表面改性技術(shù)擴(kuò)散滲入非金屬元素表面滲擴(kuò)金屬元素表面滲擴(kuò)復(fù)合元素表面滲擴(kuò)離子注入非金屬離子注入金屬離子注入復(fù)合離子注入轉(zhuǎn)化膜技術(shù)電化學(xué)轉(zhuǎn)換膜化學(xué)轉(zhuǎn)化膜表面著色技術(shù)之一：通過改變基質(zhì)材料成分和組織，達(dá)到改善性能的目的，不附件膜層表面改性技術(shù)表面淬火熱處理

表面變形熱處理表面納米化加工技術(shù)感應(yīng)加熱表面淬火激光加熱表面淬火電子束加熱表面淬火噴丸輥壓孔擠之二：不改變基質(zhì)材料的化學(xué)成分，只通過改變表面的組織結(jié)構(gòu)達(dá)到改善表面性能的目的。1.2.4表面加工技術(shù)電鑄拋光包覆刻蝕微細(xì)加工表面加工技術(shù)---也稱表面微細(xì)加工技術(shù)，加工的尺度一般在亞微米級、納米級甚至?級，是在微電子學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來，綜合運(yùn)用了物理加工、化學(xué)加工、機(jī)械加工等加工方法，以及系統(tǒng)技術(shù)、控制技術(shù)、真空技術(shù)和封裝技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)。表面加工技術(shù)光刻加工

LIGA（X射線刻蝕電鑄模法）機(jī)械微細(xì)加工放電微細(xì)加工激光速微細(xì)加工電子束微細(xì)加工離子束微細(xì)加工超聲波微細(xì)加工1.2.5復(fù)合表面處理技術(shù)運(yùn)用兩種或者更多種表面技術(shù)的復(fù)合技術(shù)。表面合金化與摻雜技術(shù)表面合成新材料技術(shù)表面三維成型技術(shù)其他表面復(fù)合技術(shù)復(fù)合表面技術(shù)復(fù)合表面工程技術(shù)是對上述三類表面工程技術(shù)的綜合運(yùn)用。復(fù)合表面工程技術(shù)是在一種基體材料表面上采取了兩種或多種表面工程技術(shù)，用以克服單一表面工程技術(shù)的局限性，發(fā)揮多種表面工程技術(shù)間的協(xié)同效應(yīng)，從而使基質(zhì)材料的表面性能、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性達(dá)到優(yōu)化。主要包括多種表面工程技術(shù)的復(fù)合和多種不同材料的復(fù)合多種表面工程技術(shù)的復(fù)合綜合運(yùn)用兩種或多種表面工程技術(shù),通過最佳協(xié)同效應(yīng)獲得“1+1＞2”的效果。目前，復(fù)合表面工程技術(shù)的