新1第一章 現(xiàn)代表面工程技術

1現(xiàn)代表面工程技術

ModernSurfaceEngineeringandTechnology

江蘇大學材料學院教學目的

（1）系統(tǒng)地掌握現(xiàn)代表面處理技術的基本原理；（2）能合理選擇并應用這些新的表面工程技術；（3）解決材料表面硬度、強度、耐磨性與心部強韌性之間的矛盾；（4）充分發(fā)揮材料性能的潛力；（5）延長產(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，機械工業(yè)出版社，錢苗根等編著參考書目：面向二十一世紀的表面工程，徐濱士，北京：機械工業(yè)出版社，1997表面工程手冊，李國英主編，北京：機械工業(yè)出版社，1998表面涂層技術，陳學定，韓文政，北京：機械工業(yè)出版社，1994表面工程與維修，徐濱士，朱紹華等，北京：機械工業(yè)出版社，1996第一章表面技術概論

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表面技術和表面工程概述

表面技術的分類

表面技術的應用與發(fā)展第一章表面技術概論表面技術是直接與各種表面現(xiàn)象或過程有關的，能為人類造福或被人們利用的技術。通過對材料基體表面加涂層或改變表面形貌、化學組成、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)，達到提高材料抵御環(huán)境作用能力或賦予材料表面某種功能特性的工藝技術。5一、使用表面技術的目的（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性能。（3）實施特定的表面加工來制造構(gòu)件、零部件和元器件等。6第一節(jié)表面技術的涵義7

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

電鍍、電刷鍍、化學鍍、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、化學氣相沉積、分子束外延制膜、離子束合成薄膜技術等。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，緩蝕劑的暫時覆蓋層等。（2）機械、物理、化學等方法表面工程技術日益得到重視的主要原因：1）

社會生產(chǎn)、生活的需要;2）

通過表面處理大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量;3）

節(jié)約貴重材料;4）

實現(xiàn)材料表面復合化，解決單一材料無法解決的問題;5）

良好的節(jié)能、節(jié)材效果;6）

促進了新興工業(yè)的發(fā)展。8應用實例1汽車輕量化→鋁合金→表面耐磨問題突出→表面耐磨涂層火箭發(fā)動機的尾噴管內(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在2010年的收入達到380億美元，2017年該數(shù)字有望達到953.4億美元。

應用實例2飛船或者洲際導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，即所謂氣動加熱，其溫度高達4000～5000℃：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率低的氧化物：氧化鋁、氧化鋯、氧化釷等。燒蝕涂層：有機材料加石英纖維、陶瓷纖維或碳纖維。10應用實例3

航天飛機外殼了要防熱材料和涂層：如美國洛克希德導彈與航天公司研制出LI-900全氧化硅絕熱氈：1）

重量輕，整個體積的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應用實例4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，使對太陽能的吸收率可達95%。12應用實例5人造衛(wèi)星在宇宙中的溫度控制問題：衛(wèi)星表面受太陽照射的一面溫度可達200℃，沒有被太陽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)世界摩擦學會統(tǒng)計：摩擦損失世界性一次能源的1/3~1/2；磨損給工業(yè)國家?guī)淼膿p失達國民生產(chǎn)總值的2%~8%。三、表面失效的形式171.機械零件表面失效機械零件失效一般都發(fā)生在工作面（表面），因為機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、某些化學介質(zhì)的作用而腐蝕失效。18磨損失效機械零件由于相互之間的相對運動發(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，使機械設備喪失精度，導致整個機械設備無法正常工作，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)生化學或電化學反應，而導致的損傷或損壞，稱為腐蝕失效，特別在強腐蝕性介質(zhì)中這情況非常嚴重。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)應力和應變作用下，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、

材料表面失效防護與現(xiàn)代材料表面改性1.材料表面失效防護(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)材料來制造零件。(2)零件的優(yōu)化設計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：在零件表面涂覆一層保護膜;采用機械、物理、化學等方法，使材料表面的形貌、化學成份、

相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)、應力狀態(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，每種表面改性技術均有它的局限性，不可能采用相同的表面改性技術。把表面改性技術作為一個系統(tǒng)工程進行優(yōu)化設計和優(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。24

目的：材料表面與基體看作統(tǒng)一的系統(tǒng)進行設計與改性，以最經(jīng)濟、最有效的方法改變材料近表面層的形態(tài)、化學成份和組織結(jié)構(gòu)，賦予新的復合性能，以新型的功能實現(xiàn)新的工程應用。

使材料表面獲得更好的表面特性，有效地延長零件使用壽命；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)代表面改性技術統(tǒng)稱為現(xiàn)代表面改性技術。五、表面改性目的和意義表面技術倍受重視的原因表面新技術不僅在于重要的學術價值，這是因為：1）

材料物理、化學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，會出現(xiàn)許多新的特性；3）材料表面的研究是許多高新技術的理化基礎等。25美國工程科學院為美國國會提供的2000年前集中力量加強發(fā)展的9項新科學技術中，有關材料方面的僅有材料表面科學與表面技術的研究。六、與表面現(xiàn)象有關的一些表面技術1）

表面濕潤和反濕潤技術2）

表面催化技術3）

膜技術4）

表面化學技術本課程將主要學習：表面覆蓋、表面改性和表面加工等表面技術。26第二節(jié)表面技術的分類按學科特點將表面技術大致劃分為三個方面：

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：包括熱噴涂、電鍍、化學轉(zhuǎn)化處理、化學鍍、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：包括激光、電子束熱處理技術以及噴丸、輥壓等表面加工硬化技術。2728(4)表面改性。用各種物理、化學等方法處理表面，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、化學鍍、物理氣相沉積、化學氣相沉積等。(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、化學鍍、熱滲鍍、熱噴涂、堆焊、化學轉(zhuǎn)化膜、涂裝、表面著色、氣相沉積、“三束”改性以及表面熱處理、形變強化和襯里等13類。材料表面工程技術按工藝特點分：34表面技術有著廣泛的涵義，大致上可分為以下幾個部分：

(l)表面技術的基礎和應用理論。

(2)表面處理技術。表面覆蓋技術表面改性技術復合表面處理技術

(3)表面加工技術。

(4)表面分析和測試技術。

(5)表面工程技術設計。35第三節(jié)表面技術的應用一、

表面技術應用的廣泛性和重要性二、表面技術在結(jié)構(gòu)材料以及工程構(gòu)件和機械零部件上的應用：工具、模具、

主要起防護、耐磨、強化、修復、裝飾等。36三、

表面技術在功能材料和元器件上的應用光學特性、電學特性、磁學特性、熱學特性、化學特性、工能轉(zhuǎn)換磁記錄材料、雙金屬、防護涂層。四、表面技術在人類適應、保護和優(yōu)化環(huán)境方面的一些應用

抗菌滅菌材料，TiO2,生物醫(yī)學材料。37第四節(jié)

表面技術的發(fā)展

材料表面改性和強化問題引起國內(nèi)外材料科學界的極大關注，學術研究異?；钴S，舊的工藝被不斷革新，新的工藝技術相繼問世，工程應用不斷擴大。38

究其原因，主要是：（1）

高新技術的發(fā)展對機件質(zhì)量的要求越來越高，如要求高耐磨、強耐蝕、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，使表面問題更為突出。（3）