表面处理技术概论-绪论

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1、表面工程技术 Modern Surface Engineering and Technology,教学目的,通过本课程学习系统地掌握现代表面处理技术的基本原理； 能合理选择表面工程技术； 解决材料表面硬度、强度、耐磨性与心部强韧性之间的矛盾； 充分发挥材料性能的潜力； 延长产品使用寿命和提高产品质量。,第一章：绪论,表面工程是在传统表面技术的基础上，应用材料科学、冶金学、机械学、电子学、物理学、化学、摩擦学等学科的原理、方法及最新成就综合发展起来的一门新兴学科。研究材料表面、界面的特征、性能及改质过程和相应方法。是直接与各种表面现象或过程有关的，能为人类造福或被人们利用的技术。,人类很早就掌握

2、了表面技术为自己的生存和发展服务。最早的表面技术发明，恐怕要追溯到远古人树叶加身以抵御大自然风沙雨雪侵蚀的创举。,这一发明一直被沿用至今，只不过现代布料已经代替了远古树叶，这就是文明。,在漫长的文明发展历史长河中，中国人为发展表面技术作出了卓越的贡献。典型的例子有：,他们发明的意义不仅仅是宝剑本身，而是用生命谱写了一曲壮丽的表面渗碳的赞歌，因而受到后人的敬仰！,现代，中国神舟5号宇宙飞船的发射成功，也标志着中国的表面工程技术走向太空层次。,因为，没有抗高温涂层技术，载人飞船不可能穿过大气层安全还航；没有抗辐射薄膜技术，太阳能电池不可能在太空正常工作。,可见，从古代文明到现代文明，人类离不开表面

3、工程。,20世纪80年代，电子、信息、海洋、航天、先进制造等高科技的急剧发展和对传统工业改造的迫切需要，英国抢先提出表面工程概念。,一、表面工程学的产生背景,表面工程技术日益得到重视的主要原因：,1） 社会生产、生活的需要 2） 通过表面处理大幅度提高产品质量 3） 节约贵重材料 4） 实现材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问题 5） 良好的节能、节材效果 6） 促进了新兴工业的发展,1983年英国伯明翰大学成立国际上的第一个表面工程研究所沃尔森表面工程研究所；1985年国际刊物表面工程发行；同年召开第一次国际表面工程会议；1986年国际热处理联合会改名为国际热处理与表面工程联合会。,在短

4、短的时间内，表面工程学就在国际上得到巨大的反响。,我国对表面工程学的兴起作出了快速反应，1987年中国机械工程学会表面工程研究所在北京成立。,1988年全国首届表面工程现状与未来发展研讨会召开，同年创办了中国表面工程杂志。,根据统计，从第六个国家五年计划以来，通过在机械制造和维修领域推广应用表面工程，取得的经济效益达几百亿元。,二、表面工程的现实意义,材料表面失效是零件失效主要原因，带来惊人的破坏和损失。例如仅腐蚀一项年损失就超过水灾、火灾、地震和台风飓风加上恐怖分子所造成损失的总和。,表面工程是抗磨损,抗腐蚀的最积极手段,通过表面强化,防护来提高零件的使用寿命,减少维护费用和资源耗散.,磨损

5、、腐蚀、断裂是机械零件工程构建的三大主要破坏形式。前二者造成经济损失占很大比重。 磨损：美国国家材料政策委员会向美国国会提出的一份报告：摩擦磨损引起的损失1000亿/年；材料损失约为200亿.1983年，前联邦德国调查，摩擦磨损损失287亿马克；英国 摩擦磨损损失51500英镑/年； 腐蚀：美国：Battelle实验室和国家标准局1978年调查：1975年腐蚀损失达820亿美元，4.9%（占国民生产总值）1995年腐蚀损失达3000亿美元我国：1983年调查：400亿元/年,二、表面工程的现实意义,腐蚀磨损均是发生于机件表面的材料流失过程，其他形式的失效过程有许多也是从表面开始延缓和控制表面破

6、坏促进表面工程学的发展与形成。 表面工程学围绕腐蚀、摩擦与磨损和功能特性（声，光，磁，电的转换）三大因素成为80年代重点发展的7项关键技术之一，形成表面工程学。,二、表面工程的现实意义,应用实例,汽车轻量化铝合金表面耐磨问题突出表面耐磨涂层 火箭发动机的尾喷管内壁和燃烧室： 需承受20003300温度和巨大的热焰流冲击,应用实例2,飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿：由于具有几十倍的音速，并与大气层摩擦，即所谓气动加热，其温度高达40005000： 问题：绝大多数的金属和合金不能承受如此高的温度。 解决问题的方法：依靠各种形式的隔热涂层、防火涂层和烧蚀涂层。 隔热防火涂层是热导率低的氧化物：氧

7、化铝、氧化锆、氧化钍等。 烧蚀涂层：有机材料加石英纤维、陶瓷纤维或碳纤维。,应用实例3,人造卫星在宇宙中的温度控制：问题：卫星表面受太阳照射的一面温度可达+200，没有被太阳照射的一面温度可低到-200,应用实例4,航天飞机外壳了要防热材料和涂层：如美国洛克希德导弹与航天公司了一种LI-900全氧化硅绝热毡特性：1） 重量轻，整个体积的95%都是空的。2） 为防水、耐蚀以主散热，表面加涂了一种碳化硅涂层，该涂层可把90%的入射热反射掉，而剩下10%几乎都被氧化硅毡所隔绝。,应用实例5,在太阳能的利用中，必须利用涂层来吸收太阳光谱中所有波段的能量。如用电子束蒸镀的金属陶瓷层Co-Al2O3作为太

8、阳能吸热器，使对太阳能的吸收率可达95%,表面技术倍受重视的原因,表面新技术的出现之所以受到重视，不仅仅在于重要的学术价值，这是因为：1） 材料物理、化学性能及其变化都从表面开始；2）随着器件的微型化，表面/体相的原子比增大，会出现许多新的特性；3）材料表面的研究是许多高新技术的理化基础等。,世界各发达国家均对表面工程高度重视：,如美国工程科学院早在几年前为美国国会提供的2000年前集中力量加强发展的9项新科学技术中，有关材料方面的仅有材料表面科学与表面技术的研究。,三、使用表面技术的目的,（1） 提高材料抵御环境作用能力。（2） 赋予材料表面某种功能特性。包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等

9、等各种物理和化学性能。（3） 实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。,四、表面技术的内涵,表面改性技术：指通过改变表面成分和组织达到所需的功能。如离子注入、表面渗碳、辉光氮化、感应淬火等。 表面沉积技术：指通过原子层面的堆积过程形成薄膜。如PVD、CVD、PEP、电沉积等。 表面涂敷技术：指通过宏观堆积过程形成涂层。如热喷涂、堆焊、涂料涂装等。 表面硬化技术：指通过塑性变形达到强硬化。如表面喷丸、爆炸强化等。,表面工程技术的主要目的：就是在于通过表面处理使材料表面按人们希望的性能进行改变。 具体说：表面工程技术是在不改变基体材料的成分、不削弱基体材料的强度的条件下，通过物理手段或化学

10、手段赋予材料表面以特殊的性能，从而满足工程技术上对材料提出的要求的技术。 表面工程技术的作用就是改善或赋予表面各种性能,四、表面技术的内涵,表面工程最突出的技术特点是无需整体改变材质而能获得原材料所不具备的某些特殊性能。 采用不同的处理工艺，可使基材表面获得整体材料很难得到的特殊成份与结构，如超细晶粒、非晶态、超饱和固溶体、多重结构、多相弥散结构等，相应具备一些整体材料很难得到的特殊性能。,四、表面技术的内涵,表面工程另一技术特点是基材与镀覆材料选择范围很广，具有极大的灵活性。 通过采用不同的处理工艺，能在金属、有机、无机材料的基体表面制备单金属、合金、陶瓷、有机高分子材料、类金刚石、非晶态等

11、多种单一材料或复合材料的表面层，充分利用各种基材-涂层组合的特点设计新的功能，满足产品特种功能或综合功能多种使用要求。,四、表面技术的内涵,五、表面技术的分类,按学科特点将表面技术大致划分为三个方面： 1） 表面合金化：包括喷焊、堆焊、离子注入、激光溶敷、热渗镀等。 2） 表面覆层与覆膜技术：包括热喷涂、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金属染色、热浸镀等。 3） 表面组织转化技术：包括激光、电子束热处理技术以及喷丸、辊压等表面加工硬化技术。,按表面层种类分类之一,无覆层：基体表面经过化学预处理、精整或热加工硬化，仅改变表面应力或组织状态，不改变基体表面成份。 金属覆层：用电镀

12、、金属喷涂、表面合金化或热浸、包覆、气相沉积等方法，在基体表面覆以薄层金属、合金或金属基复合材料。 有机覆层：基体表面覆以有机材料，主要是涂装层，此外还有塑料、橡胶粘附等覆层。,五、表面技术的分类,按表面层种类分类之二,无机覆层：在基体表面涂覆玻璃搪瓷、水泥、陶瓷和珐琅等无机材料。 转化覆层：钢、锌、铝或镁、钛等金属表面经化学或电化学处理产生的金属化合物覆层，有氧化物、磷酸盐、铬酸盐等覆层。,五、表面技术的分类,按表面层功能特性分类之一,表面装饰：不同光亮、色泽、花纹的组合，使外观精美、多样化，增加美感与耐用性。 防腐蚀：耐环境气氛腐蚀，耐淡水、海水腐蚀、耐化学介质浸渍腐蚀等。 耐磨：耐腐蚀磨

13、损、微动磨损、磨粒磨损、硬面及纤维磨损，抗擦伤咬死、减摩自润滑、可磨耗密封等。,五、表面技术的分类,按表面层功能特性分类之二,热功能：耐热、抗高温氧化、热绝缘、热辐射、高温封严等。 光、电、磁特种功能：反光、滑光、吸收、超导、导电、绝缘、半导体、电磁屏蔽等。 其他特种功能：吸波、红外反射、太阳能吸收、辐射屏蔽、催化、生物功能等。,五、表面技术的分类,按工艺方法分类之一,电化学方法：利用电极反应，在基体上形成镀覆层，如电镀、阳极氧化等。 化学方法：利用化学物质的相互作用，在基体 表面形成镀覆层如化学镀、化学转化等。 热加工法：利用高温条件下材料熔融或热扩散，在基体表面形成镀、渗层，如热浸，表面合

14、金化等。,五、表面技术的分类,按工艺方法分类之二,高真空法：利用材料在高真空下气化或受激离 子化而形成表面镀覆层，如真空蒸发镀、溅射镀、离子镀等。其他物理方法：如机械镀、涂装、激光表面加工等。,五、表面技术的分类,按作用原理分类之一,原子沉积：沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上沉积形成外加覆盖层，如电镀、物理气相沉积、化学气相沉积。 颗粒沉积：沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂等。,五、表面技术的分类,按作用原理分类之二,整体覆盖：包覆、粘结、浸镀、涂刷、堆焊等。 改性处理：化学转化、离子注入、离子渗、扩散渗、激光表面处理、热加工相变硬化

15、、表面机械处理强化（喷丸、滚压）等,五、表面技术的分类,六、表面工程常用工艺,表面化学法预处理：溶剂清洗，碱洗，碱蚀，酸洗，酸蚀，乳化液清洗，化学抛光，电解抛光，电解清洗等； 清洁表面（去油、锈、氧化皮） 满足表面光亮、粗化或其他要求 表面均一 表面机械法精整：喷砂、喷丸、磨光、抛光、刷光、滚光等 清理表面杂质 表面均一及粗化 表面强化（喷丸硬化）,六、表面工程常用工艺,热加工相变硬化：火焰加热硬化、激光淬火、电子束硬化等 提高表面硬度与耐磨性（不改变基体表面化学成份）热化学（扩散）表面改性：渗碳、碳氮共渗，渗氮、渗硫与多元共渗，渗硼及多元共渗，渗金属及复合渗，激光表面合金化，热浸锌、铝等 提

16、高耐蚀、耐热、耐磨及抗疲劳性能,六、表面工程常用工艺,化学法镀覆：化学镀，溶胶一凝胶法，磷酸盐处理，（磷化）铬酸盐处理（铬酸盐钝化）草酸盐处理，钢铁氧化（发兰）等 防护装饰 改善耐磨性能 冷变形加工润滑,六、表面工程常用工艺,电镀：常规单金属镀，复合电镀，合金电镀，脉冲电镀，高速电镀，激光电镀，刷镀等 防护装饰 提高减摩耐磨性能 制备特殊功能金属镀层（光、电、磁、可焊性等）,六、表面工程常用工艺,阳极氧化：铝及铝合金阳极氧化，镁及镁合金阳极氧化，钛及钛合金阳极氧化等 防护装饰 提高喊摩耐磨性能 制备特殊功能膜（耐热、绝缘、太阳能吸收等）,六、表面工程常用工艺,有机涂装：浸涂，淋涂，幕帘淋涂，辊

17、涂，电泳涂装，自泳涂装，静电涂装，喷涂，流化床涂覆等 防护装饰 耐腐蚀 制备特种功能有机涂层（隔音、减震、隔热、耐油、防火、电绝缘、防污等）,六、表面工程常用工艺,热喷涂：火焰喷涂，电弧喷涂，等离子喷涂，爆炸喷涂，粉末等离子堆焊等 制备耐蚀，耐磨，减摩，隔热，导电，绝缘，可磨耗封严等多种功能涂层,六、表面工程常用工艺,物理气相沉积（PVD）：蒸发镀，溅射镀，离子镀等 制备装饰性，耐磨，耐蚀及光，电，磁等功能薄膜 化学气相沉积（CVD）：常压化学气相沉积，低压化学气相沉积，激光化学气相沉积，金属有机化合物化学气相沉积，等离子体化学气相沉积等 制备耐磨，抗氧化，抗腐蚀固态薄膜，适用于复杂零件及难熔金属、石墨、陶瓷等基体材料零件处理，可沉积难熔金属,