表面处理技术概论-绪论_图文

表面工程技术
Modern Surface Engineering and Technology

教学目的
通过本课程学习
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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 类离不开表面工程。

一、表面工程学的产生背景

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。

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.

二、表面工程的现实意 义
磨损、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。

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2000~3300℃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4000~5000℃: 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。

四、表面技术的内涵
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 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。

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。

五、表面技术的分类
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、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、表面机械处理强化(喷丸、滚 压)等

六、表面工程常用工艺

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)

1. 2. 3.

1. 2. 3.

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 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

六、表面工程常用工艺
离子注入表面改性:氮离子注入(单一气体 注入),等离子源离子注入,离子辅助镀膜 等 ? 制备金属成形刀具、模具耐磨硬质涂层 缓蚀材料防锈(封存防锈):水剂防锈,油 脂防锈,气相防锈,可剥性塑料防锈,防锈 切削液等 ? 整机设备及机械基础件(包括原材料,毛坯 件)在运输、储存及加工工序间周转过程中 防锈

六、表面工程常用工艺
其 他:包覆、衬里、搪瓷涂覆、离心浇 注、料浆喷涂、机械镀等 ? 制备耐化工腐蚀厚覆层及耐蚀镀层(机 械镀)

七、表面技术的广泛涵义

1) 表面技术的基础和应用理论。 2) 表面处理技术。它又包括表面覆盖技术、 表面改性技术和复合表面处理技术三部分。 3) 表面加工技术。 4) 表面分析和测试技术 5) 表面工程技术设计。

七、表面技术的广泛涵义
一、表面技术应用的广泛性和重要性

二、表面技术在结构材料以及工程构件和 机械零部件上的应用 主要起:防护、耐磨、强化、修复、 装饰等。

三、表面技术在功能材料和元器件上的应用光 学特性、电学特性、磁学特性、热学特性、化 学特性、工能转换磁记录材料、双金属、防护 涂层。 四、表面技术在人类适应、保护和优化环境方 面的一些应用抗菌灭菌TiO2, 生物医学材料。

七、 表面技术的发展
材料表面改性和强化问题引起国内外材 料科学界的极大关注,学术研究异常活 跃,旧的工艺被不断革新,新的工艺技 术相继问世,工程应用不断扩大。

七、 表面技术的发展

究其原因,主要是: (1) 高新技术的发展对机件质量的要求越 来越高,如要求高耐磨、强耐蚀、抗高温及 各种特殊功能。而现有的材料往往不能满足 需要。 (2) 器件的微型化,使表面问题更为突出。 (3) 人们希望通过表面改质,以普通材料 代替昂贵材料以降低成本。

材料表面工程是一门新兴的边缘学科
材料表面工程是一门很新的边缘学科,它不但 涉及到诸如 表面物理学、 表面化学、 金属学、 陶瓷学、 高分子学、 传热学、 传质学等多个学科的理论,而且其本身也溶入 了诸多学科的新技术。


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