表面工程1

表面工程讲稿《表面工程》•修改稿2010.9.13.•专业：材料成型及控制工程•层次：本科•性质：专业必修课学分：2•学时：30学时（课内）＋4学时（实验）•考核方式：考试+实验+上课+作业•教材：表面科学与技术；姚寿山等编•机械工业出版社；2005年1月第一版•主要参考书:主要参考书：1）曾晓雁吴懿平主编.表面工程学，机械工业出版社，北京.2001年4月第一版2）赵文轸主编.材料表面工程导论，西安交通大学出版社，1998年10月3）钱苗根等编.现代表面技术.机械工业出版社,2000年4月4）李学丹等.真空沉积技术.浙江大学出版社，杭州.1994年8月表面工程•第一章绪论•第二章表面技术的理论基础•第三章表面强度：表面摩擦与磨损•第四章表面强度：耐蚀性•增补表面工程技术的预处理工艺与作业环境•第五章电镀和化学镀•第六章化学转化膜与材料表面彩色化•第七章表面涂敷技术•第八章表面改性技术•第九章气相沉积技术•第十章表面微细加工技术•第十一章表面复合处理技术•第十二章表面分析与测试技术第一章绪论•1.1表面技术的意义、目的、途径与应用•1.1.1表面技术的函义•1.1.2表面工程技术的特点•1.1.3表面工程技术的应用•1.2表面工程技术的分类•1.3表面技术的应用•1.4表面技术的发展•思考题表面工程，顾名思义，就是在材料的表面采取适当的措施，通过改变材料的表面状态、表面性能、表面形状等，提高材料的性能以适应工况要求。一般来说，物体的表面不破坏，其内部也就很难受到破坏。材料的表面性能是它最有用、最起作用的性能之一。量子力学的奠基人之一——狄马克说过这样一句话：上帝创造了物体，魔鬼创造了表面。因此，学习表面工程，需要与魔鬼打交道的勇气：内容极为庞杂；原理既简单，又深奥；研究方法有别于常规的三维物体，需要特殊的手段。•认识一个人，也是首先从某人的表面——外观开始的。•因此，好的第一印象是至关重要的。至于内容——这个人到底是一个什么样的人，则是逐步认识的。•内容——形式的关系，这是一个大家都了解的哲学问题，此处不做进一步探讨,但表面工程对于材料的重要性,由此可见一斑。•世界是物质的，物质的主要表现形式就是材料。•世界上所有的物体都是由一定的材料组成的，也都具有一定的表面。•世界上材料极为丰富，材料所组成的物体的数量也极为庞大，这些物体的表面也是各种各样、千差万别的，构成了我们所见到的丰富多彩的世界。•因此，表面工程所要研究的内容是极为庞杂的。而我们的课时只有34个学时，显然与之不成比例，不可能对表面工程的内容做深入、全面的介绍。•本课程将有选择地介绍一些表面工程技术的科学原理，对各种表面工程技术方法，主要介绍原理、作用、应用，不要求大家去强记具体的工艺参数。•夸张地说，我们的课时用来为表面工程做名词解释都显得紧张。•现实地说，我们当然不会只做名词解释。我们的课程在全面介绍表面工程技术的同时，将重点介绍一些常用的以及最新的表面工程技术。•表面的作用：•保护；•赋予特定性能或者功能；•展示与对外交流。可能很多同学对表面工程的名词和内容都还不很清楚，但并不见得就不会运用。•传统的化妆技术：洗面；粉底；功能化；保护层。•现代表面工程技术：表面清洗；预处理；表面功能化；后处理。表面工程的概念•1966年出现“表面工程”概念词•1984年正式确定表面工程为一个学科•表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性、表面加工或多种表面工程技术复合处理，改变固体材料表面的形态、化学成分、组织结构、应力状态等，以获得所需要各类表面性能的系统工程。•材料表面工程是材料表面处理技术的总称。除材料科学与工程外，它还涉及到多个工程领域，诸如机械工程、电气工程、化学工程、能源工程、动力工程、航空航天工程、建筑工程等。•材料表面工程又是一门很新的边缘学科，在理论上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。表面工程技术的目的•提高材料与环境的相容性•赋予材料表面某种功能特性，包括光、电、热、磁、声、吸附、分离等•实施特定的表面加工来制造构件、零部件、元器件•表面工程是由多个学科交叉、综合发展起来的新兴学科，它以“表面”为研究核心。表面工程基础理论包括表面物理、表面化学、表面动力学、表面电子学等。•表面工程的最大优势是通过一定的技术方法制备出在某个或某些方面优于本体材料性能的表面功能层，赋予材料表面耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等热、电、光、力学、物理、化学性能，这层表面材料与制作部件的整体材料相比，厚度薄，质量小，但却承担着工作部件的主要功能。•表面工程是一项系统工程以表面科学为理论基础，以表面和界面行为为研究对象，首先把相互依存、相互分工的基体与表面视为一个系统，同时又综合了失效分析、表面技术、涂覆层性能、涂覆层材料、预处理和后处理、表面分析与检测技术、表面质量控制、使用寿命评估、表面施工管理、技术经济分析、三废处理和重大工程实践等多项内容。表面工程学研究的目的是赋于材料表面具有原来没有的特殊性能：•物理性能：包括电磁特性(导电性、绝缘性、半导体性、磁性、电磁屏蔽性)，光学特性(吸光性、反光性、光导、光电效应)，热特性(热传导性、耐热性)，声特性及防辐射等；•化学性能：包括腐蚀防护性、催化特性等；•机械性能：包括加工性、密封性、抗疲劳性、强度、硬度、韧性等；•摩擦学性能：包括减摩性、耐磨性、自润滑性、浸润性等；•装饰性：包括色彩、光泽性和可修饰性。表面工程有关的表面性能分类项目一般机械性能韧性、强度、塑性、抗疲劳性、硬度疏松度(空隙度)、残余应力可加工性精密加工性、可修补性、可焊性、冷作硬化性抗磨性抗磨料磨损性、抗粘着磨损性、抗腐蚀磨损性、抗冲蚀磨损性、抗微动磨损性、润滑性保护性防锈性、耐各种水质腐蚀性、耐侯性、耐药品性、抗酸碱盐腐蚀性、防污染性热特性热障性、导热性、高温氧化性、高温软化性、高温蠕变性、抗热冲击性电特性导电性、绝缘性、电阻特性、半导体特性电磁性磁化性、电磁屏蔽性光特性反光性、选择吸收性、消光性装饰性着色性、染色性、光泽性、可修饰性1.2表面工程技术的分类•1.2.1表面技术的基础和应用理论（表面物理、表面化学）•1.2.2表面涂覆技术•1.2.3表面改性技术•1.2.4表面加工技术•1.2.5复合表面处理技术•1.2.6表面分析和测试技术•1.2.7表面工程技术设计表面工程技术的分类•按照技术特点分类：表面改性技术表面加工技术表面涂覆技术复合表面工程技术纳米表面工程技术•也可以按照工艺特点、学科特点、表面改质的目的和性质分类按照工艺特点进行分类材料表面工程技术按工艺特点可大致分为以下13类：电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、表面彩色、气相沉积、“三束”（激光束、电子束、离子束）改性以及表面热处理、形变强化和衬里过渡层。每一类又可分为一些更细的工艺项目，具体，如下图。按学科持点进行分类•表面合金化技术--包括喷焊、堆焊、离子注入、激光溶敷、热渗镀等。•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。•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。此外，Mantton分类法将其分为：(1)原子沉积物；(2)粒状沉积物；(3)整体涂层；(4)表面改性。按表面改性的目的或性质分类•表面耐磨和减磨技术、表面耐蚀抗氧化技术、表面强化(提高疲劳强度)技术、表面装饰技术、功能表面技术及表面修复技术。•这种分类方法便于应用，有利于选择。•中国机械工程学会表面工程分会也是按这种分类方法成立了委员会。1.2.2表面涂覆技术电镀与电刷镀化学镀化学转化膜热喷涂热浸镀气相沉积分子束外延堆焊熔结涂料涂装技术粘结搪瓷热烫印陶瓷涂敷塑料涂敷鎏金包箔、贴片暂时性覆盖表面涂覆•表面涂覆是在基体材料表面上形成一种涂覆层。涂覆层的化学成分、组织结构可以和基质材料完全不同，它以满足表面性能、涂覆层与基质材料的结合强度能适应工况要求、经济性好、环保性好为准则。•涂覆层的厚度可以是几毫米，也可以是几微米。通常在基体零件表面预留加工余量，以实现表面具有工况需要的涂覆层厚度。•表面涂覆和表面改性、表面热处理相比，由于它的约束条件少，技术类型和材料的选择空间很大，因而，属于此类的表面工程技术非常多，应用最为广泛。•表面涂覆类的表面工程技术包括电化学沉积、化学沉积、气相沉积、热喷涂、堆焊、熔覆、热浸镀、黏涂、涂装等。其中有的表面涂覆技术又分为许多分支。电化学沉积电镀电刷镀槽镀液镀电刷镀摩擦电刷镀化学沉积化学镀气相沉积物理气相沉积化学气相沉积真空蒸发溅射离子镀化学气相沉积（CVD）等离子体增强CVD(PCVD)激光CVD化学转化膜分子束外延复合镀热喷涂火焰喷涂电弧喷涂等离子喷涂特种喷涂氧乙炔喷涂燃气高速火焰喷涂燃油高速火焰喷涂电弧喷涂高速电弧喷涂等离子喷涂高能等离子喷涂低气压等离子喷涂气体爆炸喷涂电容爆喷涂激光喷涂悬浮液料热喷涂冷喷涂热喷涂是一种用专用设备把某种固体材料熔化并加速喷射到机件表面上，形成涂层，以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的技术。冷喷涂是利用超音速的固体颗粒的动能在撞击到镀件表面时转变为热能，从而完成冶金焊接。该工艺的原理是：每种金属均有其特定的、与温度相关的临界颗粒速度，当颗粒运动超过这一速度时即会焊接于镀件之上。此方法主要用于铝等有色金属。•堆焊--氧-乙炔火焰堆焊、手工电弧堆焊、气体保护堆焊、埋弧堆焊、等离子弧堆焊、电渣堆焊、电火花堆焊•熔覆--氧-乙炔火焰熔覆、真空电热熔覆、激光熔覆、电子束熔覆•涂装通用涂装技术特殊涂装技术静电涂装电泳涂装流化床涂装烧结法涂装1.2.3表面改性技术•用机械、物理、化学等方法，改变表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态、应力状态等。•喷丸强化•表面热处理•化学热处理（热扩渗）•等离子体扩渗•高能束表面改性•离子注入表面改性技术扩散渗入非金属元素表面渗扩金属元素表面渗扩复合元素表面渗扩离子注入非金属离子注入金属离子注入复合离子注入转化膜技术电化学转换膜化学转化膜表面着色技术之一：通过改变基质材料成分和组织，达到改善性能的目的，不附件膜层表面改性技术表面淬火热处理表面变形热处理表面纳米化加工技术感应加热表面淬火激光加热表面淬火电子束加热表面淬火喷丸辊压孔挤之二：不改变基质材料的化学成分，只通过改变表面的组织结构达到改善表面性能的目的。1.2.4表面加工技术•电铸•抛光•包覆•刻蚀•微细加工•表面加工技术---也称表面微细加工技术，加工的尺度一般在亚微米级、纳米级甚至Å级，是在微电子学基础上发展起来，综合运用了物理加工、化学加工、机械加工等加工方法，以及系统技术、控制技术、真空技术和封装技术等先进技术。表面加工技术光刻加工LIGA（X射线刻蚀电铸模法）机械微细加工放电微细加工激光速微细加工电子束微细加工离子束微细加工超声波微细加工1.2.5复合表面处理技术•运用两种或者更多种表面技术的复合技术。•表面合金化与掺杂技术•表面合成新材料技术•表面三维成型技术•其他表面复合技术复合表面技术•复合表面工程技术是对上述三类表面工程技术的综合运用。复合表面工程技术是在一种基体材料表面上采取了两种或多种表面工程技术，用以克服单一表面工程技术的局限性，发挥多种表面工程技术间的协同效应，从而使基质材料的表面性能、质量、经济性达到优化。•主要包括多种表面工程技术的复合和多种不同材料的复合•多种表面工程技术的复合综合运用两种或多种表面工程技术,通过最佳协同效应获得“1+1＞2”的效果。目前，复合表面工程技术的研究和应用已取得了重大进展，如热喷涂与激光重熔的复合、热喷涂与刷镀的复合、化学热处理与电镀的复合、表面强化与喷九强化的复合、表面强化与固体润滑层的复合、多层薄膜技术的复合、金属材料基体与非金属材料涂层的复合等。•多种不同材料的复合例如，Al是具有较好抗腐蚀性能的涂层材料，但纯Al涂层的抗磨性差。通过在Al中添加硬质陶瓷相可显著提高其耐磨性