厦门大学材表面工程第一章

1、 材料表面工程材料表面工程主要参考书：主要参考书： 1、赵文轸主编赵文轸主编， 材料表面工程导论材料表面工程导论， 西安交通大学出版社西安交通大学出版社, 2001 2、曾晓雁等编著，、曾晓雁等编著，表面工程学表面工程学 ，机械工业出版社，机械工业出版社，20013、徐滨士等、徐滨士等编著编著， 材料表面工程材料表面工程，哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社, 2005 4、 s. r. morrison, the chemical physics of surfaces. plenum press, new york and london, 1977. (s. r. morrison著，

2、赵璧英等译，著，赵璧英等译，表面化学物理表面化学物理，北京大学出，北京大学出版社，版社，1986) 第一章第一章 绪论绪论 1.1 材料表面工程技术的意义、目的和作用材料表面工程技术的意义、目的和作用 材料表面工程是材料表面处理技术的总称。材料表面工程是材料表面处理技术的总称。 u涉及到多个工程领域：机械工程、半导体电子工程、化学工程、能涉及到多个工程领域：机械工程、半导体电子工程、化学工程、能源工程、动力工程、航空航天工程、建筑工程等。源工程、动力工程、航空航天工程、建筑工程等。 u是一门很新的边缘学科，涉及到表面物理化学、表面化学、表面物是一门很新的边缘学科，涉及到表面物理化学、表面化学、

3、表面物理、金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学等。理、金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学等。近年来学术研究异常活跃近年来学术研究异常活跃高科技的发展对机件质量的要求越来越高，而现有材料不能满足要求；高科技的发展对机件质量的要求越来越高，而现有材料不能满足要求；器件的微型化使表面问题更为突出；器件的微型化使表面问题更为突出；希望通过表面改性，以普通材料代替昂贵材料以降低成本。希望通过表面改性，以普通材料代替昂贵材料以降低成本。材料表面工程技术的意义材料表面工程技术的意义 希望产品能在高温、高压、高速、高度自动化和恶劣的工况条件下长期希望产品能在高温、高压、高速、高度自动化和恶劣的工况条

4、件下长期稳定运转，对机件表面的耐磨、耐蚀、耐疲劳等性能的要求日益苛刻。稳定运转，对机件表面的耐磨、耐蚀、耐疲劳等性能的要求日益苛刻。 表面发生腐蚀和磨损：占各种机电产品过早失效破坏约表面发生腐蚀和磨损：占各种机电产品过早失效破坏约70 研究和发展表面保护和表面强化技术的重要意义研究和发展表面保护和表面强化技术的重要意义： 提高零件的使用寿命和可靠性；提高零件的使用寿命和可靠性； 改善机械设备的性能、质量，增强产品的竞争能力；改善机械设备的性能、质量，增强产品的竞争能力； 推动高技术和新技术的发展；推动高技术和新技术的发展； 节约材料、节约能源。节约材料、节约能源。 表面新技术的出现不仅在于其经

5、济意义，还在于其重要的表面新技术的出现不仅在于其经济意义，还在于其重要的学术价值：学术价值：材料物理、化学性能及其变化都从表面开始；材料物理、化学性能及其变化都从表面开始；随着器件的微型化，表面体相的原子比增大，会出现随着器件的微型化，表面体相的原子比增大，会出现许多新的特性；许多新的特性；材料表面的研究是许多高新技术的理化基础等等。材料表面的研究是许多高新技术的理化基础等等。 目前，对于材料科学的研究主要集中在对材料表面和材料目前，对于材料科学的研究主要集中在对材料表面和材料内部结构与性能的研究。内部结构与性能的研究。表面科学的研究可为表面新技术的研究提供一定的理论指表面科学的研究可为表面新

6、技术的研究提供一定的理论指导，但表面新技术的开发和完善，又会提出许多新的学术导，但表面新技术的开发和完善，又会提出许多新的学术研究课题。这些研究有力地促进了材料科学、冶金学、机研究课题。这些研究有力地促进了材料科学、冶金学、机械学、机械制造工艺学以及物理学、化学等基础学科的发械学、机械制造工艺学以及物理学、化学等基础学科的发展。展。 表面工程技术日益得到重视的主要原因：表面工程技术日益得到重视的主要原因： 社会生产、生活的需要；社会生产、生活的需要； 通过表面处理大幅度提高产品质量；通过表面处理大幅度提高产品质量；节约贵重材料；节约贵重材料；实现材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问题；实现

7、材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问题；良好的节能、节材效果；良好的节能、节材效果；促进了新兴工业的发展。促进了新兴工业的发展。 材料表面工程技术的目的和作用材料表面工程技术的目的和作用表面工程技术的作用就是改善或赋予表面各种性能。表面工程技术的作用就是改善或赋予表面各种性能。 通过表面处理使材料表面按人们希望的性能进行改质，即在不改变基体通过表面处理使材料表面按人们希望的性能进行改质，即在不改变基体材料的成分、不削弱基体材料的强度材料的成分、不削弱基体材料的强度(或削弱基体强度而不影响其使用或削弱基体强度而不影响其使用)的条件下，通过某些物理手段的条件下，通过某些物理手段(包括机械手段包

8、括机械手段)或化学手段赋予材料表面或化学手段赋予材料表面以特殊的性能，从而满足工程上对材料提出的要求。以特殊的性能，从而满足工程上对材料提出的要求。 1-2 材料表面工程技术的发展与分类材料表面工程技术的发展与分类材料表面工程技术的发展概况材料表面工程技术的发展概况 传统的表面工程技术，诸如表面热处理、表面渗碳及油漆技术，传统的表面工程技术，诸如表面热处理、表面渗碳及油漆技术，其历史已有几百年，甚至上千年。其历史已有几百年，甚至上千年。 无机涂层工艺也是表面技术中的一个重要组成部分，远在无机涂层工艺也是表面技术中的一个重要组成部分，远在3000多年前的商代就出现了青釉（用石灰石和粘土制成的无机

9、涂层）；多年前的商代就出现了青釉（用石灰石和粘土制成的无机涂层）；把这一种工艺进一步改进，到了周朝出现了琉璃，即多种彩色的把这一种工艺进一步改进，到了周朝出现了琉璃，即多种彩色的釉；发展到唐朝成了世界闻名的釉；发展到唐朝成了世界闻名的“唐三彩唐三彩”。传统的表面淬火，已由火焰加热，改为高频加热，近些年应用激传统的表面淬火，已由火焰加热，改为高频加热，近些年应用激光束、电子束的淬火技术，已逐渐在扩大应用。光束、电子束的淬火技术，已逐渐在扩大应用。古老的渗碳工艺，由于计算机的发展，实现了自动控制，使处理古老的渗碳工艺，由于计算机的发展，实现了自动控制，使处理的质量得到了改善。的质量得到了改善。 电

10、镀技术作为一门古老的表面工程技术。在相当长的一段电镀技术作为一门古老的表面工程技术。在相当长的一段历史时期内，电镀仅限于镀覆纯金属，目前已能成功地镀历史时期内，电镀仅限于镀覆纯金属，目前已能成功地镀覆多种合金，甚至把陶瓷和金刚石粉末同时镀在要求抗磨覆多种合金，甚至把陶瓷和金刚石粉末同时镀在要求抗磨的表面上。的表面上。20来年前发明的电刷镀，也称无槽电镀，在修来年前发明的电刷镀，也称无槽电镀，在修复和局部保护方面，有独特的用处。复和局部保护方面，有独特的用处。化学镀的历史源自银镜镀，最早是作为塑料电镀预处理的化学镀的历史源自银镜镀，最早是作为塑料电镀预处理的工艺工艺塑料表面金属化工艺而着手开发的

11、，近些年已作塑料表面金属化工艺而着手开发的，近些年已作为一门独立的镀覆工艺进行开发、研究和应用。为一门独立的镀覆工艺进行开发、研究和应用。高分子涂装技术在二十世纪高分子涂装技术在二十世纪50年代以前几乎全部是油性年代以前几乎全部是油性涂料和天然树脂涂料，而涂料和天然树脂涂料，而50年代之后，合成树脂涂料迅年代之后，合成树脂涂料迅速发展，到目前合成树脂已占了涂料的大部，而且生产速发展，到目前合成树脂已占了涂料的大部，而且生产出适用各种环境下对材料进行保护的品种。出适用各种环境下对材料进行保护的品种。近近20年来，为了减少挥发溶剂对环境的污染，并节约溶年来，为了减少挥发溶剂对环境的污染，并节约溶剂

12、，水系涂料得到迅速的开发，水系电泳涂料已在汽车剂，水系涂料得到迅速的开发，水系电泳涂料已在汽车行业中广泛采用。行业中广泛采用。 粉体涂料在二十世纪粉体涂料在二十世纪60年代开始问世，在年代开始问世，在80年代之后，年代之后，产量大幅度增加。产量大幅度增加。 涂装工艺也得到了很大发展，由古老的刷涂，空气喷涂，涂装工艺也得到了很大发展，由古老的刷涂，空气喷涂，发展为静电喷涂、流化床涂装、电泳涂装及静电粉末涂发展为静电喷涂、流化床涂装、电泳涂装及静电粉末涂装。装。 由于涂料和涂装技术的进步，加之该处理工艺的经济性，由于涂料和涂装技术的进步，加之该处理工艺的经济性，至今涂料工程占整个表面工程的约至今涂

13、料工程占整个表面工程的约50。热喷涂技术作为一种新的表面防护和表面强化工艺在近热喷涂技术作为一种新的表面防护和表面强化工艺在近20多年里得到了迅速的发展。多年里得到了迅速的发展。由早期制备一般的装饰性和防护性涂层发展到制备各种由早期制备一般的装饰性和防护性涂层发展到制备各种功能性涂层；由产品的维修发展到大批量的产品制造；功能性涂层；由产品的维修发展到大批量的产品制造；由单一涂层发展到包括产品失效分析、表面预处理、喷由单一涂层发展到包括产品失效分析、表面预处理、喷涂材料和设备的选择、涂层系统设计和涂层后加工等在涂材料和设备的选择、涂层系统设计和涂层后加工等在内的热喷涂系统工程。内的热喷涂系统工程

14、。 热喷涂技术的发展是从使用条件最苛刻、要求最严格的热喷涂技术的发展是从使用条件最苛刻、要求最严格的宇航工业开始，然后迅速向各民用工业部门扩展开来的。宇航工业开始，然后迅速向各民用工业部门扩展开来的。目前，热喷涂技术已成为金属表面科学领域中一个十分目前，热喷涂技术已成为金属表面科学领域中一个十分活跃的独立学科。活跃的独立学科。 浸渗金属近一二十年来渗入材料的种类正在迅速增多，浸渗金属近一二十年来渗入材料的种类正在迅速增多，工艺不断改进，控制技术也有了较大的提高。工艺不断改进，控制技术也有了较大的提高。近近30年来，许多新的科学技术渗透到表面处理技术领域，表面工程技年来，许多新的科学技术渗透到表

15、面处理技术领域，表面工程技术得到迅速的开发，由此开发出来的表面处理技术构成了目前材料表面术得到迅速的开发，由此开发出来的表面处理技术构成了目前材料表面新技术的主流。新技术的主流。例如：激光是二十世纪例如：激光是二十世纪60年代出现的重大科学技术成就之一；年代出现的重大科学技术成就之一；70年代制造出大功率的激光器以后，便开始用激光加热进行年代制造出大功率的激光器以后，便开始用激光加热进行表面淬火。表面淬火。用激光和电子束加热，由于能量集中、加热层薄和靠自激冷用激光和电子束加热，由于能量集中、加热层薄和靠自激冷却，因而淬火变形小，且不用淬火介质，有利于环境保护，却，因而淬火变形小，且不用淬火介质

16、，有利于环境保护，便于实现自动化。便于实现自动化。激光、电子束用于表面加热后，就使表面强化技术超出了热激光、电子束用于表面加热后，就使表面强化技术超出了热处理范畴，可以通过熔化处理范畴，可以通过熔化结晶过程、熔融合金化结晶过程、熔融合金化结晶过结晶过程、熔化程、熔化非晶态过程，大幅度改变硬化层的结构与性能。非晶态过程，大幅度改变硬化层的结构与性能。材料的表面气相沉积也是近年来发展最快的一些表面处理新工艺，材料的表面气相沉积也是近年来发展最快的一些表面处理新工艺，是提高材料使用性能和寿命的有效途径。是提高材料使用性能和寿命的有效途径。 气相沉积法中化学气相沉积是利用镀层材料的挥发性气相沉积法中化

17、学气相沉积是利用镀层材料的挥发性化合物气体分解化合物气体分解 或化合反应后沉积成膜；或化合反应后沉积成膜； 物理气相沉积则是利用真空蒸发、溅射、离子镀等方物理气相沉积则是利用真空蒸发、溅射、离子镀等方法沉积成膜。法沉积成膜。 这些薄膜强化新技术用材广泛、适用面宽，已广泛用这些薄膜强化新技术用材广泛、适用面宽，已广泛用于机械制造、冶金工业以及宇航、核能等领域。于机械制造、冶金工业以及宇航、核能等领域。 二十世纪二十世纪70年代发展起来的离子注入新技术，利用注年代发展起来的离子注入新技术，利用注入离子可得到过饱和固溶体、非晶态和某些化合物层，入离子可得到过饱和固溶体、非晶态和某些化合物层，能改变材

18、料摩擦系数，增加表面硬度，提高耐磨性及抗能改变材料摩擦系数，增加表面硬度，提高耐磨性及抗蚀性，延长了零件的使用寿命。蚀性，延长了零件的使用寿命。 材料表面工程技术的分类材料表面工程技术的分类 1按工艺特点进行分类按工艺特点进行分类 材料表面工程技术按工艺特点可大致分为以下材料表面工程技术按工艺特点可大致分为以下13类：类：电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂电镀、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、装、表面彩色、气相沉积、“三束三束”改性以及表面热处理、改性以及表面热处理、形变强化和衬里。每类又可分为一些更细的工艺项目。形变强化和衬里。每类又可分为一些更细的工艺项目。 2按学科特点进行分类按学科特点进行分类按学科特点可将表面新技术大致划分为以下三个方面：按学科特点可将表面新技术大致划分为以下三个方面：(1) 表面合金化技术表面合金化技术 包括喷焊、堆焊、离子注入、激光包括喷焊、堆焊、离子注入、激光溶敷、热渗镀等。溶敷、热渗镀等。(2) 表面覆层与覆膜技术表面覆层与覆膜技术 包括热喷涂、电镀、化学转化包括热喷涂、电镀、化学转化处