第一章-金属表面处理技术

1、材料表面工程技术材料表面工程技术材料科学与工程学院材料科学与工程学院2总学时总学时: 36 h , 其中其中 课堂教学课堂教学: 24 h，报告：，报告：12 h1. 概述、绪论概述、绪论2. 表面、表面状态和表面特性表面、表面状态和表面特性3.表面清洗和预处理表面清洗和预处理 4.表面工程技术表面工程技术 热喷涂热喷涂堆焊堆焊电镀、化学镀电镀、化学镀高能束表面改性高能束表面改性转化膜转化膜前前 言言前前 言言3 总成绩总成绩 = 平时成绩（平时成绩（30%）+ 专题综述（专题综述（20%）+ 笔试（笔试（50%） 平时成绩平时成绩 =课堂（课堂（15%）+ 作业作业 (15%) 出勤出勤:

2、每迟到一次或早退一次扣每迟到一次或早退一次扣 2 分分 每旷课一次扣每旷课一次扣 3 分，分，超过超过 3 次不能参加考试次不能参加考试 作业作业: 每人翻译一篇表面工程的英文专业论文每人翻译一篇表面工程的英文专业论文(自选，自选，2000年年以后以后) (至少要包括题目、摘要、简介、结论几部分至少要包括题目、摘要、简介、结论几部分) 专题综述：每人自选一题，独立写出专题综述，上台进行专题综述：每人自选一题，独立写出专题综述，上台进行10分钟分钟ppt演讲，同时回答老师同学的问题演讲，同时回答老师同学的问题(限两个限两个)。 课程基本要求课程基本要求4 1. Prepare a Report

3、reviewing one of the hot topics relevant to surface engineering 2. Make an Oral Presentation in 10 minutes结晶器表面防护材料及相关技术结晶器表面防护材料及相关技术 （casting mold, electroplate coating）表面工程技术在汽车行业的应用表面工程技术在汽车行业的应用 (Suspension Plasma Spraying)微弧氧化技术及其在有色金属上的应用微弧氧化技术及其在有色金属上的应用 (Micro arc anodizing )堆焊和复合制造在冶金业的发展与

4、应用堆焊和复合制造在冶金业的发展与应用 (hard facing, overlaying)激光熔覆（堆焊）技术及激光快速成型技术激光熔覆（堆焊）技术及激光快速成型技术 (laser cladding)锅炉水冷壁耐高温腐蚀磨损涂层的现状及发展锅炉水冷壁耐高温腐蚀磨损涂层的现状及发展 (boiler, wall, protection) 自洁净涂层及其制备技术自洁净涂层及其制备技术 (self cleaning coating)运动装备中的表面工程技术（运动装备中的表面工程技术（sports equipment, surface treatment)非晶、纳米晶涂层的制备技术及其应用非晶、纳米晶涂

5、层的制备技术及其应用 （amorphous, nano-crystalline, coating）1. 其它（题目可自拟，但需老师确认）其它（题目可自拟，但需老师确认）关于专题综述关于专题综述5一些有用的资源一些有用的资源6主要参考书主要参考书nInternetn金属表面工程学金属表面工程学. 刘江南，兵器工业出版社刘江南，兵器工业出版社n材料表面工程导论材料表面工程导论. 赵文轸，西安交通大学出版社赵文轸，西安交通大学出版社n表面工程表面工程. 刘新田，河南大学出版社刘新田，河南大学出版社n表面工程表面工程. 徐滨士，刘世参，机械工业出版社徐滨士，刘世参，机械工业出版社nSurface En

6、gineering. ASM Handbook, Vol. 5, 1994.n金属表面处理技术的含义和意义金属表面处理技术的含义和意义n金属表面处理技术的分类金属表面处理技术的分类n金属表面处理技术的产生和发展金属表面处理技术的产生和发展n金属表面处理技术的应用金属表面处理技术的应用第一章第一章 金属表面处理技术概述金属表面处理技术概述1.1金属表面处理技术的含义和意义金属表面处理技术的含义和意义n金属表面处理技术金属表面处理技术是指通过一些物理、化学、机械是指通过一些物理、化学、机械或复合方法使金属表面具有与基体不同的组织结构、或复合方法使金属表面具有与基体不同的组织结构、化学成分和物理状态

7、，从而使经过处理后的表面具化学成分和物理状态，从而使经过处理后的表面具有与基体不同的性能。有与基体不同的性能。n经过表面处理后的金属材料，其基体的化学成分和经过表面处理后的金属材料，其基体的化学成分和力学性能并未发生变化力学性能并未发生变化(或未发生大的变化或未发生大的变化)，但其，但其表面却拥有了一些特殊性能，如高的耐磨性、耐蚀表面却拥有了一些特殊性能，如高的耐磨性、耐蚀性、耐热性、导电性、电磁特性、光学性能等。性、耐热性、导电性、电磁特性、光学性能等。 表面技术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。为什么研究金属表面处理技术？为什么研究金属表面处理技术？n所有的

8、金属材料都不可避免与环境相接触所有的金属材料都不可避免与环境相接触,而与而与环境真正接触的是金属的表面，如各种机械零环境真正接触的是金属的表面，如各种机械零件和工程构件。件和工程构件。n金属表面发生破坏或失效，进而引起整个设备金属表面发生破坏或失效，进而引起整个设备或零（构）件的破坏或失效。或零（构）件的破坏或失效。n发展金属表面防护和强化技术，是各国普遍关发展金属表面防护和强化技术，是各国普遍关心的重大课题。心的重大课题。 问题的提出问题的提出n零件在服役过程中，失效的主要形式为：零件在服役过程中，失效的主要形式为： 腐蚀腐蚀 (Corrosion)、磨损、磨损 (Wear)、 疲劳疲劳(F

9、atigue)、 断裂断裂 (Fracture)n随着现代工业的迅猛发展，对机械工业产品提随着现代工业的迅猛发展，对机械工业产品提出了更高的要求，要求产品能在高参数出了更高的要求，要求产品能在高参数( (如高温、如高温、高压、高速高压、高速) )和恶劣工况条件下长期稳定运转或和恶劣工况条件下长期稳定运转或服役，这就必然对材料表面的耐磨、耐蚀等性服役，这就必然对材料表面的耐磨、耐蚀等性能以及表面装饰提出了更高的要求，使其成为能以及表面装饰提出了更高的要求，使其成为防止产品失效的第一道防线。防止产品失效的第一道防线。n火箭发动机的尾喷管内壁和燃烧火箭发动机的尾喷管内壁和燃烧室需承受室需承受2000

10、3300温度和温度和巨大的热焰流冲击。巨大的热焰流冲击。n飞船或者洲际导弹的头部锥体和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，翼前沿：由于具有几十倍的音速，并与大气层摩擦，即所谓气动加并与大气层摩擦，即所谓气动加热，其温度高达热，其温度高达40005000。n长江三峡工程中挖泥船的发动机长江三峡工程中挖泥船的发动机曲轴损坏，当时如从日本购买新曲轴损坏，当时如从日本购买新轴，加上运费和进口关税等需人轴，加上运费和进口关税等需人民币民币120万元，从订购到交货需万元，从订购到交货需三个月以上，停产损失更大？三个月以上，停产损失更大？n19世纪工业革命以来，为了适应高强度、高硬世纪

11、工业革命以来，为了适应高强度、高硬度和耐磨、耐高温、耐酸碱腐蚀等不同特殊要度和耐磨、耐高温、耐酸碱腐蚀等不同特殊要求，人们需要不断开发各种特殊的合金材料，求，人们需要不断开发各种特殊的合金材料，但这些合金材料往往价格昂贵。但这些合金材料往往价格昂贵。n在许多情况下也很难找到一种能够同时满足整在许多情况下也很难找到一种能够同时满足整体和表面要求的材料。体和表面要求的材料。n试图采用各种表面技术对普通金属表面进行处试图采用各种表面技术对普通金属表面进行处理，以改变其表面性能，使其适应复杂的工作理，以改变其表面性能，使其适应复杂的工作环境。环境。措措 施施n表面处理技术则可以用极少量的材料就起到大表

12、面处理技术则可以用极少量的材料就起到大量、昂贵的整体材料难以起到的作用，在不增量、昂贵的整体材料难以起到的作用，在不增加或不增加太多成本的情况下使产品表面受到加或不增加太多成本的情况下使产品表面受到保护和强化，从而提高产品的使用寿命和可靠保护和强化，从而提高产品的使用寿命和可靠性，改善机械设备的性能、质量、增强产品的性，改善机械设备的性能、质量、增强产品的竞争能力。竞争能力。 n研究和发展金属材料的表面处理技术，对于推研究和发展金属材料的表面处理技术，对于推动高新技术的发展、对于节约材料、节约能源动高新技术的发展、对于节约材料、节约能源等都具有重要意义。而表面处理技术也在这种等都具有重要意义。

13、而表面处理技术也在这种需求的推动下获得了飞速的发展和提高。需求的推动下获得了飞速的发展和提高。意意 义义n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。n节约贵重材料。节约贵重材料。n实现材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问实现材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问题。题。n修复整体优势，良好的节能、节材效果。修复整体优势，良好的节能、节材效果。16表面工程技术有着广泛的涵义，综合来看，大致上可表面工程技术有着广泛的涵义，综合来看，大致上可分为以下几个部分：分为以下几个部分：n表面工程技术的表面工程技术的 基础基础 和和 应用应用 理论理论n表面处理技术，主要包括表面处

14、理技术，主要包括 表面涂层制备表面涂层制备 技术、技术、表面表面改性技术改性技术和和表面复合表面复合技术三部分技术三部分 n表面表面 分析分析 和和 测试测试 技术技术 n表面工程技术表面工程技术设计设计 1.2 金属表面处理技术的分类金属表面处理技术的分类n表面涂层技术：通过表面涂层技术在基体表面表面涂层技术：通过表面涂层技术在基体表面制备各种镀、涂覆层，包括电镀、化学镀、制备各种镀、涂覆层，包括电镀、化学镀、（电）化学转化膜技术、气相沉积技术、堆焊、（电）化学转化膜技术、气相沉积技术、堆焊、热喷涂等；热喷涂等；n表面改性技术：用机械、物理、化学等方法，表面改性技术：用机械、物理、化学等方法

15、，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。如表面淬火、观结构、缺陷状态或应力状态。如表面淬火、化学热处理、喷丸、高能束表面改性等。化学热处理、喷丸、高能束表面改性等。n表面改性技术和表面涂层技术的最大区别是，表面改性技术和表面涂层技术的最大区别是，其所形成的表面在材料和组织上均与基体有一其所形成的表面在材料和组织上均与基体有一定的联系，而不像表面涂层技术那样，涂层的定的联系，而不像表面涂层技术那样，涂层的材料和组织与基体是完全不同的。材料和组织与基体是完全不同的。表面处理技术表面处理技术表面表面组织组织 转化转化激光表面淬火激

16、光表面淬火感应感应加热淬火加热淬火表面喷丸表面喷丸/滚压滚压不改变表不改变表面面 化学成化学成分分气气相沉积相沉积化学沉积化学沉积(如电镀如电镀)化学化学转化膜转化膜(如磷化如磷化)涂装技术涂装技术 (涂漆等涂漆等)热喷涂和喷焊热喷涂和喷焊表面表面涂镀涂镀热热扩渗扩渗:渗碳渗碳/氮化等氮化等激光表面合金化激光表面合金化离子注入离子注入单晶硅中单晶硅中掺杂掺杂硼硼/磷等磷等表面表面合金合金化化基材不参基材不参与或很少与或很少参与涂层参与涂层的反应的反应表面处理技术表面处理技术形成成分不同于形成成分不同于基材和添加材料基材和添加材料的表面合金化层的表面合金化层按照作用原理，表面技术可以分为以下四种

17、基本类型按照作用原理，表面技术可以分为以下四种基本类型（Matton分类法）分类法）n原子沉积：原子沉积：沉积物以原子、离子、分子和粒子集团沉积物以原子、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形成覆盖层，等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。n颗粒沉积：颗粒沉积：沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表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、搪瓷涂敷等。面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂敷等。n整体覆盖：整体覆盖：它是将涂覆材料于同一时间施加于材料它是将涂覆材料于同一时间

18、施加于材料表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂装、堆焊等。表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂装、堆焊等。n表面改性：表面改性：用机械、物理、化学等方法，改变材料用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。状态或应力状态。 按表面强化层材料分：按表面强化层材料分：n金属材料层金属材料层n陶瓷材料层陶瓷材料层n高分子材料层高分子材料层按表面处理工艺特点分：按表面处理工艺特点分：n表面改性技术表面改性技术 包括表面淬火、化学热处理、表面形变强包括表面淬火、化学热处理、表面形变强化等，如感应加热表面淬火、渗碳、氮化、碳

19、氮共渗、化等，如感应加热表面淬火、渗碳、氮化、碳氮共渗、喷丸、滚压等。喷丸、滚压等。n表面涂（镀）层技术表面涂（镀）层技术 如电镀、化学镀、热浸镀、气相沉如电镀、化学镀、热浸镀、气相沉积、热喷涂、堆焊、激光熔覆、涂装等。积、热喷涂、堆焊、激光熔覆、涂装等。n表面转化膜技术表面转化膜技术 如氧化处理、磷化处理、铬酸盐处理和如氧化处理、磷化处理、铬酸盐处理和着色与封闭处理等。着色与封闭处理等。n高能束表面处理技术高能束表面处理技术 如电子束、离子束、激光束表面改如电子束、离子束、激光束表面改性与强化等。性与强化等。按表面处理的目的或性质分：按表面处理的目的或性质分：n表面耐磨和减摩技术表面耐磨和减

20、摩技术n表面耐蚀和抗氧化技术表面耐蚀和抗氧化技术n表面装饰技术表面装饰技术n功能表面技术功能表面技术n表面修复技术表面修复技术n金属表面处理技术伴随着人类文明，已经历了数金属表面处理技术伴随着人类文明，已经历了数千年的发展，在许多传统产业及工业中，应用金千年的发展，在许多传统产业及工业中，应用金属表面处理技术改进产品性能，延长其使用寿命，属表面处理技术改进产品性能，延长其使用寿命，已为人们所熟知。已为人们所熟知。n追溯到古代，中国人民在金属表面处理方面取得追溯到古代，中国人民在金属表面处理方面取得了令人叹服的成就。了令人叹服的成就。1.3 金属表面处理技术的产生与发展金属表面处理技术的产生与发

21、展n春秋五霸时期，越王勾践春秋五霸时期，越王勾践“卧薪卧薪尝胆尝胆”，一举击败了吴王夫差，一举击败了吴王夫差，演出了历史上春秋争霸的最后一演出了历史上春秋争霸的最后一幕。幕。n 1965年，湖北省荆州市望山一号年，湖北省荆州市望山一号墓出土越王勾践自用青铜剑，轰墓出土越王勾践自用青铜剑，轰动世界。勾践剑在墓中被水浸泡动世界。勾践剑在墓中被水浸泡2000多年仍锋芒毕露，寒气逼人。多年仍锋芒毕露，寒气逼人。n“越王勾践剑越王勾践剑”千年不锈的原因千年不锈的原因在于剑身上被镀上了一层含铬的在于剑身上被镀上了一层含铬的金属。金属。25“承旋承旋”，酒器，东汉建武年，酒器，东汉建武年间，现藏于北京故宫博

22、物院间，现藏于北京故宫博物院兽形盒砚，东汉制，出土于兽形盒砚，东汉制，出土于19801980年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬品，由石砚、盒身、盒盖三部分品，由石砚、盒身、盒盖三部分组成组成 中国古代的鎏金工艺中国古代的鎏金工艺 n进入到进入到 20 世纪，世纪， 特别是特别是20世纪世纪60年代以来，通过各种物年代以来，通过各种物理化学方法在金属材料表面制造各种涂层和薄膜，已发理化学方法在金属材料表面制造各种涂层和薄膜，已发展成为比较成熟、系统的工程技术。展成为比较成熟、系统的工程技术。n1983年英格兰伯明翰大学教授汤年英格兰伯明翰大学教授汤贝尔（贝尔（Tom Bel

23、l）首次）首次提出了表面工程的概念，并创立了表面工程研究所，从提出了表面工程的概念，并创立了表面工程研究所，从而将表面处理技术纳入了一个相对独立的新型学科。而将表面处理技术纳入了一个相对独立的新型学科。n近近30年以来，金属表面表面处理技术发展之快、涉及范年以来，金属表面表面处理技术发展之快、涉及范围之广、对人们生产生活影响之大是当初大多数人所始围之广、对人们生产生活影响之大是当初大多数人所始料未及的。料未及的。n金属表面处理现在已经发展成为横跨金属学与热处理、金属表面处理现在已经发展成为横跨金属学与热处理、摩擦学、物理学、化学、界面力学和表面力学、金属失摩擦学、物理学、化学、界面力学和表面力

24、学、金属失效与防护、焊接学、腐蚀与防护学等学科的边缘性、综效与防护、焊接学、腐蚀与防护学等学科的边缘性、综合性、复合型学科。合性、复合型学科。 n在传统的表面处理技术不断改进、不断完善的同时，又在传统的表面处理技术不断改进、不断完善的同时，又有科学技术逐渐渗透到该领域，各种表面技术相互融合，有科学技术逐渐渗透到该领域，各种表面技术相互融合，从而使现代表面技术进入了一个新的发展时期。从而使现代表面技术进入了一个新的发展时期。n1986年国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联年国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联合会，进入合会，进入20世纪世纪 90 年代，其发展势头更猛，各国竟相年

25、代，其发展势头更猛，各国竟相把表面工程列入研究发展规划。把表面工程列入研究发展规划。n我国于我国于 1987 年由中国机械工程学会建立了学会性质的表年由中国机械工程学会建立了学会性质的表面工程研究所，面工程研究所，1988 年年表面工程表面工程杂志在中国创刊，杂志在中国创刊，1997 年经国家科委正式批准更名为年经国家科委正式批准更名为中国表面工程中国表面工程，面向国内外公开发行。面向国内外公开发行。1993年成立中国机械工程学会表面年成立中国机械工程学会表面工程分会，工程分会，2000 年全国焊接学会将原来的年全国焊接学会将原来的“堆焊与热喷堆焊与热喷涂专业委员会涂专业委员会”正式更名为正式

26、更名为“堆焊及表面工程专业委员堆焊及表面工程专业委员会会”。n从从1989年到年到2006年年8月已成功举办六届全国表面工程学术月已成功举办六届全国表面工程学术交流会议；并先后于交流会议；并先后于 1997 年年 11 月和月和 1999 年年 10 月在上海月在上海召开了第一届及第二届表面工程国际会议，第五届表面工召开了第一届及第二届表面工程国际会议，第五届表面工程国际会议也于程国际会议也于2007年在大连举行。年在大连举行。n我国的大专院校、科研院所、工矿企业也相继建立了数以我国的大专院校、科研院所、工矿企业也相继建立了数以百计的以百计的以“表面工程表面工程”或或“表面技术表面技术”冠名的

27、研究机构，冠名的研究机构，从而使金属表面处理技术的发展达到了一个新的高度。从而使金属表面处理技术的发展达到了一个新的高度。n总之，金属表面处理技术通过各种手段发展了总之，金属表面处理技术通过各种手段发展了金属材料的性能，丰富了材料的用途，满足了金属材料的性能，丰富了材料的用途，满足了社会发展的需要。社会发展的需要。n随着生产技术的进步，必将促使金属表面处理随着生产技术的进步，必将促使金属表面处理技术领域涌现出越来越多的新技术、新方法，技术领域涌现出越来越多的新技术、新方法，以便与日益进步的社会发展相适应。以便与日益进步的社会发展相适应。n金属表面处理技术以其高度的实用性和显著的金属表面处理技术以其高度的实用性和显著的优质、高效、低耗的特点，在日常生活、机械优质、高效、低耗的特点，在日常生活、机械制造、航空航天、交通、能源、石油化工等工制造、航空航天、交通、能源、石油化工等工业部门得到了越来越广泛的应用，可以说几乎业部门得到了越来越广泛的应用，可以说几乎有表面的地方就离不开表面处理。有表面的地方就离不开表面处理。n金属表面处理技术不仅是产品的金属表面处理技术不仅是产品的“美容术美容术”，也是许多产品性能的改良技术，更是先进的产也是许多产品性能的改良技术，更是先进的产品制造技术。品制造技术。 1.4 金属表面处理技术的应用金属表面处理技术的应用1提高金属制品或零件的耐