表面工程学课件-全

1、PAGE PAGE 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc259563501 第一章 绪论 PAGEREF _Toc259563501 h 3 HYPERLINK l _Toc259563502 第一节 表面工程学的定义和内涵 PAGEREF _Toc259563502 h 3 HYPERLINK l _Toc259563503 第二节 表面工程技术的特点与意义 PAGEREF _Toc259563503 h 9 HYPERLINK l _Toc259563504 第三节 表面工程技术的分类 PAGEREF _Toc259563504 h 10 HYPERLI

2、NK l _Toc259563505 第二章 表面工程技术的物理、化学基础 PAGEREF _Toc259563505 h 17 HYPERLINK l _Toc259563506 第一节 固体的表面与界面 PAGEREF _Toc259563506 h 17 HYPERLINK l _Toc259563507 第二节 材料磨损原理及其耐磨性 PAGEREF _Toc259563507 h 31 HYPERLINK l _Toc259563508 第三节 金属腐蚀原理与防护技术 PAGEREF _Toc259563508 h 35 HYPERLINK l _Toc259563509 第三章 表

3、面工程技术的预处理工艺与作业环境 PAGEREF _Toc259563509 h 54 HYPERLINK l _Toc259563510 第一节 表面预处理工艺 PAGEREF _Toc259563510 h 54 HYPERLINK l _Toc259563511 第二节 表面工程技术的作业环境 PAGEREF _Toc259563511 h 69 HYPERLINK l _Toc259563512 第四章 表面淬火和表面形变强化技术 PAGEREF _Toc259563512 h 72 HYPERLINK l _Toc259563513 第一节 表面淬火技术的原理与特点 PAGEREF

4、_Toc259563513 h 72 HYPERLINK l _Toc259563514 第二节 感应加热表面淬火 PAGEREF _Toc259563514 h 72 HYPERLINK l _Toc259563515 第三节 火焰加热表面淬火 PAGEREF _Toc259563515 h 75 HYPERLINK l _Toc259563516 第四节 激光淬火与电子束淬火技术 PAGEREF _Toc259563516 h 75 HYPERLINK l _Toc259563517 第五节 电阻加热表面淬火技术 PAGEREF _Toc259563517 h 78 HYPERLINK l

5、 _Toc259563518 第五章 热渗镀 PAGEREF _Toc259563518 h 80 HYPERLINK l _Toc259563519 第一节 概述及方法 PAGEREF _Toc259563519 h 80 HYPERLINK l _Toc259563520 第二节 渗镀原理 PAGEREF _Toc259563520 h 83 HYPERLINK l _Toc259563521 第六章 热喷涂、喷焊与堆焊技术 PAGEREF _Toc259563521 h 95 HYPERLINK l _Toc259563522 第一节 热喷涂技术 PAGEREF _Toc25956352

6、2 h 95 HYPERLINK l _Toc259563523 第二节 热喷焊的工艺与特点 PAGEREF _Toc259563523 h 113 HYPERLINK l _Toc259563524 第三节 堆焊工艺及特点 PAGEREF _Toc259563524 h 115 HYPERLINK l _Toc259563525 第七章 电 镀 PAGEREF _Toc259563525 h 118 HYPERLINK l _Toc259563526 第一节 电镀专业术语 PAGEREF _Toc259563526 h 118 HYPERLINK l _Toc259563527 第二节 概述

7、 PAGEREF _Toc259563527 h 121 HYPERLINK l _Toc259563528 第三节 常见单金属电镀 PAGEREF _Toc259563528 h 127 HYPERLINK l _Toc259563529 第四节 合金电镀 PAGEREF _Toc259563529 h 141 HYPERLINK l _Toc259563530 第五节 复合电镀 PAGEREF _Toc259563530 h 143 HYPERLINK l _Toc259563531 第六节 塑料及其它非金属电镀 PAGEREF _Toc259563531 h 150 HYPERLINK

8、l _Toc259563532 第七节 电铸技术 PAGEREF _Toc259563532 h 152 HYPERLINK l _Toc259563533 第八节 化学镀 PAGEREF _Toc259563533 h 155 HYPERLINK l _Toc259563534 第九节 其它镀覆方法 PAGEREF _Toc259563534 h 164 HYPERLINK l _Toc259563535 第八章 金属表面转化膜技术 PAGEREF _Toc259563535 h 169 HYPERLINK l _Toc259563536 第一节 概述 PAGEREF _Toc2595635

9、36 h 169 HYPERLINK l _Toc259563537 第二节 磷化 PAGEREF _Toc259563537 h 170 HYPERLINK l _Toc259563538 第三节 钝化 PAGEREF _Toc259563538 h 173 HYPERLINK l _Toc259563539 第四节 化学氧化 PAGEREF _Toc259563539 h 175 HYPERLINK l _Toc259563540 第五节 铝和铝合金阳极氧化 PAGEREF _Toc259563540 h 179 HYPERLINK l _Toc259563541 第六节 镁合金的阳极氧化

10、 PAGEREF _Toc259563541 h 185 HYPERLINK l _Toc259563542 第七节 钛合金的阳极氧化 PAGEREF _Toc259563542 h 185 HYPERLINK l _Toc259563543 第八节 等离子体微弧氧化 PAGEREF _Toc259563543 h 186 HYPERLINK l _Toc259563544 第九节 着色技术 PAGEREF _Toc259563544 h 187 HYPERLINK l _Toc259563545 第九章 涂装技术 PAGEREF _Toc259563545 h 188 HYPERLINK l

11、 _Toc259563546 第一节 涂料的基本组成及其作用 PAGEREF _Toc259563546 h 188 HYPERLINK l _Toc259563547 第二节 涂料成膜机理 PAGEREF _Toc259563547 h 190 HYPERLINK l _Toc259563548 第三节 涂装工艺与装备 PAGEREF _Toc259563548 h 192 HYPERLINK l _Toc259563549 第四节 几种典型产品涂装 PAGEREF _Toc259563549 h 208第一章 绪论第一节 表面工程学的定义和内涵表面问题是一个古老的问题。早在二十多年以前，所

12、有固体物理的研究均假设材料是无穷大的，没有表面，抛开表面问题来研究材料，说明表面有其特殊的复杂性。美国材料界有“上帝创造了物质、魔鬼给了一个表面”之说，可见表面问题是比较困难的。表面现象和表面过程是自然界中普遍存在的，也是人们日常生活时时刻刻直接面对的。广义地说，表面科学与技术是研究表面现象和表面过程并为人类造福或被人们利用的科学技术。表面技术增多之后，呼唤着理论上的创新，要求对表面、界面、基体之间的相互关系有深刻的认识，要求对表面失效原理、表面技术、涂覆层性能、表面技术设计、涂覆层材料、预处理与后加工、表面检测、表面质量控制、使用寿命评估、表面施工管理、技术经济分析、三废处理等各环节上的问题

13、进行综合系统的研究。在新的实践和新的形势下，表面工程作为一个综合、完整的概念而被提出，并建立了相应的学科体系，从而指导着表面工程的迅速发展。表面工程是在表面物理、表面化学和固体力学的理论基础上融汇了现代摩擦学、腐蚀与防护、材料学、焊接学、电子学、自动控制、无损检测以及环境工程等有关成果而发展起来的。表面工程涉及的学科领域十分宽广，已形成了一个巨大的技术体系。表面工程最大的优势是能够以多种方法制备出优于基体材料性能的表面功能薄层，该薄层厚度一般从几十微米到几毫米，仅是工件整体厚度的几百分之一或几十分之一。但却使工件具有比基体材料更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温性能。采用表面工程措施的费用一般只占产

14、品价格的510，却可以大幅度地提高产品的性能及附加值，从而获得更高的利润。由于表面工程在节能、节材方面的显著功效，发展表面工程已经成为我国落实可持续发展战略的重要技术措施之一。一、现代表面工程技术的作用现代表面工程技术在国民经济中起着不可估量的作用。表面工程技术是人类进步的里程碑，是尖端技术发展的基本条件，国民经济依赖于它的开发与应用。它促进和推动传统产业的技术进步，并引起产业结构的变化，是知识密集、技术密集的新产业。 我国的堆焊与表面工程在发展历程中始终坚持科学研究、学术交流、生产应用之间紧密结合、相互促进的原则，推动了科学技术进步，并解决了许多工程中的技术难题。我国研制开发的热成型部件堆焊

15、材料既具有良好的耐磨性，又有优良的耐冷热疲劳性能。用该材料堆焊的产品比用传统的3Cr2W8堆焊的产品寿命提高1.5倍以上，成品率提高3040，该技术已在宝钢、鞍钢、重钢、太钢、济钢等大中型冶金企业推广应用，有力推动了我国热成型部件复合制造技术的发展，并使大量报废的部件得以修复利用，经济效益巨大，并节省大量外汇。在我国南海运行的船舶，由于高温、高盐雾、高湿、高日照导致腐蚀严重，工作5年钢板更换率达到2050。全军装备维修表面工程研究所于1993年采用电弧喷涂技术对工作条件苛刻的船舶钢结构进行了电弧喷涂防腐技术综合处理。经8年多的使用考核，证明这种方法显著提高了钢结构的防腐性能。经实验室模拟实验和

16、科学测算，维修后的钢结构耐蚀寿命可提高到15年以上。而后，电弧喷涂技术又在新建的多艘船舶上得到应用，将热喷涂技术直接用于船舶的制造工艺，在我国造船史上尚属首次。长江三峡工程，与其说是土木工程，不如说是钢铁工程，在大坝全长2309.47m中钢铁结构闸门就占全长的72。在三峡工程中，所有机械设备、金属结构、水工闸门以及隧洞、桥梁、公路、码头、储运设备都离不开表面工程。在国家科技攻关项目，如“六五”、“七五”、“八五”和“九五”攻关项目的安排上以及三峡工程重新论证和设计审查中，表面工程的应用始终是一项研究和讨论的重要课题之一。从表面技术和涂覆材料的选择、喷涂工艺的制定到表面电化学保护等，都在三峡重大

17、装备研制项目中占有重要地位。徐滨士院士曾于1999年8月到三峡工地进行调研，向三峡施工指挥部和中国工程院提出了推广高速电弧喷涂技术并将有污染的喷锌技术换为既无污染又能降低成本的喷铝及铝稀土合金技术的建议，受到了有关方面的重视。西陵长江大桥和汕头海湾大桥都是悬索式结构，这种悬索式的特点是在桥的两端分别建立两个约100米高的桥墩，在桥墩上放置两块平面钢板称为鞍座底板，鞍座底板上放置两排悬索鞍座，再把两条主缆分别架在两排悬索鞍座上，然后在两条主缆上吊挂桥梁板。在建桥的过程中，为了力的平衡，需要多次纵向推移悬索鞍座，由于整桥上万吨重量全部加在悬索鞍座上，使悬索鞍座对底座形成了很大的正压力，这就给纵向推

18、移带来了很大的困难，为了减少纵向推力，唯一的办法就是降低悬鞍座与鞍座底板摩擦副的摩擦因数。国外的办法是在摩擦副间加上几千枚滚针，把滑动摩擦改为滚动摩擦，这样可以减少摩擦阻力，从而减少纵向推移力。但是这种办法给制造工艺增加了难度，首先要对每件几十吨重的悬索鞍座和鞍座底板进行热处理，保证摩擦表面的机械性能。其次，要对摩擦副表面和滚针进行精加工。我国目前的加工能力和水平很难保证摩擦副表面及数千枚滚针的尺寸精度和几何形状精度。向国外订购整件或委托加工，价格都十分昂贵。在这种情况下，全军装备维修表面工程研究中心成功地采用了表面工程技术方案，在悬索鞍座和鞍座底板上制备出复合减摩表面涂层，以减少摩擦副的摩擦

19、因数，从而显著降低纵向推力。这种方案是表面工程在桥梁建设上的一次创新应用，在国内外建桥史上均为首次，它不仅有效减少了摩擦副的摩擦因数，而且降低了对大型悬索鞍座及鞍座底板的制造工艺要求，还节约了大批经费，保证了大桥顺利建成通车。总结1、表面工程以其学科的综合性、手段的多样性、广泛的功能性、潜在的创新性、环境的保护性、很强的实用性和巨大的增效性而受到各行各业的重视。2、现代工业对机电产品提出的能在高温、高速、重载、腐蚀介质、恶劣环境下可靠持续地工作以及一些力、热、声、光、电、磁等特异功能是牵动堆焊与表面工程迅速发展的动力。3、环境保护的紧迫性是促进表面工程迅速发展的时代要求。今后表面工程的研发一定

20、要增强环保意识，贯彻可持续发展战略。4、现代科技成果为表面工程的发展提供了技术支撑。表面工程的发展一定要坚持学科的交叉、技术的复合、应用的综合和系统的优化。5、下列发明创造对堆焊与表面工程的发展具有原始创新的意义：能源转换形式的创新（如电弧、等离子弧、激光束、电子束、离子束、微波、超声等）；金属或非金属元素沉积形式的创新（如电沉积、化学沉积、喷涂沉积、化学和物理气相沉积、热渗扩散等）；新材料的创新（如新型合金、金属间化合物、新型有机材料、纳米材料等）；材料的制备与加工成形一体化的创新（如运用粉芯焊丝通过堆焊与表面工程手段动态形成新型合金涂覆层。通过改进机油添加剂使运行过程中的零件表面自行、原位

21、修复等）。6、要根据技术的发展和生产应用的实践，结合时代要求坚持理论创新、用于指导表面工程的深入发展。当前，要以全寿命周期设计和管理为指导，研究机件新品表面的一次服役性能和再制造、修理后的二次服役性能；要深入探讨表面、界面与基体之间的关系，研究表面强化、表面改性的机理；要发展表面工程方面的实验技术和计算机模拟仿真技术。二、表面工程的进展 当前表面工程发展非常迅速，也非常活跃。其原因是，第一，现代工业的发展对机电产品提出了更高的要求，高温、高压、高速、重载以及腐蚀介质、恶劣工况下可靠而持续地工作，表面工程为实现这些要求大显身手。第二是相关的科学技术的发展为表面工程注入了活力，提供了支撑。如高分子

22、材料和纳米材料的发展，激光束、离子束、电子束三种高能量密度热源的实用化等，都大大拓宽了表面工程的应用领域，丰富了表面工程的功能，提高了表面处理的质量。第三是表面工程适合我国国情，能大量节约能源、资源，体现了科技尽快转化为生产力的要求，符合可持续发展战略。1、复合表面工程复合表面工程包括多种表面工程技术的复合和不同材料的复合两种形式。 1.1多种表面工程技术的复合能够形成新的涂层体系，并建立表面工程新领域。单一的表面工程技术由于其固有的局限性，往往不能满足日益苛刻的工况条件的要求。综合运用两种或多种表面工程技术的复合表面工程技术通过最佳协同效应获得了“1十12”的效果，解决了一系列高新技术发展中

23、特殊的工程技术难题。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、表面强化与喷丸强化的复合、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，复合技术使本体材料的表面薄层具有了更加卓越的性能。复合表面工程技术将在新世纪中不断得到发展，今后将根据产品的需要进一步综合研究运用各种表面工程技术综合或复合以达到最佳的优化效果。1.2不同材料的复合单一结构涂层越来越难以满足目前日益提高的对材料性能的要求。复合涂层不但具有单一结构涂层所具备的性能，还因复合材料的不同而获得特殊性能或具有多功能的

24、性能涂层，从而使复合涂层的研究和应用日益增多。目前，由各种材料复合获得的复合涂层种类主要有：金属基陶瓷复合涂层、陶瓷复合涂层、多层复合涂层、梯度功能复合涂层等。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能。因此可在Al金属中添加AlN、Al203、SiC、TiC等获得金属基复合涂层(MMCs)，其中添加A1203，价格最低和与A1基体润湿性最好。这类金属基复合涂层可以通过等离子喷涂复合粉或电弧喷涂粉芯丝材获得。而应用粉芯丝材制备MMC涂层具有更多的优点：它便于调整化学成分，适合特殊应用；可以与现存等离子技术粉末指标匹配；对难以

25、拉丝的材料可制成粉芯丝材；与旋转流动的等离子体喷射粉末方法相比，可以产生更为均匀、一致的元素混合；喷涂设备费用为等离子技术的15，运行费用为等离子技术的19。例如，全军装备维修表面工程研究中心新近开发出一种抗腐蚀、防滑的高速电弧喷涂A1基Al203复合涂层粉芯材料，该材料获得的复合涂层在具有优异的防腐性能的同时，还具有显著的抗磨和防滑性能，应用于舰船甲板的防滑具有显著的效果。此外，在Al基中添加SiC，涂层硬度可显著提高，复合涂层的抗磨性比添加Al203涂层的抗磨性高35，且可改善涂层的导热性。再如，金属间化合物及其复合材料具有优越的高温强度和抗氧化性。然而，其室温脆性及难以成形加工等严重制约

26、了此类材料的应用，另外单一金属间化合物硬度和抗磨损性必须通过加入硬质陶瓷复合相得到改善以适应高负荷、高温部件对抗磨性的要求。热喷涂技术是制备金属间化合物及其复合材料的一种新的净成形工艺，具有独特优点，如可有效解决室温加工困难问题，冷却速度快，能产生细小的等轴晶，能充分发挥细小粒子的强化作用，可改善增强颗粒与基体间的润湿性，对改善高温环境下金属间化合物合金性能将具有广阔的应用前景。例如：Tsunekawa等通过单元素粉末Ti(或Fe)和A1并加入SiC、TiB2或WC颗粒，用脉冲等离子喷涂法合成金属间基体化合物复合涂层TiAlSiC，TiB。此外，全军装备维修表面工程研究中心新近开发出一种能在高

27、速电弧喷涂过程中。动态生成Fe3A1金属间化合物基Fe3A1WC复合涂层。结果表明，该涂层结构致密，具有良好的高温抗冲蚀磨损性能，是未来应用于锅炉管道防腐和抗高温冲蚀的复合涂层材料。2、纳米表面工程随着工业产品的发展，材料在特殊工况如超高温、低温、超高压、高真空、强辐射、强氧化还原环境等条件下服役的情况越来越多，为了提高产品性能还对机电产品的表面提出了磁学、电学、光学、声学等方面的新要求。纳米科技为解决这些问题提供了新的思路和手段，因此，基于纳米技术的纳米表面工程应运而生，被专家称为第三代表面工程技术。与传统表面工程相比，纳米表面工程的特点是：取决于基体性能和功能的因素被弱化，表面处理、改性和

28、功能化的自由度扩大，表面加工技术的作用会更加突出，产品的附加值也会更高。纳米表面工程是以纳米材料（或其他低维非平衡材料）和纳米加工技术为基础，通过特定的加工技术、组装方法，使材料表面纳米化、纳米结构化或功能化，从而使材料表面得以强化、改性，或赋予表面新功能的系统工程。纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术或手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能的系统工程。纳米表面工程的科学问题主要有两个：一是材料的表面改性、界面和非平衡条件下低维材料的结构与行为；二是宏观、介观与微观的一体化研究，包括“尺度问题”和“表面问题”两个方面。从1997年开始，全军

29、装备维修表面工程研究中心在国内首先提出了“纳米表面工程”的概念，并开展了纳米粉末表面工程的研究工作，主要包括：纳米粘接剂技术、纳米电刷镀技术、纳米添加剂技术、纳米固体润滑干膜技术、纳米热喷涂技术和纳米涂料技术等。其中，前4项纳米技术已投入或准备投入工业应用，对新世纪表面工程的发展具有重要的推动作用。但是，如何充分利用这些材料，如何发挥出纳米材料的优异性能是亟待解决的问题。然而，最有可能从纳米材料中获益的是通过热激活方法沉积涂覆层的工艺。热喷涂法制备纳米级晶粒涂层主要优点是适应性和费用的可行性，这有可能很快导致纳米级晶粒材料工业应用的实现。例如，有关纳米组织WC12Co和WC15Co涂层热喷涂过

30、程的研究显示出良好的发展前景，在涂层组织中可以观察到，纳米级微粒散布于非晶态富Co相中，结合良好，涂层显微硬度明显增加。研究表明，纳米涂层具有极好的抗晶粒长大的热稳定性。此外，美国纳米材料公司应用独有的水溶性纳米粉体合成技术制备纳米粉，再通过特殊粘结处理形成喷涂粉，用等离子喷涂方法获得了纳米结构的A1203Ti02涂层，该涂层缴密度达9598，结合强度比商用粉末涂层提高23倍，杯凸试验比商用粉末涂层提高约4倍，磨粒磨损抗力是商用粉末涂层的3倍，弯曲试验比商用粉末涂层提高23倍，表明纳米结构涂层具有很好的性能。在理论研究与实践应用的基础上，“纳米表面工程”应运而生。 发展纳米表面工程的重要意义在

31、于2.1 表面工程能够提升产品性能纳米表面工程技术在制备功能薄膜方面具有广阔前景。功能薄膜包括超导薄膜、磁性薄膜、光电薄膜等。随着纳米材料研究的深入，具有力、热、声、电、磁等特异性能的许多低维、小尺寸、功能化的纳米结构薄膜能够显著改善材料的组织结构或赋予产品新的性能。这是传统表面工程技术所无法比拟的。纳米表面工程制备的功能薄膜在电学、电子学、光学、光电子学、热学、化学（催化）、生物学等方面具有特殊的性能，成为提升产品性能的重要手段。2.2 表面工程能够提高产品质量运用纳米表面工程技术修复和强化零件表面，赋予零件表面耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射的性能，这层表面材料与制作部件的整体材料相

32、比，厚度薄，体积小，但却承载着工作部件的重要功能。从事机电产品设计及制造厂家及时掌握纳米表面工程的进展，就可以使自己的产品质量提高并迅速占领市场。2.3 纳米表面工程技术是解决修复与再制造难题的关键技术表面工程和纳米表面工程技术是再制造工程的重要技术基础和关键技术，能够解决许多过去不能解决的维修难题。绿色再制造工程是一个以产品全寿命周期管理为指导，以优质、高效、节能、节材、环保为目标，以先进技术和产业化生产为手段，来修复或改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。绿色再制造工程是一个发展迅速的新兴研究领域和新兴产业，是高科技维修的产业化。我国对再制造工程的研究尚处在起步阶段，其组成内容应包

33、括再制造工程设计基础、再制造工程技术、再制造工程质量控制、再制造工程技术设计等部分。纳米表面工程技术能够以纳米材料为基础，通过特定的工艺手段，对固体的表面进行强化、改性、或者赋予表面新功能，或者对损伤的表面进行自修复。维修与再制造的技术难度并不亚于新品制造，它是对尺寸成形的损伤零件在不致使零件变形和内部结构、力学性能发生改变以及有时加工定位基准已经破坏等众多约束条件下恢复零件的表面性能，所以在维修与再制造过程中会遇到许多难题，纳米表面工程是解决这些难题的一种有效手段，同时它对维修工程和再制造工程的发展具有重要的推动作用。表面工程技术在纳米科技的推动下形成了新的研究方向和领域。当前，在诸多的纳米

34、表面工程技术中，纳米颗粒的应用占有重要地位，主要研究趋势是纳米颗粒对涂覆层的强化与功能改性。21世纪，纳米表面工程技术将在先进制造技术及再制造工程中的材料成形加工方面发挥重要作用。应用纳米颗粒复合表面技术尚处在初级阶段，纳米表面工程技术的研究与应用尚需一段发展历程。三、表面工程技术的内涵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：表面技术的基础和应用理论表面处理技术，它又包括表面覆盖技术、表面改性技术和复合表面技术三部分表面加工技术表面分析和测试技术表面工程技术设计表面工程技术的含义是很广泛的，至少包括表面改性和表面加工，因为后者主要是机械切削中的内容，因此，本课程所提的表

35、面工程技术主要指表面改质技术，也就是说表面工程技术的主要目的就在于通过表面处理使材料表面按人们希望的性能进行改质。具体可概括为:在不改变基体材料的成分,不削弱基体材料的强度(或削弱基体材料强度又不影响其使用)的条件下,通过某些物理手段(包括机械手段)或化学手段赋予材料表面特殊的性能,从而满足工程上对材料所提出的要求。 表面技术的作用就是改善或赋予表面各种性能，从而提高材料的使用性能。表1-1 用表面工程技术可以改变的主要表面性能分 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、可焊接性、冷作硬化性抗磨性抗磨料磨损性、抗粘着磨损性、

36、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、耐候性、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、可修饰性表面工程学科发展的重要标志是1983年英国伯明翰大学成立了Wolfson表面工程学院, 并在1985年创办了国际性杂志表面工程。认识到这一新兴学科的重要性，1986年在布达佩斯第5届国际材料热处理大会上，将国际热处理学会更名为国际热处理与表面工程学会。中国机械工程学会于19

37、87年成立了表面工程研究所，1988年出版了中文版表面工程杂志，1993年成立了中国机械工程学会表面工程分会。自1989年以来，我国先后多次召开全国性或国际性的表面工程学术会议和表面科学与工程学术会议。第二节 表面工程技术的特点与意义所有的物体都不可避免与环境相接触,而与环境真正接触的是物体的表面.如各种机械设备和仪器仪表.它们在使用过程中会发生：腐蚀因为受到气、水及某些化学介质的作用；磨损因相互之间相对运动而产生；氧化因温度过高而发生；浸蚀因接触高温金属熔体或其它熔体而被浸蚀，等等。所有这些都会首先使机件表面发生破坏或失效，进而引起整个机件的破坏或失效，因此，表面是防止设备失效的第一道防线。

38、 有资料统计，在各种机电产品的过早失效破坏中，约有70%是由腐蚀和磨损造成的。表面工程学能直接针对许多贵重零部件的失效原因，实行局部表面强化或修复，对零部件进行预保护或重新恢复其使用价值，它的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，这层表面材料与制作部件的整体材料相比，厚度薄，仅占工件整体厚度的几百分之一到几十分之一，但却赋于基体材料表面的原来没有的特殊性能，从而满足工程上对材料表面性能的要求。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(如高温,高压,高速)、高度自动化和恶劣的工况条件下长期稳定运转。这就必然对机件表面的耐磨 、耐蚀等性能提

39、出了更高的要求。为了满足这样的要求，在某些情况下我们可以选用贵金属或合金来制造整体设备及零件。有时虽然也可满足表面性能要求，但这往往会造成设备的成本成倍或成百倍的增加，降低了产品的竞争力，更何况在许多情况下 也无法找到一种能够同时满足整体和表面要求的材料。而表面技术则可以在不增加或不增加太多材料成本的同时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性,改善机械设备的性能、质量、增强产品的竞争能力因此，开展表面工程学的研究，改善材料的表面性能，对于提高零件的使用寿命和可靠性；对于改善机械设备的性能、质量，增强产品的竞争能力；对于推动高新技术的发展；对于节约资源、美化人类生活，减少环境污

40、染等方面都具有重要意义，其经济效益和社会效益是显而易见的。表面技术不仅具有重要的经济意义,而且它还具有重要的学术价值。这是因为：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，表面与体相的原子比增大，会出现许多新的特性；材料表面的研究是许多高新技术的理化基础等等。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和性能的研。美国工程科学院为美国国会提供的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。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导,而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

41、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展。一、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 1、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；2、化学性能：包括腐蚀防护性、催化特性等；3、机械性能：包括加工性、密封性、抗疲劳性、强度、硬度、韧性等；4、摩擦学性能：包括减摩性、耐磨性、自润滑性、浸润性等；5、装饰性：包括色彩、光泽性和可修饰性。表面工程技术以其高度的实用性和显著的优质、高效、低耗的特点在制造业、维修业中占领了日益增长的市场，

42、在航空航天、电子、汽车、能源、石油化工、矿山等工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工程。二、表面工程改善和美化人类生活人类生活中的衣食住行、学习、娱乐、旅游、医疗、饰品、工艺品无不越来越得益于表面工程的成就。衣料的美观、保暖、手感、抗静电；食品的色泽、保鲜、储存、包装；新型建材、房屋装修更是以表面工程为其重要技术源泉；汽车的美观、节油、低噪声离不开渗透在零部件、摩擦副、活化剂、传感器、电子仪表中的表面工程的新成果；还有，保护视力的镜片、高级相机的镜头、比天然品更美的镀膜饰品、美观舒适的墙体和地面装饰、镀膜玻璃、灯具和发光体、不粘附厨房用具、钟表及家用电器、学习用品

43、和工艺美术品，等等。可以说，人们生活在一个由于表面工程技术的发展而变得越来越美好的环境中。三、表面工程是先进制造技术发展的关键之一表面工程的快速发展及广泛应用被认为是制造领域中的重要进展。目前，技术成熟并投入工业实际应用的表面工程技术已多达上百种。例如，表面工程使内燃机的缸套/活塞环、凸轮/挺杆、轴/轴套三级摩擦副降低能耗1/41/3, 大修里程从平均10万公里提高到30万公里；对气缸、轧钢机大滑板、大型冷冻机螺杆压缩机转子轴等各种工件表面进行激光淬火，可使寿-5倍；对高速钢和硬质合金工模具在精加工以后进行表面氮离子注入，可使寿命提高110倍；切削刀具采用氮化钛类涂层，引起了一场刀具的“黄色革

44、命 ”。对各种金属切削刀具进行等离子体增强磁控溅射离子镀处理，可使其寿命提高314倍；利用双束动态混合注入技术，将高分子材料溅射到传热管(黄铜、紫铜和镀铬的黄铜等)上，同时用氮离子注入，可以在传热表面形成蒸汽的滴状冷凝，使传热效率提高了20倍。表面加工技术不仅是产品内在质量得以保证的关键，也是产品外观质量保证的重要手段。例如，对于L动轴承的滚道，目前工厂广泛采用磨抛工艺，其表面粗糙度可达Ra0.04m, 采用新的表面加工方法可提高到Ra0.01m，使用寿命可提高4倍以上，并能消除波纹度，减小轴承的振动与噪音；对模具光整加工使其表面粗糙度降低，一级模具使用寿命可以提高50%以上。表面工程技术在制

45、造业广泛应用的例子枚不胜举。表面工程技术已成为先进制造技术中优先发展的内容，也是我国国民经济建设中重点发展应用的技术内容。第三节 表面工程技术的分类材料表面工程是一门新兴学科，或者说是正在形成的一门学科，是一门多学科的边缘学科。该学科中应该包括哪些内容，如何分类，国内外都无公认的说法。从不同的角度进行归纳，就会有不同的分类。如：按作用原理可分为：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形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。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、搪瓷涂覆等。整体覆盖：它是将涂覆材料于同一时间施

46、加于材料表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。表面改性：用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成、结构发生变化，从而改变性能，如表面处理、化学热处理、电子束表面处理、离子注入等。按表面强化层材料可分为：金属材料层；陶瓷材料层；高分子材料层。按工艺特点可分为：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”改性，表面热处理，形变强化，衬里等，每一类又可分为一些更细的工艺项目。该分类方法比较清晰地体现了工程技术的特点，而且与工程技术上的名称基本一致，容易记忆。但缺乏学术上的逻辑性，因为有些技术尽管工艺不一样，但基本的改质机理是相同或相似的。按表面改质的目的或性

47、质可分为：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，表面修复技术。实际上，表面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：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。现将各部分所包含的内容简略介绍如下。表面技术的基础和应用理论现代表面技术的基础是表面科学，它包括表面分析技术、表面物理、表面化学三个分支。表面分析的基本方面有表面的原子排列结构、原子类型和电子能态结构等，是揭示表面现象的微观实质和各种动力

48、学过程的必要手段。表面物理和表面化学分别是研究任何两项之间的界面上发生的物理和化学过程的科学。从理论体系来看，它们包括微观理论与宏观理论：一方面在原子、分子水平上研究表面的组成，原子结构及输运现象、电子结构与运动及其对表面宏观性质的影响；另一方面在宏观尺度上，从能量的角度研究各种表面现象。实际上，这三个分支是不可能截然分开的，而是相互依存和补充的。表面科学不仅有重要的基础研究意义，而且与许多技术科学密切相关，在应用上有非常重要的意义。表面技术的应用理论，包括表面失效分析，摩擦与磨损理论、表面腐蚀与防护理论、表面结合与复合理论等等，它们对表面技术的发展和应用有着直接的、重要的影响。表面覆盖技术电

49、镀它是利用电解作用，即把具有导电性能的工件表面与电解质溶液接触，并作为阴极，通过外电流的作用，在工件表面沉积与基体牢固结合的镀覆层。该镀覆层主要是各种金属和合金。单金属镀层有锌、 镉、铜、镍、铬、锡、银、金、钴、铁等数十种；合金镀层有锌-铜、镍-铁、锌-镍-铁等一百多种。电镀在工业上使用广泛。电刷镀它是电镀的一种特殊方法，又称接触镀、选择镀、涂镀、无槽电镀等。其设备主要由电源、刷镀工具（镀笔）和辅助设备（泵、旋转设备等）组成，是在阳极表面裹上棉花或涤纶棉絮等吸水材料，使其吸饱镀液，然后在作为阴极的零件上往复运动，使镀层牢固沉积在工件表面上。它不需要将整个工件侵入电镀溶液中，所以能完成许多槽镀不

50、能完成或不容易完成的电镀工作。化学镀又称无电镀，即在无外电流通过的情况下，利用还原剂将电解质溶液中的金属离子化学还原在呈活性催化的工件表面，沉积出与基体牢固结合的镀覆层。工件可以是金属，也可以是非金属。镀覆层主要是金属和合金，最常用的是镍和铜。涂装它是用一定的方法将涂料涂覆于工件表面而形成涂膜的全过程。涂料（或称漆）为有机混合物，一般由成膜物质、颜料、溶剂和助剂组成，可以涂装在各种金属、陶瓷、塑料、木材、水泥、玻璃等制品上。涂膜具有保护、装饰或特殊性能（如绝缘、防腐标志等），应用十分广泛。粘结它是用粘结剂将各种材料或制件连结成为一个牢固整体的方法，称为粘结或粘合。粘结剂有天然胶粘剂和合成胶粘剂

51、，目前高分子合成胶粘剂已获得广泛应用。堆焊它是在金属零件表面或边缘，熔焊上耐磨、耐蚀或特殊性能的金属层，修复外形不合格的金属零件及产品，提高使用寿命，降低生产成本，或者用它制造双金属零部件。熔结它与堆焊相似，也是在材料或工件表面熔敷金属涂层，但用的涂敷金属是一些以铁、镍、钴为基，含有强脱氧元素硼和硅而具有自熔性和熔点低于基体的自熔性合金，所用的工艺是真空熔敷、激光熔敷和喷熔涂敷等。热喷涂它是将金属、合金、金属陶瓷材料加热到熔融或部分熔融，以高的动能使其雾化成微粒并喷至工件表面，形成牢固的涂覆层。 热喷涂的方法有多种，按热源可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂（超音速喷涂）和爆炸喷涂等。经热喷涂

52、的工件具有耐磨、耐热、耐蚀等功能。塑料粉末涂敷利用塑料具有耐蚀、绝缘、美观等特点，将各种添加了防老化剂、流平剂、增韧剂、固化剂、颜料、填料等的粉末塑料，通过一定的方法，牢固地涂敷在工件表面，主要起保护和装饰的作用。塑料粉末是依靠熔融或静电引力等方式附着在被涂工件表面，然后依靠热融、流平、湿润和反应固化成膜。涂膜方法有喷涂、熔射、流化床浸渍、静电粉末涂喷、静电粉末云雾室、静电流化床浸渍、静电振荡法等等。电火花涂敷这是一种直接利用电能的高密度能量对金属表面进行涂敷处理的工艺，即通过电极材料与金属零部件表面的火花放电作用，把作为火花放电极的导电材料（如WC、TiC）熔渗于表面层，从而形成含电极材料的

53、合金化涂层，提高工件表层的性能。而工件内部的组织和性能不改变。热浸镀它是将工件浸在熔融的液态金属中，使工件表面发生一系列物理和化学反应，取出后表面形成金属镀层。工件金属的熔点必须高于镀层金属的熔点。常用的镀层金属有锡、锌、铝、铅等。热浸镀工艺包括表面预处理、热浸镀和后处理三部分。按表面预处理方法的不同，它可分为溶剂法和保护气体还原法。热浸镀的主要目的是提高工件的防护能力，延长使用寿命。搪瓷涂敷搪瓷涂层是一种主要施于钢板、铸铁或铝制品表面的玻璃涂层，可起良好的防护和装饰作用。搪瓷涂料通常是精制玻璃料分散在水中的悬浮液，也可以是干粉状。涂敷方法有浸涂、淋涂、电沉积、喷涂、静电喷涂等。该涂层为无机物

54、成分，并融结于基体，故与一般有机涂层不同。陶瓷涂敷陶瓷涂层是以氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氮化物、金属陶瓷和其他无机物为基低的高温涂层，用于金属表面主要在高温和室温起耐蚀、耐磨作用。主要涂敷方法有刷涂、浸涂、喷涂、电泳涂和各种热喷涂等。有的陶瓷涂层有光、电、生物等功能。真空蒸镀它是将工件放入真空室，并用一定方法加热镀膜材料，使其蒸发或升华，飞至工件表面凝聚成膜。工件材料可以是金属、半导体、绝缘体乃至塑料、纸张、织物等。而镀膜材料也很广泛，包括金属、合金、化合物、半导体和一些有机聚合物等。加热方式有电阻、高频感应、电子束、激光、电弧加热等。溅射镀它是将工件放入真空室，并用正离子轰击作为阴极的

55、靶（镀膜材料），使靶材中的原子、分子逸出，飞至工件表面凝聚成膜。溅射粒子的动能约10eV左右，为热蒸发粒子的100倍。按入射离子来源不同，可分为直流溅射、射频溅射和离子束溅射。入射离子的能量还可以用电磁场调节，常用值为10eV量级。溅射镀膜的致密性和结合强度较好，基片温度较低，但成本较高。离子镀它是将工件放入真空室，并利用气体放电原理将部分气体和蒸发源（镀膜材料）逸出的气相粒子电离，在离子轰击的同时，把蒸发物或其反应产物沉积在工件表面成膜。该技术是一种等离子体增强的物理气相沉积，镀膜致密、结合牢固，可在工件温度低于550时得到良好的镀层，绕镀性也较好。常用的方法有阴极电弧离子镀、热电子增强电子

56、束离子镀、空心阴极放电离子镀。化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,简称CVD）：它是将工件放入密封室，加热到一定温度，同时通入反应气体，利用室内气相化学反应在工件表面沉积成膜。源物质除气态外，也可以是液态和固态。所采用的化学反应有多种类型，如热分解、氢还原、金属还原、化学输运反应、等离子体激发反应、光激发反应等等。工件加热方法有电阻、高频感应、红外线加热等。主要设备有气体发生、净化、混合、输运装置以及工件加热、反应室、排气装置。主要方法有热化学气相沉积、低压化学气相沉积、等离子体化学气相沉积、金属有机化合物气相沉积、激光诱导化学气相沉积等。分子束外延（Molecu

57、lar Beam Epitaxy，简称MBE）：它虽是真空镀膜的一种方法，但在超高真空条件下，精确控制蒸发源给出的中性分子束流强度按照原子层生长的方式在基片上外延成膜。主要设备有超高真空系统、蒸发源、监控系统、和分析测试系统。离子束合成薄膜技术离子束合成薄膜有多种新技术，目前主要有两种。离子束辅助沉积（IBAD）。它是将离子注入与镀膜结合在一起，即在镀膜的同时，通过一定功率的大流强宽束离子源，使具有一定能量的轰击（注入）离子不断地射到膜与基体的界面，借助于级联碰撞导致界面原子混合，在初始界面附近形成原子混合过渡区，提高膜与基体间的结合力，然后在原子混合区上，再在离子束参与下继续外延生长出所要求

58、厚度和特性的薄膜。离子簇束（Ion Cluster Beam，简称ICB）。离子簇束的产生有多种方法，常用的是将固体加热形成过饱和蒸汽，再经喷管喷出形成超声速气体喷流，在绝热膨胀过程中由冷却至凝聚，生成包含5102 2103个原子的团粒。化学转化膜化学转化膜的实质是金属处在特定条件下人为控制的腐蚀产物，即金属与特定的腐蚀液接触并在一定条件下发生化学反应，形成能保护金属不易受水和其他腐蚀介质影响的膜层。它是由金属基底直接参与成膜反应而生成的，因而膜与基底的结合力比电镀层要好得多。目前工业上常用的有铝和铝合金的阳极氧化、铝和铝合金的化学氧化、钢铁氧化处理、钢铁磷化处理、铜的化学氧化和电化学氧化、锌

59、的铬酸盐钝化等等。热烫印：它是把各种金属箔在加热加压的条件下覆盖于工件表面。暂时性覆盖处理：它是把缓蚀剂配制的缓蚀材料，在工作需要防绣的情况下，暂时性覆盖于表面。表面改性技术喷丸强化它是在受喷材料的再结晶温度下进行的一种冷加工方法，加工过程由弹丸在很高速度下撞击受喷工件表面而完成。喷丸可应用于表面清理、光整加工、喷丸校形、喷丸强化等。其中喷丸强化不同于一般的喷丸工艺，它要求喷丸过程中严格控制工艺参数，使工件在受喷后具有预期的表面形貌、表层组织结构和残余应力，从而大幅度地提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。表面热处理它是指仅对工件表层进行热处理，以改变其组织和性能的工艺。主要方法有感应加热淬火、火焰加

60、热表面淬火、接触电阻加热淬火、电解液淬火、脉冲加热淬火、激光热处理和电子束加热处理等。化学热处理它是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。按渗入的元素可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等等。渗入元素介质可以是固体、液体和气体，但都要经过介质中化学反应、外扩散、相界面化学反应（或表面反应）和工件中扩散四个过程，具体方法有许多种。等离子扩渗处理（PDT）：又称离子轰击热处理，是指在通常大气压力下的特定气氛中利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电进行热处理的工艺。常见的有离子渗氮、离子渗碳、离子碳氮共渗等，尤以离