新1第一章 现代表面工程技术

1现代表面工程技术

ModernSurfaceEngineeringandTechnology

江苏大学材料学院教学目的

（1）系统地掌握现代表面处理技术的基本原理；（2）能合理选择并应用这些新的表面工程技术；（3）解决材料表面硬度、强度、耐磨性与心部强韧性之间的矛盾；（4）充分发挥材料性能的潜力；（5）延长产品使用寿命和提高产品质量。2教材及参考资料教材：现代表面技术，机械工业出版社，钱苗根等编著参考书目：面向二十一世纪的表面工程，徐滨士，北京：机械工业出版社，1997表面工程手册，李国英主编，北京：机械工业出版社，1998表面涂层技术，陈学定，韩文政，北京：机械工业出版社，1994表面工程与维修，徐滨士，朱绍华等，北京：机械工业出版社，1996第一章表面技术概论

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表面技术和表面工程概述

表面技术的分类

表面技术的应用与发展第一章表面技术概论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。通过对材料基体表面加涂层或改变表面形貌、化学组成、相组成、微观结构、缺陷状态，达到提高材料抵御环境作用能力或赋予材料表面某种功能特性的工艺技术。5一、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。6第一节表面技术的涵义7

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，即采用各种表面改性技术。主要有喷丸强化、表面热处理、化学热处理、等离子扩渗处理、激光表面处理、电子束表面处理、高密度太阳能表面处理、离子注入表面改性等。二、主要技术途径:(1)覆盖层

电镀、电刷镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、塑料粉末涂敷、热浸涂、搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、真空蒸镀、溅射镀、离子镀、化学气相沉积、分子束外延制膜、离子束合成薄膜技术等。此外，还有其他形式的覆盖层，例如各种金属经氧化和磷化处理后的膜层，包箔，贴片的整体覆盖层，缓蚀剂的暂时覆盖层等。（2）机械、物理、化学等方法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。8应用实例1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9轻量化材料的确能降低汽车的整体重量和碳排放量，但大大增加了汽车的成本。轻量化汽车材料市场在2010年的收入达到380亿美元，2017年该数字有望达到953.4亿美元。

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。10应用实例3

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研制出LI-900全氧化硅绝热毡：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。11应用实例4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%。12应用实例5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℃。13汽车喷漆镀银壶16磨损腐蚀据世界摩擦学会统计：摩擦损失世界性一次能源的1/3~1/2；磨损给工业国家带来的损失达国民生产总值的2%~8%。三、表面失效的形式171.机械零件表面失效机械零件失效一般都发生在工作面（表面），因为机械零件相互接触的表面受力最大，最易摩擦磨损、疲劳而失效；零件表面易受外界环境中的水、气、某些化学介质的作用而腐蚀失效。18磨损失效机械零件由于相互之间的相对运动发生摩擦磨损引起零件工作表面金属不断损失，称为零件的磨损。磨损引起零件几何尺寸与形状的改变，使零件之间间隙增大，使机械设备丧失精度，导致整个机械设备无法正常工作，称为零件的磨损失效。磨损失效有多种形式：粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、微动磨损和疲劳磨损。

19腐蚀失效：

零件表面与周围环境介质发生化学或电化学反应，而导致的损伤或损坏，称为腐蚀失效，特别在强腐蚀性介质中这情况非常严重。金属腐蚀按破坏的特性可分为全面腐蚀和局部腐蚀。202.疲劳失效：材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。3.其它失效：其它失效形式有多种，如断裂失效、塑性变形失效等等。21四、

材料表面失效防护与现代材料表面改性1.材料表面失效防护(1)选用优质材料：选用具有更高抗磨损、耐腐蚀、抗疲劳性能的优质材料来制造零件。(2)零件的优化设计和精密加工制造工艺：可提高表面光洁度，降低表面摩擦系数，减少表面承受的应力，减少表面与外界环境的接触，提高零件表面的抗磨损、耐腐蚀、抗疲劳能力。22(3)采用现代材料表面改性技术：在零件表面涂覆一层保护膜;采用机械、物理、化学等方法，使材料表面的形貌、化学成份、

相组成、微观结构、缺陷状态、应力状态得到改变;

有效地提高零件表面的抗磨损、耐腐蚀、抗疲劳性能。

23(4)现代材料表面改性技术的优化组合:由于零件的材质、形状、使用环境、受力状态等不同，每种表面改性技术均有它的局限性，不可能采用相同的表面改性技术。把表面改性技术作为一个系统工程进行优化设计和优化组合，选择适合于某种材质、零件形状、使用环境、受力状态等的一种或几种组合的表面改性技术。24

目的：材料表面与基体看作统一的系统进行设计与改性，以最经济、最有效的方法改变材料近表面层的形态、化学成份和组织结构，赋予新的复合性能，以新型的功能实现新的工程应用。

使材料表面获得更好的表面特性，有效地延长零件使用寿命；用性能较差的合金钢代替优质合金钢，以节省优质合金钢材料；研制出新颖材料，这种多功能综合化，用于提高材料表面性能的各种现代表面改性技术统称为现代表面改性技术。五、表面改性目的和意义表面技术倍受重视的原因表面新技术不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。25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。六、与表面现象有关的一些表面技术1）

表面湿润和反湿润技术2）

表面催化技术3）

膜技术4）

表面化学技术本课程将主要学习：表面覆盖、表面改性和表面加工等表面技术。26第二节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。2728(4)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、激光表面处理、电子束表面处理、离子注人等。按照作用原理，分为四种基本类型：(l)原子沉积。沉积物以原子、离子、分子和粒子基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。(2)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。(3)整体覆盖。它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。①原子沉积物原子在基体上凝聚,生核、长大、成膜.如电镀、PVD、CVDCVD氮化钛刀具TiCl4+H2+N2→TiN(s)+HCl②粒状沉积物熔化的液滴或细小的固体颗粒在外力作用下于基体表面凝聚、沉积或烧结,形成的表面涂层.例如,热喷涂、搪瓷、喷漆等.齿轮表面喷涂WC③整体沉积层

欲涂敷的材料于同一时间施于基体表面.如,涂漆、热浸渍等热镀锌激光表面合金化④表面改性用离子处理、热处理、激光处理等方法改变材料表面的组织和性能.如喷丸、离子注入、激光处理.33电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、表面着色、气相沉积、“三束”改性以及表面热处理、形变强化和衬里等13类。材料表面工程技术按工艺特点分：34表面技术有着广泛的涵义，大致上可分为以下几个部分：

(l)表面技术的基础和应用理论。

(2)表面处理技术。表面覆盖技术表面改性技术复合表面处理技术

(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。35第三节表面技术的应用一、

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：工具、模具、

主要起防护、耐磨、强化、修复、装饰等。36三、

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

抗菌灭菌材料，TiO2,生物医学材料。37第四节

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。38

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）