表面工程1绪论

《表面工程1绪论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《表面工程1绪论（29页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、1 1 绪论绪论教学目的和要求教学目的和要求掌握表面工程的定义、分类、特点（意义）等。掌握表面工程的定义、分类、特点（意义）等。1.1表面工程学的定义和内涵表面工程学的定义和内涵n表面工程学是上个世纪八十年代中期才出现的一门新学科。表面工程学是上个世纪八十年代中期才出现的一门新学科。它是在传统的表面硬化技术和腐蚀防护基础上，引入了一些科技新成就，如它是在传统的表面硬化技术和腐蚀防护基础上，引入了一些科技新成就，如气相沉积，离子注入，激光、电子束和等离子等技术等后，拓宽了表面工程的应气相沉积，离子注入，激光、电子束和等离子等技术等后，拓宽了表面工程的应用范围，使其成为表面硬化、表面防腐、机械修复

2、用范围，使其成为表面硬化、表面防腐、机械修复(再制造再制造)，新材料制造、功能，新材料制造、功能材料、复合材料、表面装饰和表面精细加工等方面不可或缺的工艺手段，被广泛材料、复合材料、表面装饰和表面精细加工等方面不可或缺的工艺手段，被广泛应用于机械、电子、冶金、建筑、交通、航空航天、核工业及日常生活用品等领应用于机械、电子、冶金、建筑、交通、航空航天、核工业及日常生活用品等领域，逐渐形成了一门独立的学科。域，逐渐形成了一门独立的学科。n表面工程技术被喻为上个世纪表面工程技术被喻为上个世纪8080年代以来年代以来世界十项关键技术世界十项关键技术之一。之一。n上世纪上世纪80年代后期，美国商业部就将

3、表面工程技术列入影响年代后期，美国商业部就将表面工程技术列入影响21世纪人类生活的七大关键技术之一（计算机科学、生命科学、新世纪人类生活的七大关键技术之一（计算机科学、生命科学、新能源技术、新材料技术、信息技术和先进制造技术）能源技术、新材料技术、信息技术和先进制造技术）。n材料表面工程的应用范围：材料表面工程的应用范围：表面强化表面强化 腐蚀工程腐蚀工程 数据存储数据存储 电子电路电子电路 传感器与自动控制传感器与自动控制 表面强化、耐蚀、耐磨、表面强化、耐蚀、耐磨、修复、装饰、微细加工修复、装饰、微细加工在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用 在防护上常用涂镀技术，热浸镀技术，物理和化学

4、气相沉积技术（在防护上常用涂镀技术，热浸镀技术，物理和化学气相沉积技术（PVDPVD，CVDCVD）来提高飞机、运载火箭、卫星、宇宙飞船、导弹在各种飞行恶劣环）来提高飞机、运载火箭、卫星、宇宙飞船、导弹在各种飞行恶劣环境下对材料性能产生的影响进行防护。境下对材料性能产生的影响进行防护。在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用 如第四代的飞机，在停飞和飞如第四代的飞机，在停飞和飞行过程中，可能遇到行过程中，可能遇到5050的空气的空气摩擦升温至摩擦升温至200200，因而在飞机蒙，因而在飞机蒙皮的表面涂上高聚物涂料免受环境皮的表面涂上高聚物涂料免受环境介质

5、侵蚀，减少阻力。介质侵蚀，减少阻力。飞机的蒙皮、雷达罩、发动机的飞机的蒙皮、雷达罩、发动机的尾喷管、座舱都采用隐身涂层，雷达尾喷管、座舱都采用隐身涂层，雷达罩和尾喷管采用罩和尾喷管采用SnOSnO2 2和和InIn2 2O O3 3等掺杂半等掺杂半导体材料作填料和适当的载流子浓度导体材料作填料和适当的载流子浓度及迁移率以及等离子体频率，使其具及迁移率以及等离子体频率，使其具有兼容雷达和红外隐身。美国的有兼容雷达和红外隐身。美国的TF39TF39发动机轴承，离子注入铬磷，可解发动机轴承，离子注入铬磷，可解决点蚀、磨蚀，提高发动机轴承的使决点蚀、磨蚀，提高发动机轴承的使用寿命。用寿命。在航空航天方

6、面的应用在航空航天方面的应用奔 驰 系 列 在车身涂装上，设计选用电泳底漆、中间涂层、面漆三涂层体在车身涂装上，设计选用电泳底漆、中间涂层、面漆三涂层体系，不仅使车身具有防腐蚀功能，更具有亮丽、闪光色彩。系，不仅使车身具有防腐蚀功能，更具有亮丽、闪光色彩。一、表面工程技术的定义一、表面工程技术的定义n为满足特定的工程需求，使为满足特定的工程需求，使材料或零部材料或零部件件表面表面具有特殊的具有特殊的成分、成分、结构和性能结构和性能(或功能或功能)的化学、物理方法与工艺。的化学、物理方法与工艺。二、表面工程技术的内涵二、表面工程技术的内涵n表面改性技术表面改性技术n表面合成材料技术表面合成材料技

7、术n表面加工技术表面加工技术n表面加工三维合成技术表面加工三维合成技术n上述要点的组合或综合上述要点的组合或综合金属材料表面工程学的地位金属材料表面工程学的地位 n表面工程技术所涉及的基材包括几乎所有的工程材料，如金属、表面工程技术所涉及的基材包括几乎所有的工程材料，如金属、陶瓷、半导体材料、高分子材料、混凝土、木材和各类复合材料陶瓷、半导体材料、高分子材料、混凝土、木材和各类复合材料等。等。n金属材料，特别是钢铁材料，目前仍旧是机械、设备和工程构件金属材料，特别是钢铁材料，目前仍旧是机械、设备和工程构件的主要材料。的主要材料。机械行业中：机械行业中：钢铁材料：钢铁材料：93%93%有色金属：

8、有色金属：2%2%非金属材料：非金属材料：5%5%1.2表面工程技术的特点与意义表面工程技术的特点与意义表面工程技术具有一般整体材料加工技术不具备的优点。表面工程技术具有一般整体材料加工技术不具备的优点。n主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大。因此，可以。因此，可以制备表面性能与基材性能相差很大的复合材料。制备表面性能与基材性能相差很大的复合材料。n采用表面涂采用表面涂(镀镀)、表面合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材料表面具、表面合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材料表面具有特殊的性能，有特殊的性能，

9、不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本。性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本。n可以兼有装饰和防护功能可以兼有装饰和防护功能，有力推动了产品的更新换代。，有力推动了产品的更新换代。n表面薄膜技术和表面微细加工技术具有微细加工功能，表面薄膜技术和表面微细加工技术具有微细加工功能，是制作大规模集成电路、是制作大规模集成电路、光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础技术。光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础技术。n二维的表面处理技术已发展成为三维零件制造技术二维的

10、表面处理技术已发展成为三维零件制造技术（生长型制造法），不仅大幅（生长型制造法），不仅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高。度降低了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高。n表面工程技术已成为制备新材料的重要方法表面工程技术已成为制备新材料的重要方法，可以在材料表面制备整体合金化难，可以在材料表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合金等。以做到的特殊性能合金等。1.2表面工程技术的分类表面工程技术的分类n表面改性技术表面改性技术表面组织转化技术表面组织转化技术表面涂镀技术表面涂镀技术表面合金化和掺杂技术表面合金化和掺杂技术n表面微细加工技术表面微细加工技术n表面加工三维

11、成型技术表面加工三维成型技术n表面合成新材料技术表面合成新材料技术n本章结束！表面强化技术的分类及概况表面强化技术的分类及概况 通常按表面强化技术的性质分类，可以分为：通常按表面强化技术的性质分类，可以分为：n化学热处理表面强化；化学热处理表面强化；n表面淬火强化；表面淬火强化；n表面覆层（化成处理覆层、覆衬、涂装、表面覆层（化成处理覆层、覆衬、涂装、CVD、PVD薄膜和热浸薄膜和热浸渗）强化、防腐及装饰；渗）强化、防腐及装饰；n表面形变强化；表面形变强化；n表面高能量密度改性与强化表面高能量密度改性与强化(高能束表面改性强化高能束表面改性强化)；n表面精细表面精细(微细微细)加工；加工；n表

12、面复合强化等表面复合强化等。化学热处理表面强化化学热处理表面强化n即用渗入原子在材料表层内扩散而形成人工内污染层，以改变表即用渗入原子在材料表层内扩散而形成人工内污染层，以改变表层的化学成分为先决条件，再进行不同的热处理后赋与零件表面层的化学成分为先决条件，再进行不同的热处理后赋与零件表面和内部不同的组织，从而具有不同性能的表面强化方法。和内部不同的组织，从而具有不同性能的表面强化方法。n例如：钢的渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、热浸渗和渗金属等例如：钢的渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、热浸渗和渗金属等。表面淬火表面淬火n不改变材料的化学成分，只是因表层相变而产生的强化方法称为不改变材料的化学成分，只

13、是因表层相变而产生的强化方法称为表面淬火。表面淬火。n例如：高频、中频和表面感应加热淬火、火焰加热表面淬火、电例如：高频、中频和表面感应加热淬火、火焰加热表面淬火、电子束、激光（子束、激光（Laser）束加热表面淬火等。）束加热表面淬火等。表面形变强化表面形变强化n在金属材料的再结晶开始温度之下，使其表层发生冷塑性变形后金属材料的再结晶开始温度之下，使其表层发生冷塑性变形后达到表层加工硬化，以弥补其表面轻微脱碳和细小缺陷并形成表达到表层加工硬化，以弥补其表面轻微脱碳和细小缺陷并形成表层残余压应力的强化方法称为表面冷塑性变形强化。层残余压应力的强化方法称为表面冷塑性变形强化。n其显著作用就是提高

14、金属材料及其制品的高周疲劳寿命，且材料其显著作用就是提高金属材料及其制品的高周疲劳寿命，且材料本身强度愈高，其表面冷塑性变形强化效果愈显著。本身强度愈高，其表面冷塑性变形强化效果愈显著。n方法有：表面滚压、内孔挤压和表层喷丸强化。其中，喷丸强化方法有：表面滚压、内孔挤压和表层喷丸强化。其中，喷丸强化目前用得最为普遍。目前用得最为普遍。表面覆层强化及装饰表面覆层强化及装饰n使金属表面获得特殊的覆盖层，以提高其耐磨、耐蚀、抗疲劳及装饰等为目使金属表面获得特殊的覆盖层，以提高其耐磨、耐蚀、抗疲劳及装饰等为目的工艺方法都称为表面覆层强化及装饰。包括：表面镀膜，化成处理和表面的工艺方法都称为表面覆层强化

15、及装饰。包括：表面镀膜，化成处理和表面覆层与覆衬。覆层与覆衬。n表面镀膜主要有物理气相沉积（表面镀膜主要有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（）、化学气相沉积（CVD）和分子外）和分子外延技术等；延技术等；n化学处理主要有：化学镀、电镀、发蓝、发黑、磷化和铝的阳极氧化等；化学处理主要有：化学镀、电镀、发蓝、发黑、磷化和铝的阳极氧化等；n表面覆层主要为热喷涂、热喷焊、热堆焊覆层（衬）和用玻璃和地沥清等覆表面覆层主要为热喷涂、热喷焊、热堆焊覆层（衬）和用玻璃和地沥清等覆衬于其表面，以达到耐热、耐蚀、防滑、修复尺寸和使其有特殊物理化学性衬于其表面，以达到耐热、耐蚀、防滑、修复尺寸和使其有特殊物理化

16、学性能等目的。能等目的。高能束表面改性强化高能束表面改性强化n以极高能量密度的电子束及以极高能量密度的电子束及Laser束等作用于金属表面使其发生物束等作用于金属表面使其发生物理化学变化，达到强化或表面改性的目的称为高能量密度表面强化。理化学变化，达到强化或表面改性的目的称为高能量密度表面强化。n其特点是：方法简单、时间短、变形小、高效率等，但设备复杂，其特点是：方法简单、时间短、变形小、高效率等，但设备复杂，造价高。高能量密度表面强化采用的能源有：电子束、激光束、太造价高。高能量密度表面强化采用的能源有：电子束、激光束、太阳能和高频冲击表面感应加热等。阳能和高频冲击表面感应加热等。n能量密度

17、：以电子束和激光束提供的能量密度最高，可达到：能量密度：以电子束和激光束提供的能量密度最高，可达到：108109W/cm2。火焰和高频加热的能量密度为。火焰和高频加热的能量密度为102103W/cm2。nLaser被美国和俄罗斯首先用于工业表面处理上被美国和俄罗斯首先用于工业表面处理上,我国上海光机所于我国上海光机所于90年代曾用于齿轮的齿面淬火。年代曾用于齿轮的齿面淬火。表面复合处理表面复合处理n将两种或两种以上的表面处理将两种或两种以上的表面处理(或强化或强化)工艺用于同一工件的表面工艺用于同一工件的表面强化的方法称为表面复合处理。强化的方法称为表面复合处理。n目的是：发挥各自的优点目的是

18、：发挥各自的优点,更大限度地提高金属的表面性能。更大限度地提高金属的表面性能。n例如：热浸镀铝例如：热浸镀铝+热扩散和热浸镀锌热扩散和热浸镀锌+热扩散可使镀层结合牢固热扩散可使镀层结合牢固;渗碳热处理渗碳热处理+喷丸喷丸;离子注入离子注入+气象沉积等。气象沉积等。基体基体工艺工艺涂层涂层应用应用热喷涂热喷涂 各种材料各种材料 表面制备表面制备,预热预热,预喷粉预喷粉,喷熔喷熔,冷却冷却,后期加工后期加工各种材料各种材料,各种性能各种性能涂层涂层火焰喷涂火焰喷涂,电弧电弧喷涂喷涂,等离子弧等离子弧喷涂喷涂电镀电镀各种材料各种材料 预处理预处理工件工件(阴极阴极)单一金属单一金属,合金合金,复合复

19、合镀层镀层刷镀用于局部刷镀用于局部修补修补涂装涂装各种材料各种材料 浸涂浸涂,喷涂喷涂,静静电喷涂等电喷涂等有机涂料有机涂料耐蚀耐蚀,耐磨耐磨,美美化化几种常见的表面工程技术几种常见的表面工程技术表面技术：表面技术：包括表面改性、薄膜技术、涂层技术等。包括表面改性、薄膜技术、涂层技术等。表面工程技术：成套技术组合。表面工程技术：成套技术组合。主要作用：提高构件的耐蚀性、耐磨性以及获得电、磁、主要作用：提高构件的耐蚀性、耐磨性以及获得电、磁、光等功能性表面层。光等功能性表面层。n表面工程表面工程(定义定义)：经表面预处理后，通过经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性表面涂覆、表面改性或多种表面工

20、程技或多种表面工程技术术复合处理复合处理，改变材料，改变材料表面表面的的形态、化学成分和组织形态、化学成分和组织状态，在保状态，在保证材料整体强度水平不降低的基础上，以获得所需证材料整体强度水平不降低的基础上，以获得所需表面表面性能性能的系的系统工程。统工程。n表面工程表面工程(特点特点)：使材料基体强度不变的前题条件下，设法使其表面具有各种使材料基体强度不变的前题条件下，设法使其表面具有各种优异的特殊性能。例如：高硬度、高耐磨性、耐蚀、抗疲劳（接优异的特殊性能。例如：高硬度、高耐磨性、耐蚀、抗疲劳（接触、高周、腐蚀疲劳等）特殊的物理和化学性能（反光、吸收电触、高周、腐蚀疲劳等）特殊的物理和化

21、学性能（反光、吸收电磁波、发光、电导、电绝缘性能、记忆和阻热等）和生物相容性磁波、发光、电导、电绝缘性能、记忆和阻热等）和生物相容性涂层及注入层等。此外，还常用于装饰处理上。涂层及注入层等。此外，还常用于装饰处理上。机械零件失效的主要形式机械零件失效的主要形式 n塑性变形：材料强度不足或过载使用；塑性变形：材料强度不足或过载使用；n断裂：韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂；断裂：韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂；n磨损：按磨损机理分为磨料磨损、冲蚀磨损、粘着磨损和疲劳磨损等七大类；磨损：按磨损机理分为磨料磨损、冲蚀磨损、粘着磨损和疲劳磨损等七大类；n腐蚀：在环境及周围介质作用下产生。腐蚀：在环境及周围介质作用下产生。n在以上四种失效形式中，磨损、疲劳和腐蚀占在以上四种失效形式中，磨损、疲劳和腐蚀占80%以上。以上。实验证实：失效通常是从材料的表面开始的，而且往往是因其表面性能不高所致。实验证实：失效通常是从材料的表面开始的，而且往往是因其表面性能不高所致。研究金属材料的表面及其相应的强化方法有十分重要的意义。研究金属材料的表面及其相应的强化方法有十分重要的意义。