现代表面工程学概述.ppt

SurfaceEngineering表面工程 黄惠副教授huihuanghan 总学时 32 其中 前言 总成绩 平时成绩 40 专题综述 10 笔试 50 平时成绩 课堂 20 出勤 20 出勤 每迟到一次或早退一次扣2分每旷课一次扣3分 超过3次不能参加考试专题综述 每人自选一题 独立写出专题综述 自愿报名上台进行10分钟ppt演讲 同时回答老师同学的问题 限两个 演讲和回答的好的加分 不演讲不扣分 课程基本要求 前言 教材及参考资料 首选教材 表面工程新技术 徐滨士 刘世参 北京 国防工业出版社二选教材 表面科学与技术 姚寿山 李戈扬 胡文斌主编机械工业出版社表面工程学曾晓雁 吴懿平主编机械工业出版社现代表面技术 机械工业出版社 钱苗根等编著参考书目 金属材料表面新技术 赵文珍 西安交通大学出版社 1992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 一些有用的资源 SurfaceEngineeringistreatmentofthesurfaceandnear surfaceregionsofamaterialtoallowthesurfacetoperformfunctionsthataredistinctfromthosefunctionsdemandedfromthebulkofthematerial fromASMMetalHandbook Solidsarecomposedofabulkmaterialcoveredbyasurface ThesurfacewhichboundsthebulkmaterialiscalledtheSurfacephase SurfaceengineeringinvolvesalteringthepropertiesoftheSurfacePhaseinordertoreducethedegradationovertime fromWikipedia 材料表面工程是材料表面处理技术的总称 赵文轸 第一章表面工程 SurfaceEngineering 表面工程技术源远流长 7 承旋 酒器 东汉建武年间 现藏于北京故宫博物院 兽形盒砚 东汉制 出土于1980年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬品 由石砚 盒身 盒盖三部分组成 中国古代的鎏金工艺 表面工程形成一门独立的学科是近20来年的事 1983年表面工程的概念被首次提出1986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1987年中国机械工程学会表面工程研究所成立1988年 表面工程 杂志创刊 后更名为 中国表面工程 2000年全国焊接学会原 堆焊与热喷涂专业委员会 正式更名为 堆焊及表面工程专业委员会 目前 全世界范围内 表面工程的应用已取得巨大的经济效益 而且也逐渐发展成为横跨多个学科的边缘性 综合性 复合型学科 第一章表面工程 表面工程 表面工程的简单分类 第一节 表面工程学的定义与内涵 1 1 表面工程技术发展概况 磨损 腐蚀 断裂是机械零件工程构建的三大主要破坏形式 前二者造成经济损失占很大比重 数据 磨损 美国 美国国家材料政策委员会向美国国会提出的一份报告 摩擦磨损引起的损失1000亿美元 年 德国 1983年 前联邦德国调查 摩擦磨损损失287亿马克 英国 摩擦磨损损失51500英镑 年 腐蚀 美国 国家标准局1978年调查 1975年腐蚀损失达820亿美元 占国民生产总值的4 9 1995年腐蚀损失达3000亿美元 中国 1983年调查 腐蚀损失400亿元 年 腐蚀和磨损均是发生于机件表面的材料流失过程 其他形式的失效过程有许多也是从表面开始 延缓和控制表面破坏的方法 促进了表面工程学的发展与形成 1 2 表面工程学的定义 表面工程学围绕腐蚀 摩擦与磨损和功能特性 声 光 磁 电的转换 三大因素 成为80年代后期重点发展的关键技术之一 形成表面工程学 定义 为满足特定的工程需求 使材料表面或零部件表面具有特殊的成分 结构和性能 或功能 的化学 物理方法与工艺 何谓表面工程 材料的性能与表面结构性材料 要求以力学性能为主 其它性能为辅 主要用于承载结构 功能性材料 要求以特殊性能为主 力学性能为辅 主要用于制造功能性零件 表面工程概念是指表面预处理后 通过表面涂覆 表面改性或多种表面工程技术复合处理 改变固体金属表面或非金属表面的形态 化学成分 组织结构和应力状态 以获得所需表面性能的系统工程 1 3 表面工程学的内涵 内涵扩展 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等 所涉及的工艺方法数以百计 各具特点 经过内涵扩展以后的表面工程技术 由单纯的表面改性扩展到表面加工和合成新材料等领域 涵盖材料科学 物理 化学 冶金 机械 电子与生物等领域 成为新型的 名副其实的交叉学科 3 兼有装饰和防护功能 4 化学气相沉积 物理气相沉积 掩模 光刻等表面薄膜沉积技术和表面细微加工是制造大规模集成电路的基础 5 生成型制造法是以表面加工为基础 1 作用于表面 对基材组织与性能影响不大 2 采用表面技术替代整体合金化 第二节表面工程的特点与意义 6 可以在表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合金 第三节表面工程技术的分类 按学科特点 1 表面合金化技术 利用外来元素与基材元素相混合 形成成分不同于基材和添加材料的表面新材料 喷焊 堆焊 离子注入 激光熔覆 热渗镀 2 表面覆盖和覆膜技术 3 表面组织转化 不改变基材的成分 利用外加涂层或镀层的性能使基材表面性能优化 热喷镀 电镀 化学转化处理 化学镀 气相沉积 涂装 金属染色 不改变材料的表面成分 只是通过改变其组织结构特性或应力状况来改变材料的性能 激光表面淬火 电子束热处理 喷丸 滚压 3 1985年第一届表面工程国际会议 4 1986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 1 1983年英国伯明翰大学沃福森表面工程研究所的建立 2 1985年英国的 国际刊物的出版 第四节表面工程的发展历程 国际 3 1988 12 表面工程 杂志发行 4 1993年成立了中国机械工程学会表面工程分会 5 2000 7中国焊接学会堆焊专业委员会更名为中国焊接学会堆焊与表面工程专业委员会 1 1987 12中国机械工程学会表面工程研究所成立 2 1988 11首届表面工程学术研讨会 第四节表面工程的发展历程 中国 目前国内从事表面工程研究的单位 清华大学北京科技大学解放军装甲兵工程学院北京航空航天大学天津大学哈尔滨工业大学武汉大学昆明理工大学上海交通大学复旦大学厦门大学武汉材料保护研究所广州二轻研究所等 昆明理工大学于90年代初也开展了表面工程技术的研究 尤其在复合电沉积和化学沉积方面在国内外具有一定的知名度 发表相关学术论文150多篇 于2003年获全国优秀博士学位论文奖 表面工程的学科体系 表面层材料的选择 表面层成分 组织结构与性能的确定 工艺参数的确定 使用寿命的估算 表面工程技术有关知识与数据 各种表面工程技术的原理与工艺 各种表面工程技术的优缺点与适用性 各种表面材料的物理化学性能 各种表面工程技术对基体表面的要求 表面层的检测方法 失效分析有关知识与数据 失效分析方法 磨损失效分析 腐蚀失效分析 断裂失效分析 失效机理与影响因素 材料的磨损腐蚀与断裂机理 表面工程的设计技术体系 1 表面层材料设计 耐蚀 耐磨 减摩 防滑 减振 耐高温材料等 2 表面层结构设计 膜层总厚度 层数 每层的材料和厚度 各层的匹配等 3 表面层工艺设计 形成膜层的工艺方法 工艺参数 工艺规程等 4 工装设计 辅具 夹具 量具 控制台 工程车等 5 技术经济分析 自然寿命 技术寿命 经济寿命 费效比等 表面工程的设计技术体系 3 复合表面技术 4 完善表面工程技术标准体系 5 表面涂层材料研究 1 基础理论研究 表面与界面 结构与性能 分析与表征包括测试技术 2 关键技术研究和重大工程的应用 表面工程的研究方向 6 设备研发 7 社会化的应用推广 第五节表面工程技术的分类 5 1 电镀 化学镀及化学转化膜 表面着色技术5 2 表面扩散渗入处理技术5 3 热喷涂表面覆盖新技术5 4 新型表面改性技术5 5 涂装新技术 5 1电镀 化学镀及化学转化膜 表面着色技术 5 1 1电镀技术 Electroplating 通过电化学技术在金属基体表面沉积一层金属或合金 以达到保护基体金属的目的 电镀技术包括单金属电镀 如镀铜 镍 铬 合金电镀 如镍 磷合金 铜 锌合金 复合电镀 如镍 钨 磷 碳化硅 非晶态电镀 如镍 12 磷合金 镍 40 钨合金 电刷镀 如镍 镍 钨合金 低温镀铁 塑料及其他非金属上的电镀等 塑料及其它非金属电镀工艺 在非金属 如塑料 陶瓷 木制产品 玻璃钢等 电镀中 传统的前处理工序必须经过除油 粗化 敏化 活化 还原 化学镀铜 镍 等 工艺流程长 废水量大 导致生产成本高 因此 若在非金属产品表面喷涂一层导电层 然后就可以直接电镀其它金属 这样 一方面可以节约成本 另一方面还可以降低环境污染 非金属制品化学除油化学粗化化学镀铜活化 银盐或钯盐 敏化电镀铜电镀镍电镀铬 或其它金属或合金 一 传统非金属电镀工艺流程 二 现代非金属电镀工艺流程 三 传统非金属电镀工艺与现代工艺的比较 采用新工艺 省去了四道关键工艺 降低了原材料的消耗 减少了废水处理量 增加了一道喷涂或浸涂工艺 每公斤导电漆可喷涂15 18平方米的工件 采用新工艺 处理每平方米工件的成本是20 30元 传统工艺 这四道工序的成本是30 40元 平方米 包括废水处理费用 玻璃钢电镀前喷的导电层玻璃钢电镀后的产品 玻璃钢电镀铜 玻璃钢电镀前的产品玻璃钢喷涂导电漆后电镀的产品 玻璃钢电镀铜 木制工艺品表面仿古铜 塑料产品电镀黑镍 5 1 2 化学镀技术 Electroless 定义 通过化学氧化还原反应在金属基体表面沉积一层金属或合金 以达到保护基体金属的目的 分类 化学镀技术包括化学镀镍 如镍 磷合金 镍 铜 磷合金 镍 硼合金 化学镀钴 如钴 磷合金 化学镀铜 化学镀锡 化学镀金 化学镀铟等 5 1 3化学转化膜技术 ChemicalTransformFilm 定义 通过化学或电化学的方法在金属基体表面形成一层膜 以达到保护基体金属的目的 分类 化学转化膜技术包括发蓝 磷化 铝及铝合金阳极氧化等 5 1 4表面着色技术 SurfaceColouring 通过化学或电化学的方法在金属基体表面形成一层氧化膜或硫化膜等 如铜及铜合金仿古铜 铝型材电解着色 不锈钢着色等 返回 5 2表面扩散渗入处理技术 化学热处理技术 Surfacediffusionpermeationtechnology 5 2 1渗硼技术 在渗硼过程中 含硼介质发生化学反应 生成流体含硼组元 流体含硼组元通过邻接金属表面的 边界层 进行内扩散 扩散到金属表面并被吸附 然后发生各种界面反应 生成活性硼原子 活性硼原子由金属界面向纵深迁移 从而形成一定深度的渗硼层 渗层组织相一般为FeB和Fe2B 渗层硬度为1400 2000Hv 渗硼温度850 1000oC 5 2 2渗碳技术 在渗碳过程中 含碳介质发生化学反应 在贴近工件表面处的渗碳介质中 为交换反应物和反应生成物所进行的外扩散 渗碳介质中某些分子或离子在金属表面进行吸附和由此产生的各种界面反应 碳原子由工件表面向纵深迁移 从而形成了具有一定深度的渗碳层 渗层硬度为180 280HB 渗碳温度850 950oC 5 2 3渗氮技术 渗氮就是将工件放入渗氮介质中 加热到渗氮温度 480 580oC 保温一段时间 使渗氮介质发生化学反应 经过内扩散 在工件表面进行吸附和界面反应 活性氮原子被工件表面吸附并扩散渗入工件的表面 形成氮化物 5 2 4复合共渗技术 两种或两种以上的元素共同渗入金属表面的方法 称为复合共渗技术 如氮碳 氮硫或氮碳硫共渗等 返回 3 3热喷涂表面覆盖新技术 Heatspraycoatingtechnology 热喷涂是一种用专用设备把某种固体材料熔化并加速喷射到机件表面上 形成一特制薄层 以提高机件耐磨 耐蚀 耐高温等性能的新兴材料表面科学技术 热喷涂技术分类 返回 5 4新型表面改性技术 Newsurfacemodificationtechnology 5 4 1气相沉积技术 物理气相沉积 利用热蒸发或辉光放电 弧光放电等物理过程 在基材表面沉积所需涂层的技术 包括真空蒸发镀膜 离子镀膜和溅射镀膜 如常见的手表带和壳镀氮化钛 化学气相沉积 利用气态物质在固体表面发生化学反应 生成固态沉积物的过程 金刚石涂层表面改性技术 离子束沉积法 磁控管溅射法 热丝化学气相沉积法 5 4 2高能束表面改性技术 激光束 离子束 电子束表面改性技术不仅用于提高机件表面的抗蚀性和耐磨性 还可以用于半导体技术和催化剂技术 因为催化行为是由表面成分的结构决定的 在半导体材料中 各种电性能通常是由材料的最外层微米级厚度的成分和结构控制的 高能束流技术对材料表面的改性是通过改变材料表面的成分或结构实现的 成分的改变包括表面合金化和熔覆 结构的改变包括组织和相的改变 1 激光表面强