表面技术在现代制造业中的应用.ppt

表面技术在现代制造业中的应用 葛柏青常州机电职业技术学院2004年12月20日 材料科学与工程学科的产生有它内在的科学背景和强烈的社会需求 社会发展的需求 1957年苏联人造卫星上天 美国朝野归之为美国材料落后1962年美国北极星导弹发射失败20世纪60年代世界处于信息革命的前夜 超高纯超高完整性半导体材料 硅芯片 1947晶体管的发明 科学背景 材料科学的基本原理植根于凝聚态物理 物理化学 合成化学 量子力学等学科 是研究材料的组织 结构与性能的关系 探索自然规律 研究与发展材料的目的在于应用 只有通过合理的工艺流程才能制备出具有实用价值的材料 通过工业生产 才能成为工程材料 MIT1966年 冶金系 冶金与材料科学系 1975年 冶金与材料科学系 材料科学与工程系 英国剑桥大学 冶金与材料科学系 材料科学与工程发展史 社会发展的需求 1957年苏联人造卫星上天 美国朝野归之为美国材料落后1962年美国北极星导弹发射失败20世纪60年代世界处于信息革命的前夜 超高纯超高完整性半导体材料 硅芯片 1947晶体管的发明 材料科学与工程发展史 材料科学 20世纪60年代 美国许多大学建立了跨学科的材料研究中心 ProgressinMetalPhysics 1949 改名为 ProgressinMaterialsScience 1961 金属物理学仅是材料科学的重要的组成部分 而非其全部 材料科学与工程 材料科学的基本原理植根于凝聚态物理 物理化学 合成化学 量子力学等学科 是研究材料的组织 结构与性能的关系 探索自然规律 研究与发展的材料的目的在于应用 只有通过合理的工艺流程才能制备出具有实用价值的材料 通过工业生产 才能成为工程材料 研究材料组成 结构 制备工艺流程与材料性能和用途的关系的知识的产生及其运用 材料科学与工程发展史 材料科学 材料科学与工程 MIT1966年 冶金系 冶金与材料科学系 1975年 冶金与材料科学系 材料科学与工程系 英国剑桥大学 冶金与材料科学系 材料科学与工程发展史 材料科学与工程是一充满生机 正在发展中的理工兼容的学科新的内涵 信息技术 生物工程 纳米科技辅于了材料科学与工程以新的内涵多学科交叉 物理 化学 数学 生物 分子生物学 医学 计算机 数学 化工 电子 机械 环境 能源等各类知识的融合 运用 成为当今材料科学与工程进展的新的突破的重要特征 材料科学与工程发展史 材料科学与工程是一充满生机 正在发展中的学科20世纪末至21世纪初 发达国家从系 学院发展到Center或Program美国Princeton 材料科学与工程研究中心美国ASU ProgramonMaterialsScienceandEng 60年代 各学科的融合 形成材料学科 70 80年代 发展 成立独立系院 新世纪 扩散 渗透和进一步融合 形成交叉学科 美国普林斯顿大学原来没有MSE 90年代成立了独立的跨系的材料研究中心 侧重于生物 化工和材料的交叉研究 90年代 英国在大学中 接连成立了十个IRC InterdisciplinaryResearchCenter 美国费城的宾西法尼亚大学在1996年开始成立 医学和工程研究所 下设生物信息中心和生物活性材料中心 盖了新大楼 97年搬进去 美国佐治亚工学院正在执行一庞大的交叉计划 建立了生物技术 环境科学技术 分子与材料科学中心 Biotechnology EnvironmentalScienceandTechnology MolecularScienceandMaterialScience 简称BEM 包括四座建筑的十多个学科的交叉中心 面临的机遇和挑战 国力较量 材料是人类文明进步的基石 当代材料科学和工程更是一个国家科技和经济发展的基础和先导 也是世界强国竞争的焦点 科技发展 生命 信息 能源 环境和纳米科技的发展赋予材料科学与工程新的内涵 提供了新的生长点和广阔的发展前景 材料科学和工程的发展 量子力学的创立 材料微结构表征技术 制备技术 材料设计的发展 使从微观尺度观测和理解物质的宏观性质成为可能 使人工微结构材料得以实现 使材料和器件研究逐渐融合 组织交叉学科研究是材料科学有所突破的必由之路 材料表面技术是上个世纪80年代以来世界十项关键技术之一 也是一门广博精深和具有极高使用价值的基础技术 表面技术应用的重要性 表面技术的应用所包含的内容十分广泛 可以用于耐蚀 耐磨 修复 强化 装饰等 也可以是在光 电 磁 声 热 化学 生物等方面的应用 表面技术所涉及的基体材料不仅有金属材料 也包括无机非金属材料 有机高分子材料及复合材料 表面技术的种类很多 把这些技术恰当地应用于构件 零部件和元器件 可以获得巨大的效益 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 物理和化学气相沉积技术 PVD CVD 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 在航空航天方面的应用 通过表面技术处理 提高材料性能 起到保护航空航天飞行器免遭环境影响而失效 从而提高航空航天产品的先进和使用的可靠性 在航空航天方面的应用 如第四代的飞机 在停飞和飞行过程中 可能遇到 50 的空气摩擦升温至200 因而在飞机蒙皮的表面涂上高聚物涂料免受环境介质侵蚀 减少阻力 飞机的蒙皮 雷达罩 发动机的尾喷管 座舱都采用隐身涂层 雷达罩和尾喷管采用SnO2和In2O3等掺杂半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 使其具有兼容雷达和红外隐身 美国的TF39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用寿命 在航空航天方面的应用 近年来 航空表面工程技术已经取得了飞速的发展 涌现出许多表面工程新技术和新工艺 如激光强化技术 离子注人技术 飞机蒙皮有机涂层技术 薄膜减阻技术等已经投人应用或正在研究之中 这些表面技术将在航空领域中显示出更广阔的应用前景 在航空航天方面的应用 在汽车工业中的应用 1886年卡尔 奔驰在德国的斯图加特制造生产出世界上第一辆汽车 当时使用油漆作防锈和美化装饰 近代汽车工业充分利用了各种表面热处理技术 物理气相沉积技术 电镀技术热浸镀铝 镀锌技术 喷涂技术 涂装技术 油漆技术等技术 使汽车成为现代技术与艺术相结合 奔驰系列 在汽车工业中的应用 在汽车工业中的应用 奥迪系列 宝马系列 人们对汽车的基本性能 驾驶性 安全性及对环境的保护性等 不断的改进作了大量的工作 由于机械 电子和光学等各种技术的综合应用 导致了目前所制造的汽车更为安全和舒适 在这些技木之中 表面和薄膜技术是主要涉及的应用领域 在汽车工业中的应用 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 汽车上一些钢构件采用单一的钝化处理 在散热器主片 吊耳总承 制动软轴支架等几十中零部件中应用 在汽车工业中的应用 以神龙汽车公司的车身涂装线为例 涂装工艺采用三涂层体系 3C3B 即电泳底漆涂层 中间涂层 面漆涂层 涂层总厚度为110 130 m 涂装厂房为三层 一层为辅助设备层 二层为工艺层 三层为空调机组层 厂房是全封闭式 通过空调系统调节工艺层内的温度和湿度 并始终保持室内环境的微正压 保持室内清洁度 各工序间自动控制 流水作业 确保涂装高质量 在先进制造业中的应用 现代意义上的制造业不断吸收机械 电子 信息 材料 能源及现代管理等方面的最新成果追求高效 低耗 优质 清洁 并具有快速适应市场变化的能力 现代制造业的发展主要以集成电路技术为代表 制造和使用微小型电子元器件和电路 实现电子系统功能的微电子技术 是改变人们生产和生活面貌的先导技术 激光表面改性技术 激光相变硬化又称激光淬火它是通过激光将金属材料加热到相变温度以上 在冷却过程中产生马氏体相变从而硬化材料表面 显著提高材料的耐磨性和疲劳强度 此技术的优越性表现在可以局部加热处理 显著抑制变形 易于控制晶粒及组织形态 无需后续加工工艺 早在1975年 通用汽车公司就已运用此技术处理铸铁汽车部件提高其耐磨性能 目前在汽车制造及精密机械行业 激光热处理已有广泛的应用 如菲亚持集团用其处理汽缸体 尼桑公司则用其处理发动机及其传动部件 激光发生器 激光工作过程 激光相变射线分析 激光相变相图分析 激光表面改性技术 表面重熔运用较高能量密度的激光束使表面熔化并硬化表面 改善表层组织与结构 韧化晶粒 这种技术称表面重熔 此技术有两个控制参量 温度梯度与凝固速率 它们实际上受激光能量与照射时间所控制 一般熔化区深度为0 3 1 m 工艺处理后 原始粗糙的组织可显著韧化 树枝晶将变为马氏体 亚稳相或非晶组织 激光表面置熔的最新进展是将其应用于凸轮轴的表面改性方面 许多发动机都是应用层片状灰口铸铁作为凸轮轴材料 传统处理技术如钨极惰性气体保护重熔或直接冷硬铸造法能获得耐磨性好的莱氏体表层组织 采用激光重熔技术同样可获得莱氏体组织 且更为方便 经济 南京产激光发生器 激光相变相图分析 激光相变相图分析 激光表面改性技术 激光表面合金化利用高能量激光束使材料表面成分实现预期变化的一种高新技术 激光合金化特别适用于工件最重要部位的处理 如模具的刃口 凸轮轴的局部表面等 此法既改善了影响工件寿命和重要部位的磨损性能与寿命 又可简化工艺和节约昂贵的合金元素 此工艺已应用于工业 如在含有N2气氛中激光熔化Ti可以成功制出TiN 用同样的方法可以制出TiC TiNC等 激光表面改性技术 激光表面合金化举例广州富通光科技术有限公司利用高能量密度的激光对模具进行表面处理 从而改变模具表层的显微结构或成分 实现模具表面强 硬 化或修复的技术 研究中开发了适合于模具表面处理的多种合金材料 预处理剂和专有熔覆送丝设备技术 解决了模具钢材料和激光表面工程技术的配合工艺 达到参数优化控制 激光表面改性技术 主要技术性能指标熔覆系统 送丝与激光同步进给送丝进度可调范围 0 1 0 5m min超细合金粉 Al粉400 粒度1 6 耐温C2粉800 镍基和钻基粉 粒度200 320目 耐温 600 700 合金丝直径 2 3mm高温耐磨 工作温度600 HRc50 55耐冲击磨损 工作温度200 300 HRc55 60 该项技术的应用 可从根本上解决制约我国模具加工的技术瓶颈 模具钢材料和热处理问题 从而变革模具制造工艺 缩短模具开发与制造周期 提高模具质量和使用寿命 降低模具加工成本 达到以国产钢材替代进口钢材的目的 减少我国模具产业对进口钢材 进口硬加工中心装备的依赖 增强我国模具企业的国际竞争力 电子束加工技术在现代制造中的应用 Telemark电子束枪 电子束焊接 电子束焊接技术是一种利用电子束作为热源的焊接工艺 它利用经高压静电场与电磁场加速与会聚的高能量密度电子束轰击焊件表面 将电子的动能大部分转变为热能 使焊件接头处的金属熔融 达到焊接的目的 电子束焊接有能量高度集中 106 109W cm2 约为普通电弧的10 100倍 所需线性能量低 速度高 热影响区小 变形小 可在精加工后进行焊接 焊接在真空中进行 焊缝纯度高 强度高的特点 电子束焊接可适用于几乎所有的金属材料 如普通碳钢 不锈钢 合金钢 铝 难熔金属及活泼金属等 电子束焊接 电子束焊接主要用于焊接汽车工业中的如下零部件 手动变速箱中的复合多联齿轮 自动变速箱中的行星齿轮变速器及液力变速器 涡轮增压器 ABS刹车系统的液压容器 后桥以及其它零件 如 活门 火花塞 摇杆组件 配电器等闲 电子束蒸发涂覆 它是采用物理气相沉积的方法 用高能量密度的电子束作为热源 在真空中对涂覆材料进行受控加热 使之蒸发沉积到各种基体材料上 如钢带 塑料 纸 玻璃以及各种零件 从而获得耐蚀 耐磨 耐热以及特殊光电性能的各种表面特性 电子束钢带镀膜是国际上近20年开始应用的一种镀膜技术 它是用电子束镀膜方法 在普通钢带上镀以铝 铜 镍以及不锈钢等金属及合金材料 用于制造各种汽车压力油管 家电邦迪管 镣电池以及建筑装饰 美化材料 电子束蒸发设备 离子束加工技术及应用 离子注入表面改性采用离子注入技术作为金属表面强化的研究始于70年代初 并已取得了可喜的成就 离子注入是根据被处理材料表面所需要的性能 选择适当元素的原子 使其在真空电场中离子化 并在高压下加速注入到材料表层 离子注入将引起材抖表层成分和结构变化 以及原子环境和电子组态等微观状态的扰动 因此导致材料的各种物理 化学或力学性能的变化 离子注入表面改性 离子注入一般在常温或低温下进行 整个过程均在真空中完成 因而表面处理中无氧化和脱碳现象 可以向金属或合金表面注入任何需要的元素 不论它们本来是否互溶 等离子喷涂应用 等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为热源 以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法 等离子喷涂材料主要是陶瓷 金属陶瓷和因溶合金 涂层可有效提高结构件的耐磨 耐腐蚀性 尤其是梯度涂层已成功解决了涂层和基体之间热膨胀系数差异而产生的应力问题 而且已广泛应用于航空 涡轮机叶片 工业泵等行业 结束语 制造业是一个国家经济发展的支柱 是国民经济收入的重要来源 现代先进制造技术是我国工业化发展进程中的航空母舰 发展和应