表面工程(修订稿2013-10)

1、表表 面面 工工 程程 讲讲 稿稿 表面工程 修改稿 2013.10.26. 专业：材料成型及控制工程 层次：本科 性质：专业必修课 学分：2 学时：30学时（课内）4学时（实验） 考核方式：考试+ 实验+上课+作业 教材：表面科学与技术；姚寿山 等编 机械工业出版社；2005年1月第一版 主要参考书: 主要参考书： 1）曾晓雁 吴懿平 主编. 表面工程学， 机械工业出版社，北京.2001年4月第一 版 2）赵文轸主编.材料表面工程导论，西安 交通大学出版社，1998年10月 3）钱苗根等编.现代表面技术.机械工业出 版社, 2 000年4月 4）李学丹等.真空沉积技术.浙江大学出版 社，杭州

2、.1994年8月 表面工程 第一章 绪论 第二章 表面技术的理论基础 第三章 表面强度：表面摩擦与磨损 第四章 表面强度：耐蚀性 增 补 表面工程技术的预处理工艺与作业环境 第五章 电镀和化学镀 第六章 化学转化膜与材料表面彩色化 第七章 表面涂敷技术 第八章 表面改性技术 第九章 气相沉积技术 第十章 表面微细加工技术 第十一章 表面复合处理技术 第十二章 表面分析与测试技术 第一章 绪论 1.1表面技术的意义、目的、途径与应用 1.1.1表面技术的函义 1.1.2表面工程技术的特点 1.1.3表面工程技术的应用 1.2表面工程技术的分类 1.3表面技术的应用 1.4表面技术的发展 思考题

3、表面工程，顾名思义，就是在材 料的表面采取适当的措施，通过改变 材料的表面状态、表面性能、表面形 状等，提高材料的性能以适应工况要 求。 一般来说，物体的表面不破坏，其 内部也就很难受到破坏。 材料的表面性能是它最有用、最起 作用的性能之一。 1966年出现“表面工程”概念词 1983年英国伯明翰大学成立国际上的 第一个表面工程研究所沃尔森表面 工程研究所； 1984年正式确定表面工程为一个学科； 1985年国际刊物表面工程发行； 1985年召开第一次国际表面工程会议； 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。 我国对表面工程学的兴起作出了快速反 应，1987年中国机械工

4、程学会表面工程 研究所在北京成立。 1988年全国首届表面工程现状与未来发 展研讨会召开，同年创办了中国表面 工程杂志。 量子力学的奠基人之一狄马克说过这 样一句话：上帝创造了物体，魔鬼创造 了表面。 因此，学习表面工程，需要与魔鬼打交道 的勇气以及相应的手段：内容极为庞杂； 原理既简单，又深奥；研究方法有别于 常规的三维物体，需要特殊的手段。 认识一个人，也是首先从某人的表 面外观开始的。 因此，好的第一印象是至关重要的。 至于内容这个人到底是一个什 么样的人，则是逐步认识的。 内容形式的关系，这是一个大 家都了解的哲学问题，此处不做进 一步探讨,但表面工程对于材料的 重要性,由此可见一斑。

5、 世界是物质的，物质的主要表现形式 就是材料。 世界上所有的物体都是由一定的材料 组成的，也都具有一定的表面。 世界上材料极为丰富，材料所组成的 物体的数量也极为庞大，这些物体的 表面也是各种各样、千差万别的，构 成了我们所见到的丰富多彩的世界。 因此，表面工程所要研究的内容是 极为庞杂的。而我们的课时只有34 个学时，显然与之不成比例，不可 能对表面工程的内容做深入、全面 的介绍，甚至对大多数选讲的内容 也不能做很具体的介绍。 本课程将有选择地介绍一些表面工 程技术的科学原理，对各种表面工 程技术方法，主要介绍原理、作用、 应用，不要求大家去强记具体的工 艺参数。 夸张地说，我们的课时用来为

6、表面工程 做名词解释都显得紧张。 现实地说，我们当然不会只做名词解释。 我们的课程在全面介绍表面工程技术的 同时，将重点介绍一些常用的以及最新 的表面工程技术。 表面的作用： 保护； 赋予特定性能或者功 能； 展示与对外交流。 可能很多同学对表面工程的 名词和内容都还不很清楚，但并 不见得就不会运用。 传统的化妆技术：洗面； 粉底；功能化；保护层。 现代表面工程技术：表 面清洗；预处理；表面 功能化；后处理。 表面工程的概念 表面工程是经表面预处理后，通过表 面涂覆、表面改性、表面加工或多种 表面工程技术复合处理，改变固体材 料表面的形态、化学成分、组织结构、 应力状态等，以获得所需要各类表面

7、 性能的系统工程。 材料表面工程是材料表面处理技术的总称。 除材料科学与工程外，它还涉及到多个工程领 域，诸如机械工程、电气工程、化学工程、能 源工程、动力工程、航空航天工程、建筑工程 等。 材料表面工程又是一门很新的边缘学科，在理 论上它不但涉及到诸如表面物理学、表面化学、 金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学 等多个学科的理论，而且其本身也溶入了诸多 学科的新技术。 表面工程技术的目的 提高材料与环境的相容性 赋予材料表面某种功能特性，包括光、电、 热、磁、声、吸附、分离等 实施特定的表面加工来制造构件、零部件、 元器件 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： 物

8、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； 化学性能：包括腐蚀防护性、催化特性等； 机械性能：包括加工性、密封性、抗疲劳性、 强度、硬度、韧性等； 摩擦学性能：包括减摩性、耐磨性、自润滑 性、浸润性等； 装饰性：包括色彩、光泽性和可修饰性。 表面工程有关的表面性能表面工程有关的表面性能 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、可焊性、冷作硬化性 抗磨性抗磨料磨损性、抗粘着磨损性、抗腐蚀磨损性

9、、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、耐侯性、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 表面工程是由多个学科交叉、综合发展起 来的新兴学科，它以“表面”为研究核心。 表面工程基础理论包括表面物理、表面化 学、表面动力学、表面电子学等。 表面工程的最大优势是通过一定的技术方 法制备出在某个或某些方面优于本体材料 性能的表面功能层，赋予材料表面耐高温、 耐

10、腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等热、 电、光、力学、物理、化学性能，这层表 面材料与制作部件的整体材料相比，厚度 薄，质量小，但却承担着工作部件的主要 功能。 表面工程是一项系统工程表面工程是一项系统工程 以表面科学为理论基础，以表面和界面行 为为研究对象，首先把相互依存、相互分 工的基体与表面视为一个系统，同时又综 合了失效分析、表面技术、涂覆层性能、 涂覆层材料、预处理和后处理、表面分析 与检测技术、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 处理和重大工程实践等多项内容。 1.2表面工程技术的分类 1.2.1表面技术的基础和应用理论 （表面物理、表面化学） 1.2.2表

11、面涂覆技术 1.2.3表面改性技术 1.2.4表面加工技术 1.2.5复合表面处理技术 1.2.6表面分析和测试技术 1.2.7表面工程技术设计 表面工程技术的分类 按照技术特点分类： 表面改性技术表面改性技术 表面加工技术表面加工技术 表面涂覆技术表面涂覆技术 复合表面工程技术 纳米表面工程技术 也可以按照工艺特点、学科特点、表面改 质的目的和性质分类 按学科特点进行分类 表面合金化技术-包括喷焊、堆焊、离子注入、 激光溶敷、热渗镀等。 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。 表面组织转化技术-包括激光、电子束热处理 技术以

12、及喷丸、辊压等表面加工硬化技术。 此外，Mantton分类法将其分为：(1)原子沉 积物；(2)粒状沉积物；(3)整体涂层；(4)表面 改性。 按表面改性的目的或性质分类 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、功能表面技术及表面修复技术。 这种分类方法便于应用，有利于选择。 中国机械工程学会表面工程分会也是按这 种分类方法成立了委员会。 按照工艺特点进行分类 材料表面工程技术按工艺特点可大致 分为以下13类：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” （激光束、电子束、离子束）改性以 及表面热处理、

13、形变强化和衬里过渡 层。 每一类又可分为一些更细的工艺项目， 如下图。 1.2.2表面涂覆技术 电镀与电刷镀 化学镀 化学转化膜 热喷涂 热浸镀 气相沉积 分子束外延 堆焊 熔结 涂料涂装技术 粘结 搪瓷 热烫印 陶瓷涂敷 塑料涂敷 鎏金 包箔、贴片 暂时性覆盖 表面涂覆是在基体材料表面上形成一种涂覆层。 涂覆层的化学成分、组织结构可以和基质材料完 全不同，它以满足表面性能、涂覆层与基质材料 的结合强度能适应工况要求、经济性好、环保性 好为准则。 涂覆层的厚度可以是几毫米，也可以是几微米。 通常在基体零件表面预留加工余量，以实现表面 具有工况需要的涂覆层厚度。 表面涂覆和表面改性、表面热处理相

14、比， 由于它的约束条件少，技术类型和材料的 选择空间很大，因而，属于此类的表面工 程技术非常多，应用最为广泛。 表面涂覆类的表面工程技术包括电化学沉 积、化学沉积、气相沉积、热喷涂、堆焊、 熔覆、热浸镀、黏涂、涂装等。其中有的 表面涂覆技术又分为许多分支。 电化学沉积电化学沉积 电镀电镀 电刷镀电刷镀 槽镀 液镀 电刷镀 摩擦电刷镀 化学沉积化学沉积 化学镀化学镀 气相沉积气相沉积 物理气相沉积物理气相沉积 化学气相沉积化学气相沉积 真空蒸发 溅射 离子镀 化学气相沉积（CVD） 等离子体增强CVD(PCVD) 激光CVD 化学转化膜化学转化膜 分子束外延 复合镀 热喷涂热喷涂 火焰喷涂火焰喷

15、涂 电弧喷涂电弧喷涂 等离子喷涂等离子喷涂 特种喷涂特种喷涂 氧乙炔喷涂 燃气高速火焰喷涂 燃油高速火焰喷涂 电弧喷涂 高速电弧喷涂 等离子喷涂 高能等离子喷涂 低气压等离子喷涂 气体爆炸喷涂 电容爆喷涂 激光喷涂 悬浮液料热喷涂 冷喷涂 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，形成涂层， 以提高机件耐 蚀、耐磨、耐 高温等性能的 技术。 冷喷涂是利用超音速 的固体颗粒的动能在 撞击到镀件表面时转 变为热能，从而完成 冶金焊接。该工艺的 原理是：每种金属均 有其特定的、与温度 相关的临界颗粒速度， 当颗粒运动超过这一 速度时即会焊接于镀 件之上。此方法主要 用

16、于铝等有色金属。 堆焊堆焊-氧-乙炔火焰堆焊、手工电弧堆焊、气体 保护堆焊、埋弧堆焊、等离子弧堆焊、电渣堆焊、 电火花堆焊 熔覆熔覆-氧-乙炔火焰熔覆、真空电热熔覆、激光 熔覆、电子束熔覆 涂装涂装 通用涂装技术 特殊涂装技术 静电涂装 电泳涂装 流化床涂装 烧结法涂装 1.2.3表面改性技术 用机械、物理、化学等方法，改变表 面的形貌、化学成分、相组成、微观 结构、缺陷状态、应力状态等。 喷丸强化 表面热处理 化学热处理 （热扩渗） 等离子体扩渗 高能束表面改性 离子注入 表面改性技术表面改性技术 扩散渗入扩散渗入 非金属元素表面渗扩 金属元素表面渗扩 复合元素表面渗扩 离子注入离子注入 非

17、金属离子注入 金属离子注入 复合离子注入 转化膜技术转化膜技术 电化学转换膜 化学转化膜 表面着色技术 之一：通之一：通 过改变基过改变基 质材料成质材料成 分和组织，分和组织， 达到改善达到改善 性能的目性能的目 的，不附的，不附 件膜层件膜层 表面改性技术表面改性技术 表面淬火表面淬火 热处理热处理 表面变形表面变形 热处理热处理 表面纳米化加工技术表面纳米化加工技术 感应加热表面淬火 激光加热表面淬火 电子束加热表面淬火 喷丸 辊压 孔挤 之二：不之二：不 改变基质改变基质 材料的化材料的化 学成分，学成分， 只通过改只通过改 变表面的变表面的 组织结构组织结构 达到改善达到改善 表面性

18、能表面性能 的目的。的目的。 1.2.4表面加工技术 电铸 抛光 包覆 刻蚀 微细加工 表面加工技术表面加工技术-也称 表面微细加工技术， 加工的尺度一般在亚 微米级、纳米级甚至 级，是在微电子学基 础上发展起来，综合 运用了物理加工、化 学加工、机械加工等 加工方法，以及系统 技术、控制技术、真 空技术和封装技术等 先进技术。 表面加工技术表面加工技术 光刻加工光刻加工 LIGA（X射线刻蚀电铸模法）射线刻蚀电铸模法） 机械微细加工机械微细加工 放电微细加工放电微细加工 激光速微细加工激光速微细加工 电子束微细加工电子束微细加工 离子束微细加工离子束微细加工 超声波微细加工超声波微细加工 1

19、.2.5复合表面处理技术 运用两种或者更多种表面技术的复合技术。 表面合金化与掺杂技术 表面合成新材料技术 表面三维成型技术 其他表面复合技术 复合表面技术 复合表面工程技术是对上述三类表面工程 技术的综合运用。复合表面工程技术是在 一种基体材料表面上采取了两种或多种表 面工程技术，用以克服单一表面工程技术 的局限性，发挥多种表面工程技术间的协 同效应，从而使基质材料的表面性能、质 量、经济性达到优化。 主要包括多种表面工程技术表面工程技术的复合和多种 不同材料不同材料的复合 多种表面工程技术的复合多种表面工程技术的复合 综合运用两种或多种表面工程技术,通过最 佳协同效应获得“1+12”的效果

20、。 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、化学热处理与电镀的复合、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。 多种不同材料的复合实例多种不同材料的复合实例 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、Al2O3、SiC、TiC等获得金属基复 合涂层。其中添加Al2O3成本最低并与Al 基体润湿性最好。 这类金属基复合涂层可以通过等离子 喷涂复合粉成电弧喷涂粉芯丝材获得。 纳米表面工程 以传统表面工程技

21、术为基础，通过引入纳米 材料、纳米技术达到进一步提升表面性能的 目的。 纳米表面工程是以纳米材料和其他低维非平 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。 例如：热喷涂法制备纳米级晶粒涂层。 表面工程的发展可分为三个阶段： 第一阶段：以单一表面工程技术的品种增加、 工艺成熟为主要特征，包括堆焊、热喷涂、电 镀、电刷镀、化学镀、化学热处理、离子注入、 真空熔炼、激光熔覆、激光处理、电子束熔覆、 物理和化学气相沉积等。 第二阶段：以复合表面工程技术的出现和协同 创新为主要特征，即将两种或多种传统的表面 技术复合，热喷涂与电刷镀的复合，

22、化学热处 理与电镀的复合，多材质、多层薄膜技术的复 合，表面纳米化加工与渗氮技术的复合等。 1.4表面技术的发展 第三阶段：以微纳米材料和纳米技术与传 统表面工程技术的结合与实用化为主要特 征。目前已进入实用化的有纳米电刷镀、 纳米等离子喷涂、纳米减磨自修添加剂、 纳米固体润滑膜、微纳米黏涂技术以及表 面纳米化加工等。 可见，材料表面工程技术的进步，一是表 现在传统工艺技术的革新，一是表现在新 工艺的出现。 1.2.6表面分析和测试技术 表面形貌和显微组织分析（OM ， TEM ， SEM ， AFM ， HERM，STM） 表面成分分析（LEED ， AES ， XPS ， IR ） 表面原

23、子排列结构分析（LEED ， RBS ， AEM ， FIM） 表面原子态和受激态分析 表面电子结构分析 表面层厚度 各种表面性能测试 表面应力 1.2.7表面工程技术设计 基体的成分、结构与性能 表面层的成分、结构与性能 表面与基体间的相容性与结合 表面处理的流程、设备、工艺、检验 综合的管理、经济、环保等分析设计 表面工程技术的设计 失效分析有关知识和数据表面技术有关知识与数据表面工程技术的选择 失效分析方法 磨损失效分析 腐蚀失效分析 断裂失效分析 失效机理与影响因数 材料的磨损、腐蚀和断裂性能 表面层材料的选择 表面层成分/组织结构性能的确定 工艺参数的确定 使用寿命的预测 效费比评估

24、 环保性评估 编制工艺文件 表面技术的原理与工艺 表面技术的优缺点与适用性 表面材料的物理化学性能 表面技术对基体表面的要求 表面层的检测方法 表面工程的技术设计体系 1.3表面技术的应用 1.3.1表面技术应用的广泛性和重要性 1.3.2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 1.3.3表面技术在功能材料和元器件上的应 用 1.3.4表面技术在人类适应、保护和优化环 境方面的一些应用 1.3.5表面技术在研究和生产新型材料中的 应用举例 镀膜玻璃 大面积的玻璃幕墙带来的“光污染”容易引发近视、 白内障等疾病；同时，玻璃幕墙不节能，不保温隔 热，导致“夏热冬冷”，能源消耗巨大。

25、通过磁控溅射沉积给幕墙玻璃上镀一种光学薄膜材 料，使玻璃对阳光中可见光部分保持较高的透射率， 对红外部分有较高的反射率，对紫外线部分有很高 的吸收率。从而，在白天可以保证建筑物内有足够 的采光亮度；在夏天可减少通入室内的热辐射，不 会使室内温度过高；通过减少紫外线的照射，可减 缓室内陈设褪色，延长使用寿命，并有利于人们的 健康。 在汽车玻璃上制备一层能透过可见光，却能反射红 外光的薄膜。在烈日下，既不影响视觉，又能降低 驾驶室内的温度，并且大大减少空调的功耗，这种 玻璃还具有防止结霜的效果。 节约贵重材料 对于耐磨、耐热、防腐的情况，苛刻环境 仅是对表面而言对于心部要求并不高。 例如，对于模具

26、，如果选用高级模具钢可 以满足要求，但除了极少的表面部分，大 部分材料的高性能并未发挥作用。 若用普通钢材，辅以表面硬化处理，则可 得到同样的效果，材料可大大节约了。 而对大多数材料，韧性和硬度是不可兼得的， 一般来说，合金具有高的强韧性，但硬度不 高，而陶瓷具有高硬度但韧性很差。如果把 陶瓷置于合金材料的表面，就能够既发挥合 金的高强韧性、又发挥陶瓷的高硬度。 切削工具刃部采用气相沉积镀以TiN、TiC薄 层，可以成几倍地延长刀具寿命，提高加工 精度。 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，可使其寿命大幅提高。 各种表面工程技术大大降低了损失于大气 腐蚀、海水腐蚀的钢铁构件

27、、管道和设备 的数量，延长了建筑物、船舶、桥梁和机 器的使用寿命，维持其良好的工作状态。 在三峡建设工程中，三座特大钢管混凝土 拱桥的钢结构上，武汉材料保护研究所运 用喷涂、封闭加面漆的综合表面工程方案， 满足了二十年不维修的设计要求。这一技 术现已在国内其他几十座大桥上应用。 人造卫星被送入轨道后，是在高低温交变的 极恶劣环境中运行的，如无任何热控措施， 卫星本身结构和卫星上的仪器设备是无法承 受的。 对于人造卫星：当太阳照射时，被照射面温 度可达+200，而没有太阳照射的面温度可 低到-200。 为了保证卫星中电子仪器的正常工作，当受 太阳照射时必须让大部分辐射热反射出去， 或将热隔在壳外；而受冷时，必须不让内部 热量外传 。其解决方法是在卫星的表面进行 涂层，这种涂层称温控涂层 已经获得应用的温控涂层有有机硅氧化锌、 硅酸钾氧化锆和氧化铝涂层。