表面工程-绪论

1、第一章 绪论资料外表工程技术.1.1 外表工程简介2“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 外表工程技术源远流长.日本刀的覆土烧刃 世界三大名刃之一1.1 外表工程简介外表工程技术源远流长.1.1 外表工程简介Raw materialenergyProductProductSurface EngineeringGood product+.“Surface Engineering is treatment of the surface and near-surface reg

2、ions of a material to allow the surface to perform functions that are distinct from those functions demanded from the bulk of the material -from ASM Metal Handbook“Solids are composed of a bulk material covered by a surface. The surface which bounds the bulk material is called the Surface phase. Sur

3、face engineering involves altering the properties of the Surface Phase in order to reduce the degradation over time. - from Wikipedia“资料外表工程是资料外表处置技术的总称-赵文轸1.1 外表工程简介.1.1 外表工程简介外表工程构成一门独立的学科是近 20 来年的事： 1983年 外表工程的概念被初次提出 1986年 国际热处置结合会更名为国际热处置与外表工程结合会 1987年 中国机械工程学会外表工程研讨所成立 1988年杂志创刊，后更名为 2000年 全国焊

4、接学会原“堆焊与热喷涂专业委员会正式更名为“堆焊及 外表工程专业委员会。外表工程是由多个学科交叉、综合、开展起来的新兴学科，它以“外表为研讨中心，在有关的学科实际的根底上，根据零件外表的失效机制，以运用各种外表技术及其复合为特征，逐渐构成了与其它学科亲密相关的外表工程根底实际主要是：外表层失效分析实际、外表摩擦与磨损实际；外表腐蚀与防护实际；外表界面结合与复合实际等。 外表工程学科体系. 外表工程的开展不仅在学术上丰富了资料科学、冶金学、机械学、电子学等学科，而且开辟了新的研讨领域，如高能束冶金学、等离子体物理学、动态金属学、摩擦化学、微观摩擦学等。外表工程的学科体系概括为图1。.外表工程学图

5、1外表工程根底实际外表工程技术外表加工技术外表检测技术外表工程技术设计 为了更有效地发扬外表工程的运用效果，在确定采用某种外表工程技术之前，要进展科学的外表工程技术设计。 首先要了解对加工或者修复零件的性能要求和零件失效分析结果，如磨损、腐蚀失效分析。再针对上述要求根据工程条件进展外表工程技术的设计。 .9基于学科特点的分类“国家自然科学基金委战略报告1.2 资料外表工程技术的分类 外表处置技术 外表改性技术 外表涂覆技术.原子堆积：堆积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形状在资料外表上构成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相堆积、化学气相堆积等。颗粒堆积：堆积物以宏观尺度的颗粒形状在

6、资料外表上构成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂覆等。整体覆盖：它是将涂覆资料于同一时间施加于资料外表，如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。外表改性：用各种物理、化学等方法处置外表，使之组成、构造发生变化，从而改动性能，如外表处置、化学热处置、电子束外表处置、离子注入等。 1.2 资料外表工程技术的分类基于技术作用原理的分类.金属陶瓷高分子复合资料1.2 资料外表工程技术的分类金属资料层；陶瓷资料层；高分子资料层复合资料层基于资料的分类.基于工艺特点的分类1.2 资料外表工程技术的功能与分类.1.2 资料外表工程技术的分类基于工艺的分类工艺实现手段电镀合金电镀、复合电镀、电刷镀、非晶态电镀和非金属电镀涂

7、装特殊用途、特殊类型的新涂料和涂装工艺堆焊埋弧自动堆焊、振动电弧堆焊、CO2保护自动堆焊和等离子堆焊热喷涂火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和爆炸喷涂热扩渗固体渗、液体渗、气体渗和等离子渗化学转化膜化学氧化、阳极氧化、磷酸盐膜和铬酸盐膜彩色金属整体着色、吸附着色及电解着色气相沉积化学气相沉积和物理气相沉积三束改性激光束改性、电子束改性和离子束改性.还有一些复合的外表处置技术，如：等离子喷涂与激光辐照复合；热喷涂与喷丸复合；化学热处置与电镀复合；激光淬火与化学热处置复合；化学热处置与气相堆积复合等等14.1.3外表工程技术的运用外表工程有关的外表性能外表工程技术的运用外表工程技术的意义15.1.3.

8、1外表工程有关的外表性能 分 类 项 目声学特性声反射、声吸收、声表面波可加工性精密加工性、可修补性、可焊接性、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、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、耐候性、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 转换功能光-电、热-电、光-热、力-热、力-电、磁-电电特性导电性、绝缘性、电阻特性、半导体特性 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 力学性能耐疲劳性、表面硬化、粗化、多孔性. 1.3

9、.2表 面工程技术的运用171改善和美化人们生活的运用.1.3.2表 面工程技术的运用182在维护、优化环境中的运用净化大气 -采用化学气相堆积和溶胶-凝胶等技术制成的催化剂载体，可有效地治理被污染的大气。 净化水质 -过滤膜可采用化学气相堆积、阳极氧化和溶胶-凝胶等外表工程技术来制备。 吸附杂质 -采用外表技术制成的吸附剂，可使空气、水、溶液中的有害成分被吸附，还可去湿、除臭。 活化功能 -远红外具有活化空气和水的功能。 绿色能源 -外表工程技术是开发绿色能源的根底技术之一，许多绿色能源安装都运用了气相堆积镀膜和涂覆技术。 .1.3.2表 面工程技术的运用193在构造资料中的运用外表防护-资

10、料外表防止化学腐蚀和电化学腐蚀等的才干。耐磨性-在一定摩擦条件下抵抗磨损的才干它与资料特性以及载荷、速度、温度等磨损条件有关。利用热喷涂、 堆焊、电刷镀和电镀等外表技术，在资料外表构成 Ni基、Co基、Fe基、金属陶瓷等覆层，可有效地 提高资料或制件的耐磨性。 .嫦娥探月工程高温钛合金铌合金带高温抗氧化涂层姿/轨控发动机推力室 实例-高温抗氧化涂层 .1、飞机发动机用高温抗氧化涂层： 运用温度：12001400， 运用寿命大于100h。 运用温度：1800，运用寿命大于100h。2、航天火箭发动机用高温抗氧化涂层： 运用温度：1800以上，最高要求到达2000 运用寿命较短，几分钟十几分钟。

11、来源：西北有色金属研讨院实例-高温抗氧化涂层 .22外表强化-经过外表强化处置来提高资料抵御除腐蚀和 磨损之外的环境作用的才干外表装饰-要求资料具有光亮、色泽、花纹和仿照等功能。合理地选择电镀、化学镀、氧化等外表技术，可以获得镜面镀层、全光亮镀层、亚光镀层、缎状镀层，不同颜色的镀层，各种平面、立体花纹镀层、仿贵金属、仿古和仿大理石镀层等。 .4在功能资料和元器件中的运用 231.3.2表 面工程技术的运用 功能资料主要指具有优良的物理、化学和生物等功能，以及一些声、电、光、磁等相互转换功能，而被用于非构造目的的高技术资料，常用来制造各种配备中具有独特性能的中心部件。资料的功能特性与其外表成分、

12、组织构造等亲密相关。电学特性- 利用电镀、化学镀、气相堆积、离子注入等技术可制备具有电学特性的功能薄膜及其元器件。 磁学特性 -经过气相堆积技术和涂装等外表技术制备出磁记录介质、磁带、磁泡资料、电学屏蔽资料、薄膜磁阻元件等。 .24光学特性- 利用电镀、化学镀、转化膜、涂装、气相堆积等方法，可以获得具有反光、光选择吸收、增透性、光致发光、感光等特性的薄膜资料。 声学特性 -利用涂装、气相堆积等外表技术，可以制备掺杂Mn-Zn铁氧体复合聚苯胺款频段的吸波涂层、红外隐身涂层、降低雷达波反射系数的纳米复合雷达隐身涂层，声反射和声吸收涂层以及声外表波器件等。热学特性-采用磁控溅射，涂装等方法制备。.2

13、5生物学特性- 具有一定的生物相容性和物理化学性质的生物医学资料，利用等离子喷涂、气相堆积、等离子注入等方法构成的一用涂层，可在坚持基体资料特性的根底上，提高基体外表的生物学性质、耐磨性、耐蚀性和绝缘性等，阻隔基体资料离子向周围组织溶出分散，起到改善同人体机能的作用。各种转换功能- 采用外表工程技术可获得进展光-电，热-电，光-热，力-热，磁-光等转换功能的器件.1.3.2表 面工程技术的运用265在再制造工程中的运用 再制造工程的内涵 -再制造工程是在维修工程和外表工程的根底上开展起来的新兴科学，是以产品全寿命周期论为指点，以实现废旧产品的性能提升为目的，以优质、高效、节能、节材和环保为准那

14、么，以先进消费技术和产业优化为手段，来修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。简而言之为是废旧产品高技术修复、改造的产业。其重要特征是，再制造以后的产质量量和性能到达或超越新品，本钱只是产品的50%，可节能60%，节材70%，对环境的不良影响显著降低，可有力的促进资源节约型、环境友好型。.27再制造工程的效益和特征效益表达在-废旧产品的零部件因被直接用作再制造的毛坯而不是回炉冶炼获得钢垫，防止了回炉时对能量的耗费和对环境呵斥的二次污染；防止了由钢锭到新零件的二次制造时对能源的再次耗费和对环境的再度污染。一方面提高了产品的绿色度，另一方面防止了成为固体渣滓而呵斥的环境污染。6在研讨开

15、发新型资料中的运用.工程意义 * 提高资料和工件的可靠性，延伸其运用寿命 * 制备具有特殊功能的外表 * 对节能降耗与再制造的特殊奉献 * 满足人们精神文化生活的需求 科学价值 * 资料制备与合成的新技术 * 为新技术开展提供工艺和资料支持 * 多学科交叉，促进新的学术研讨课题1.3.3外表工程技术的意义.1.4外表工程技术的开展趋势291.4.1传统外表工程技术的创新 传统 的 表 面技术，随着科学技术的提高而不断创新。在电弧喷涂方面，开展了高速电弧喷涂，使喷涂质量大大提高。 在等离子喷涂方面，已研讨出射频感应藕合式等离子喷涂、反响等离子喷涂、用三阴极枪等离子喷枪喷涂及微等离子喷涂。 在电刷

16、镀方面研讨出摩擦电喷镀及复合电刷镀技术。 在涂装技术方面开发出了粉末涂料技术。 在粘结技术方面，开发了高性能环保型粘结技术、纳米胶粘结技术、微胶囊技术。 在高能束运用方面开展了激光或电子束外表熔覆、外表淬火、外表合金化、外表熔凝等技术。.30 在离子注入方面，继强流氮离子注入技术之后，又研讨出强流金属离子注人技术和金属等离子体浸没注人技术。 在处理产品外表工程问题时，新兴的外表技术与传统的外表技术相互补充，为外表工程任务者提供了广大的选择余地。.31 复合表 面 工程技术的研讨和运用已获得了艰苦进展，如热喷涂和激光重熔的复合、热喷涂与刷镀的复合、化学热处置与电镀的复合等。1.4.2复合外表工程

17、技术的研讨 .1.4.3纳米外表工程 纳米外表工程是指充分利用纳米资料的优良特性提升和改善传统的外表工程，经过特定方法使资料外表纳米化、纳米构造或功能化，从而使资料外表性能提高或赋予其全新功能的系统工程。关键技术主要包括：纳米热喷涂技术、纳米电刷镀技术、纳米减摩自修复添加剂技术、金属资料外表本身纳米化、纳米外表粘结技术、纳米涂装、纳米薄膜气相堆积技术等。 32.1.4.4研讨开发新型功能资料 33 轿车 涂 装 技术中新开展的第五代阴极电泳涂料(ED5)，其泳透力比前几代进一步提高，有机溶剂、颜料含量降低，且不含有害金属铅，代表了阴极电泳涂料的开展趋势。 以聚 氯 乙 烯树脂为主要基料与增塑剂

18、配成的无溶剂涂料，构成了现代汽车涂装中所用的抗石击涂料和焊缝密封胶，有效地防止了车身底板和焊缝出现过早腐蚀，并保证了车身的密封性。 粘结 固 体 光滑涂层资料，在处理航空航天等军工高科技领域特殊工况条件下的机械磨损、光滑、粘着冷焊等摩擦学问题中发扬了重要作用，并在民用真空机械、低温设备上有宽广的用途 等离 子 喷 涂B4C涂层，具有很高的硬度和优良的抗辐射性能，是理想的核反响堆壁面资料。.34 在不 断 研 发新的喷涂资料的同时，对传统资料的重新认识和潜力发掘任务也在进展。例如在电弧喷涂耐海水腐蚀涂层时经常被引荐选用锌铝合金和铝镁合金，据以为这两种具有更好的耐腐蚀性能，但价钱比纯锌和纯铝高得多。.1.4.5向自动化、智能化的方向迈进35 在表 面 处 理时，自动化程度最高的是汽车行业和微电子行业。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，即电泳低漆涂层、中间涂层、面漆涂层，涂层总厚度为110-130 p 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，厂房是全封锁式，经过空调系统调理工艺层内的温度和湿度，并一直坚持室内对环境的微正压，坚持室内清洁度，各工序间自动控制，流水作业，确保涂装高质量。.1.4.6追求环保零排放36 从宏 观 上 讲，外表工程对节能、节材、