表面工程材料成型及控制工程.ppt

1、表 面 工 程,讲 稿,表面工程,修改稿 2010.9.13. 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.1 994年8月,表

2、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,表面工程，顾名思义，

3、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。,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：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

4、一步探讨,但表面工程对于材料的重要性,由此可见一斑。,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。 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，我们的课时用来为表面工程做名词解释都

5、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,1966年出现“表面工程”概念词 1984年正式确定表面工程为一个学科 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

6、等，以获得所需要各类表面性能的系统工程。,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,表面工程是由多个学科交叉、综合发展起来的新兴学科，它以“表面”

7、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 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、

8、技术经济分析、三废处理和重大工程实践等多项内容。,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,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表面涂覆技术 1

9、.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 表面加工技术 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、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，具体，如下图。,按学科持点进行分类,

10、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。,1.

11、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 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

12、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,电镀,电刷镀,槽镀,液镀,电刷镀,摩擦电刷镀,化学沉积,化学镀,气相沉积,物理气相沉积,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,分子束外延,复合镀,热喷涂,火焰喷涂,电弧喷涂,等离子喷涂,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

13、,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。此方法主要用于铝等有色金属。,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-氧-乙炔火焰熔覆、真空电热熔覆、激光熔覆、电子束熔覆 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

14、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,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,非金属离子注入,金属离子注入,复合离子注入,转化膜技术,电化学转换膜,化学转化膜,表面着色技术,之一：通过改变基质材料成分和组织，达到改善性能的目的，不附件膜层,表面改性技术,表面淬火 热处理,表面变形 热处理,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

15、压,孔挤,之二：不改变基质材料的化学成分，只通过改变表面的组织结构达到改善表面性能的目的。,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-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,光刻加工 LIGA（X射线刻蚀电铸模法） 机械微细加工 放电微细加工 激光速微细加工 电子束微细加工 离子束微细加工 超声波微细加工,1.2.5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

16、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的复合和多种不同材料的复合,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。 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、热喷涂与刷镀的复合、化学热处理与电镀的复合、表面强化与喷九强化的复

17、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 例如，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价格最低并与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

18、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。,1.4表面技术的发展,例1.表面涂敷技术的发展 例2.金属材料表面强化技术的发展 例3.表面加工技术的发展,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，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

19、工与渗氮技术的复合等。,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

20、 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,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,

21、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。 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

22、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，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