廈門大學(xué)材表面工程第一章

1、 材料表面工程材料表面工程主要參考書：主要參考書： 1、趙文軫主編趙文軫主編， 材料表面工程導(dǎo)論材料表面工程導(dǎo)論， 西安交通大學(xué)出版社西安交通大學(xué)出版社, 2001 2、曾曉雁等編著，、曾曉雁等編著，表面工程學(xué)表面工程學(xué) ，機(jī)械工業(yè)出版社，機(jī)械工業(yè)出版社，20013、徐濱士等、徐濱士等編著編著， 材料表面工程材料表面工程，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2005 4、 s. r. morrison, the chemical physics of surfaces. plenum press, new york and london, 1977. (s. r. morrison著，

2、趙璧英等譯，著，趙璧英等譯，表面化學(xué)物理表面化學(xué)物理，北京大學(xué)出，北京大學(xué)出版社，版社，1986) 第一章第一章 緒論緒論 1.1 材料表面工程技術(shù)的意義、目的和作用材料表面工程技術(shù)的意義、目的和作用 材料表面工程是材料表面處理技術(shù)的總稱。材料表面工程是材料表面處理技術(shù)的總稱。 u涉及到多個工程領(lǐng)域：機(jī)械工程、半導(dǎo)體電子工程、化學(xué)工程、能涉及到多個工程領(lǐng)域：機(jī)械工程、半導(dǎo)體電子工程、化學(xué)工程、能源工程、動力工程、航空航天工程、建筑工程等。源工程、動力工程、航空航天工程、建筑工程等。 u是一門很新的邊緣學(xué)科，涉及到表面物理化學(xué)、表面化學(xué)、表面物是一門很新的邊緣學(xué)科，涉及到表面物理化學(xué)、表面化學(xué)、

3、表面物理、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子學(xué)、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)等。理、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子學(xué)、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)等。近年來學(xué)術(shù)研究異常活躍近年來學(xué)術(shù)研究異?；钴S高科技的發(fā)展對機(jī)件質(zhì)量的要求越來越高，而現(xiàn)有材料不能滿足要求；高科技的發(fā)展對機(jī)件質(zhì)量的要求越來越高，而現(xiàn)有材料不能滿足要求；器件的微型化使表面問題更為突出；器件的微型化使表面問題更為突出；希望通過表面改性，以普通材料代替昂貴材料以降低成本。希望通過表面改性，以普通材料代替昂貴材料以降低成本。材料表面工程技術(shù)的意義材料表面工程技術(shù)的意義 希望產(chǎn)品能在高溫、高壓、高速、高度自動化和惡劣的工況條件下長期希望產(chǎn)品能在高溫、高壓、高速、高度自動化和惡劣的工況條

4、件下長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，對機(jī)件表面的耐磨、耐蝕、耐疲勞等性能的要求日益苛刻。穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，對機(jī)件表面的耐磨、耐蝕、耐疲勞等性能的要求日益苛刻。 表面發(fā)生腐蝕和磨損：占各種機(jī)電產(chǎn)品過早失效破壞約表面發(fā)生腐蝕和磨損：占各種機(jī)電產(chǎn)品過早失效破壞約70 研究和發(fā)展表面保護(hù)和表面強(qiáng)化技術(shù)的重要意義研究和發(fā)展表面保護(hù)和表面強(qiáng)化技術(shù)的重要意義： 提高零件的使用壽命和可靠性；提高零件的使用壽命和可靠性； 改善機(jī)械設(shè)備的性能、質(zhì)量，增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭能力；改善機(jī)械設(shè)備的性能、質(zhì)量，增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭能力； 推動高技術(shù)和新技術(shù)的發(fā)展；推動高技術(shù)和新技術(shù)的發(fā)展； 節(jié)約材料、節(jié)約能源。節(jié)約材料、節(jié)約能源。 表面新技術(shù)的出現(xiàn)不僅在于其經(jīng)

5、濟(jì)意義，還在于其重要的表面新技術(shù)的出現(xiàn)不僅在于其經(jīng)濟(jì)意義，還在于其重要的學(xué)術(shù)價值：學(xué)術(shù)價值：材料物理、化學(xué)性能及其變化都從表面開始；材料物理、化學(xué)性能及其變化都從表面開始；隨著器件的微型化，表面體相的原子比增大，會出現(xiàn)隨著器件的微型化，表面體相的原子比增大，會出現(xiàn)許多新的特性；許多新的特性；材料表面的研究是許多高新技術(shù)的理化基礎(chǔ)等等。材料表面的研究是許多高新技術(shù)的理化基礎(chǔ)等等。 目前，對于材料科學(xué)的研究主要集中在對材料表面和材料目前，對于材料科學(xué)的研究主要集中在對材料表面和材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能的研究。內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能的研究。表面科學(xué)的研究可為表面新技術(shù)的研究提供一定的理論指表面科學(xué)的研究可為表面新

6、技術(shù)的研究提供一定的理論指導(dǎo)，但表面新技術(shù)的開發(fā)和完善，又會提出許多新的學(xué)術(shù)導(dǎo)，但表面新技術(shù)的開發(fā)和完善，又會提出許多新的學(xué)術(shù)研究課題。這些研究有力地促進(jìn)了材料科學(xué)、冶金學(xué)、機(jī)研究課題。這些研究有力地促進(jìn)了材料科學(xué)、冶金學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械制造工藝學(xué)以及物理學(xué)、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)械學(xué)、機(jī)械制造工藝學(xué)以及物理學(xué)、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。展。 表面工程技術(shù)日益得到重視的主要原因：表面工程技術(shù)日益得到重視的主要原因： 社會生產(chǎn)、生活的需要；社會生產(chǎn)、生活的需要； 通過表面處理大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量；通過表面處理大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量；節(jié)約貴重材料；節(jié)約貴重材料；實(shí)現(xiàn)材料表面復(fù)合化，解決單一材料無法解決的問題；實(shí)現(xiàn)

7、材料表面復(fù)合化，解決單一材料無法解決的問題；良好的節(jié)能、節(jié)材效果；良好的節(jié)能、節(jié)材效果；促進(jìn)了新興工業(yè)的發(fā)展。促進(jìn)了新興工業(yè)的發(fā)展。 材料表面工程技術(shù)的目的和作用材料表面工程技術(shù)的目的和作用表面工程技術(shù)的作用就是改善或賦予表面各種性能。表面工程技術(shù)的作用就是改善或賦予表面各種性能。 通過表面處理使材料表面按人們希望的性能進(jìn)行改質(zhì)，即在不改變基體通過表面處理使材料表面按人們希望的性能進(jìn)行改質(zhì)，即在不改變基體材料的成分、不削弱基體材料的強(qiáng)度材料的成分、不削弱基體材料的強(qiáng)度(或削弱基體強(qiáng)度而不影響其使用或削弱基體強(qiáng)度而不影響其使用)的條件下，通過某些物理手段的條件下，通過某些物理手段(包括機(jī)械手段包

8、括機(jī)械手段)或化學(xué)手段賦予材料表面或化學(xué)手段賦予材料表面以特殊的性能，從而滿足工程上對材料提出的要求。以特殊的性能，從而滿足工程上對材料提出的要求。 1-2 材料表面工程技術(shù)的發(fā)展與分類材料表面工程技術(shù)的發(fā)展與分類材料表面工程技術(shù)的發(fā)展概況材料表面工程技術(shù)的發(fā)展概況 傳統(tǒng)的表面工程技術(shù)，諸如表面熱處理、表面滲碳及油漆技術(shù)，傳統(tǒng)的表面工程技術(shù)，諸如表面熱處理、表面滲碳及油漆技術(shù)，其歷史已有幾百年，甚至上千年。其歷史已有幾百年，甚至上千年。 無機(jī)涂層工藝也是表面技術(shù)中的一個重要組成部分，遠(yuǎn)在無機(jī)涂層工藝也是表面技術(shù)中的一個重要組成部分，遠(yuǎn)在3000多年前的商代就出現(xiàn)了青釉（用石灰石和粘土制成的無機(jī)

9、涂層）；多年前的商代就出現(xiàn)了青釉（用石灰石和粘土制成的無機(jī)涂層）；把這一種工藝進(jìn)一步改進(jìn)，到了周朝出現(xiàn)了琉璃，即多種彩色的把這一種工藝進(jìn)一步改進(jìn)，到了周朝出現(xiàn)了琉璃，即多種彩色的釉；發(fā)展到唐朝成了世界聞名的釉；發(fā)展到唐朝成了世界聞名的“唐三彩唐三彩”。傳統(tǒng)的表面淬火，已由火焰加熱，改為高頻加熱，近些年應(yīng)用激傳統(tǒng)的表面淬火，已由火焰加熱，改為高頻加熱，近些年應(yīng)用激光束、電子束的淬火技術(shù)，已逐漸在擴(kuò)大應(yīng)用。光束、電子束的淬火技術(shù)，已逐漸在擴(kuò)大應(yīng)用。古老的滲碳工藝，由于計算機(jī)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了自動控制，使處理古老的滲碳工藝，由于計算機(jī)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了自動控制，使處理的質(zhì)量得到了改善。的質(zhì)量得到了改善。 電

10、鍍技術(shù)作為一門古老的表面工程技術(shù)。在相當(dāng)長的一段電鍍技術(shù)作為一門古老的表面工程技術(shù)。在相當(dāng)長的一段歷史時期內(nèi)，電鍍僅限于鍍覆純金屬，目前已能成功地鍍歷史時期內(nèi)，電鍍僅限于鍍覆純金屬，目前已能成功地鍍覆多種合金，甚至把陶瓷和金剛石粉末同時鍍在要求抗磨覆多種合金，甚至把陶瓷和金剛石粉末同時鍍在要求抗磨的表面上。的表面上。20來年前發(fā)明的電刷鍍，也稱無槽電鍍，在修來年前發(fā)明的電刷鍍，也稱無槽電鍍，在修復(fù)和局部保護(hù)方面，有獨(dú)特的用處。復(fù)和局部保護(hù)方面，有獨(dú)特的用處?；瘜W(xué)鍍的歷史源自銀鏡鍍，最早是作為塑料電鍍預(yù)處理的化學(xué)鍍的歷史源自銀鏡鍍，最早是作為塑料電鍍預(yù)處理的工藝工藝塑料表面金屬化工藝而著手開發(fā)的

11、，近些年已作塑料表面金屬化工藝而著手開發(fā)的，近些年已作為一門獨(dú)立的鍍覆工藝進(jìn)行開發(fā)、研究和應(yīng)用。為一門獨(dú)立的鍍覆工藝進(jìn)行開發(fā)、研究和應(yīng)用。高分子涂裝技術(shù)在二十世紀(jì)高分子涂裝技術(shù)在二十世紀(jì)50年代以前幾乎全部是油性年代以前幾乎全部是油性涂料和天然樹脂涂料，而涂料和天然樹脂涂料，而50年代之后，合成樹脂涂料迅年代之后，合成樹脂涂料迅速發(fā)展，到目前合成樹脂已占了涂料的大部，而且生產(chǎn)速發(fā)展，到目前合成樹脂已占了涂料的大部，而且生產(chǎn)出適用各種環(huán)境下對材料進(jìn)行保護(hù)的品種。出適用各種環(huán)境下對材料進(jìn)行保護(hù)的品種。近近20年來，為了減少揮發(fā)溶劑對環(huán)境的污染，并節(jié)約溶年來，為了減少揮發(fā)溶劑對環(huán)境的污染，并節(jié)約溶劑

12、，水系涂料得到迅速的開發(fā)，水系電泳涂料已在汽車劑，水系涂料得到迅速的開發(fā)，水系電泳涂料已在汽車行業(yè)中廣泛采用。行業(yè)中廣泛采用。 粉體涂料在二十世紀(jì)粉體涂料在二十世紀(jì)60年代開始問世，在年代開始問世，在80年代之后，年代之后，產(chǎn)量大幅度增加。產(chǎn)量大幅度增加。 涂裝工藝也得到了很大發(fā)展，由古老的刷涂，空氣噴涂，涂裝工藝也得到了很大發(fā)展，由古老的刷涂，空氣噴涂，發(fā)展為靜電噴涂、流化床涂裝、電泳涂裝及靜電粉末涂發(fā)展為靜電噴涂、流化床涂裝、電泳涂裝及靜電粉末涂裝。裝。 由于涂料和涂裝技術(shù)的進(jìn)步，加之該處理工藝的經(jīng)濟(jì)性，由于涂料和涂裝技術(shù)的進(jìn)步，加之該處理工藝的經(jīng)濟(jì)性，至今涂料工程占整個表面工程的約至今涂

13、料工程占整個表面工程的約50。熱噴涂技術(shù)作為一種新的表面防護(hù)和表面強(qiáng)化工藝在近熱噴涂技術(shù)作為一種新的表面防護(hù)和表面強(qiáng)化工藝在近20多年里得到了迅速的發(fā)展。多年里得到了迅速的發(fā)展。由早期制備一般的裝飾性和防護(hù)性涂層發(fā)展到制備各種由早期制備一般的裝飾性和防護(hù)性涂層發(fā)展到制備各種功能性涂層；由產(chǎn)品的維修發(fā)展到大批量的產(chǎn)品制造；功能性涂層；由產(chǎn)品的維修發(fā)展到大批量的產(chǎn)品制造；由單一涂層發(fā)展到包括產(chǎn)品失效分析、表面預(yù)處理、噴由單一涂層發(fā)展到包括產(chǎn)品失效分析、表面預(yù)處理、噴涂材料和設(shè)備的選擇、涂層系統(tǒng)設(shè)計和涂層后加工等在涂材料和設(shè)備的選擇、涂層系統(tǒng)設(shè)計和涂層后加工等在內(nèi)的熱噴涂系統(tǒng)工程。內(nèi)的熱噴涂系統(tǒng)工程

14、。 熱噴涂技術(shù)的發(fā)展是從使用條件最苛刻、要求最嚴(yán)格的熱噴涂技術(shù)的發(fā)展是從使用條件最苛刻、要求最嚴(yán)格的宇航工業(yè)開始，然后迅速向各民用工業(yè)部門擴(kuò)展開來的。宇航工業(yè)開始，然后迅速向各民用工業(yè)部門擴(kuò)展開來的。目前，熱噴涂技術(shù)已成為金屬表面科學(xué)領(lǐng)域中一個十分目前，熱噴涂技術(shù)已成為金屬表面科學(xué)領(lǐng)域中一個十分活躍的獨(dú)立學(xué)科。活躍的獨(dú)立學(xué)科。 浸滲金屬近一二十年來滲入材料的種類正在迅速增多，浸滲金屬近一二十年來滲入材料的種類正在迅速增多，工藝不斷改進(jìn)，控制技術(shù)也有了較大的提高。工藝不斷改進(jìn)，控制技術(shù)也有了較大的提高。近近30年來，許多新的科學(xué)技術(shù)滲透到表面處理技術(shù)領(lǐng)域，表面工程技年來，許多新的科學(xué)技術(shù)滲透到表

15、面處理技術(shù)領(lǐng)域，表面工程技術(shù)得到迅速的開發(fā)，由此開發(fā)出來的表面處理技術(shù)構(gòu)成了目前材料表面術(shù)得到迅速的開發(fā)，由此開發(fā)出來的表面處理技術(shù)構(gòu)成了目前材料表面新技術(shù)的主流。新技術(shù)的主流。例如：激光是二十世紀(jì)例如：激光是二十世紀(jì)60年代出現(xiàn)的重大科學(xué)技術(shù)成就之一；年代出現(xiàn)的重大科學(xué)技術(shù)成就之一；70年代制造出大功率的激光器以后，便開始用激光加熱進(jìn)行年代制造出大功率的激光器以后，便開始用激光加熱進(jìn)行表面淬火。表面淬火。用激光和電子束加熱，由于能量集中、加熱層薄和靠自激冷用激光和電子束加熱，由于能量集中、加熱層薄和靠自激冷卻，因而淬火變形小，且不用淬火介質(zhì)，有利于環(huán)境保護(hù)，卻，因而淬火變形小，且不用淬火介質(zhì)

16、，有利于環(huán)境保護(hù)，便于實(shí)現(xiàn)自動化。便于實(shí)現(xiàn)自動化。激光、電子束用于表面加熱后，就使表面強(qiáng)化技術(shù)超出了熱激光、電子束用于表面加熱后，就使表面強(qiáng)化技術(shù)超出了熱處理范疇，可以通過熔化處理范疇，可以通過熔化結(jié)晶過程、熔融合金化結(jié)晶過程、熔融合金化結(jié)晶過結(jié)晶過程、熔化程、熔化非晶態(tài)過程，大幅度改變硬化層的結(jié)構(gòu)與性能。非晶態(tài)過程，大幅度改變硬化層的結(jié)構(gòu)與性能。材料的表面氣相沉積也是近年來發(fā)展最快的一些表面處理新工藝，材料的表面氣相沉積也是近年來發(fā)展最快的一些表面處理新工藝，是提高材料使用性能和壽命的有效途徑。是提高材料使用性能和壽命的有效途徑。 氣相沉積法中化學(xué)氣相沉積是利用鍍層材料的揮發(fā)性氣相沉積法中化

17、學(xué)氣相沉積是利用鍍層材料的揮發(fā)性化合物氣體分解化合物氣體分解 或化合反應(yīng)后沉積成膜；或化合反應(yīng)后沉積成膜； 物理氣相沉積則是利用真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍等方物理氣相沉積則是利用真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍等方法沉積成膜。法沉積成膜。 這些薄膜強(qiáng)化新技術(shù)用材廣泛、適用面寬，已廣泛用這些薄膜強(qiáng)化新技術(shù)用材廣泛、適用面寬，已廣泛用于機(jī)械制造、冶金工業(yè)以及宇航、核能等領(lǐng)域。于機(jī)械制造、冶金工業(yè)以及宇航、核能等領(lǐng)域。 二十世紀(jì)二十世紀(jì)70年代發(fā)展起來的離子注入新技術(shù)，利用注年代發(fā)展起來的離子注入新技術(shù)，利用注入離子可得到過飽和固溶體、非晶態(tài)和某些化合物層，入離子可得到過飽和固溶體、非晶態(tài)和某些化合物層，能改變材

18、料摩擦系數(shù)，增加表面硬度，提高耐磨性及抗能改變材料摩擦系數(shù)，增加表面硬度，提高耐磨性及抗蝕性，延長了零件的使用壽命。蝕性，延長了零件的使用壽命。 材料表面工程技術(shù)的分類材料表面工程技術(shù)的分類 1按工藝特點(diǎn)進(jìn)行分類按工藝特點(diǎn)進(jìn)行分類 材料表面工程技術(shù)按工藝特點(diǎn)可大致分為以下材料表面工程技術(shù)按工藝特點(diǎn)可大致分為以下13類：類：電鍍、化學(xué)鍍、熱滲鍍、熱噴涂、堆焊、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、涂電鍍、化學(xué)鍍、熱滲鍍、熱噴涂、堆焊、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、涂裝、表面彩色、氣相沉積、裝、表面彩色、氣相沉積、“三束三束”改性以及表面熱處理、改性以及表面熱處理、形變強(qiáng)化和襯里。每類又可分為一些更細(xì)的工藝項目。形變強(qiáng)化和襯里。每類又可分為一些更細(xì)的工藝項目。 2按學(xué)科特點(diǎn)進(jìn)行分類按學(xué)科特點(diǎn)進(jìn)行分類按學(xué)科特點(diǎn)可將表面新技術(shù)大致劃分為以下三個方面：按學(xué)科特點(diǎn)可將表面新技術(shù)大致劃分為以下三個方面：(1) 表面合金化技術(shù)表面合金化技術(shù) 包括噴焊、堆焊、離子注入、激光包括噴焊、堆焊、離子注入、激光溶敷、熱滲鍍等。溶敷、熱滲鍍等。(2) 表面覆層與覆膜技術(shù)表面覆層與覆膜技術(shù) 包括熱噴涂、電鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化包括熱噴涂、電鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化處