现代表面工程技术

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磨损失效
机械零件由于相互之间的相对运动发生摩擦磨损引起零件工作表面 金属不断损失，称为零件的磨损。 磨损引起零件几何尺寸与形状的改变，使零件之间间隙增大，使机 械设备丧失精度，导致整个机械设备无法正常工作，称为零件的磨损失 效。
磨损失效有多种形式：粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、微动磨损 和疲劳磨损。
（2） 器件的微型化，使表面问题更为突出。 （3） 人们希望通过表面改质，以普通材料代替昂贵
材料以降低成本。
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表面工程应用实例
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表面工程应用实例
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表面工程应用实例
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材料表面工程是一门新兴的边缘学科
材料表面工程是一门很新的边缘学科，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
(3)整体覆盖。它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如包箔、贴 片、热浸镀、涂刷、堆焊等。
(4)表面改性。用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成、结构发生 变化，从而改变性能，如表面处理、化学热处理、激光表面处理、电子 束表面处理、离子注人等。
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①原子沉积物 原子在基体上凝聚, 生核、长大、成膜. 如电镀、 PVD 、 CVD
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第一节 表面技术的涵义
一、使用表面技术的目的 （1） 提高材料抵御环境作用能力。 （2） 赋予材料表面某种功能特性。包括光、电、磁、 热、声、吸附、分离等等各种物理和化学性能。 （3） 实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元 器件等。
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二、主要技术途径:
(1) 覆盖层
电镀、电刷镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、塑料粉 末涂敷、热浸涂、搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、真空蒸镀、溅射镀、离子镀、化 学气相沉积、分子束外延制膜、离子束合成薄膜技术等。此外，还有其他 形式的覆盖层，例如各种金属经氧化和磷化处理后的膜层，包箔，贴片的 整体覆盖层，缓蚀剂的暂时覆盖层等。
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(4)现代材料表面改性技术的优化组合:
由于零件的材质、形状、使用环境、受力状态等不同，每种表面改性 技术均有它的局限性，不可能采用相同的表面改性技术。 把表面改性技术作为一个系统工程进行优化设计和优化组合，选择适 合于某种材质、零件形状、使用环境、受力状态等的一种或几种组合的 表面改性技术。
在太阳能的利用中，必须利用涂层来吸收太阳光谱中 所有波段的能量。
如用电子束蒸镀的金属陶瓷层Co-Al2O3作为太阳能吸 热器，使对太阳能的吸收率可达95%。
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应用实例5
人造卫星在宇宙中的温度控制 问题：卫星表面受太阳照射的一面温度可达200℃，没有
被太阳照射的一面温度可低到-200 ℃ 。
第四节 表面技术的发展 材料表面改性和强化问题引起国内外材料科学界的
极大关注，学术研究异常活跃，旧的工艺被不断革新， 新的工艺技术相继问世，工程应用不断扩大。
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究其原因，主要是：
（1） 高新技术的发展对机件质量的要求越来越高， 如要求高耐磨、强耐蚀、抗高温及各种特殊功能。而 现有的材料往往不能满足需要。
现代表面工程技术
Modern Surface Engineering and Technology
江苏大学材料学院
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教学目的
（1）系统地掌握现代表面处理技术的基本原理； （2）能合理选择并应用这些新的表面工程技术； （3）解决材料表面硬度、强度、耐磨性与心部强韧性
之间的矛盾； （4）充分发挥材料性能的潜力； （5）延长产品使用寿命和提高产品质量。
学科的新技术。
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思考题
1 材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅 速发展？
2 表面工程技术的目的和作用是什么？ 3 为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科？
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腐蚀失效：
零件表面与周围环境介质发生化学或电化学反应，而 导致的损伤或损坏，称为腐蚀失效，特别在强腐蚀性介质中 这情况非常严重。 金属腐蚀按破坏的特性可分为全面腐蚀和局部腐蚀。
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2. 疲劳失效：
材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处逐渐产生 局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生 完全断裂的过程。
第一章 表面技术概论
表面技术和表面工程概述 表面技术的分类 表面技术的应用与发展
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第一章 表面技术概论
表面技术是直接与各种表面现象或过程有关的，能为人 类造福或被人们利用的技术。
通过对材料基体表面加涂层或改变表面形貌、化学组成、 相组成、微观结构、缺陷状态，达到提高材料抵御环境 作用能力或赋予材料表面某种功能特性的工艺技术。
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应用实例1
轻量化材料的确能降低汽车的整体重量和碳排放量，但大大增加了汽 车的成本。轻量化汽车材料市场在2010年的收入达到380亿美元，2017 年该数字有望达到953.4亿美元。 汽车轻量化→铝合金→表面耐磨问题突出→表面耐磨涂层 火箭发动机的尾喷管内壁和燃烧室：
需承受2000～3300℃温度和巨大的热焰流冲击
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汽车喷漆
镀银壶
磨损
腐蚀
据世界摩擦学会统计： 摩擦损失世界性一次能源的1/3~1/2； 磨损给工业国家带来的损失达国民生产总值的2%~8%。
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三、表面失效的形式
1. 机械零件表面失效 机械零件失效一般都发生在工作面（表面），因
为机械零件相互接触的表面受力最大，最易摩擦磨损、 疲劳而失效；零件表面易受外界环境中的水、气、某 些化学介质的作用而腐蚀失效。
用：工具、模具、 主要起防护、耐磨、强化、修复、装饰等。
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三、 表面技术在功能材料和元器件上的应用 光学特性、电学特性、磁学特性、热学特性、化学特性、工能转换
磁记录材料、双金属、防护涂层。 四、 表面技术在人类适应、保护和优化环境方面的一些应用
抗菌灭菌材料，TiO2, 生物医学材料。
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五、表面改性目的和意义
目的：材料表面与基体看作统一的系统进行设计与改性，以最经济、 最有效的方法改变材料近表面层的形态、化学成份和组织结构，赋予 新的复合性能，以新型的功能实现新的工程应用。
使材料表面获得更好的表面特性，有效地延长零件使用寿命； 用性能较差的合金钢代替优质合金钢，以节省优质合金钢材料； 研制出新颖材料，这种多功能综合化，用于提高材料表面性能的各 种现代表面改性技术统称为现代表面改性技术。
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教材及参考资料
教材：现代表面技术，机械工业出版社，来自苗根等 编著 参考书目：
面向二十一世纪的表面工程，徐滨士，北京：机械工业出版社，1997 表面工程手册，李国英主编，北京：机械工业出版社，1998 表面涂层技术，陈学定，韩文政，北京：机械工业出版社，1994 表面工程与维修，徐滨士，朱绍华等，北京：机械工业出版社，1996
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应用实例3
航天飞机外壳了要防热材料和涂层：如美国洛克希德 导弹与航天公司研制出LI-900全氧化硅绝热毡： 1） 重量轻，整个体积的95%都是空的。 2） 为防水、耐蚀以主散热，表面加涂了一种碳化硅涂层， 该涂层可把90%的入射热反射掉，而剩下10%几乎都被氧化 硅毡所隔绝。
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应用实例4
力，减少表面与外界环境的接触，提高零件表面的抗磨损、耐腐蚀、 抗疲劳能力。
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(3)采用现代材料表面改性技术：
在零件表面涂覆一层保护膜; 采用机械、物理、化学等方法，使材料表面的形貌、化学成份、
相组成、微观结构、缺陷状态、应力状态得到改变; 有效地提高零件表面的抗磨损、耐腐蚀、抗疲劳性能。
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表面技术有着广泛的涵义，大致上可分为以下几个部分：
(l) 表面技术的基础和应用理论。 (2) 表面处理技术。
表面覆盖技术 表面改性技术 复合表面处理技术 (3) 表面加工技术。 (4) 表面分析和测试技术。 (5) 表面工程技术设计。
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第三节 表面技术的应用
一、 表面技术应用的广泛性和重要性 二、 表面技术在结构材料以及工程构件和机械零部件上的应
②粒状沉积物 熔化的液滴或细 小的固体颗粒在 外力作用下于基 体表面凝聚、沉 积或烧结,形成 的表面涂层.例 如,热喷涂、搪 瓷、喷漆等.
③整体沉积层 欲涂敷的材
料于同一时间施 于基体表面.如, 涂漆、热浸渍等
材料表面工程技术按工艺特点分：
电镀、 化学镀、 热渗镀、 热喷涂、 堆焊、 化学转化膜、 涂装、 表面着色、 气相沉积、 “三束”改性以及表面热处理、 形变强化和衬里等13类。
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表面技术倍受重视的原因
表面新技术不仅在于重要的学术价值，这是因为：
1） 材料物理、化学性能及其变化都从表面开始； 2）随着器件的微型化，表面/体相的原子比增大，会出现许多新
的特性； 3）材料表面的研究是许多高新技术的理化基础等。
美国工程科学院为美国国会提供的2000年前集中力量加强发展的9项新科学技术 中，有关材料方面的仅有材料表面科学与表面技术的研究。
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应用实例2
飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿：由于具有几十倍的音速， 并与大气层摩擦，即所谓气动加热，其温度高达4000～5000℃：
问题：绝大多数的金属和合金不能承受如此高的温度。 解决问题的方法：依靠各种形式的隔热涂层、防火涂层和烧蚀涂层。 隔热防火涂层是热导率低的氧化物：氧化铝、氧化锆、氧化钍等。 烧蚀涂层：有机材料加石英纤维、陶瓷纤维或碳纤维。
（2）机械、物理、化学等方法
改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力 状态，即采用各种表面改性技术。主要有喷丸强化、表面热处理、化学热处 理、等离子扩渗处理、激光表面处理、电子束表面处理、高密度太阳能表面 处理、离子注入表面改性等。