【材料课件】表面技术

现代表面技术第一章表面技术概论第一节表面技术的涵义19世纪工业革命以来，材料品种日益繁多，为了适应高强度、高硬度和耐磨、耐高温、耐酸碱腐蚀等不同特殊要求，人们需要不断开发各种特殊的合金材料，但这些合金材料往往价格昂贵。因此，人们试图采用各种表面技术对普通钢材表面进行加工，以改变其表面性能，使其适应复杂的工作环境。另外，磨损、腐蚀等失效都是首先发生在材料表面，通过对材料表面进行有效处理，可以极大地提高材料寿命。因此，迫切需要开发出各种行之有效的表面技术，正是基于这样的背景，逐步形成了一门新兴学科——表面工程学。表面工程技术的发展始于20世纪60年代末，近30年来发展尤为迅速。在传统的表面处理技术不断改进、不断完善的同时，又有科学技术逐渐渗透到该领域，各种表面技术相互融合，从而使现代表面技术进入了一个新的发展时期。表面技术是一门博大精深、实用价值极高的技术。材料科学所面临的若干艰巨任务，如要求材料硬而不脆、耐磨而易车削、质高而价廉等间题，通过表面技术在相当程度上都可迎刃而解。除本文所提及的巨大作用外，用表面技术合成人工结构材料、复合材料及沉积非晶态涂层及制取复合涂层方面都显示了巨大的应用潜力。表面技术是一项能使产品获得高附加值的技术。英国产品每年靠表面技术估计增值100亿英镑，如果对表面技术进行全开发，有可能节省200。万到400亿埃居(约200亿英镑)，可见表面技术对国民经济的巨大作用。我国在湿法镀覆等方面取得了令人瞩目的成就，但在PVD和表面改性方面还有许多工作要做。这一方面要靠广大科技人员的才智与努力，同时有关领导部门在设备资金投入上给予有力的支持也至关重要。只有这样，我国的表面技术才能以新的面貌进入21世纪，全方位赶上和领先世界水平。一、什么是表面技术从广义上讲，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。任何表面在通常情况下实际上都是界面。两种不同相之间的交界，称为界面，在任何两相界面上都可以发生复杂的物理或化学现象，总称为表面现象。固体材料的界面有三种：表面――固体材料与气体或液体的分解面。晶界（或亚晶界）――多晶体内部成分、结构相同而取向不同晶粒（或亚晶）之间的界面。相界――固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。它主要包括：表面覆盖（在材料的表面施加各种覆盖成）、表面改性、表面加工以及表面湿润、表面催化、膜技术等。二、使用表面技术的目的1、提高材料抵御环境的能力，同时具有装饰的效果。通过使用表面技术，可以提高材料在各种介质（如空气、淡水、海水、土壤、酸、碱、盐等）中的耐蚀性，还可以提高材料表面的硬度，从而提高材料的耐磨性以及耐疲劳性。有不锈钢镜面板;不锈钢丝纹板;不锈钢刻花板;不锈钢彩色板;着色铝合金制品;彩色(有机涂层)钢板;金属表面的仿金电镀层;钟、表壳表面的离子镀金色氮化钦层，钢铁零、部件上的电镀黑镍层、黑铬层，电镀锌制品表面的彩色钝化膜等。2、赋予材料表面某种功能特性。包括光、热、电、磁、声、吸附、分离等各种物理和化学特性。3、实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。4、修补金属表面的缺陷和磨损普遍采用热喷涂技术修复磨损件。刷镀是修补金属表面磨损比较廉价的手段。特点是设备简单，操作灵活，适于野外和现场修复，特别是对于大型、精密设备的现场不解体修复，更具有独特的优点。目前刷镀技术已广泛用于修复加工超差件，以及工件表面磨损、凹坑和斑蚀等缺陷部位。三、表面技术实施的途径1、表面涂覆（表面覆盖）金属覆盖层：电镀化学镀热浸镀喷镀（喷涂）真空溅射离子镀化学气相沉积非金属覆盖层：化学氧化阳极氧化磷酸盐处理铬酸盐处理涂料覆盖玻璃钢衬里橡胶衬里搪瓷衬里防锈油脂陶瓷衬里2、表面改性用机械、物理和化学的方法，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。表面改性技术基本上有两大类型，即表面合金化过程与表面涂层过程。前者采用合金化元素改善合金原来的表面，如把碳或氮通过不同方法处理钢的表面;后者则是将新材料沉积在表面为之提供保护涂层。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3、表面加工：通过物理化学方法使金属表面的形貌发生改变，但不改变金属表面的金相组织和化学成分。表面微细加工、抛光、蚀刻、整体包覆第二节表面技术的应用一、表面技术应用的广泛性和重要性1、广泛性目前，表面技术的应用遍及各行各业，包含的内容也十分广泛工业领域：可用于耐蚀、耐磨、修复、强化、装饰等方面。学科领域：涉及光、电、磁、声、热、化学、生物等方面的应用。材料领域：表面技术涉及的基体材料不仅有金属材料，也包括无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料。2、重要性①保护材料的表面，延长其使用寿命，从中获得经济效益和社会效益材料的疲劳断裂、磨损、腐蚀、氧化等一般都是从材料的表面开始的，他们所带来的损失和破坏是十分惊人的，仅从腐蚀这个方面来看，据统计，全世界每年损耗金属达一亿吨以上，工业发达国家因腐蚀破坏造成的经济损失占国民经济总产值的2％－4％。美国75年腐蚀的损失约700亿美元，占国民生产总值的4。2％，大大超过了当年所有自然灾害的总和（125亿美元，5。6倍），2000年美国腐蚀损失达3000亿美元，相当于美国当年的军费开支。日本1。8％，英国3。5％，意大利6。6％，波兰6－10％。我国按4％计算，每年损失达1000亿元，所损失的钢材约800万吨，相当于首钢一年的产量，可铺13条双轨京广铁道线。由此可见，采用各种表面技术，加强材料的表面的保护具有十分重要的意义。②从材料的表面作用来看，许多产品的性能，主要取决于表面的性质和状态材料科学所面临的若干艰巨任务，如要求材料硬而不脆、耐磨而易车削、质高而价廉等间题，通过表面技术在相当程度上都可迎刃而解。③应用表面技术可以生产出各种新材料、新器件二、表面技术在结构材料以及工程构件和机械零部件上的应用三、表面技术在功能材料和元器上的应用四、表面技术在其它方面的应用1、净化空气用触媒载体（吸附的方法）净化汽车尾气2、净化水质3、生物医学4、绿色能源第三节表面技术的发展一、表面涂覆技术的发展在表面涂敷技术中，涂料和土装饰一个重要的组成部分。早在公元前2000年，我们的祖先从野生的漆树收集天然漆，用来装饰器皿。直到本世纪20年代，由于化学工业的发展，出现了酚醛树脂，才给变了涂料完全依赖天然材料的局面。30年代出现了醇酸树脂，使涂料摆脱了油树脂型的格局，从而进入了合成树脂涂料时期，发展成为现在的18大涂料类。他们的适用范围远远超出了装饰目的，已涉及到材料保护和具有各种功能的领域。由于涂料制造和涂装行业是资源耗量很大的工业领域，又是大气和水质的污染源之一，因而开发和采用资源利用率高的，低污染或无污染型涂料和涂装技术已成为重要的研究方向。热喷涂因基材可以不经高温，可用作涂层的材料类型广泛，土层性能优良，共建的外形尺寸上没有限制，成本低，从而成为广泛使用的表面技术。这类技术的开发和使用是从本世纪初开始的。七十年代，热喷涂技术向着高能﹑高速﹑高效发展。八十年代以来，热喷涂技术向着涂层质量进一步提高以及精密﹑智能化方向发展。二、金属表面强化技术的发展金属材料一般适宜合金的形式进行使用，具有良好的强度和塑性配合，优良的加工性，许多金属还具有优异的物理特性，因而应用非常广泛。金属材料的表面在外环境下容易发生各类的磨损﹑腐蚀﹑氧化和疲劳等破坏。因此，金属的表面强化技术受到人们的重视。20年代，喷丸强化技术应用于汽车领域；60年代以后用在航空中得到应用。使得经喷丸后，零部件的抗疲劳性和抗力学腐蚀性有了明显提高，而生产成本低廉，因此成为一种重点采用的表面技术。表面热处理和化学热处理也是人们早就使用的表面技术。这些技术早在战国时就开始应用。到了19世纪和20世纪初人们对电进行了广泛的研究之后，一系列以电为基础的表面处理新技术不断涌现出来。如等离子热化学技术和等离子镀膜技术。同时，激光和电子束也在该领域得到应用。三、表面加工技术的发展表面加工技术包含的内容十分的广泛，尤其是表面微细加工技术已成为大规模集成电路和微细图案成型必不可少的加工手段，在电子工业尤其是微电子技术中占有特殊地位。虽然人们在19世纪发现了硅半导体以及他的一些特殊性能，但20世纪初由于发明了真空二极管和真空三极管，半导体的应用受到限制。进入20——30年代后无线电通讯对高频和超高频的利用以及二战中微波技术的进步，都要求采用半导体器件。与此同时，人们对半导体的认识加深，直到1948年终于制成了结型晶体管，引起了电子学的革新。到1958年平面集成电路得到应用。现在，已从特大集成电路向吉规模集成电路进军。到今天，微细加工技术在微电子技术成就的基础上正在向为机械技术和纳米级制造技术推进。第二章金属表面的预处理金属表面预处理：是指用物理或化学的方法除掉金属表面的油污、氧化皮、锈蚀产物和其它污物，而呈现出具有一定粗糙度或光洁度的清洁的金属的表面。金属及其制品在使用和加工以及存储过程中，表面会有各种脏物（油污、润滑剂、氧化皮、腐蚀产物、沙尘、油漆等），或者存在改变了金属表面的形状及表面层的组织、结构。当我们对金属进行表面加工（比如在金属表面施加涂镀层的时候），这些表面缺陷会严重影响涂镀层的致密性以及与基体的结合强度，甚至造成表面处理的失败。因此，进行表面处理之前，首先必须把金属的表面处理成干净的表面。表面处理有时候要求基体的表面具有一定的光洁度，有的时候还要求基体的表面有一定的粗糙度。第一节除油从金属表面除掉油脂的过程，习惯上叫做除油，也叫脱脂。除油的主要方法有：溶剂除油、碱液除油、电解除油、烧灼（加热）除油、蒸汽热洗。一、油污的种类油污按化学性质可分两类：1、皂化类：所有的植物和动物油脂都属于皂化类，他它们甘油和高分子有机酸的酯类。它们在碱液的作用下能分解生成溶于水的脂肪酸盐－肥皂和甘油。化学反应如下：（RCOO）3C3H5+NaOH→RCOONa+C3H5(OH)(肥皂)(甘油)2、非皂化类：指的是矿物油，如汽油、润滑油、柴油、原油等，它们在碱的作用下不起化学分解反应（也就是皂化反应），因此称为非皂化类油脂，能溶于某些溶剂，在一定条件下，与碱形成乳浊液，也可以从基体表面除去。二、除油剂的除油机理除油时我们使用各种除油剂，它们的作用机理时不相同的。归纳起来，有以下几种》1、皂化作用：氢氧化钠和碱性强的盐类与油脂反应生成肥皂和甘油，肥皂和甘油溶于水，而除去油脂。利用皂化作用只能除去动物和植物油脂。常用的皂化剂有：NaOH、Na2CO3、Na3PO4、Na2SiO3、NaNo2等。2、乳化作用：使用表面活性剂除油，表面活性剂能显著降低水的表面张力或水与油之间界面张力，它的分子中既有亲水基团，又有亲油基团，亲油基团与油污分子结合，而亲水基又包围在外面，形成O/W液滴，分散到液体中，形成乳浊液而除去油污。矿物油等非皂化类油脂只有通过乳化作用才能除去。常用的乳化剂有：3、润湿作用：表面活性剂溶液渗入油脂中，并在基体表面分散，减少油脂对基体表面的附着力，使之脱落。常用的润湿剂有：4、分散作用：利用分散剂把从基体表面脱落的油脂分散到溶液中，而除去油脂。常用的分散剂除表面活性剂外，还有硅酸钠、磷酸钠。5、溶解作用：利用有机溶剂对油脂的溶解作用，把油污除去。很多有机化合物是非极性的或弱极性的，而水是一种强极性的液体，所以多数有机物不容于水，而易溶于极性弱的有机溶剂中，当然极性大的有机物，如乙醇、乙酸等则易溶于水，甚至可以以任何比例于水互溶。三、对除油剂的要求1、除油效果好，成本低。2、对基体物腐蚀、安全、无毒。3、操作方便，容易被水清洗。4、对后续工序无不良影响。5、便于废水处理，不致引起公害。五、物理因素在除油过程中的作用1、搅拌：可以处使油污从工件表面脱落下来，也可以使除油剂于表面充分接触，并加速油污在溶液中的分散过程，所有这些都可以使除油速度加快。机械搅拌、空气搅拌、超声波清洗2、温度：温度升高对除油过程有促进作用，温度升高时，油脂变软，有利于除油剂的渗透和