第一章-金属表面处理技术

材料表面工程技术材料科学与工程学院2总学时:36h,其中课堂教学:24h，报告：12h1.概述、绪论2.表面、表面状态和表面特性3.表面清洗和预处理4.表面工程技术热喷涂堆焊电镀、化学镀高能束表面改性转化膜前言前言3总成绩=平时成绩（30%）+专题综述（20%）+笔试（50%）平时成绩=课堂（15%）+作业(15%)出勤:每迟到一次或早退一次扣2分每旷课一次扣3分，超过3次不能参加考试作业:每人翻译一篇表面工程的英文专业论文(自选，2000年以后)(至少要包括题目、摘要、简介、结论几部分)专题综述：每人自选一题，独立写出专题综述，上台进行10分钟ppt演讲，同时回答老师同学的问题(限两个)。课程基本要求41.PrepareaReportreviewingoneofthehottopicsrelevanttosurfaceengineering2.MakeanOralPresentationin10minutes1.结晶器表面防护材料及相关技术（castingmold,electroplatecoating）2.表面工程技术在汽车行业的应用(SuspensionPlasmaSpraying)3.微弧氧化技术及其在有色金属上的应用(Microarcanodizing)4.堆焊和复合制造在冶金业的发展与应用(hardfacing,overlaying)5.激光熔覆（堆焊）技术及激光快速成型技术(lasercladding)6.锅炉水冷壁耐高温腐蚀磨损涂层的现状及发展(boiler,wall,protection)7.自洁净涂层及其制备技术(selfcleaningcoating)8.运动装备中的表面工程技术（sportsequipment,surfacetreatment)9.非晶、纳米晶涂层的制备技术及其应用（amorphous,nano-crystalline,coating）10.其它（题目可自拟，但需老师确认）关于专题综述5一些有用的资源6主要参考书Internet金属表面工程学.刘江南，兵器工业出版社材料表面工程导论.赵文轸，西安交通大学出版社表面工程.刘新田，河南大学出版社表面工程.徐滨士，刘世参，机械工业出版社SurfaceEngineering.ASMHandbook,Vol.5,1994.金属表面处理技术的含义和意义金属表面处理技术的分类金属表面处理技术的产生和发展金属表面处理技术的应用第一章金属表面处理技术概述1.1金属表面处理技术的含义和意义金属表面处理技术是指通过一些物理、化学、机械或复合方法使金属表面具有与基体不同的组织结构、化学成分和物理状态，从而使经过处理后的表面具有与基体不同的性能。经过表面处理后的金属材料，其基体的化学成分和力学性能并未发生变化(或未发生大的变化)，但其表面却拥有了一些特殊性能，如高的耐磨性、耐蚀性、耐热性、导电性、电磁特性、光学性能等。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。为什么研究金属表面处理技术？所有的金属材料都不可避免与环境相接触,而与环境真正接触的是金属的表面，如各种机械零件和工程构件。金属表面发生破坏或失效，进而引起整个设备或零（构）件的破坏或失效。发展金属表面防护和强化技术，是各国普遍关心的重大课题。问题的提出零件在服役过程中，失效的主要形式为：腐蚀(Corrosion)、磨损(Wear)、疲劳(Fatigue)、断裂(Fracture)随着现代工业的迅猛发展，对机械工业产品提出了更高的要求，要求产品能在高参数(如高温、高压、高速)和恶劣工况条件下长期稳定运转或服役，这就必然对材料表面的耐磨、耐蚀等性能以及表面装饰提出了更高的要求，使其成为防止产品失效的第一道防线。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。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℃。长江三峡工程中挖泥船的发动机曲轴损坏，当时如从日本购买新轴，加上运费和进口关税等需人民币120万元，从订购到交货需三个月以上，停产损失更大？19世纪工业革命以来，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。在许多情况下也很难找到一种能够同时满足整体和表面要求的材料。试图采用各种表面技术对普通金属表面进行处理，以改变其表面性能，使其适应复杂的工作环境。措施表面处理技术则可以用极少量的材料就起到大量、昂贵的整体材料难以起到的作用，在不增加或不增加太多成本的情况下使产品表面受到保护和强化，从而提高产品的使用寿命和可靠性，改善机械设备的性能、质量、增强产品的竞争能力。研究和发展金属材料的表面处理技术，对于推动高新技术的发展、对于节约材料、节约能源等都具有重要意义。而表面处理技术也在这种需求的推动下获得了飞速的发展和提高。意义通过表面处理大幅度提高产品质量。节约贵重材料。实现材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问题。修复整体优势，良好的节能、节材效果。16表面工程技术有着广泛的涵义，综合来看，大致上可分为以下几个部分：表面工程技术的基础和应用理论表面处理技术，主要包括表面涂层制备技术、表面改性技术和表面复合技术三部分表面分析和测试技术表面工程技术设计1.2金属表面处理技术的分类表面涂层技术：通过表面涂层技术在基体表面制备各种镀、涂覆层，包括电镀、化学镀、（电）化学转化膜技术、气相沉积技术、堆焊、热喷涂等；表面改性技术：用机械、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。如表面淬火、化学热处理、喷丸、高能束表面改性等。表面改性技术和表面涂层技术的最大区别是，其所形成的表面在材料和组织上均与基体有一定的联系，而不像表面涂层技术那样，涂层的材料和组织与基体是完全不同的。表面处理技术表面组织转化激光表面淬火感应加热淬火表面喷丸/滚压不改变表面化学成分气相沉积化学沉积(如电镀)化学转化膜(如磷化)涂装技术(涂漆等)热喷涂和喷焊表面涂镀热扩渗:渗碳/氮化等激光表面合金化离子注入单晶硅中掺杂硼/磷等表面合金化基材不参与或很少参与涂层的反应表面处理技术形成成分不同于基材和添加材料的表面合金化层按照作用原理，表面技术可以分为以下四种基本类型（Matton分类法）原子沉积：沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。颗粒沉积：沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂敷等。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、涂装、堆焊等。表面改性：用机械、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。按表面强化层材料分：金属材料层陶瓷材料层高分子材料层按表面处理工艺特点分：表面改性技术包括表面淬火、化学热处理、表面形变强化等，如感应加热表面淬火、渗碳、氮化、碳氮共渗、喷丸、滚压等。表面涂（镀）层技术如电镀、化学镀、热浸镀、气相沉积、热喷涂、堆焊、激光熔覆、涂装等。表面转化膜技术如氧化处理、磷化处理、铬酸盐处理和着色与封闭处理等。高能束表面处理技术如电子束、离子束、激光束表面改性与强化等。按表面处理的目的或性质分：表面耐磨和减摩技术表面耐蚀和抗氧化技术表面装饰技术功能表面技术表面修复技术金属表面处理技术伴随着人类文明，已经历了数千年的发展，在许多传统产业及工业中，应用金属表面处理技术改进产品性能，延长其使用寿命，已为人们所熟知。追溯到古代，中国人民在金属表面处理方面取得了令人叹服的成就。1.3金属表面处理技术的产生与发展春秋五霸时期，越王勾践“卧薪尝胆”，一举击败了吴王夫差，演出了历史上春秋争霸的最后一幕。1965年，湖北省荆州市望山一号墓出土越王勾践自用青铜剑，轰动世界。勾践剑在墓中被水浸泡2000多年仍锋芒毕露，寒气逼人。“越王勾践剑”千年不锈的原因在于剑身上被镀上了一层含铬的金属。25“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进入到20世纪，特别是20世纪60年代以来，通过各种物理化学方法在金属材料表面制造各种涂层和薄膜，已发展成为比较成熟、系统的工程技术。1983年英格兰伯明翰大学教授汤·贝尔（TomBell）首次提出了表面工程的概念，并创立了表面工程研究所，从而将表面处理技术纳入了一个相对独立的新型学科。近30年以来，金属表面表面处理技术发展之快、涉及范围之广、对人们生产生活影响之大是当初大多数人所始料未及的。金属表面处理现在已经发展成为横跨金属学与热处理、摩擦学、物理学、化学、界面力学和表面力学、金属失效与防护、焊接学、腐蚀与防护学等学科的边缘性、综合性、复合型学科。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。1986年国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联合会，进入20世纪90年代，其发展势头更猛，各国竟相把表面工程列入研究发展规划。我国于1987年由中国机械工程学会建立了学会性质的表面工程研究所，1988年《表面工程》杂志在中国创刊，1997年经国家科委正式批准更名为《中国表面工程》，面向国内外公开发行。1993年成立中国机械工程学会表面工程分会，2000年全国焊接学会将原来的“堆焊与热喷涂专业委员会”正式更名为“堆焊及表面工程专业委员会”。从1989年到2006年8月已成功举办六届全国表面工程学术交流会议；并先后于1997年11月和1999年10月在上海召开了第一届及第二届表面工程国际会议，第五届表面工程国际会议也于2007年在大连举行。我国的大专院校、科研院所、工矿企业也相继建立了数以百计的以“表面工程”或“表面技术”冠名的研究机构，从而使金属表面处理技术的发展达到了一个新的高度。总之，金属表面处理技术通过各种手段发展了金属材料的性能，丰富了材料的用途，满足了社会发展的需要。随着生产技术的进步，必将促使金属表面处理技术领域涌现出越来越多的新技术、新方法，以便与日益进步的社会发展相适应。金属表面处理技术以其高度的实用性和显著的优质、高效、低耗的特点，在日常生活、机械制造、航空航天、交通、能源、石油化工等工业部门得到了越来越广泛的应用，可以说几乎有表面的地方就离不开表面处理。金属表面处理技术不仅是产品的“美容术”，也是许多产品性能的改良技术，更是先进的产品制造技术。1.4金属表面处理技术的应用1．提高金属制品或零件的耐腐蚀性能大部分表面处理方法都对金属材料具有一定的防护作用，提高制品或零件在大气、海水及化学介质中的耐腐蚀性能，如实际生活或工程中的铝合金阳极氧化、镀锌钢丝、镀锌钢板（带）、日用五金的表面镀铬和枪炮表面发蓝都是常见的例子。2.提高金属制品或零件的表面强度和硬度表面处理技术可以赋予金属材料表面很高的强度和硬度，提高材料的抗疲劳性和耐磨性，如钢的表面淬火、化学热处理、堆焊、热喷涂、化学气相沉积、喷丸等。3．修复零件零件磨损、腐蚀和疲劳失效常发生在表面。通过表面技术修复、强化使机械零件翻新如初，从而节省了大量资源和经费，并极大地减少了环境污染及废物的处理。许多采用表面技术处理过的旧零部件，其性能可能大大超过新品，而成本仅为新品的10%。如齿轮、轴、花键等重要零件使用后磨损，可采用镀铬、镀镍、堆焊、热喷涂等进行修复，恢复其尺寸。堆焊修复轧辊热喷涂修复轧辊4.提高制品或零件的装饰性能表面处理技术可以赋予金属材料表面不同的光亮度、色彩和花纹，如金属表面光亮镀、表面抛光、表面着色、美术装饰漆膜等，这些技术的应用极大地改善和美化