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表面工程表面工程主讲：于思荣主讲：于思荣 韩韩 彬彬机电工程学院机电工程学院机电工程学院机电工程学院 材料科学与工程系材料科学与工程系材料科学与工程系材料科学与工程系电话：电话：电话：电话：182666399281826663992818266639928182666399287/11/20247/11/20241 1/36/36课程的目的与意义：课程的目的与意义：表面工程表面工程是一门介绍是一门介绍“材料表面改性和强化材料表面改性和强化”方面的课程，阐述了表面工程的基本概念和理论，方面的课程，阐述了表面工程的基本概念和理论，分别论述了表面工程中所涉及的各类处理技术。分别论述了表面工程中所涉及的各类处理技术。目的：目的：掌握各种表面处理技术的掌握各种表面处理技术的基本原理基本原理；能合理能合理选择并应用选择并应用各种表面工程技术；各种表面工程技术；选择所用选择所用材料材料和制定最佳和制定最佳工艺工艺；研究与开发研究与开发表面工程新技术；表面工程新技术；为将来从事这方面的工作或研究打下扎实的基础。为将来从事这方面的工作或研究打下扎实的基础。7/11/20242第一章：绪论第一章：绪论 2 2学时学时第第二二章章：表表面面科科学学基基础础 4 4学学时时第第三三章章：表表面面热热处处理理与与化化学学热热处处理理 2 2学学时时第第四四章章：热热喷喷涂涂 8 8学学时时第第五五章章：电电镀镀与与化化学学镀镀 2 2学学时时 第第六六章章：化化学学转转化化膜膜 2 2学学时时第第七七章章：涂涂料料及及涂涂装装 2 2学学时时第第八八章章：气气相相沉沉积积 2 2学学时时第第九九章章：高高能能束束表表面面改改性性 6 6学学时时第第十十章章：表表面面分分析析与与测测试试 2 2学学时时1.教学内容（教学内容（32学时学时/2学分）学分）7/11/202432.教材及参考资料教材及参考资料11曾晓雁曾晓雁,吴懿平吴懿平.表面工程学表面工程学.机械工业出版社机械工业出版社,2007,2007。22钱苗根钱苗根,等等.现代表面技术现代表面技术.机械工业出版社机械工业出版社,2002.,2002.33徐滨士徐滨士.神奇的表面工程神奇的表面工程.清华大学出版社清华大学出版社,2000.TG17-49/1,2000.TG17-49/144刘新田刘新田.表面工程表面工程.河南大学出版社河南大学出版社,2000.,2000.55赵文轸赵文轸.金属材料表面新技术金属材料表面新技术.西安交通大学出版社西安交通大学出版社,1992.TG139/6,1992.TG139/666董允董允,等等.现代表面工程技术现代表面工程技术.机械工业出版社机械工业出版社,2000.TG17/29,2000.TG17/2977徐滨士徐滨士,刘世参刘世参.表面工程表面工程.机械工业出版社机械工业出版社,2002.TG174.4/3,2002.TG174.4/388姚寿山姚寿山,等等.表面科学与技术表面科学与技术.机械工业出版社机械工业出版社,2005.TG174.4/5,2005.TG174.4/599姜银方姜银方.现代表面工程技术现代表面工程技术.化学工业出版社化学工业出版社,2006.TG17/48,2006.TG17/481010李金桂李金桂.现代表面工程设计手册现代表面工程设计手册.国防工业出版社国防工业出版社,2000.TG17/30,2000.TG17/301111刘江南刘江南.金属表面工程学金属表面工程学.兵器工业出版社兵器工业出版社,1995.TG17/24,1995.TG17/24 7/11/202444.4.成绩评定方式：成绩评定方式：期末考试期末考试(70%)平时平时(30%)(30%)(出勤、课堂讨论、作业、实验出勤、课堂讨论、作业、实验)3.3.教学方法：教学方法：上课（多媒体上课（多媒体+板书）板书）课堂讨论（课堂讨论（PresentationPresentation）7/11/202456 6/36/36表面工程表面工程第一章第一章 绪论绪论7/11/20247/11/2024主要内容主要内容1.1 1.1 表面工程技术的概念表面工程技术的概念1.2 1.2 表面工程技术的意义和目的表面工程技术的意义和目的1.3 1.3 表面工程技术的发展表面工程技术的发展1.4 1.4 表面工程技术的应用表面工程技术的应用1.5 1.5 表面工程技术的分类表面工程技术的分类7/11/202471.1 1.1 表面工程技术的概念表面工程技术的概念n表面工程学是材料科学与工程中表面工程学是材料科学与工程中发展最快发展最快的学科的学科之一。之一。n现有的表面工程技术种类繁多，但在最初它们分现有的表面工程技术种类繁多，但在最初它们分属不同学科，如：属不同学科，如：1）金属材料学）金属材料学化学热处理、表面淬火技术；化学热处理、表面淬火技术；2）化学或化工）化学或化工电镀与电刷镀、涂装技术；电镀与电刷镀、涂装技术；3）物理电子学）物理电子学真空镀膜、离子镀。真空镀膜、离子镀。7/11/202481 1、表面工程技术的、表面工程技术的定义定义n定义：定义：为满足特定的工程需要，使材料或零部件为满足特定的工程需要，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能（或功能）的表面具有特殊的成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法与工艺，称表面工程技术。化学、物理方法与工艺，称表面工程技术。7/11/202492 2、表面工程技术的内涵、表面工程技术的内涵1 1）表面改性技术表面改性技术：能提高零部件表面耐磨性、耐蚀：能提高零部件表面耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能或装饰零部件表面、或使材性、抗高温氧化性能或装饰零部件表面、或使材料表面具有各种特殊功能的有关工程技术。料表面具有各种特殊功能的有关工程技术。2 2）表面加工技术表面加工技术：能在材料表面加工、制作各种功：能在材料表面加工、制作各种功能结构的有关技术。能结构的有关技术。3 3）表面合成材料技术表面合成材料技术：借助各种手段在材料表面合：借助各种手段在材料表面合成新材料的技术。成新材料的技术。4 4）表面加工三维合成技术表面加工三维合成技术：快速成型技术。：快速成型技术。5 5）两种或两种以上上述技术的组合两种或两种以上上述技术的组合。7/11/202410表面工程技术的表面工程技术的特点特点涉及的涉及的研究领域增大研究领域增大。由单纯的表面改性扩展到。由单纯的表面改性扩展到表面加表面加工工和和新材料合成新材料合成。涉及的涉及的研究对象增加研究对象增加。由。由“结构材料结构材料”扩展到扩展到“功能材功能材料料”。学科涵盖面变宽。学科涵盖面变宽。包括材料、物理、化学、冶金、机械、包括材料、物理、化学、冶金、机械、电子、生物等，是名副其实的交叉学科。电子、生物等，是名副其实的交叉学科。涉及的涉及的基材面变广，基材面变广，几乎包括了所有的工程材料：几乎包括了所有的工程材料：（1 1）金属；（）金属；（2 2）陶瓷；（）陶瓷；（3 3）半导体；（）半导体；（4 4）高分子；）高分子；（5 5）混凝土；（）混凝土；（6 6）木材；（）木材；（7 7）复合材料）复合材料涉及的涉及的工艺方法增多工艺方法增多，数以百计。随着科技的发展，这，数以百计。随着科技的发展，这类方法还会逐年增多。类方法还会逐年增多。7/11/2024111.2 1.2 表面工程技术的意义和目的表面工程技术的意义和目的n1.1.表面工程技术的意义表面工程技术的意义nA A、经济意义（三方面）、经济意义（三方面）n（1 1）机械部件在使用过程中会发生腐蚀、磨损、氧化、）机械部件在使用过程中会发生腐蚀、磨损、氧化、侵蚀等。表面往往首先发生破坏或失效，引起整个机件的侵蚀等。表面往往首先发生破坏或失效，引起整个机件的破坏或失效，破坏或失效，造成经济损失造成经济损失。在各种机电产品的失效破坏。在各种机电产品的失效破坏中，约有中，约有70%70%是由腐蚀和磨损造成的。因此，是由腐蚀和磨损造成的。因此，表面是防止表面是防止设备失效的第一道防线设备失效的第一道防线。n（2 2）即使承受扭转或弯曲载荷、因疲劳断裂失效的零件，）即使承受扭转或弯曲载荷、因疲劳断裂失效的零件，其断裂也是从表面（受力最大）开始，并逐渐向内部发展，其断裂也是从表面（受力最大）开始，并逐渐向内部发展，造成经济损失造成经济损失。因此，。因此，材料表面是防止疲劳破坏的第一道材料表面是防止疲劳破坏的第一道防线防线。n（3 3）现代工业迅猛发展，对机械产品提出了更高的要求。）现代工业迅猛发展，对机械产品提出了更高的要求。这必然这必然对机件表面的耐磨、耐蚀等性能提出更高的要求对机件表面的耐磨、耐蚀等性能提出更高的要求。提高经济效益提高经济效益。7/11/202412n为了满足这些要求，在某些情况下可以选用为了满足这些要求，在某些情况下可以选用贵金贵金属或合金属或合金来制造整体设备及零件。来制造整体设备及零件。n但从但从经济角度经济角度来看，这是来看，这是行不通行不通的。毕竟不是所的。毕竟不是所有行业都像航空航天、军工领域那样不计成本。有行业都像航空航天、军工领域那样不计成本。n另一方面，在许多时候另一方面，在许多时候无法找到一种能够同时满无法找到一种能够同时满足整体和表面性能要求的材料足整体和表面性能要求的材料。n因此，开发材料表面工程技术，在因此，开发材料表面工程技术，在不增加或少增不增加或少增加材料成本加材料成本的同时使产品表面受到保护和强化，的同时使产品表面受到保护和强化，对提高产品的使用寿命和可靠性、增强产品的竞对提高产品的使用寿命和可靠性、增强产品的竞争力、节约材料和能源等均具有重要意义。争力、节约材料和能源等均具有重要意义。7/11/202413B B、学术价值（表面科学）、学术价值（表面科学）材料的物理、化学性能的变化都从表面开始；材料的物理、化学性能的变化都从表面开始；微米变纳米（物理），化学反应（化学）微米变纳米（物理），化学反应（化学）随着科技的发展，器件的微型化，表面与体相的随着科技的发展，器件的微型化，表面与体相的原子比增大，会出现许多新的特性；原子比增大，会出现许多新的特性；材料表面的研究是许多高新技术的理化基础。材料表面的研究是许多高新技术的理化基础。a.a.表面科学的研究为表面工程新技术的开发表面科学的研究为表面工程新技术的开发提供理论指导；提供理论指导；b.b.表面工程新技术的开发和完善，表面工程新技术的开发和完善，又提出许多新的学术研又提出许多新的学术研究课题；究课题；这些研究有力地这些研究有力地促进了材料科学、冶金学、机械学、促进了材料科学、冶金学、机械学、机械制造工艺学以及物理学、化学等基础学科的发展。机械制造工艺学以及物理学、化学等基础学科的发展。7/11/2024142.2.金属材料表面工程技术的目的金属材料表面工程技术的目的n表面工程技术的表面工程技术的含义含义很广泛，至少包括很广泛，至少包括表面改性表面改性和和表面加工表面加工两方面，而后者主要是机械切削中的内容，两方面，而后者主要是机械切削中的内容，属机械加工范畴。因此，属机械加工范畴。因此，本课程提到的表面工程技本课程提到的表面工程技术主要指表面改性技术术主要指表面改性技术。n目的目的：在不改变基体材料在不改变基体材料成分成分、不削弱基体材料、不削弱基体材料强度强度、或削弱基体材料强度但或削弱基体材料强度但不影响使用不影响使用的条件下，通过的条件下，通过某些物理或化学手段赋予材料表面特殊的性能，从某些物理或化学手段赋予材料表面特殊的性能，从而满足工程对材料的要求。而满足工程对材料的要求。7/11/202415表面工程技术可以改变的主要表面性能有：表面工程技术可以改变的主要表面性能有：机械性能：机械性能：抗疲劳性、硬度等抗疲劳性、硬度等；可加工性：可加工性：精密加工性、可修补性、可焊接性、冷作硬精密加工性、可修补性、可焊接性、冷作硬化性等化性等；耐磨性；耐磨性；保护性：保护性：防锈性、耐腐蚀性、防锈性、耐腐蚀性、耐候性耐候性、防污染性、防污染性；热特性：热特性：热障性、导热性等热障性、导热性等；电特性：电特性：导电性、绝缘性等导电性、绝缘性等；电磁性：电磁性：磁化性、电磁屏蔽性等磁化性、电磁屏蔽性等；光特性：光特性：反光性、选择吸收性等反光性、选择吸收性等；装饰性：装饰性：着色性、光泽性、可修饰性等着色性、光泽性、可修饰性等。材料用于室外经受光照、冷热、风雨、细菌等的材料用于室外经受光照、冷热、风雨、细菌等的考验，造成的综合破坏，其耐受能力叫考验，造成的综合破坏，其耐受能力叫耐候性耐候性。7/11/2024161.3 1.3 表面工程技术的发展表面工程技术的发展l表面技术已有几千年的历史表面技术已有几千年的历史 油漆技术油漆技术 鎏鎏金、贴金技术金、贴金技术 鎏金是一种古老的传统工艺，考古证实这种工艺在鎏金是一种古老的传统工艺，考古证实这种工艺在战国战国中期中期就已开始。就已开始。鎏金鎏金：将金和水银（汞）合成金汞漆：将金和水银（汞）合成金汞漆涂抹在器物上涂抹在器物上烘烤使汞蒸发，金就牢固地附在器物的表面。烘烤使汞蒸发，金就牢固地附在器物的表面。贴金贴金：在器物上贴上金箔。：在器物上贴上金箔。淬火、钝化淬火、钝化-青铜剑青铜剑7/11/202417表面工程的发展表面工程的发展n1983，表面工程概念被首次提出，英国，表面工程概念被首次提出，英国T.Bell教授教授 n1984，英国建立第一个表面工程学会，英国建立第一个表面工程学会n1985，表面工程表面工程国际刊物发行国际刊物发行 召开第一届表面工程国际会议召开第一届表面工程国际会议n1986，更名为国际热处理与表面工程联合会，更名为国际热处理与表面工程联合会n1987，中国机械工程学会表面工程研究所成立中国机械工程学会表面工程研究所成立n1988，表面工程表面工程杂志创刊杂志创刊n1991，成立中国机械工程学会表面工程专业委员会，成立中国机械工程学会表面工程专业委员会n2000，成立全国焊接学会，堆焊及表面工程委员会，成立全国焊接学会，堆焊及表面工程委员会n2004，纳米表面工程、绿色再制造工程，纳米表面工程、绿色再制造工程7/11/2024181.4 1.4 表面工程技术的应用表面工程技术的应用一、表面工程技术应用的一、表面工程技术应用的广泛性和重要性广泛性和重要性n表面工程技术以其高度的实用性和显著的优质、高效、低耗的特表面工程技术以其高度的实用性和显著的优质、高效、低耗的特点在制造业、维修业中占领了日益增长的市场；点在制造业、维修业中占领了日益增长的市场；n在航空航天、电子、汽车、能源、石油化工、矿山等工业部门得在航空航天、电子、汽车、能源、石油化工、矿山等工业部门得到了越来越广泛的应用；到了越来越广泛的应用；n可以说几乎可以说几乎有表面的地方就离不开表面工程有表面的地方就离不开表面工程。二、表面工程技术在二、表面工程技术在结构材料结构材料及工程构件和机械零部及工程构件和机械零部件上的应用件上的应用n零部件、工具、模具零部件、工具、模具n作用：防护、耐磨、强化、修复、装饰等。作用：防护、耐磨、强化、修复、装饰等。三、表面工程技术在三、表面工程技术在功能材料功能材料和元器件上的应用和元器件上的应用n光学特性、电学特性、磁学特性、热学特性、化学特性、功能转光学特性、电学特性、磁学特性、热学特性、化学特性、功能转换、磁记录材料、双金属、防护涂层。换、磁记录材料、双金属、防护涂层。7/11/202419四、表面工程技术在人类适应、保护和优化环境方面的四、表面工程技术在人类适应、保护和优化环境方面的一些应用一些应用1.1.抗菌灭菌材料：抗菌灭菌材料：TiO TiO2 2：光催化条件下，能与细菌内的有机物反应，使细菌分解。：光催化条件下，能与细菌内的有机物反应，使细菌分解。Ag Ag：银离子能吸附水中的微生物，使微生物赖以呼吸的酶失去作用，银离子能吸附水中的微生物，使微生物赖以呼吸的酶失去作用，从而杀死微生物。从而杀死微生物。Cu Cu：铜离子可以杀灭易于在水中滋生的大肠杆菌和痢疾等病菌，清除铜离子可以杀灭易于在水中滋生的大肠杆菌和痢疾等病菌，清除水中传播血吸虫病的蛞蝓和螺等软体动物，以及传播疟疾的蚊子幼虫水中传播血吸虫病的蛞蝓和螺等软体动物，以及传播疟疾的蚊子幼虫等疾病携带体。等疾病携带体。2.2.生物医学材料：生物医学材料：如膜材料：用于止血材料，伤口包覆材料，组织工程支架材料，药物如膜材料：用于止血材料，伤口包覆材料，组织工程支架材料，药物释放膜，人造皮肤、人造血管、创伤敷料、药物输送、生物膜、术后释放膜，人造皮肤、人造血管、创伤敷料、药物输送、生物膜、术后防粘连材料、美容材料等。防粘连材料、美容材料等。7/11/202420应用实例应用实例1 1（齿轮）（齿轮）n齿轮受力复杂（冲击、磨损）齿轮受力复杂（冲击、磨损）n要求：要求：高强度、高冲击韧性、表面耐磨性高强度、高冲击韧性、表面耐磨性n解决：解决：中、低碳钢，表面热处理、化学热处理中、低碳钢，表面热处理、化学热处理7/11/202421应用实例应用实例2 2n舰船、储罐、水闸等的腐蚀舰船、储罐、水闸等的腐蚀n解决：解决：刷漆、涂料、电弧喷涂等刷漆、涂料、电弧喷涂等10101010万立方米的大型石油储罐万立方米的大型石油储罐万立方米的大型石油储罐万立方米的大型石油储罐 船体外表面喷铝可抗海水腐蚀船体外表面喷铝可抗海水腐蚀1520年，厚度年，厚度0.150.20mm7/11/202422应用实例应用实例3 3n汽车轻量化汽车轻量化铝合金铝合金表面耐磨问题突出表面耐磨问题突出n解决：解决：耐磨涂层耐磨涂层 n火箭发动机的尾喷管，火箭发动机的尾喷管，2000200033003300温度和巨温度和巨大的热焰流冲击大的热焰流冲击n解决：解决：热障涂层热障涂层7/11/202423应用实例应用实例4 4n太阳能，要求吸收太阳光谱中所有波段的能量。太阳能，要求吸收太阳光谱中所有波段的能量。n解决：解决：电子束蒸镀电子束蒸镀Co-AlCo-Al2 2O O3 3，吸收率可达，吸收率可达95%95%7/11/202424管道管道7/11/2024251.4 1.4 表面工程技术的分类表面工程技术的分类材料表面工程技术的分类材料表面工程技术的分类 7/11/202426l1.1.按学科特点：按学科特点：1 1）表面合金化：）表面合金化：离子注入、激光合金化、热渗镀等。离子注入、激光合金化、热渗镀等。2 2）表表面面覆覆层层与与覆覆膜膜技技术术：喷喷焊焊、堆堆焊焊、热热喷喷涂涂、电电（化化学学）镀、化学转化、气相沉积、涂装、金属染色、热浸镀等。镀、化学转化、气相沉积、涂装、金属染色、热浸镀等。3 3）表面组织转化技术：）表面组织转化技术：淬火、喷丸、辊压等。淬火、喷丸、辊压等。7/11/202427l2.2.按作用原理：按作用原理：1 1）原原子子沉沉积积：原原子子尺尺度度的的粒粒子子形形态态，如如电电镀镀、化化学学镀镀、PVDPVD、CVDCVD等。等。2 2）颗颗粒粒沉沉积积：宏宏观观尺尺度度的的颗颗粒粒形形态态，如如热热喷喷涂涂、搪搪瓷瓷涂涂敷等。敷等。3 3）整整体体覆覆盖盖：涂涂覆覆材材料料同同一一时时间间施施加加于于材材料料表表面面，如如包包箔、贴片、涂刷等。箔、贴片、涂刷等。4 4）表表面面改改性性：用用机机械械、物物理理、化化学学等等方方法法，改改变变材材料料表表面面的的形形貌貌、化化学学成成分分、相相组组成成、微微观观结结构构、缺缺陷陷状状态态或应力状态。或应力状态。7/11/202428l 3.3.按表面强化层材料：按表面强化层材料：1 1）金属材料层）金属材料层2 2）陶瓷材料层）陶瓷材料层3 3）高分子材料层）高分子材料层4 4）复合材料层）复合材料层7/11/202429l4.4.按表面改性的目的或性质：按表面改性的目的或性质：1 1）表面耐磨和减摩技术）表面耐磨和减摩技术2 2）表面耐蚀和抗氧化技术）表面耐蚀和抗氧化技术3 3）表面强化（抗疲劳）技术）表面强化（抗疲劳）技术4 4）表面装饰技术）表面装饰技术5 5）功能表面技术）功能表面技术6 6）表面修复技术）表面修复技术7/11/202430l5.5.按工艺特点：按工艺特点：1.1.热喷涂热喷涂(火焰喷涂、超音速喷涂、电弧喷涂、等离子火焰喷涂、超音速喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂喷涂、爆炸喷涂等爆炸喷涂等)2.2.电沉积电沉积(电镀、电刷镀、化学镀、复合镀电镀、电刷镀、化学镀、复合镀)3.3.高能密度处理高能密度处理(激光激光、电子束、离子束、电子束、离子束)4.4.气相沉积（气相沉积（PVDPVD、CVDCVD）5.5.表面及化学热处理表面及化学热处理(表面淬火表面淬火，渗碳渗碳(氮氮,硼硼,硫硫)）6.6.表面粘结表面粘结7/11/202431表面工程产生的副面作用表面工程产生的副面作用n材质造假：对塑料、低成本低性能合金（如锌合材质造假：对塑料、低成本低性能合金（如锌合金等）等电镀，冒充贵金属（铜、不锈钢、金银金等）等电镀，冒充贵金属（铜、不锈钢、金银等），制备零部件及首饰，欺骗消费者。等），制备零部件及首饰，欺骗消费者。n以假乱真、真假难辨、金玉其外败絮其中。以假乱真、真假难辨、金玉其外败絮其中。7/11/202432超音速火焰喷涂零件7/11/202433船体外表面电弧喷涂铝7/11/202434抽油杆接箍激光熔覆7/11/202435轧辊表面激光熔凝7/11/202436谢谢大家！谢谢大家！7/11/20247/11/20243737/36/36
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