【正文】 材料表面工程 主講教師：呂 祥 鴻 西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2/120 l 一、緒論 l 二、表面熱處理 l 三、表面形變強(qiáng)化技術(shù) 目 錄 定義 表面工程技術(shù)是指為滿足特定工程需要 ， 使材料或零件表面具有特殊的成分 、 結(jié)構(gòu)和性能 (或功能 )的化學(xué) 、 物理方法與工藝 。 分類 表面熱處理技術(shù)； 表面形變強(qiáng)化技術(shù)； 熱擴(kuò)滲； 熱噴涂； 熱噴焊和堆焊； 電鍍； 化學(xué)鍍； 化學(xué)轉(zhuǎn)化膜與著色技術(shù)； 氣相沉積技術(shù)； 高能束表面處理 。 一、緒 論 大家知道 ,所有的物體都不可避免與環(huán)境相接觸 ,而與環(huán)境真正接觸的是物體的表面。如各種機(jī)械設(shè)備和儀器儀表，它們在使用過程中會發(fā)生： ? 腐蝕 因為受到氣、水及某些化學(xué)介質(zhì)的作用； ? 磨損 因相互之間相對運(yùn)動而產(chǎn)生； ? 氧化 因溫度過高而發(fā)生； ? 浸蝕 因接觸高溫金屬熔體或其它熔體而被浸蝕，等等。 所有這些都會首先使機(jī)件表面發(fā)生破壞或失效 ,進(jìn)而引起整個機(jī)件的破壞或失效 ,因此 ,表面是防止設(shè)備失效的第一道防線。 有資料統(tǒng)計 ,在各種機(jī)電產(chǎn)品的過早失效破壞中 ,約有 70%是由腐蝕和磨損造成的 。 一、緒 論 ? 隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展 ,對機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品提出了更高的要求。要求產(chǎn)品能在 高參數(shù) (如高溫 ,高壓 ,高速 )、 高度自動化 和 惡劣的工況 條件下長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。這就必然對機(jī)件表面的耐磨、耐蝕等性能提出了更高的要求。為了滿足這樣的要求 ,在某些情況下我們可以選用 貴金屬或合金 來制造整體設(shè)備及零件。 有時雖然也可滿足表面性能要求 ,但這往往會造成設(shè)備的成本成倍或成百倍的增加 ,降低了產(chǎn)品的競爭力。 （例： H2S油氣田廣泛采用鎳基合金， 鎳基合金是鋼鐵的幾十倍甚至上百倍。） ? 更何況在許多情況下也無法找到 一種能夠同時滿足整體和表面要求 的材料。 （例：油氣田用雙相不銹鋼（冷拔成型）滿足耐蝕性滿足不了強(qiáng)度要求，主要是由于溫度升高，強(qiáng)度下降）。 一、緒 論 ? 而表面技術(shù)則可以在 不增加或不增加太多材料成本 的同時使產(chǎn)品表面受到保護(hù)和強(qiáng)化 ,從而提高產(chǎn)品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 ,所以，研究和發(fā)展機(jī)械產(chǎn)品的 表面保護(hù)和表面強(qiáng)化技術(shù) ，對于推動高技術(shù)和新技術(shù)的發(fā)展 ,對于 節(jié)約材料 ,節(jié)約能源 等都具有重要意義。 ? 定義 ： 表面工程技術(shù)是指為滿足特定的工程需要，使材料或零件表面具有特殊的成分、結(jié)構(gòu)和性能（或功能）的化學(xué)、物理方法與工藝。 一、緒 論 ? 表面工程技術(shù)的內(nèi)涵 應(yīng)該包括如下幾個方面： （ 1）表面改性技術(shù) ；（提高零部件表面的耐磨性、耐蝕性、抗高溫氧化性，或裝飾零部件表面） （ 2）表面加工技術(shù) ；（能夠在材料表面加工或制作各種功能元器件的有關(guān)技術(shù)） （ 3）表面合成材料技術(shù) ；（ 借助各種手段在材料表面合成新材料的技術(shù)） （ 4）表面加工三維合成技術(shù) ；（將二維表面加工累積成三維零件的快速原型制造技術(shù)） （ 5）上述幾個要點(diǎn)的組合或綜合 。 一、緒 論 2. 表面工程技術(shù)的特點(diǎn)與意義 ? （ 1）它主要作用在 基體表面 ，對遠(yuǎn)離表面的基材內(nèi)部組織與性能影響不大； ? （ 2）采用表面涂（鍍）、表面合金化，使普通、廉價的材料表面具有特殊的性能，不僅可以 節(jié)約大量貴重金屬 ，而且可以大 幅度提高零部件的耐磨性和耐蝕性，提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本 ； ? （ 3）表面工程技術(shù)可以 兼有裝飾和防護(hù)功能 ，在人們周圍創(chuàng)造五彩繽紛的世界，推動產(chǎn)品的更新?lián)Q代； 一、緒 論 ? （ 4）以化學(xué)氣相沉積技術(shù) （ chemical vapor deposition簡稱CVD) 、物理氣相沉積技術(shù)（ physical vapor deposition簡稱PVD) 、掩膜、光刻技術(shù)為代表的表面薄膜沉積技術(shù)和表面微細(xì)加工技術(shù)是制作大規(guī)模集成電路、光導(dǎo)纖維和集成電路、太陽能薄膜電池等元器件的 基本技術(shù) ； ? （ 5）計算機(jī)技術(shù)與材料科學(xué)、精密機(jī)械和數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，使 二維的表面處理技術(shù) 發(fā)展成為 三維零件制造技術(shù) ，創(chuàng)造了全新的制造方法－ 生長型制造法 ，不僅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使設(shè)計與生產(chǎn)速度成倍提高； 一、緒 論 ? （ 6）表面工程技術(shù)已成為 制備新材料的重要方法 （金屬基復(fù)合材料(MMC) Metal Matrix Composite及陶瓷基復(fù)合材料 (CMC)Ceramic Matrix Composite的制備），如可以在材料表面制備整體合金化難以做到的特殊性能合金等。 圖 1－ 1 纖維涂層法制備鈦基復(fù)合材料 纖維涂層 涂層纖維堆垛 熱壓或熱等靜壓成形 纖維 碳芯或鎢芯 CVD PVD 一、緒 論 圖 12 CVD、 PVD法制備鈦基復(fù)合材料 一、緒 論 3. 表面工程技術(shù)的分類 ? 材料表面工程是一門 新興學(xué)科 ，或者說是正在形成的一門學(xué)科，是一門多學(xué)科的邊緣學(xué)科。該學(xué)科中應(yīng)該包括哪些內(nèi)容，如何分類， 國內(nèi)外都無公認(rèn)的說法 。從不同的角度進(jìn)行歸納，就會有不同的分類。如： ? 按 作用原理 可分為： 1原子沉積 ：沉積物以原子、離子、分子和粒子集團(tuán)等 原子尺度 的粒子形態(tài)在材料表面上形成覆蓋層，如電鍍、化學(xué)鍍、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等。 2顆粒沉積 ：沉積物以 宏觀尺度 的顆粒形態(tài)在材料表面上形成覆蓋層，如熱噴涂、搪瓷涂覆等。 3整體覆蓋 ：它是將涂覆材料于同一時間施加于材料表面，如包箔、貼片、熱浸鍍、涂刷、堆焊等。 4表面改性 ：用各種物理、化學(xué)等方法處理表面，使之組成、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變性能，如表面處理、化學(xué)熱處理、電子束