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文檔簡介
1現(xiàn)代表面工程技術(shù)
ModernSurfaceEngineeringandTechnology
江蘇大學(xué)材料學(xué)院教學(xué)目的
(1)系統(tǒng)地掌握現(xiàn)代表面處理技術(shù)的基本原理;(2)能合理選擇并應(yīng)用這些新的表面工程技術(shù);(3)解決材料表面硬度、強(qiáng)度、耐磨性與心部強(qiáng)韌性之間的矛盾;(4)充分發(fā)揮材料性能的潛力;(5)延長產(chǎn)品使用壽命和提高產(chǎn)品質(zhì)量。2教材及參考資料教材:現(xiàn)代表面技術(shù),機(jī)械工業(yè)出版社,錢苗根等編著參考書目:面向二十一世紀(jì)的表面工程,徐濱士,北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997表面工程手冊,李國英主編,北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998表面涂層技術(shù),陳學(xué)定,韓文政,北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994表面工程與維修,徐濱士,朱紹華等,北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996第一章表面技術(shù)概論
4
表面技術(shù)和表面工程概述
表面技術(shù)的分類
表面技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展第一章表面技術(shù)概論表面技術(shù)是直接與各種表面現(xiàn)象或過程有關(guān)的,能為人類造?;虮蝗藗兝玫募夹g(shù)。通過對材料基體表面加涂層或改變表面形貌、化學(xué)組成、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài),達(dá)到提高材料抵御環(huán)境作用能力或賦予材料表面某種功能特性的工藝技術(shù)。5一、使用表面技術(shù)的目的(1)
提高材料抵御環(huán)境作用能力。(2)
賦予材料表面某種功能特性。包括光、電、磁、熱、聲、吸附、分離等等各種物理和化學(xué)性能。(3)實施特定的表面加工來制造構(gòu)件、零部件和元器件等。6第一節(jié)表面技術(shù)的涵義7
改變材料表面的形貌、化學(xué)成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài),即采用各種表面改性技術(shù)。主要有噴丸強(qiáng)化、表面熱處理、化學(xué)熱處理、等離子擴(kuò)滲處理、激光表面處理、電子束表面處理、高密度太陽能表面處理、離子注入表面改性等。二、主要技術(shù)途徑:(1)覆蓋層
電鍍、電刷鍍、化學(xué)鍍、涂裝、粘結(jié)、堆焊、熔結(jié)、熱噴涂、塑料粉末涂敷、熱浸涂、搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍、化學(xué)氣相沉積、分子束外延制膜、離子束合成薄膜技術(shù)等。此外,還有其他形式的覆蓋層,例如各種金屬經(jīng)氧化和磷化處理后的膜層,包箔,貼片的整體覆蓋層,緩蝕劑的暫時覆蓋層等。(2)機(jī)械、物理、化學(xué)等方法表面工程技術(shù)日益得到重視的主要原因:1)
社會生產(chǎn)、生活的需要;2)
通過表面處理大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量;3)
節(jié)約貴重材料;4)
實現(xiàn)材料表面復(fù)合化,解決單一材料無法解決的問題;5)
良好的節(jié)能、節(jié)材效果;6)
促進(jìn)了新興工業(yè)的發(fā)展。8應(yīng)用實例1汽車輕量化→鋁合金→表面耐磨問題突出→表面耐磨涂層火箭發(fā)動機(jī)的尾噴管內(nèi)壁和燃燒室:需承受2000~3300℃溫度和巨大的熱焰流沖擊9輕量化材料的確能降低汽車的整體重量和碳排放量,但大大增加了汽車的成本。輕量化汽車材料市場在2010年的收入達(dá)到380億美元,2017年該數(shù)字有望達(dá)到953.4億美元。
應(yīng)用實例2飛船或者洲際導(dǎo)彈的頭部錐體和翼前沿:由于具有幾十倍的音速,并與大氣層摩擦,即所謂氣動加熱,其溫度高達(dá)4000~5000℃:問題:絕大多數(shù)的金屬和合金不能承受如此高的溫度。解決問題的方法:依靠各種形式的隔熱涂層、防火涂層和燒蝕涂層。隔熱防火涂層是熱導(dǎo)率低的氧化物:氧化鋁、氧化鋯、氧化釷等。燒蝕涂層:有機(jī)材料加石英纖維、陶瓷纖維或碳纖維。10應(yīng)用實例3
航天飛機(jī)外殼了要防熱材料和涂層:如美國洛克希德導(dǎo)彈與航天公司研制出LI-900全氧化硅絕熱氈:1)
重量輕,整個體積的95%都是空的。2)
為防水、耐蝕以主散熱,表面加涂了一種碳化硅涂層,該涂層可把90%的入射熱反射掉,而剩下10%幾乎都被氧化硅氈所隔絕。11應(yīng)用實例4在太陽能的利用中,必須利用涂層來吸收太陽光譜中所有波段的能量。如用電子束蒸鍍的金屬陶瓷層Co-Al2O3作為太陽能吸熱器,使對太陽能的吸收率可達(dá)95%。12應(yīng)用實例5人造衛(wèi)星在宇宙中的溫度控制問題:衛(wèi)星表面受太陽照射的一面溫度可達(dá)200℃,沒有被太陽照射的一面溫度可低到-200℃。13汽車噴漆鍍銀壺16磨損腐蝕據(jù)世界摩擦學(xué)會統(tǒng)計:摩擦損失世界性一次能源的1/3~1/2;磨損給工業(yè)國家?guī)淼膿p失達(dá)國民生產(chǎn)總值的2%~8%。三、表面失效的形式171.機(jī)械零件表面失效機(jī)械零件失效一般都發(fā)生在工作面(表面),因為機(jī)械零件相互接觸的表面受力最大,最易摩擦磨損、疲勞而失效;零件表面易受外界環(huán)境中的水、氣、某些化學(xué)介質(zhì)的作用而腐蝕失效。18磨損失效機(jī)械零件由于相互之間的相對運動發(fā)生摩擦磨損引起零件工作表面金屬不斷損失,稱為零件的磨損。磨損引起零件幾何尺寸與形狀的改變,使零件之間間隙增大,使機(jī)械設(shè)備喪失精度,導(dǎo)致整個機(jī)械設(shè)備無法正常工作,稱為零件的磨損失效。磨損失效有多種形式:粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、微動磨損和疲勞磨損。
19腐蝕失效:
零件表面與周圍環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng),而導(dǎo)致的損傷或損壞,稱為腐蝕失效,特別在強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中這情況非常嚴(yán)重。金屬腐蝕按破壞的特性可分為全面腐蝕和局部腐蝕。202.疲勞失效:材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下,在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷,經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。3.其它失效:其它失效形式有多種,如斷裂失效、塑性變形失效等等。21四、
材料表面失效防護(hù)與現(xiàn)代材料表面改性1.材料表面失效防護(hù)(1)選用優(yōu)質(zhì)材料:選用具有更高抗磨損、耐腐蝕、抗疲勞性能的優(yōu)質(zhì)材料來制造零件。(2)零件的優(yōu)化設(shè)計和精密加工制造工藝:可提高表面光潔度,降低表面摩擦系數(shù),減少表面承受的應(yīng)力,減少表面與外界環(huán)境的接觸,提高零件表面的抗磨損、耐腐蝕、抗疲勞能力。22(3)采用現(xiàn)代材料表面改性技術(shù):在零件表面涂覆一層保護(hù)膜;采用機(jī)械、物理、化學(xué)等方法,使材料表面的形貌、化學(xué)成份、
相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)得到改變;
有效地提高零件表面的抗磨損、耐腐蝕、抗疲勞性能。
23(4)現(xiàn)代材料表面改性技術(shù)的優(yōu)化組合:由于零件的材質(zhì)、形狀、使用環(huán)境、受力狀態(tài)等不同,每種表面改性技術(shù)均有它的局限性,不可能采用相同的表面改性技術(shù)。把表面改性技術(shù)作為一個系統(tǒng)工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和優(yōu)化組合,選擇適合于某種材質(zhì)、零件形狀、使用環(huán)境、受力狀態(tài)等的一種或幾種組合的表面改性技術(shù)。24
目的:材料表面與基體看作統(tǒng)一的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與改性,以最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法改變材料近表面層的形態(tài)、化學(xué)成份和組織結(jié)構(gòu),賦予新的復(fù)合性能,以新型的功能實現(xiàn)新的工程應(yīng)用。
使材料表面獲得更好的表面特性,有效地延長零件使用壽命;用性能較差的合金鋼代替優(yōu)質(zhì)合金鋼,以節(jié)省優(yōu)質(zhì)合金鋼材料;研制出新穎材料,這種多功能綜合化,用于提高材料表面性能的各種現(xiàn)代表面改性技術(shù)統(tǒng)稱為現(xiàn)代表面改性技術(shù)。五、表面改性目的和意義表面技術(shù)倍受重視的原因表面新技術(shù)不僅在于重要的學(xué)術(shù)價值,這是因為:1)
材料物理、化學(xué)性能及其變化都從表面開始;2)隨著器件的微型化,表面/體相的原子比增大,會出現(xiàn)許多新的特性;3)材料表面的研究是許多高新技術(shù)的理化基礎(chǔ)等。25美國工程科學(xué)院為美國國會提供的2000年前集中力量加強(qiáng)發(fā)展的9項新科學(xué)技術(shù)中,有關(guān)材料方面的僅有材料表面科學(xué)與表面技術(shù)的研究。六、與表面現(xiàn)象有關(guān)的一些表面技術(shù)1)
表面濕潤和反濕潤技術(shù)2)
表面催化技術(shù)3)
膜技術(shù)4)
表面化學(xué)技術(shù)本課程將主要學(xué)習(xí):表面覆蓋、表面改性和表面加工等表面技術(shù)。26第二節(jié)表面技術(shù)的分類按學(xué)科特點將表面技術(shù)大致劃分為三個方面:
1)表面合金化:包括噴焊、堆焊、離子注入、激光溶敷、熱滲鍍等。2)表面覆層與覆膜技術(shù):包括熱噴涂、電鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化處理、化學(xué)鍍、氣相沉積、涂裝、堆焊、金屬染色、熱浸鍍等。3)表面組織轉(zhuǎn)化技術(shù):包括激光、電子束熱處理技術(shù)以及噴丸、輥壓等表面加工硬化技術(shù)。2728(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、激光表面處理、電子束表面處理、離子注人等。按照作用原理,分為四種基本類型:(l)原子沉積。沉積物以原子、離子、分子和粒子基團(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。①原子沉積物原子在基體上凝聚,生核、長大、成膜.如電鍍、PVD、CVDCVD氮化鈦刀具TiCl4+H2+N2→TiN(s)+HCl②粒狀沉積物熔化的液滴或細(xì)小的固體顆粒在外力作用下于基體表面凝聚、沉積或燒結(jié),形成的表面涂層.例如,熱噴涂、搪瓷、噴漆等.齒輪表面噴涂WC③整體沉積層
欲涂敷的材料于同一時間施于基體表面.如,涂漆、熱浸漬等熱鍍鋅激光表面合金化④表面改性用離子處理、熱處理、激光處理等方法改變材料表面的組織和性能.如噴丸、離子注入、激光處理.33電鍍、化學(xué)鍍、熱滲鍍、熱噴涂、堆焊、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、涂裝、表面著色、氣相沉積、“三束”改性以及表面熱處理、形變強(qiáng)化和襯里等13類。材料表面工程技術(shù)按工藝特點分:34表面技術(shù)有著廣泛的涵義,大致上可分為以下幾個部分:
(l)表面技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用理論。
(2)表面處理技術(shù)。表面覆蓋技術(shù)表面改性技術(shù)復(fù)合表面處理技術(shù)
(3)表面加工技術(shù)。
(4)表面分析和測試技術(shù)。
(5)表面工程技術(shù)設(shè)計。35第三節(jié)表面技術(shù)的應(yīng)用一、
表面技術(shù)應(yīng)用的廣泛性和重要性二、表面技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料以及工程構(gòu)件和機(jī)械零部件上的應(yīng)用:工具、模具、
主要起防護(hù)、耐磨、強(qiáng)化、修復(fù)、裝飾等。36三、
表面技術(shù)在功能材料和元器件上的應(yīng)用光學(xué)特性、電學(xué)特性、磁學(xué)特性、熱學(xué)特性、化學(xué)特性、工能轉(zhuǎn)換磁記錄材料、雙金屬、防護(hù)涂層。四、表面技術(shù)在人類適應(yīng)、保護(hù)和優(yōu)化環(huán)境方面的一些應(yīng)用
抗菌滅菌材料,TiO2,生物醫(yī)學(xué)材料。37第四節(jié)
表面技術(shù)的發(fā)展
材料表面改性和強(qiáng)化問題引起國內(nèi)外材料科學(xué)界的極大關(guān)注,學(xué)術(shù)研究異?;钴S,舊的工藝被不斷革新,新的工藝技術(shù)相繼問世,工程應(yīng)用不斷擴(kuò)大。38
究其原因,主要是:(1)
高新技術(shù)的發(fā)展對機(jī)件質(zhì)量的要求越來越高,如要求高耐磨、強(qiáng)耐蝕、抗高溫及各種特殊功能。而現(xiàn)有的材料往往不能滿足需要。(2)器件的微型化,使表面問題更為突出。(3)
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