神奇的表面工程概論課件

《神奇的表面工程》

全校通選課一、開課目的1.1、表面工程技術(shù)發(fā)展概況磨損、腐蝕、斷裂是機(jī)械零件工程構(gòu)建的三大主要破壞形式。前二者造成經(jīng)濟(jì)損失占很大比重。數(shù)據(jù)磨損美國：美國國家材料政策委員會向美國國會提出的一份報告：摩擦磨損引起的損失1000億美元/年；德國：據(jù)調(diào)查，摩擦磨損損失1287億歐元/年；英國：摩擦磨損損失51500英鎊/年；1.2、表面工程學(xué)的定義表面工程學(xué)圍繞腐蝕、摩擦與磨損和功能特性（聲，光，磁，電的轉(zhuǎn)換）三大因素，成為重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，形成表面工程學(xué)。定義為滿足特定的工程需求，使材料表面或零部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。內(nèi)涵擴(kuò)展表面工程技術(shù)所涉及的基材包括幾乎所有的工程材料，如金屬、陶瓷、半導(dǎo)體材料、高分子材料、混凝土、木材和各類復(fù)合材料等，所涉及的工藝方法數(shù)以百計，各具特點(diǎn)。經(jīng)過內(nèi)涵擴(kuò)展以后的表面工程技術(shù)，由單純的表面改性擴(kuò)展到表面加工和合成新材料等領(lǐng)域，涵蓋材料科學(xué)、物理、化學(xué)、冶金、機(jī)械、電子與生物等領(lǐng)域，成為新型的、名副其實(shí)的交叉學(xué)科。表面工程對制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新提供了必要的工藝支持；表面工程與機(jī)械維修創(chuàng)新；“再制造”觀念表面工程為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了工藝及材料支持；表面工程與節(jié)約能源、資源；表面工程與人民生活的改善。1.4、推廣表面工程的意義1.5、學(xué)習(xí)本課程的目的我希望選修該課程的同學(xué)：找一找自己接觸的機(jī)電產(chǎn)品中哪些部位應(yīng)用了表面工程技術(shù)；評價一下效果是否合乎自己的想象；哪些產(chǎn)品和部位通過應(yīng)用表面工程技術(shù)還有創(chuàng)新的余地。

我們--理工科院校的學(xué)生--必須了解和掌握表面工程的相關(guān)知識。開闊視野，擴(kuò)大知識面二、課程主要內(nèi)容1. 神奇的表面工程概論；（2學(xué)時）2. 使零件表硬內(nèi)韌的表面熱處理技術(shù)；（2學(xué)時）3. 立竿見影的噴丸強(qiáng)化技術(shù)；（2學(xué)時）4. 變化無窮的摩擦化學(xué)轉(zhuǎn)移膜技術(shù)；（4學(xué)時）5. 多姿多彩的氣相沉積技術(shù)；（4學(xué)時）6. 所向披靡的三束及其改性技術(shù)；（4學(xué)時）7. 點(diǎn)石成金的電刷鍍技術(shù)；（2學(xué)時）8. 噴槍射彩虹，零件換新裝的熱噴涂技術(shù)；（4學(xué)時）9. 簡便易行的表面粘涂技術(shù)；（4學(xué)時）10. 1+1＞2的復(fù)合表面技術(shù)（4學(xué)時）神奇的表面工程概論隨著人民生活水平的提高，皮膚保健已成為時尚，各種基本的和功能性的護(hù)膚用品像潤膚霜、防曬霜、防皺霜、增白霜等大量上市。皮膚保健機(jī)械零件的表面機(jī)械零件、構(gòu)件和電子元器件也有“皮膚”，也需要保護(hù)。機(jī)械零件、構(gòu)件和電子元器件的“皮膚”，我們統(tǒng)稱為表面。各種表面的防腐性保護(hù)和預(yù)防磨損強(qiáng)化處理高聳云空的電視塔表面、浸入海水的鉆探機(jī)械表面、埋入地下的各種管道表面都必須進(jìn)行防腐性保護(hù)；破土開山的挖掘機(jī)鏟斗表面必須進(jìn)行預(yù)防磨損強(qiáng)化處理；錄音機(jī)磁帶與不粘鍋錄音機(jī)磁帶表面，因?yàn)橛辛蒜?磷或鈷-鎳磁性鍍層，才能復(fù)奏出美妙的音樂；氟樹脂涂于鍋體內(nèi)表面而成為不粘鍋。這些都是表面工程為人類做出的貢獻(xiàn)。什么是表面工程一位美國學(xué)者說過一句俏皮話，即“上帝創(chuàng)造了物質(zhì)，魔鬼給了一個表面”。物質(zhì)內(nèi)部的成分、結(jié)構(gòu)和性能都比較均勻，其規(guī)律性相對容易掌握，改造它們也易得其法。表面成分、結(jié)構(gòu)和性能有很大的不均勻性，并常伴有許多缺陷，表面的規(guī)律難以掌握，可用“活見鬼”三個字來形容。表面工程是與魔鬼斗法的科學(xué)。一輛汽車制造出來，即使你不使用它，車中的橡膠零件、塑料制品件也會逐漸老化失效，金屬零件、構(gòu)件也會慢慢發(fā)生銹蝕。如果你使用它，則在發(fā)揮其運(yùn)輸功能的同時，車中相互接觸又相對運(yùn)動的零件表面都會發(fā)生摩擦磨損，曲軸、齒輪等零件長時間使用會發(fā)生疲勞斷裂。機(jī)械產(chǎn)品其本身不可能“青春常駐”提高機(jī)械產(chǎn)品的性能就需要從延緩和控制零件表面失效著手，這就推動著表面學(xué)科的研究與發(fā)展。性能下降、失效，往往是在零件表面發(fā)生的，

腐蝕從零件表面開始，

摩擦磨損在零件表面發(fā)生，

疲勞斷裂由表面向里延伸。表面學(xué)科包括表面基礎(chǔ)科學(xué)、表面技術(shù)和表面工程三個部分。表面基礎(chǔ)科學(xué)是研究物質(zhì)表面基本規(guī)律的科學(xué)，其研究成果形成了表面物理、表面化學(xué)、固體力學(xué)、

摩擦學(xué)、

腐蝕學(xué)等分支，它是表面技術(shù)和表面工程的理論基礎(chǔ)。表面技術(shù)是改變和控制零件表面性能的知識、技能、工藝、手段及方法是電鍍技術(shù)、熱噴涂技術(shù)、表面熱處理技術(shù)、堆焊技術(shù)、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)、粘涂技術(shù)、物理及化學(xué)氣相沉積等技術(shù)群的總稱隨著表面技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)在需要進(jìn)入綜合研究階段，需要進(jìn)入盡快把表面技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的綜合運(yùn)用階段。表面工程是以表面基礎(chǔ)科學(xué)為指導(dǎo)以表面技術(shù)作為要素引入產(chǎn)品的生產(chǎn)體系中，實(shí)現(xiàn)表面技術(shù)要素之間的復(fù)合以及表面技術(shù)要素與其他生產(chǎn)要素的優(yōu)化組合以獲取先進(jìn)的產(chǎn)品性能，高的生產(chǎn)率、利潤率以及高的市場占有率表面工程是表面技術(shù)的綜合和向產(chǎn)品化的延伸表面預(yù)處理后，通過表面涂覆、表面改性或多種表面技術(shù)復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，以獲得所需表面性能的系統(tǒng)工程。表面工程的功能·提高零件表面的耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞性、抗氧化性、防輻射性等；·既有辦法改善零件表面的傳熱性，又有辦法改善零件表面的隔熱性；·既有辦法改善零件表面的導(dǎo)電性，又有辦法改善零件表面的絕緣性；·既有辦法改善零件表面的導(dǎo)磁性，又有辦法改善零件表面的磁屏蔽性；表面工程的神奇功能人們可以用比較簡單的方法在零件表面制備由多種性能的涂覆層，使產(chǎn)品的總體大大提高，大量節(jié)約能源和原材料。表面工程的功能還可以列舉很多，如用于減輕機(jī)械振動，降低噪聲，用于密封，用于改善釬焊性，用于化學(xué)催化反應(yīng)，用于金屬染色等等。表面工程的神奇功能在機(jī)電產(chǎn)品中應(yīng)用得最多、最廣泛、效果也最顯著的是應(yīng)用表面工程提高零件、構(gòu)件的耐磨性與耐腐蝕性。遠(yuǎn)古時期我們的祖先就懂得用各類植物油漆進(jìn)行表面防腐蝕處理。公元前3世紀(jì)，我國己采用金汞齊鎏金術(shù)在金屬表面上鍍金以增加其美觀性，同時收到防腐蝕的效果。近年來出土的秦始皇時代的青銅劍和大量箭杵，有的至今還毫無銹蝕。對其表面的組織及成分鑒定分析表明，早在兩千多年前我國似乎已掌握了與現(xiàn)代鉻酸鹽(或重鉻酸鹽)鈍化處理相似的表面技術(shù)，可稱為中國文明史上的又一項(xiàng)奇跡。表面工程的發(fā)展改革開放以來，表面技術(shù)有了飛速進(jìn)步。與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，技術(shù)門類齊全，部分表面技術(shù)的設(shè)備、材料和工藝已達(dá)到了國際先進(jìn)水平，而且在摩擦學(xué)、界面力學(xué)和表面力學(xué)、材料失效與防護(hù)、金屬熱處理學(xué)、焊接學(xué)、腐蝕與防護(hù)學(xué)、光電子學(xué)等學(xué)科，對各種表面技術(shù)的發(fā)展及其基礎(chǔ)理論的研究都作出了巨大貢獻(xiàn)，并成功地應(yīng)用于工程之中。表面工程的發(fā)展磁記憶裝置載體涂層表面工程概念的提出始于20世紀(jì)80年代。表面工程學(xué)科發(fā)展的重要標(biāo)志是1983年英國伯明翰大學(xué)沃福森表面工程研究所的建立和1985年《表面工程》國際刊物的發(fā)行。1985年召開了第一屆表面工程國際會議。1986年10月在布達(dá)佩斯召開的國際熱處理聯(lián)合會，決定接受表面工程學(xué)科并改名為國際熱處理及表面工程聯(lián)合會表面工程的發(fā)展歷程表面工程概念的提出始于20世紀(jì)80年代。中國機(jī)械工程學(xué)會表面工程研究所于1987年在北京成立，1988年11月在北京召開全國首屆表面工程現(xiàn)狀與未來研討會。同年創(chuàng)辦了中國的《表面工程》期刊，現(xiàn)改版為國內(nèi)外公開發(fā)行的《中國表面工程》。1993年成立了中國機(jī)械工程學(xué)會表面工程分會，以后在國內(nèi)召開了多次國際和全國性的表面工程學(xué)術(shù)會議。自“六五”計劃以來，通過在設(shè)備維修領(lǐng)域和制造領(lǐng)域推廣應(yīng)用表面技術(shù)己取得了幾百億元的經(jīng)濟(jì)效益。在國家的節(jié)能節(jié)材。“九五”規(guī)劃中建議將發(fā)展表面工程作為重大措施之一，并列為節(jié)能節(jié)材示范項(xiàng)目。表面工程的發(fā)展歷程第一，現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對機(jī)電產(chǎn)品提出了更高的要求，即在高溫、高壓、高速、重載，以及腐蝕介質(zhì)、惡劣工況下能可靠而持續(xù)地工作，表面工程為實(shí)現(xiàn)這些要求可大顯身手。第二是相關(guān)的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為表面工程注入了活力，提供了支撐。如高分子材料和納米材料的發(fā)展，激光束、離子束、電子束三種高能量密度熱源的實(shí)用化等，都大大拓寬了表面工程的應(yīng)用領(lǐng)域，豐富了表面工程的功能，提高了表面處理的質(zhì)量。表面工程發(fā)展背景相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為表面工程注入了活力、提供了支撐。如納米材料的發(fā)展，激光束、離子束、電子束三種高能量密度熱源的實(shí)用化等。第三是表面工程適合我國國情，能大量節(jié)約能源、資源，體現(xiàn)了科技盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的要求，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，因而得到了黨和政府的關(guān)心、扶植和廣大科技工作者的積極參與。表面工程發(fā)展背景一些傳統(tǒng)的表面技術(shù)不斷得到完善并以嶄新的面貌出現(xiàn)；一批先進(jìn)表面新技術(shù)得以實(shí)用化并進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域；特別是綜合運(yùn)用兩種或多種表面技術(shù)的復(fù)合表面技術(shù)，稱為第二代表面技術(shù)的出現(xiàn)，通過最佳協(xié)同效應(yīng)使工件材料的表面體系在技術(shù)指標(biāo)、可靠性、壽命、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性等方面獲得最佳的效果，克服了單一表面技術(shù)存在的局限性，解決了一系列工業(yè)關(guān)鍵技術(shù)和高新技術(shù)發(fā)展中特殊的技術(shù)問題。表面工程發(fā)展背景目前，復(fù)合表面技術(shù)的研究和應(yīng)用己取得了重大進(jìn)展，如熱噴涂與激光重熔復(fù)合、化學(xué)熱處理與電鍍的復(fù)合、表面強(qiáng)化與固體潤滑膜的復(fù)合、多層薄膜技術(shù)的復(fù)合、金屬材料基體與非金屬材料涂層的復(fù)合等等，復(fù)合表面技術(shù)使基體材料的表面薄層具有了更加卓越的性能。復(fù)合表面技術(shù)表面工程的實(shí)施，可促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。

表面工程的推廣應(yīng)用非常適合我國國情，發(fā)展表面工程對促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和推進(jìn)國防現(xiàn)代化，對于貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有十分重要的意義。推廣表面工程的意義表面工程與制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新表面工程與機(jī)械維修創(chuàng)新表面工程與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展表面工程與節(jié)約能源、資源表面工程與人民生活的改善表面工程是針對零件表面失效的形成、特征和機(jī)理，綜合運(yùn)用各種表面技術(shù)進(jìn)行防護(hù)的工程。最大的優(yōu)勢是能夠以多種方法制備出性能優(yōu)異的表面功能薄層，使零件表面具有比基體材料更高的耐磨性、抗腐蝕性和耐高溫等性能，它具有優(yōu)質(zhì)、高效、低耗等先進(jìn)制造技術(shù)的基本特征。表面工程的研究和推廣應(yīng)用，將有力地推動我國先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。表面工程與制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新

表面工程的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用被認(rèn)為是制造領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)之一，對提高機(jī)械設(shè)備及儀器儀表的性能、質(zhì)量，增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力，促進(jìn)國外引進(jìn)設(shè)備零部件、儀器設(shè)備的國產(chǎn)化，以及在節(jié)能節(jié)材諸多方面發(fā)揮了巨大的作用，并且取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。表面工程與制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新表面工程的實(shí)施，可促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新：例如汕頭海灣公路大橋和西陵長江公路大橋主懸索鞍座用電刷鍍技術(shù)與減摩劑復(fù)合制備出新型超級減摩滑動摩擦結(jié)構(gòu)，改變了通常用千根滾針支撐的滾動摩擦結(jié)構(gòu)，大大降低了成本，縮短了工期。表面工程的實(shí)施可促進(jìn)產(chǎn)品材料的創(chuàng)新：例如大慶石化總廠8個直徑6m、高20m的ABS料倉的防腐問題，采用了碳鋼材料加內(nèi)表面電弧噴涂防腐層的方法代替了昂貴的不銹鋼倉體。表面工程與制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新表面工程的實(shí)施還可以促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品性能的創(chuàng)新：例如在切削刀具上應(yīng)用離子鍍新技術(shù)，可使刀具壽命延長2~10倍，切削速度、進(jìn)給量和零件的光潔度亦大幅度提高，為加工自動化提供了有力的支持。表面工程與制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新

機(jī)械維修伴隨著機(jī)械制造，有制造就必有維修。一方面由于人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，“用后丟棄”的觀念開始向“再制造”的觀念轉(zhuǎn)變；另一方面，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使原先的原樣修復(fù)變成為超過原始性能的改進(jìn)性修復(fù)，由原先的被動修理變?yōu)橹圃炫c維修一起納入設(shè)備和零部件的設(shè)計、制造與運(yùn)行的全過程，以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、低污染為目標(biāo)的系統(tǒng)工程。表面工程與機(jī)械維修創(chuàng)新1984年美國“技術(shù)評論”提倡舊品翻新或再生，并稱為“重新制造”。在重新制造中采用各種先進(jìn)維修技術(shù)，把因損壞、磨損或腐蝕等而失效的可能維修的機(jī)械零件翻新如初。據(jù)美國1996年統(tǒng)計，美國重新制造的公司構(gòu)成一個價值530億美元的產(chǎn)業(yè)，雇傭48萬人。美國商務(wù)部分析認(rèn)為，表面技術(shù)、新材料技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、生物技術(shù)、自動化及傳感技術(shù)、電子技術(shù)、醫(yī)學(xué)技術(shù)等七項(xiàng)技術(shù)將成為主導(dǎo)21世紀(jì)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。日本也提出了“再生工廠技術(shù)”的概念。表面工程與機(jī)械維修創(chuàng)新1990年10月在德國召開的歐洲國家維修團(tuán)體聯(lián)盟第10次全體會議的主題是：“維修-對未來的投資”，反映了發(fā)達(dá)國家對維修的新認(rèn)識。我國改革開放以來，國家機(jī)關(guān)設(shè)立了設(shè)備管理維修業(yè)務(wù)主管部門，成立了中國設(shè)備管理協(xié)會，國務(wù)院頒布了設(shè)備管理?xiàng)l例設(shè)備維修中的三大通用技術(shù)即計算機(jī)技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)、表面工程技術(shù)得到了大力推廣。需要對“再制造”技術(shù)從可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的高度進(jìn)行再認(rèn)識表面工程與機(jī)械維修創(chuàng)新

表面工程在維修中的運(yùn)用，不僅保障了設(shè)備的正常運(yùn)行，較好地解決了進(jìn)口設(shè)備配件問題，而且還為新一代產(chǎn)品的設(shè)計制造積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。表面工程技術(shù)在維修中的應(yīng)用已成為新產(chǎn)品應(yīng)用表面工程技術(shù)的先導(dǎo)。表面工程與機(jī)械維修創(chuàng)新機(jī)械維修伴隨著機(jī)械制造，有制造就必有維修。表面工程為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了工藝及材料支持在電子信息技術(shù)中表面工程可提供關(guān)鍵的薄膜材料及功能器件在超大規(guī)模集成電路中理想的功能材料是采用化學(xué)氣相沉積的金剛石薄膜，它具有極為優(yōu)異的導(dǎo)熱性、高介電性和半導(dǎo)體性能。采用氣相沉積、電鍍、刷鍍、激光等表面技術(shù)可以獲得非晶態(tài)薄膜或涂層。非晶硅具有優(yōu)良的光吸收能力，而且可以大面積涂敷，成本也比較低，是理想的光電轉(zhuǎn)換材料。表面工程與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展表面工程為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了工藝及材料支持。

據(jù)統(tǒng)計，世界鋼產(chǎn)量的1/10由于腐蝕而損失，機(jī)電產(chǎn)品提前失效的原因70%屬于腐蝕和磨損，機(jī)電產(chǎn)品制造和使用中大約1/3的能源直接消耗于摩擦磨損。表面工程與節(jié)約能源、資源表面工程與節(jié)約能源、資源我國機(jī)電系統(tǒng)1990年調(diào)查27個省市約400個企業(yè)，腐蝕損失達(dá)116億元，磨損損失與之相近。據(jù)估計，我國每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失至少達(dá)2000億元，占國民生產(chǎn)總值的2%~4%。

表面工程最大的優(yōu)勢是能夠以多種方法制備出優(yōu)于基體材料性能的表面功能薄層，該薄層厚度一般從幾十微米到幾毫米，僅占工件整體厚度的幾百分之一到幾十分之一，但卻使工件具有