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1、厦门大学材料表面工程第一厦门大学材料表面工程第一章章 第一章第一章 绪论绪论 1-2 材料表面工程技术的发展与分类材料表面工程技术的发展与分类材料表面工程技术的发展概况材料表面工程技术的发展概况 传统的表面工程技术，诸如表面热处理、表面渗碳及油漆技术，传统的表面工程技术，诸如表面热处理、表面渗碳及油漆技术，其历史已有几百年，甚至上千年。其历史已有几百年，甚至上千年。 无机涂层工艺也是表面技术中的一个重要组成部分，远在无机涂层工艺也是表面技术中的一个重要组成部分，远在3000多年前的商代就出现了青釉（用石灰石和粘土制成的无机涂层）；多年前的商代就出现了青釉（用石灰石和粘土制成的无机涂层）；把这一
2、种工艺进一步改进，到了周朝出现了琉璃，即多种彩色的把这一种工艺进一步改进，到了周朝出现了琉璃，即多种彩色的釉；发展到唐朝成了世界闻名的釉；发展到唐朝成了世界闻名的“唐三彩唐三彩”。传统的表面淬火，已由火焰加热，改为高频加热，近些年应用激传统的表面淬火，已由火焰加热，改为高频加热，近些年应用激光束、电子束的淬火技术，已逐渐在扩大应用。光束、电子束的淬火技术，已逐渐在扩大应用。古老的渗碳工艺，由于计算机的发展，实现了自动控制，使处理古老的渗碳工艺，由于计算机的发展，实现了自动控制，使处理的质量得到了改善。的质量得到了改善。 电镀技术作为一门古老的表面工程技术。在相当长的一段电镀技术作为一门古老的表
3、面工程技术。在相当长的一段历史时期内，电镀仅限于镀覆纯金属，目前已能成功地镀历史时期内，电镀仅限于镀覆纯金属，目前已能成功地镀覆多种合金，甚至把陶瓷和金刚石粉末同时镀在要求抗磨覆多种合金，甚至把陶瓷和金刚石粉末同时镀在要求抗磨的表面上。的表面上。20来年前发明的电刷镀，也称无槽电镀，在修来年前发明的电刷镀，也称无槽电镀，在修复和局部保护方面，有独特的用处。复和局部保护方面，有独特的用处。化学镀的历史源自银镜镀，最早是作为塑料电镀预处理的化学镀的历史源自银镜镀，最早是作为塑料电镀预处理的工艺工艺塑料表面金属化工艺而着手开发的，近些年已作塑料表面金属化工艺而着手开发的，近些年已作为一门独立的镀覆工
4、艺进行开发、研究和应用。为一门独立的镀覆工艺进行开发、研究和应用。高分子涂装技术在二十世纪高分子涂装技术在二十世纪50年代以前几乎全部是油性年代以前几乎全部是油性涂料和天然树脂涂料，而涂料和天然树脂涂料，而50年代之后，合成树脂涂料迅年代之后，合成树脂涂料迅速发展，到目前合成树脂已占了涂料的大部，而且生产速发展，到目前合成树脂已占了涂料的大部，而且生产出适用各种环境下对材料进行保护的品种。出适用各种环境下对材料进行保护的品种。近近20年来，为了减少挥发溶剂对环境的污染，并节约溶年来，为了减少挥发溶剂对环境的污染，并节约溶剂，水系涂料得到迅速的开发，水系电泳涂料已在汽车剂，水系涂料得到迅速的开发
5、，水系电泳涂料已在汽车行业中广泛采用。行业中广泛采用。粉体涂料在二十世纪粉体涂料在二十世纪60年代开始问世，在年代开始问世，在80年代之后，年代之后，产量大幅度增加。产量大幅度增加。涂装工艺也得到了很大发展，由古老的刷涂，空气喷涂，涂装工艺也得到了很大发展，由古老的刷涂，空气喷涂，发展为静电喷涂、流化床涂装、电泳涂装及静电粉末涂发展为静电喷涂、流化床涂装、电泳涂装及静电粉末涂装。装。由于涂料和涂装技术的进步，加之该处理工艺的经济性，由于涂料和涂装技术的进步，加之该处理工艺的经济性，至今涂料工程占整个表面工程的约至今涂料工程占整个表面工程的约50。热喷涂技术作为一种新的表面防护和表面强化工艺在近
6、热喷涂技术作为一种新的表面防护和表面强化工艺在近20多年里得到了迅速的发展。多年里得到了迅速的发展。由早期制备一般的装饰性和防护性涂层发展到制备各种由早期制备一般的装饰性和防护性涂层发展到制备各种功能性涂层；由产品的维修发展到大批量的产品制造；功能性涂层；由产品的维修发展到大批量的产品制造；由单一涂层发展到包括产品失效分析、表面预处理、喷由单一涂层发展到包括产品失效分析、表面预处理、喷涂材料和设备的选择、涂层系统设计和涂层后加工等在涂材料和设备的选择、涂层系统设计和涂层后加工等在内的热喷涂系统工程。内的热喷涂系统工程。 热喷涂技术的发展是从使用条件最苛刻、要求最严格的热喷涂技术的发展是从使用条
7、件最苛刻、要求最严格的宇航工业开始，然后迅速向各民用工业部门扩展开来的。宇航工业开始，然后迅速向各民用工业部门扩展开来的。目前，热喷涂技术已成为金属表面科学领域中一个十分目前，热喷涂技术已成为金属表面科学领域中一个十分活跃的独立学科。活跃的独立学科。浸渗金属近一二十年来渗入材料的种类正在迅速增多，浸渗金属近一二十年来渗入材料的种类正在迅速增多，工艺不断改进，控制技术也有了较大的提高。工艺不断改进，控制技术也有了较大的提高。近近30年来，许多新的科学技术渗透到表面处理技术领域，表面工程技年来，许多新的科学技术渗透到表面处理技术领域，表面工程技术得到迅速的开发，由此开发出来的表面处理技术构成了目前
8、材料表面术得到迅速的开发，由此开发出来的表面处理技术构成了目前材料表面新技术的主流。新技术的主流。例如：激光是二十世纪例如：激光是二十世纪60年代出现的重大科学技术成就之一；年代出现的重大科学技术成就之一；70年代制造出大功率的激光器以后，便开始用激光加热进行年代制造出大功率的激光器以后，便开始用激光加热进行表面淬火。表面淬火。用激光和电子束加热，由于能量集中、加热层薄和靠自激冷用激光和电子束加热，由于能量集中、加热层薄和靠自激冷却，因而淬火变形小，且不用淬火介质，有利于环境保护，却，因而淬火变形小，且不用淬火介质，有利于环境保护，便于实现自动化。便于实现自动化。激光、电子束用于表面加热后，就
9、使表面强化技术超出了热激光、电子束用于表面加热后，就使表面强化技术超出了热处理范畴，可以通过熔化处理范畴，可以通过熔化结晶过程、熔融合金化结晶过程、熔融合金化结晶过结晶过程、熔化程、熔化非晶态过程，大幅度改变硬化层的结构与性能。非晶态过程，大幅度改变硬化层的结构与性能。材料的表面气相沉积也是近年来发展最快的一些表面处理新工艺，材料的表面气相沉积也是近年来发展最快的一些表面处理新工艺，是提高材料使用性能和寿命的有效途径。是提高材料使用性能和寿命的有效途径。 气相沉积法中化学气相沉积是利用镀层材料的挥发性气相沉积法中化学气相沉积是利用镀层材料的挥发性化合物气体分解化合物气体分解 或化合反应后沉积成
10、膜；或化合反应后沉积成膜； 物理气相沉积则是利用真空蒸发、溅射、离子镀等方物理气相沉积则是利用真空蒸发、溅射、离子镀等方法沉积成膜。法沉积成膜。 这些薄膜强化新技术用材广泛、适用面宽，已广泛用这些薄膜强化新技术用材广泛、适用面宽，已广泛用于机械制造、冶金工业以及宇航、核能等领域。于机械制造、冶金工业以及宇航、核能等领域。二十世纪二十世纪70年代发展起来的离子注入新技术，利用注年代发展起来的离子注入新技术，利用注入离子可得到过饱和固溶体、非晶态和某些化合物层，入离子可得到过饱和固溶体、非晶态和某些化合物层，能改变材料摩擦系数，增加表面硬度，提高耐磨性及抗能改变材料摩擦系数，增加表面硬度，提高耐磨
11、性及抗蚀性，延长了零件的使用寿命。蚀性，延长了零件的使用寿命。 材料表面工程技术的分类材料表面工程技术的分类 1按工艺特点进行分类按工艺特点进行分类 材料表面工程技术按工艺特点可大致分为以下材料表面工程技术按工艺特点可大致分为以下13类：类：电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、表面彩色、气相沉积、装、表面彩色、气相沉积、“三束三束”改性以及表面热处理、改性以及表面热处理、形变强化和衬里。每类又可分为一些更细的工艺项目。形变强化和衬里。每类又可分为一些更细的工艺项目。 2按学科特点进行分类按学科特点进行分类按学科特点可将表面新技
12、术大致划分为以下三个方面：按学科特点可将表面新技术大致划分为以下三个方面：表面合金化技术表面合金化技术 包括喷焊、堆焊、离子注入、激光包括喷焊、堆焊、离子注入、激光溶敷、热渗镀等。溶敷、热渗镀等。(2) 表面覆层与覆膜技术表面覆层与覆膜技术 包括热喷涂、电镀、化学转化包括热喷涂、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金属染色、处理、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金属染色、热浸镀等。热浸镀等。(3) 表面组织转化技术表面组织转化技术 包括激光、电子束热处理技术以包括激光、电子束热处理技术以及喷丸、辊压等表面加工硬化技术。及喷丸、辊压等表面加工硬化技术。 3按表面改质的目的或性质分类按表面改质的目的或性质分类（1）表面耐磨和减磨技术；）表面耐磨和减磨技术；（2）表面耐蚀抗氧化技术；）表面耐蚀抗氧化技术；（3）表面强化）表面强化(提高疲劳强度提高疲劳强度)技术；技术；（4）表面装饰技术；）表面装饰技术；（5）功能表面技术及表面修复技术。）功能表面技术及表面修复技术。