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1、现代表面工程技术现代表面工程技术表面的失效形式磨损和腐蚀是机械设备零部件表面的两大主要失效形式，涉及工农业生产和人民生活的各个领域，它们所导致的经济损失十分惊人。据不完全统计，世界能源的1/3-1/2消耗于摩擦，机械零件80失效原因是磨损；据一些工业发达国家的统计，每年由于腐蚀造成的直接损失约占国民生产总值的14。磨损和腐蚀均发生于表面 磨损和腐蚀是发生于机械设备零部件表面的材料流失的过程，虽然磨损与腐蚀是不可避免的，但若采取得力措施，可以提高机件的耐磨性、耐蚀性。采用表面防护措施延缓和控制表面的破坏，成为解决上述问题的有效方法，在解决问题的同时，促进了表面工程科学和表面技术的形成与发展。表面
2、工程学的定义 根据表面工程学学科特点及发展规律，其定义是指为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理方法与工艺。表面工程技术分属于不同的学科化学热处理、表面淬火技术属于金属材料学；电镀与电刷镀、涂装技术属应用化学或化工工程学；真空镀膜、离子镀等常归类于物理电子学等。表面工程学的内涵 表面改性技术：即能够提高零部件表面的耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能，或装饰零部件表面，或者使材料表面具有各种特殊功能(如电性能、磁性能和光电性能等)的有关工程技术。表面加工技术：即能够在材料表面加工或制作各种功能结构元器件的有关技术，如能够在单晶硅表面制作大规模集成电路
3、的光刻技术、离子刻蚀技术等。表面工程学的内涵 表面合成材料技术：即借助各种手段在材料表面合成新材料的技术，如纳米粒子制备过程中的表面工程技术、离子注入制备或合成新材料等。表面加工三维合成技术：即将二维表面加工累积成三维零件的快速原型制造技术等。上述几个要点的组合或综合。表面工程学的内涵 由单纯表面改性(surface modification)扩展到表面加工和合成新材料，实施对象由“结构材料”扩展到“功能材料”，涵盖材料学、材料加工工程、物理、化学、冶金、机械、电子与生物领域的有关技术与科学，交叉学科的特征。表面工程学的内涵 表面工程技术所涉及的基材包括几乎所有的工程材料，如金属、陶瓷、半导体
4、材料、高分子材料、混凝土、木材和各类复合材料等，所涉及的工艺方法数以百计，各具特点。同样的工艺应用于不同的材料，或相同的材料采用不同的工艺，所得效果可能会相去甚远。表面工程技术的特点（一）主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大。可以制备表面性能与基材性能相差很大的复合材料。对于要求综合力学性能良好的零部件(如要求表面耐磨性好、内部韧性好)来说十分重要，有时甚至是制造这类零部件的唯一工艺手段。表面工程技术的特点（二）采用表面涂(镀)、表面合金化技术取代整体合金化。表面工程技术被广泛应用于提高材料的耐磨、耐蚀、抗高温氧化性能，零部件的表面装饰以及各类零件的修复等方面。表面工程技
5、术的特点（三）表面工程技术可以兼有装饰和防护功能，在人们的周围创造了一个五彩缤纷的世界，推动了产品的更新换代。采用表面工程技术还可以在大气与水质净化、抗菌灭菌和疾病治疗等方面发挥重要作用。表面工程技术的特点（四）以化学气相沉积、物理气相沉积、掩膜、光刻技术为代表的表面薄膜沉积技术和表面微细加工技术是制作大规模集成电路、光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础技术。表面工程技术的特点（五）计算机技术与材料科学、精密机械和数控技术相结合，使二维的表面处理技术发展成为三维零件制造技术，创造了全新的制造方法-生长型制造法，不仅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高。表面工程技
6、术的特点（六）表面工程技术已成为制备新材料的重要方法，如可以在材料表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合金等。表面工程技术是影响21世纪人类生活的七大关键技术之一，与计算机科学、生命科学、新能源技术、新材料技术、信息技术和先进制造技术并列。表面工程技术的作用 表面工程技术的作用是多种多样的，但其最主要的作用为提高金属机件的耐蚀性、耐磨性及获得电、磁、光等功能性表面层。拓宽了材料的应用领域1.可用一般的材料代替稀有的、昂贵的材料制造机器零件，而不降低甚至超过原机件的质量。2.可以把两种或两种以上的材料复合，各取其长，解决单一材料解决不了的问题。3.延长在苛刻条件下服役机件的寿命。4.赋予材料特殊
7、的物理、化学性能，有助于某些尖端技术的开发。5.可成功地修复磨损、腐蚀的零件。工程表面技术分类（领域）工程表面技术分类（领域）表面涂镀技术表面涂镀技术表面扩渗技术表面扩渗技术表面处理技术表面处理技术表面涂镀技术表面涂镀技术将液态涂料涂敷在材料表面，或者是将镀料原子沉积在材料表面，从而获得晶体结构、化学成分和性能有别于基体材料的涂层或镀层。此类技术有有机涂装、热浸镀、热喷涂、电镀、化学镀和气相沉积等；表面扩渗技术表面扩渗技术将原子渗入（或离子注入）基体材料的表面，改变基体表面的化学成分，从而达到改变其性能的目的。它主要包括化学热处理、阳极氧化、表面合金化和离子注入等表面处理技术表面处理技术通过加
8、热或机械处理，在不改变材料表层化学成分的情况下，使其结构发生变化，从而改变其性能。常用的表面处理技术包括表面淬火、激光重熔和喷丸等。工程表面技术分类（学科）工程表面技术分类（学科）1.表面合金化技术包括喷焊、堆焊、离子注入、激光熔敷、热渗镀等。2.表面覆盖与覆膜技术包括热喷镀、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、金属染色、热浸镀等。3.表面组织转化技术包括激光、电子束热处理技术及喷丸、滚压等表面加工硬化技术。工程表面技术分类（工艺一）工程表面技术分类（工艺一）电镀包括合金电镀、复合电镀、电刷镀、非晶态电镀、非金属电镀等。涂装包括特殊用途及特殊类型的新涂料及新的涂装工艺。堆焊包括自动埋弧
9、堆焊、振动电弧堆焊、CO2保护自动堆焊、等离子堆焊等。工程表面技术分类（工艺二）工程表面技术分类（工艺二）热喷涂包括火焰丝材喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂及爆炸喷涂等。热渗镀分固体渗、液体渗、气体渗和等离子渗。其中液体渗中包含一种覆层和渗镀结合在一起的技术，称为热浸镀，热浸镀只用于低熔点金属或合金。工程表面技术分类（工艺三）工程表面技术分类（工艺三）化学转化膜包括阳极氧化、化学氧化、磷酸盐膜、铬酸盐膜和草酸盐膜等。彩色金属包括电化学着色、化学着色及染料染色。气相沉积分为化学气相沉积和物理气相沉积。三束改性包括离子束技术、电子束技术和激光束技术。工工程程表表面面技技术术分分类类表面工程技术发展的主攻
10、方向1.1.离子技术离子技术2.2.激光技术激光技术3.3.复合技术复合技术主攻方向之一：离子技术离子技术离子渗氮技术：由于渗层不均匀，质量不稳定进展很慢。对电路和设备加以改进之后，这些问题才得以解决。等离子渗碳和氮碳共渗技术：渗层质量、工艺稳定性都存在问题，设备利用率不高。等离子喷涂技术：几乎任何材料都能用等离子喷涂在几乎任何基体材料上。主攻方向之一：离子技术离子技术 离子镀和等离子化学气相沉积：在高速钢刀具上镀氮化钛硬质膜。磁控溅射：主要用于电子材料及金属材料领域（例如不锈钢表壳和带镀氮化钛仿金膜；塑料制品镀铬和铝）。离子注入：主要是在工具和模具表面注入氮以提高其耐磨性。离子注入的主要缺点
11、是生产率低。主攻方向之二：激光技术激光技术 激光能源具有能量密度高、易于传输等特点，几乎被各类表面技术采用。激光表面技术按激光对基材表面的作用可分为三类：1.激光涂镀（激光不照射基材）；2.激光热处理；3.激光熔融（激光熔化基材表面）。主攻方向之二：激光技术激光技术激光涂镀（激光不照射基材）1.激光蒸镀；2.激光化学热处理；3.激光喷涂；4.激光电镀；5.激光化学镀。主攻方向之二：激光技术激光技术 激光热处理1.激光淬火；2.激光退火；3.激光冲击硬化。主攻方向之二：激光技术激光技术激光熔融（激光熔化基材表面）1.激光非晶化；2.激光细晶化；3.激光冷凝硬化；4.激光表面合金化。主攻方向之三：
12、复合技术复合技术厚硬化层：表面淬火的硬化层、化学热处理的渗碳和渗氮层、热喷涂金属陶瓷层、电镀的硬化铬和化学镀镍磷层等，厚度为0.1l mm量级，硬度400 800HV；薄硬化层：气相沉积氮化钦和碳化钛层等，厚度为m量级，硬度2000 3000HV；这类还有离子注入的含氮层，厚度为0.1m量级，硬度并不高，仅使淬硬钢的硬度增加30%(1300HV)主攻方向之三：复合技术复合技术 耐磨镀层的复合技术相应地向两方面发展：1.厚硬化层增硬2.薄硬化层增厚厚硬化层增硬的复合技术 复合技术 表层结构 渗碳液体渗钒 VC 渗碳液体渗硼 Fe2B 渗碳液体渗铬 Cr2O3 液体渗硼液体渗铬化学气相沉积氮化钛
13、TiN 刷镀钴-8%钨合金离子注入氮 Co基体中弥散Co4N和W2N 电镀硬铬离子注入氮 Cr基体中弥散Cr2N和CrN 薄硬化层增厚的复合技术离子束动态共混这一复合技术是在气相沉积的同时进行离子注入，可以得到厚度10m而结合良好的膜层。镀制方法是在电子束蒸镀钛的同时，用40keV的氮化离子轰击膜层。薄硬化层增厚的复合技术用离子束共混装置镀TiN和TiC外，还镀制成功Si3N4和立方氮化硼。在镀氮化钛时发现离子注入射角为45时，结构最强，TiN膜的硬度达到3500HV，而离子镀TiN的硬度为2000HV。薄硬化层增厚的复合技术化学气相沉积与离子注入相结合的复合技术：在化学沉积BN的同时用离子注入氮，可得单晶膜层。薄硬化层增厚的复合技术热喷涂技术与其它技术也形成一些复合技术。例如热喷涂-激光重熔，热喷涂-电镀，电镀-热喷涂等。电镀层经激光重熔后转变为非晶态可以提高抗蚀性。薄硬化层增厚的复合技术等离子气相沉积、离子镀和磁控溅射这三种技术复合的连续镀膜工艺。反应磁控溅射和离子镀易于调节膜层成分，可以在不锈钢上镀20多种不同彩色的陶瓷膜。等离子化学气相沉积层的针孔少，适于在彩色镀层上覆盖透明的耐蚀保护膜SiO2或Si3N4，但受气源种类限制，并不适于镀制彩色陶瓷层。