第5讲表面工程披术 引言 表面工程形成一门独立的学科虽然只是近20年的事,但其发展之快、涉 及范围之广、对人们生产生活影响之大是当初大多数人所始料未及的。表面 工程的概念由英格兰伯明翰大学教授汤·贝尔( Tom Bell)于1983年首次提 出,现已发展成为跨学科的边缘性、综合性、复合型学科。 表面工程是将材料表面与基体一起作为一个系统进行设计,利用表面改 性技术、薄膜技术和涂镀层技术,使材料表面获得材料本身没有而又希望具 有的性能的系统工程。可以说,在材料表面上所发生的各种技术都是表面工 程的一部分。 表面工程以最经济和最有效的方法改变材料表面及近表面区的形态、化 学成分和组织结构,或赋予材料一种全新的表面。一方面它可有效地改善和 提高材料和产品的性能(耐蚀、耐磨、装饰性能),确保产品使用的可靠性和 安全性,延长使用寿命,节约资源和能源,减少环境污染:另一方面还可赋 予材料和器件特殊的物理和化学性能。随着现代科学技术的发展,表面工程 技术在表面物理和表面化学理论的基础上,融汇了现代材料学,现代信息技 术,现代工程物理,现代医学,现代农学,现代制造技术,在工业、农业、 能源、医学、信息、工程、环境和与人类生活密切相关的领域取得了突飞猛 进的发展 1.袁面工租的形成与产业的发長 表面工程技术可以追溯到古代。早在遥远的年代,人类就己在木材表面 涂刷桐油来增强木材的强度、抗水性和防虫蛀。3千多年前中国的大漆,2 千多年前秦始皇墓中青铜剑表面改性就是极好的例证。20世纪80年代在秦 始皇墓二号坑出土了19把青铜剑,经历了二千多年时光的考验,竞光亮如新 锋利如初,甚至可以切断一根发丝,实在是一个奇迹。经分析,这是因为表
第 5 讲 表面工程技术 引言 表面工程形成一门独立的学科虽然只是近 20 年的事，但其发展之快、涉 及范围之广、对人们生产生活影响之大是当初大多数人所始料未及的。表面 工程的概念由英格兰伯明翰大学教授汤·贝尔（Tom Bell）于 1983 年首次提 出，现已发展成为跨学科的边缘性、综合性、复合型学科。 表面工程是将材料表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用表面改 性技术、薄膜技术和涂镀层技术，使材料表面获得材料本身没有而又希望具 有的性能的系统工程。可以说，在材料表面上所发生的各种技术都是表面工 程的一部分。 表面工程以最经济和最有效的方法改变材料表面及近表面区的形态、化 学成分和组织结构，或赋予材料一种全新的表面。一方面它可有效地改善和 提高材料和产品的性能（耐蚀、耐磨、装饰性能），确保产品使用的可靠性和 安全性，延长使用寿命，节约资源和能源，减少环境污染；另一方面还可赋 予材料和器件特殊的物理和化学性能。随着现代科学技术的发展，表面工程 技术在表面物理和表面化学理论的基础上，融汇了现代材料学，现代信息技 术，现代工程物理，现代医学，现代农学，现代制造技术，在工业、农业、 能源、医学、信息、工程、环境和与人类生活密切相关的领域取得了突飞猛 进的发展。 1．表面工程的形成与产业的发展 表面工程技术可以追溯到古代。早在遥远的年代，人类就已在木材表面 涂刷桐油来增强木材的强度、抗水性和防虫蛀。3 千多年前中国的大漆，2 千多年前秦始皇墓中青铜剑表面改性就是极好的例证。20 世纪 80 年代在秦 始皇墓二号坑出土了 19 把青铜剑，经历了二千多年时光的考验，竟光亮如新、 锋利如初，甚至可以切断一根发丝，实在是一个奇迹。经分析，这是因为表
第5讲表面工程技术 339 面有一层厚度为10um的含铬的氧化层。进入到20世纪,通过各种物理化 学方法在材料表面制造涂层和薄膜,已发展成为比较成熟的系统的工程技术。 到80年代提出了表面工程这个新概念的时候,表面工程技术已成为世界上 10大关键技术之一。1986年国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程 联合会,1987年中国机械工程学会表面工程研究所成立。进入90年代,其 发展势头更猛,各国竟先把表面工程列入研究发展规划。美国工程科学院向 美国国会提出的2000年前集中力量加强发展的9项科学技术中,有关材料的 项目仅提出了材料表面科学与表面技术的研究。 我国于1987年由中国机械工程学会建立了学会性质的表面工程研究所 1988年《中国表面工程》杂志在中国创刊,1997年经国家科委正式批准更名 为《中国表面工程》,面向国内外公开发行,2000年,全国焊接学会将原来 的“堆焊与热喷涂专业委员会”正式更名为“堆焊及表面工程专业委员会”。 从1989年召开了第一届全国表面工程学术交流会起,以后每两年召开一次 并先后于1997年11月和1999年10月在上海召开了第一届及第二届表面工 程国际会议。与此同时,我国的大专院校、科研院所、工矿企业也相继建立 了数以百计的以“表面工程”或“表面技术”冠名的研究机构,从而使表面 工程的发展达到了一个新的高度。图1列出了表面工程产业的概览。 简言之,表面工程技术通过各种技术手段发展了材料的性能,丰富了材 料的用途,满足了社会发展的需要,开创了材料发展的新纪元。随着生产技 术的进步,必将促使表面工程技术领域涌现出越来越多的新技术、新方法, 以便与日益进步的社会发展相适应。正如一些国内外知名专家预言:表面工 程学科将在新世纪成为工程技术领域中令人瞩目的核心学科和重要学科。 2面披术的分真 表面技术有着十分广泛的内容,仅从一个角度进行分类难于概括全面, 目前也没有统一的分类方法,从图1中可见,表面工程技术有很多种,但大 体可以将表面工程技术分为三类:表面改性技术、薄膜技术和涂镀层技术。 表面改性技术图1中的表面改性和表面转化两个方面的技术都可属于
第 5 讲 表面工程技术 ·339· 面有一层厚度为 10μm 的含铬的氧化层。进入到 20 世纪，通过各种物理化 学方法在材料表面制造涂层和薄膜，已发展成为比较成熟的系统的工程技术。 到 80 年代提出了表面工程这个新概念的时候，表面工程技术已成为世界上 10 大关键技术之一。1986 年国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程 联合会，1987 年中国机械工程学会表面工程研究所成立。进入 90 年代，其 发展势头更猛，各国竟先把表面工程列入研究发展规划。美国工程科学院向 美国国会提出的 2000 年前集中力量加强发展的 9 项科学技术中，有关材料的 项目仅提出了材料表面科学与表面技术的研究。 我国于 1987 年由中国机械工程学会建立了学会性质的表面工程研究所， 1988 年《中国表面工程》杂志在中国创刊，1997 年经国家科委正式批准更名 为《中国表面工程》，面向国内外公开发行，2000 年，全国焊接学会将原来 的“堆焊与热喷涂专业委员会”正式更名为“堆焊及表面工程专业委员会”。 从 1989 年召开了第一届全国表面工程学术交流会起，以后每两年召开一次， 并先后于 1997 年 11 月和 1999 年 10 月在上海召开了第一届及第二届表面工 程国际会议。与此同时，我国的大专院校、科研院所、工矿企业也相继建立 了数以百计的以“表面工程”或“表面技术”冠名的研究机构，从而使表面 工程的发展达到了一个新的高度。图 1 列出了表面工程产业的概览。 简言之，表面工程技术通过各种技术手段发展了材料的性能，丰富了材 料的用途，满足了社会发展的需要，开创了材料发展的新纪元。随着生产技 术的进步，必将促使表面工程技术领域涌现出越来越多的新技术、新方法， 以便与日益进步的社会发展相适应。正如一些国内外知名专家预言：表面工 程学科将在新世纪成为工程技术领域中令人瞩目的核心学科和重要学科。 2.表面技术的分类 表面技术有着十分广泛的内容，仅从一个角度进行分类难于概括全面， 目前也没有统一的分类方法，从图 1 中可见，表面工程技术有很多种，但大 体可以将表面工程技术分为三类：表面改性技术、薄膜技术和涂镀层技术。 表面改性技术 图 1 中的表面改性和表面转化两个方面的技术都可属于
34 第8章现代化学的研究进展 去油脱脂(化学、超声波、电磁场效应除油 表面前处理 除锈(化学、机械) 静电喷涂 涂料涂层 电泳 电镀 刷镀 电化学及化学沉积 化学镀 准分子激光诱导沉积 氧化着色 微弧阳极氧化 表面转化 常温发黑 原位复合氧化 离子注入 表面熔覆 固态相变化学热处理 面合金化 表面改性 液态相变化学热处理 表面感应重 机械抛丸物理强化 电弧喷涂 等离子喷涂 热喷涂(焊) 爆炸喷涂 超音速喷涂 火焰喷涂 溶胶一凝胶法制备薄膜 多极溅射 射沉积 电控溅射 射频磁控溅射 热蒸 镀 电子束蒸镀 真空物理沉积 离子束蒸镀 激光束蒸镀 电、磁加热离子镀 离子镀 离子束辅助沉积 激光诱发反应离子镀 化学气相沉积一等离子体增强CVD 激光辅助cVD 图1表面工程产业概览 表面改性技术。实际上“表面改性”是一个具有较为广泛涵义的技术名词
·340· 第 8 章 现代化学的研究进展 表面改性技术。实际上“表面改性”是一个具有较为广泛涵义的技术名词
第5讲表面工程技术 341 它可泛指“经过特殊表面处理以得到某种特殊性能的技术”。因此,有许多表 面涂镀层技术或薄膜技术也可看作表面改性技术。为了使各类技术归类完整 这里所说的表面改性技术是指“表面覆盖”以外的,通过用机械、物理、化 学等方法,改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态 或应力状态,来获得某种特殊性能的表面处理技术。 薄膜技术主要包括图1中的溶胶-凝胶法制备薄膜、真空物理沉积和化 学气相沉积中的技术。 涂镀层技术主要包括图1中的涂料涂层、电化学及化学沉积、热喷涂 中所列出的技术 表面工程技术为各个领域、各行各业高技术的发展开辟了新天地。它所 形成的表面改性层、薄膜和涂镀层几乎扩展到所能设想到的每个方面,同时 其基础理论也在不断丰富和发展。主要领域包括:①通过电沉积工艺在金属 (后发展到在塑料、陶瓷等非金属材料)基体表面制造多种金属或合金涂层; (2)在钢铁或其他基材表面涂刷涂料来获得漆膜,仅涂料一项,全球主要工业 国家统计1997年产量已达140亿升;③通过涂刷油、蜡、脂在材料表面得到 各类防锈润滑作用的涂膜;④通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积 (PVD)、磁控(电控)溅射等获得多种性能或用途的薄膜。据 BBC Inc统 计全球1995年CVD、PVD和离子注入业的设备材料销售值近90亿美元, 到2000年达150亿美元,年增长率74%,大于工业平均增长率。 涂层材料品种的发展也很快,已有单一金属、多种合金、高分子聚合物 工程塑料、合成橡胶、陶瓷、金属陶瓷、无机硅酸盐及具有特殊光、磁、电 性能等等材料。同时制造涂层和薄膜的工艺技术和工艺方法亦愈来愈多,有 电沉积、化学沉积、真空沉积、浸镀、刷镀、静电喷涂、电泳、电弧喷涂、 等离子喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂、热熔敷、激光熔覆等。各类制造涂层 与薄膜的工艺技术促进了相应工程装备的发展,工程技术界不断推陈出新, 各类加工制造用设备愈来愈先进。 值得一提的是,由于表面涂层、表面薄膜、表面改性在材料科学上的巨 大发展潜力,已涌现出将多种表面工程技术复合而形成的复合表面处理技术 目前已开发的一些复合表面处理如等离子喷涂与激光辐照复合、热喷涂与喷
第 5 讲 表面工程技术 ·341· 它可泛指“经过特殊表面处理以得到某种特殊性能的技术”。因此，有许多表 面涂镀层技术或薄膜技术也可看作表面改性技术。为了使各类技术归类完整， 这里所说的表面改性技术是指“表面覆盖”以外的，通过用机械、物理、化 学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态 或应力状态，来获得某种特殊性能的表面处理技术。 薄膜技术 主要包括图 1 中的溶胶-凝胶法制备薄膜、真空物理沉积和化 学气相沉积中的技术。 涂镀层技术 主要包括图 1 中的涂料涂层、电化学及化学沉积、热喷涂 中所列出的技术。 表面工程技术为各个领域、各行各业高技术的发展开辟了新天地。它所 形成的表面改性层、薄膜和涂镀层几乎扩展到所能设想到的每个方面，同时 其基础理论也在不断丰富和发展。主要领域包括：①通过电沉积工艺在金属 （后发展到在塑料、陶瓷等非金属材料）基体表面制造多种金属或合金涂层； ⑵在钢铁或其他基材表面涂刷涂料来获得漆膜，仅涂料一项，全球主要工业 国家统计 1997 年产量已达 140 亿升；③通过涂刷油、蜡、脂在材料表面得到 各类防锈润滑作用的涂膜；④通过化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积 （PVD）、磁控（电控）溅射等获得多种性能或用途的薄膜。据 BBC Inc.统 计全球 1995 年 CVD、PVD 和离子注入业的设备材料销售值近 90 亿美元， 到 2000 年达 150 亿美元，年增长率 7.4%，大于工业平均增长率。 涂层材料品种的发展也很快，已有单一金属、多种合金、高分子聚合物、 工程塑料、合成橡胶、陶瓷、金属陶瓷、无机硅酸盐及具有特殊光、磁、电 性能等等材料。同时制造涂层和薄膜的工艺技术和工艺方法亦愈来愈多，有 电沉积、化学沉积、真空沉积、浸镀、刷镀、静电喷涂、电泳、电弧喷涂、 等离子喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂、热熔敷、激光熔覆等。各类制造涂层 与薄膜的工艺技术促进了相应工程装备的发展，工程技术界不断推陈出新， 各类加工制造用设备愈来愈先进。 值得一提的是，由于表面涂层、表面薄膜、表面改性在材料科学上的巨 大发展潜力，已涌现出将多种表面工程技术复合而形成的复合表面处理技术。 目前已开发的一些复合表面处理如等离子喷涂与激光辐照复合、热喷涂与喷
第8章现代化学的研究进展 丸复合、化学热处理与电镀复合、激光淬火与化学热处理复合、化学热处理 与气相沉积复合等,已经取得良好效果,有的还收到了意想不到的效果。 3.常见表面披术的原理与用 在上述三大类表面技术中,每一类又可分为多种技术,下面仅就几种常 见的利用化学或物理化学原理的表面技术及应用作一简单介绍。 31涂料 涂料( coating)是一种用于涂装物体表面形成涂膜,从而起到保护、装饰、 标志和其他特殊功能(如绝缘、防污、减阻、隔热、耐辐射、导电、导磁等) 的材料。 很久以前,涂料都是用植物油和天然树脂加工而成,所以通称油漆,1790 年英国建立了第一个油漆厂。随着工业的发展,合成树脂逐步取代了植物油, 所以现在把涂装物面的各种材料统称为涂料。涂料作为一个工业部门仅有百 年的历史,但其应用却非常广泛。在我们的周围,可以说涂料无处不在,从 室内的墙壁、冰箱、橱柜和家具,甚至录音录象带和光盘上,到户外的房屋、 汽车、船舶、桥梁、饮料罐以及口香糖包装等等地方随处可见 目前涂料品种已近千种、产量逐年增加。1996年全球涂料产量约2300万吨, 全球涂料市场为600亿美元左右。我国自改革开放20多年来,涂料产量的年 增长率约为10%,目前生产能力已超过250万吨,产量挤身于世界第三位。 下面就涂料的组成、分类和成膜的基本原理作一简单介绍。 1、涂料的组成 涂料的组成按功能包括4部分:成膜物质、颜料、溶剂和助剂,如图2 所示 ①成膜物质:是在涂料中能形成涂膜的主要物质,是决定涂料性能的 主要因素,有时也叫基料或漆料。主要有油酯、天然树脂、天然高分子及合 成树脂等
·342· 第 8 章 现代化学的研究进展 丸复合、化学热处理与电镀复合、激光淬火与化学热处理复合、化学热处理 与气相沉积复合等，已经取得良好效果，有的还收到了意想不到的效果。 3. 常见表面技术的原理与应用 在上述三大类表面技术中，每一类又可分为多种技术，下面仅就几种常 见的利用化学或物理化学原理的表面技术及应用作一简单介绍。 3.1 涂料 涂料(coating)是一种用于涂装物体表面形成涂膜，从而起到保护、装饰、 标志和其他特殊功能（如绝缘、防污、减阻、隔热、耐辐射、导电、导磁等） 的材料。 很久以前，涂料都是用植物油和天然树脂加工而成，所以通称油漆,1790 年英国建立了第一个油漆厂。随着工业的发展，合成树脂逐步取代了植物油， 所以现在把涂装物面的各种材料统称为涂料。涂料作为一个工业部门仅有百 年的历史，但其应用却非常广泛。在我们的周围，可以说涂料无处不在，从 室内的墙壁、冰箱、橱柜和家具，甚至录音录象带和光盘上，到户外的房屋、 汽车、船舶、桥梁、饮料罐以及口香糖包装等等地方随处可见。 目前涂料品种已近千种、产量逐年增加。1996 年全球涂料产量约 2300 万吨， 全球涂料市场为 600 亿美元左右。我国自改革开放 20 多年来，涂料产量的年 增长率约为 10%，目前生产能力已超过 250 万吨，产量挤身于世界第三位。 下面就涂料的组成、分类和成膜的基本原理作一简单介绍。 1、涂料的组成 涂料的组成按功能包括 4 部分：成膜物质、颜料、溶剂和助剂，如图 2 所示。 ① 成膜物质：是在涂料中能形成涂膜的主要物质，是决定涂料性能的 主要因素，有时也叫基料或漆料。主要有油酯、天然树脂、天然高分子及合 成树脂等