表面工程学分析.ppt

表面工程学 绪 论 材料表面改性：改变材料表面性能，延长其使用寿命，意义重大。 材料表面改质：改变材料的化学成分，使其有特殊功能，拓宽材料使用领域，如合金化、绝缘、导电、防腐、抗氧化等。 1 材料的失效形式 大体分两类：整体失效（断裂、疲劳断裂、变形失去精度）；由 磨损、氧化、腐蚀等造成局部破坏而失效，这种失效占总失效零件的2/3，说明表面改性、改质的重要性。 例如：据国外发达国家统计，每年钢材腐蚀损失占钢材总量的10％，经济损失占国民经济总产值的２％～４％，我国国家科委对金属腐蚀做过调查，每年损失达100～200亿元之多．如果加上因腐蚀造成的停工、停产那损失会更大． 　　用电弧喷涂铝涂层的桥梁、构架等防腐效果可达20年，而普通油漆仅为２年 工,模具经耐磨处理,使用寿命一般提高3~5倍,高的可达十倍. 再制造:1984年美国技术评论提倡旧品翻新或再生,并称为”重新制造”.利用各种维修技术,它把因损坏,磨损或腐蚀等而失效的可维修的机械零件翻旧如初,减少对能源`原材料和经费的浪费以及对环境的污染.重新制造所需的能源为制造新品的20%~60%,而价格却只有新品的40%~60%. 应用例子:三峡工程挖泥船的发动机曲轴,磨损,换新的120万,日本进口需三个月.采用电弧喷涂技术修理,总费用3.5万,不足曲轴价格的3%,其经济效益十分明显.这类的例子很多,不一一列举. 3 常用表面改性的方法及效果 高能表面热处理　激光热处理；电子束热处理；高频电阻感应加热处理；钨极惰性气体保护电弧和等离子转移弧焊炬热处理；太阳能处理；高频感应脉冲热处理。 超硬化合物表面涂覆处理　　CVD处理 PVD处理 TD处理 离子轰击热处理　　离子氮化；离子渗碳；离子渗金属；离子多元渗。 4表面工程学科体系 1)表面工程基础理论 表面失效分析;表面摩擦与磨损;表面腐蚀与防护;表面界面结合与复合. 2)表面技术及复合表面技术 复合表面技术;化学转换膜技术;表面改性技术;表面涂层(厚膜)技术;表面薄膜技术;表面化学粘涂技术;摩擦化学膜技术;表面机械强化技术. 3)表面加工技术 表面预处理加工;表面层的机械加工;表面层的特殊加工 4)表面质量检测与控制 表面几何特性与检测;表面力学特性与检测;物理及化学特性与检测;表面分析技术 5)表面技术设计 表面层材料设计;表面层结构设计;表面层工艺设计;表面工程车间设计及表面工程车;表面技术经济分析. 1高能量密度表面处理 1.1概述 高能量表面处理：是以很高的能量密度，施加到材料的表面，使之产生物理和化学变化，达到处理的方法。 特点：1）能量被集中到一定的范围和深度，因此只加热表面和表层。 激光加热、钢的导热系数λ=35—39Kcal/m2h℃,箱式炉比热流量Q=2000 Kcal/m2h 则箱式炉可能达到的温度梯度为Q/λ= dt /dx=5℃-6℃/cm ,Φ20圆棒截面温差8℃—9℃ ，,Φ100截面温差为30℃ ，不能实现表面淬火，必须提高Q 氧-乙炔、感应、电接触加热，Q104w/cm2 V加100℃/s 。 激光加热、电子束加热Q 109w/cm2 超快上加热 1.2 激光热处理 1.2.1 激光与特性 原理：激光是被其它辐射感应而发生的辐射，所以也称为感应辐射。 物质的粒子存在着一系列的能级层，设处于高能级（E2）和低能级（E1）的粒子数分别为N2和N1,它们服从波尔兹曼分布： N1/N2=e -(E2-E1)/KT =e - hγ/kT 常温下N1N2 . 自发辐射：高能粒子可以自发跃迁到低能级发出辐射光子hv,这称为自发辐射。 反之，低能级的粒子可以受外来的激发（如光·电的激发）吸收光子跃迁上高能级。 受激辐射：部分高能级粒子，可在辐射感应之下，跃迁到低能级而发出光子hv这称为受激辐射。 自发辐射与受激辐射不同，前者所发出的光子之间，没有固定的相位关系，而后者与去感应的辐射具有相同的频率和相位，因此，受激辐射发出的光比自发辐射发出的光要强。 要想获得激光必须具备以下两个条件，缺一不可. 建立“粒子数反转”的非平衡状态，即N2N1 只有这样，受激辐射得以占优势的进行下去，这就要找到能实现粒子数反转的工作物质。 （2）建立一个谐振箱，当外来的或腔内自发的频率信号，在腔内谐振在工作物质中多次往返时，有足够的机会去感应处于粒子数反转的工作物质，才能产生激光。被感应的辐射与感应的辐射同方向、同相位、同频率、同偏振的性质。这些被感应的辐射又去感应其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，因而产生强烈的激光。 图 1激光原