表面工程

材料系统工程

表面工程是表面经过预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得表面所需性能的系统工程。表面工程技术是表面工程的核心和实质。

分类

表面工程技术分类：表面改性、表面处理、表面涂覆、复合表面工程、纳米表面工程技术。表面工程与人们的生产、生活息息相关。

按学科特点分类

按工艺特点分类

应用

1. 在改善和美化人们生活中的应用

2. 在保护、优化环境中的应用

(1)净化大气：采用化学气相沉积和溶胶-凝胶等技术制成的催化剂载体，可有效地治理被污染的大气。

(2)净化水质：过滤膜可采用化学气相沉积、阳极氧化和溶胶-凝胶等表面工程技术来制备。

(3)吸附杂质：采用表面技术制成的吸附剂，可使空气、水、溶液中的有害成分被吸附，还可去湿、除臭。

(4)活化功能：远红外具有活化空气和水的功能。

(5)绿色能源：表面工程技术是开发绿色能源的基础技术之一，许多绿色能源装置都应用了气相沉积镀膜和涂覆技术。

3.在结构材料中的应用

表面工程技术在耐腐蚀性和装饰性方面起着重要作用，同时在强化、耐磨、装饰等方面也起着重要作用。

(1)表面防护：表面防护主要是指材料表面防止化学腐蚀和电化学腐蚀等的能力。采用表面工程技术能显著提高结构件的防护能力。

(2)耐磨性：耐磨性是指材料在一定摩擦力条件下抵抗磨损的能力。它与材料特性以及载荷、速度、温度等磨损条件有关。利用热喷涂、堆焊、电刷镀和电镀等表面技术，在材料表面形成Ni基、Co基、Fe基、金属陶瓷等覆层，可有效地提高材料或制件的耐磨性。

(3)表面强化：主要指通过各种表面强化处理来提高材料表面抵御除腐蚀和磨损之外的环境作用的能力。

(4)表面装饰：具有光亮、色泽、花纹和仿照等功能。合理地选择电镀、化学镀、氧化等表面技术，可以获得镜面镀层、全光亮镀层、亚光镀层、缎状镀层，不同色彩的镀层，各种平面、立体花纹镀层、仿贵金属、仿古和仿大理石镀层等。

4.在功能材料和元器件中的应用

功能材料主要指具有优良的物理、化学和生物等功能，以及一些声、电、光、磁等互相转换功能，而被用于非结构目的的高技术材料，常用来制造各种装备中具有独特性能的核心部件。材料的功能特性与其表面成分、组织结构等密切相关。

(1)电学特性：利用电镀、化学镀、气相沉积、离子注入等技术可制备具有电学特性的功能薄膜及其元器件。

(2)磁学特性：通过气相沉积技术和涂装等表面技术制备出磁记录介质、磁带、磁泡材料、电学屏蔽材料、薄膜磁阻元件等。

(3)光学特性：利用电镀、化学镀、转化膜、涂装、气相沉积等方法，能够获得具有反光、光选择吸收、增透性、光致发光、感光等特性的薄膜材料。

(4)声学特性：利用涂装、气相沉积等表面技术，可以制备掺杂Mn-Zn 铁氧体复合聚苯胺款频段的吸波涂层、红外隐身涂层、降低雷达波反射系数的纳米复合雷达隐身涂层，声反射和声吸收涂层以及声表面波器件等。

(5)热学特性：采用磁控溅射，涂装等方法制备。

(6)生物学特性：具有一定的生物相容性和物理化学性质的生物医学材料，利用等离子喷涂、气相沉积、等离子注入等方法形成的一用涂层，可在保持基体材料特性的基础上，提高基体表面的生物学性质、耐磨性、耐蚀性和绝缘性等，阻隔基体材料离子向周围组织溶出扩散，起到改善同人体机能的作用。在金属材料上制备生物陶瓷涂层，提高材料的生物活性，用作人造关节、人造牙等医学植入体。将磁性涂层涂覆在人体的一定穴位上，有治疗疼痛、高血压等功能。

(7)各种转换功能：采用表面工程技术可获得进行光-电，热-电，光-热，力-热，磁-光等转换功能的器件。

5.在再制造工程中的应用

(1)再制造工程的内涵再制造工程是在维修工程和表面工程的基础上发展起来的新兴科学，是以产品全寿命周期论为指导，以实现废旧产品的性能提升为指标，以优质、高效、节能、节材和环保为准则，以先进生产技术和产业优化为手段，来修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。简而言之为是废旧产品高技术修复、改造的产业。其重要特征是，再制造以后的产品质量和性能达到或超过新品，成本只是产品的50%，可节能60%，节材70%，对环境的不良影响显著降低，可有力的促进资源节约型、环境友好型社会的建设。

(2) 再制造工程的效益和特色效益体现在废旧产品的零部件因被直接用作再制造的毛坯而不是回炉冶炼获得钢垫，避免了回炉时对能量的消耗和对环境造成的二次污染；避免了由钢锭到新零件的二次制造时对能源的再次消耗和对环境的再度污染。一方面提高了产品的绿色度，另一方面避免了成为固体垃圾而造成的环境污染。

表面工程技术的作用就是制备出由于本体材料性能的表面覆盖层，赋予工件表面耐蚀性、耐磨性即获得电、磁、光、声、热等功能。

特点介绍

表面工程技术最突出的技术特点是无需改变整体材质，就能获得本体材料所不具备的某些特殊性能。表面技术多获得的表面覆盖层厚度一般从几十微米到几毫米。

意义

1. 表面工程技术是保证产品质量的基础工艺艺术，满足不同工况服役与装饰外观的要求，显著提高产品的使用寿命、可靠性与市场竞争能力。

2. 表面工程技术是节能、节材和挽回经济损失的有效手段。采用有效的表面防护手段，至少可减少腐蚀损失15~35%，减少磨损损失33%左右。

3. 表面工程技术在制备新型材料方面具有特殊的优势

4. 表面工程技术是微电子技术发展的基础技术。以化学气相沉积、物理气相沉积、光刻技术和离子注入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。

表面工程的历史

· 1983年首次由Prof. T.Bell提出。英Birmingham大学成立澳福森表面工程研究所

· 1985年发行表面工程(Surface Engineering)杂志

· 1986年在布达佩斯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年在英国，1988年在日本召开ICSE

· 1987年12月在京成立中国机械工程学会表面工程研究所。88年创刊《表面工程》杂志。11月召开首届表工程研讨会。1998年表面工程杂志更名为《中国表面工程》(CSE)

发展趋势

1.传统表面工程技术的创新

2.复合表面工程技术的研究

3. 纳米表面工程

纳米表面工程是指充分利用纳米材料的优异特性提升和改善传统的表面工程，通过特定方法使材料表面纳米化、纳米结构或功能化，从而使材料表面性能提高或赋予其全新功能的系统工程。关键技术主要包括：纳米热喷涂技术、纳米电刷镀技术、纳米减摩自修复添加剂技术、金属材料表面自身纳米化、纳米表面粘结技术、纳米涂装、纳米薄膜气相沉积技术等。

4.大力发展绿色再制造工程

5.研究开发新型功能材料

6.向自动化、智能化的方向迈进

7.追求环保零排放

功能

1、提高耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳、耐氧化、防辐射性能；

2、提高表面自润滑性；

3、实现表面的自修复性（自适应、自补偿和自愈合）；

4、实现表面的生物相容性；

5、改善表面的传热性或隔热性；

6、改善表面的导电性或绝缘性；

7、改善表面的导磁性、刺激一星或屏蔽性；

8、改善表面的增光性、反光性或吸波性；

9、改善表面的湿润性或憎水性；

10、改善表面的黏着性或不黏性；

11、改善表面的吸油性或干磨性；

12、改善表面的摩擦因数（提高或降低）；

13、改善表面的装饰性或仿古作旧性等

14、还有诸如减震、密封、催化等。

表面改性--镜面滚压

镜面滚压原理：它是一种压力光整加工，是利用金属在常温状态的冷塑性特点，利用滚压工具对工件表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流动，填入到原始残留的低凹波谷中，而达到工件表面粗糙值降低。由于被滚压的表层金属塑性变形，使表层组织冷硬化和晶粒变细，形成致密的纤维状，并形成残余应力层，硬度和强度提高，从而改善了工件表面的耐磨性、耐蚀性和配合性。表面滚压能在表面产生约5mm深的残余压应力区，因此能较大幅度地改善材料表面的疲劳寿命、抗应力腐蚀能力，特别适合晶体结构为面心立方的金属与合金的表面改性。

简介

无论用何种金属加工方法加工，在零件表面总会留下微细的凸凹不平的刀痕，出现交错起伏的峰谷现象，粗加工后的表面用肉眼就能看到，精加工后的表面用放大镜或显微镜仍能观察到。这就是零件加工后的表面粗糙度，过去称为表面光洁度。国家规定表面粗糙度的参数由高度参数、间距参数和综合参数组成。这是滚压（无切削加工方式）加工的基础条件。

滚压加工是一种无切屑加工，在常温下利用金属的塑性变形，使工件表面的微观不平度辗平从而达到改变表层结构、机械特性、形状和尺寸的目的。因此这种方法可同时达到光整加工及强化两种目的，是磨削、车削等机械加工无法做到的。

滚压是一种无切削的塑性加工方法。

优点

无切削加工技术安全、方便，能精确控制精度，几大优点：

1、提高表面粗糙度，粗糙度基本能达到Ra≤0.08µm左右。

2、修正圆度，椭圆度可≤0.01mm。

3、提高表面硬度，使受力变形消除，硬度提高HV≥40°

4、加工后有残余应力层,提高疲劳强度提高30%。

5、提高配合质量，减少磨损，延长零件使用寿命，但零件的加工费用反而降低。

冷态塑性变形引起的残余应力：1、表层金属产生残余压应力。2、里层产生残余拉应力。

滚压不是去除材料方式的加工，滚压后的表层金属纤维完整。

加工后工件最高可达表面粗糙度Ra≤0.05µm，椭圆度≤0.01mm ，硬度的提高，铁类可提高Hv40左右，不锈钢可提高Hv100左右，疲劳强度提高30%。使工件表面受力塑性变形消除，尺寸精度相对长期保持稳定，极大提高了零部件的使用寿命。