第1章绪论
表面工程技术是一项历史悠久、信息量大、发展迅速的综合性工程技术，它运用物理、化学、电化学、物理化学以及机械的技术和方法，使材料的表面具有所需的新成分、外观、结构及一系列优良的性能。表面工程涉及金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料等领域，其在提高产品性能、降低生产成本、节约资源等方面具有十分重要的意义，对于现代国民经济起着重要的作用。
1.1现代表面工程的作用
1.1.1现代表面工程技术概述
现代表面工程技术是运用各种物理、化学、电化学、物理化学以及机械的技术和方法’使材料的表面具有耐腐蚀、耐磨损、耐高温、抗拉、抗压、抗疲劳、导电、导磁等一系列优良的性能，进而使材料的表面和基体性能良好配合，以提高产品性能、降低成本、节能节材为目的的综合性工程技术。其特点是在不改变材料整体材质的条件下得到基体材料所不具备的特殊性能。
现代表面工程在许多研究领域中都有非常广泛的应用，如在冶金学、材料科学、机械学、物理化学、生物学等各个学科领域中都起到了非常重要的作用。表面工程的优势在于它能在节约成本、减少环境污染的前提下提高产品的综合性能，延长产品的使用寿命。现代工业对所需产品有更高的要求，通常要求产品外观美观、体积小，并且能在特定的恶劣环境下进行长期的持续性工作。例如，在生物质燃烧发电过程中锅炉过热器管道表面的腐蚀现象促进了表面防护涂层技术的发展；航空发动机的耐高温、耐腐蚀问题促进了制备耐热、耐蚀的等离子喷涂技术的发展；电子产业中对具有电学特性的功能薄膜及其元器件的需求促进了电镀、化学镀等表面技术的发展等。
现代表面工程作为材料科学与工程的前沿技术，发展十分迅速，对国民经济的发展意义深远。它还促进了各类材料之间的相互交融、重组配合，使材料的综合性能得到提升。现代表面工程新技术促进了产品的更新换代，促使产品拥有更加绚丽的外观和更加优良的性能。各种结构件、管道、设备的性能要求不断提升，从而使得现代表面工程技术不断革新、发展。总之，许多表面处理的新技术在不断地涌现出来，引起了材料学领域的高度重视，现代表面工程已经成为材料学科中一个非常活跃的领域。
1.1.2现代表面工程技术的分类及内容
1.现代表面工程技术的分类
目前，现代表面工程技术还没有统一的分类方法，通常认为其可分为表面涂镀技术、表面扩散渗技术以及表面改性技术。表面涂镀技术是将液态涂料涂敷在基体的表面，进而获得成分、结构及性能与基体内部材料不同的涂层或镀层的方法，主要包括电镀、化学镀、热浸镀、热喷涂和气相沉积等技术；表面扩散渗技术是将原子渗入（或离子注入）基体材料的表面，从而获得新的化学成分以及更加优异的性能，主要包括离子注入、表面合金化、化学膜转化等技术方法；表面改性技术就是在不改变材料整体材质的条件下，采用物理、化学的方法改变材料表面的化学成分及组成结构，从而获得具有新性能的表面，主要包括化学热处理、表面涂层、气相沉积、激光熔覆等技术方法。
除了上述分类方法，还可以根据工艺特点、作用原理等进行不同的分类。
1）按工艺特点分类
（1）电镀：指利用电解作用，使具有导电性材料的表面与电解质溶液相接触，待镀的工件作为阴极，通过外电流的作用，在工件的表面形成一层沉积物并与基体牢固地结合在一起。电镀的种类非常多，有合金电镀、复合电镀、电刷镀、非晶态电镀和非金属电镀等。
（2）堆焊：指在金属零件的表面或边缘处，用熔焊的方法焊上具有特殊性能的金属层，对产品的外形进行修复。堆焊的方法主要有振动电弧堆焊、等离子堆焊、二氧化碳保护自动堆焊、埋弧自动堆焊等。
（3）涂装：指用一定的方法将具有特殊用途、特殊类型的涂料涂覆在工件的表面，*终形成涂膜的过程。涂料主要由膜物质、颜料、溶剂和助剂组成，涂膜具有保护、装饰等功能。
（4）热喷涂：指在喷涂枪内或枪外将喷涂材料加热到塑性或软化状态，然后喷射于经预处理的基体表面上，基本保持未熔状态形成涂层的方法。工件在进行热喷涂后具有耐热、耐磨、耐蚀等性能，热喷涂的方法有采用火焰、等离子弧、电弧所进行的喷涂以及爆炸喷涂等。
（5）热扩渗:指采用加热扩散的方法使元素渗入金属工件的表面，形成表面合金层的技术，主要方式有在基体的材料表面进行的固体渗、气体渗、液体渗和等离子渗等。
（6）化学转化膜：在一定条件下，金属与特定的腐蚀液发生化学反应，生成一层金属膜层的过程。采用化学转化膜法生成的膜与基底的结合力比电镀层高很多。按生产方式，化学转化膜可分为阳极氧化膜、化学氧化膜、磷化膜、钝化膜及着色膜等。
（7）彩色金属：主要分为电解着色、整体着色及吸附着色。
（8）气相沉积：主要分为化学气相沉积和物理气相沉积。
（9）三束改性：一般分为电子束改性、激光束改性和离子束改性。
2）按作用原理分类
（1）原子沉积：沉积物以原子尺度的粒子形态在材料的表面上形成一层沉积物，主要有电镀、化学镀、气相沉积等方法。
（2）整体覆盖：将涂覆材料整体覆盖在材料的表面上，主要有热浸镀、堆焊、涂刷等方法。
（3）颗粒沉积：沉积物以宏观尺度的颗粒状在材料的表面形成一层沉积物，主要有热喷涂、涂敷等。
（4）表面改性：指采用机械、化学等处理方法，使材料表面的组分及性能发生改变的技术，主要有热扩渗、表面合金化、离子注入、化学热处理、气相沉积、激光溶覆等。
除了上述的现代表面工程技术，还有很多表面技术都不同程度地包含在上述的技术方法中，例如，表面覆盖技术中的电镀可以分为水电镀和真空电镀，而真空电镀又可以细分为真空蒸镀、磁控溅镀和离子镀。表面覆盖技术中还包括黏结、电火花涂敷、搪瓷涂敷、热浸镀、分子束外延、暂时性覆盖处理、热烫印等技术。
表面加工技术也是现代表面工程技术的重要组成部分之一，抛光、电铸、蚀刻和包覆等都属于现代表面工程技术，这些技术在工业上被广泛应用。
如今各种各样的现代表面工程新技术不断出现，很多先进产品对性能和加工技术的要求也越来越高，表面工程技术在社会发展过程中占有重要的地位。
2.现代表面工程技术的内容
现代表面工程技术所涉及的范围非常广泛，涵盖的技术种类也非常多，通常以“表面”和“界面”为核心来进行研究。从总体上来看，现代表面工程学的内容大致可以分为表面工程基础理论、表面技术及复合表面技术、表面加工技术、表面质量检测与控制和表面工程技术设计五大类。
（1）表面工程基础理论：主要包括表面摩擦与磨损理论、表面失效分析理论、表面腐蚀与防护理论、表面界面结合与复合理论等。摩擦与磨损、腐蚀与防护、表面强化和表面加工技术等领域都有相关著作论述，体系比较成熟。有些理论目前正在探讨中，有待建立，如表面结合与复合的理论等。
（2）表面技术及复合表面技术:表面技术的种类非常多，前面已经介绍了许多种表面技术。复合表面技术是指将两种或两种以上的表面技术以适当的顺序和方法复合在一起，或以某种表面技术为基础制造复合涂层的技术。通过复合表面处理后，可以使膜层（涂层）得到优化，使各类表面技术能够发挥出各自的优势。
（3）表面加工技术：主要有表面层的机械加工技术、表面预处理加工技术以及表面层的特种加工技术等。
（4）表面质量检测与控制：应用现代测试仪器对材料的成分、组织结构进行测试与分析，目的是控制达到所需的材料的成分和组织结构，使其达到设计或生产要求的性能。其主要包括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、表面分析技术等。
（5）表面工程技术设计：在决定采用某种技术之前，首先要对表面工程技术进行全面、系统化的设计，从而使其在应用方面取得更好的效果。现代表面工程技术设计的内容主要有表面层材料设计、表面层结构设计、表面层工艺设计、现代表面工程车间设计及工装设计、表面技术经济分析等。表面层材料设计主要是对耐蚀、耐磨、减摩、防滑、减振、耐高温材料等进行设计，表面层结构设计主要是设计膜层总厚度、膜层的层数、各层之间的匹配情况等，表面层工艺设计主要是设计能够形成髙质量膜层的工艺参数、工艺方法和工艺流程等，现代表面工程车间设计及工装设计主要是设计辅具、夹具、量具、控制台、工程车等，表面技术经济分析主要是分析工件的疲劳寿命、经济寿命等各类寿命以及费效比等。
1.1.3现代表面工程技术在机械行业中的应用
目前，现代表面工程快速发展，并在各行各业中被广泛应用，其中，在机械行业的应用具有鲜明的技术创新性。表面工程可以降低产品的生产成本，改良产品及零部件的综合性能，提髙机械产品零件的使用寿命与可靠性，美化产品的外观，提髙产品的竞争能力等。除此之外，利用现代表面工程技术还可以改善机械设备与仪器仪表的性能、质量，为设备的技术改造以及维修提供有效的手段。
以下是现代表面工程技术在机械行业中的几种应用类型。
1.涂层防护
在机械行业中，绝大多数的产品、零部件以及生产所用的设备都为金属材质，这些设备大多在露天环境下进行作业，从而造成金属表面发生氧化、腐蚀。为了防止金属表面发生氧化、腐蚀现象，就需要想办法阻止其表面与大气和水分发生直接接触。目前比较可行的方法就是在一些工程机械设备以及其零部件的表面镀上一层防护涂层，通常选择电镀、涂装、热喷涂等表面技术。
表面工程中的电镀是使具有导电性的材料表面与电解质溶液相接触，以镀件作为阴极，在工件的表面形成一层沉积物并与基体牢固地结合在一起，可以有效地阻止大气中的水分及氧气与金属基体表面直接接触，从而起到对金属表面的保护作用。涂装技术则是在金属表面喷漆或者其他特殊涂料，隔离空气和水分，起到防锈的作用。
2.表面强化
机械行业中的零件复杂多样，所使用的机械设备也多种多样，有些设备的工作环境十分苛刻，很多零部件要求具有比较髙的综合性能，这时就需要采用一些表面技术使设备或者零部件的表面得到强化，以满足使用要求。例如，表面热处理是表面强化经常使用的方法，表面热处理是指仅对工件表层进行热处理，改变其组织和性能。表面热处理的主要方法有以下几种。
（1）感应加热表面淬火：利用电磁感应原理在表面产生感应电流，交流电以涡流形式将零件表面快速加热后再进行急冷淬火。经过感应加热表面淬火处理的零件有较髙的表面硬度，且心部的塑性和韧性也较高，清洁环保，劳动条件好。该方法在机械行业中应用在高速工具钢的机械刀片上，高速工具钢的感应加热淬火属于自冷式淬火，生产效率比较高，清洁环保，能源消耗少。
（2）火焰加热表面淬火：指一种采用乙炔-氧火焰或煤气_氧火焰，将工件表面快速加热，随后用喷液进行冷却的表面淬火方法，一般常用乙炔作为燃料，氧气作为助燃剂。火焰加热表面淬火可使材料表层的硬度提高，内应力分布均匀，还可以提高工件的耐磨性和疲劳强度。随着淬火机床的不断发展，品种越来越齐全，该方法不仅用于单件、小批量生产，也可用于很多大批量机械工件的生产，在机械行业中常用于生产各种模具、齿轮等。
（3）电解液加热表面淬火：向电解液中通入髙电压直流电，利用电离作用使阴极释放氢气，阳极释放氧气，氢气在负极的周围形成氢气膜，电阻非常大，当电流通过时产生大量的热，可以达到很高的温度。该方法常用于棒状工件、轮缘或板状工件等。
（4）脉冲加热淬火：利用电脉冲将工件瞬间加热到淬火温度，然后立即切断电源，使工件依靠自激冷的方式进行冷却淬火。该方法适用于金属切削工具及钟表等精细的易磨损零件的淬火加热。
（5）激光热处理：用高能量激光束快速扫描工件，使材料表面的温度极速升高至相变点以上，激光束离开被照射区域后，由于热传导作用，处在冷态的基体使其迅速冷却，也是自冷淬火。该方法可以得到较为细小的硬化层组织，且工件变形极小，主要应用于冲压模具、铸造型板等的激光热处理。
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