现代表面工程技术

　　前 言 表面现象和表面过程是自然界中普遍存在的，也是人们日常生活时时刻刻直接面对的。广义地说，表面科学与技术是研究表面现象和表面过程并为人类造福或被人们利用的科学技术。 表面技术具有学科的综合性、手段的多样性、广泛的功能性、很强的实用性和巨大的增效性。表面技术不仅是一门广博精深和具有极高实用价值的基础技术，还是一门新兴的边缘性学科；在学术上丰富了材料科学、冶金学、机械学、电子学、物理学、化学等学科，开辟了一系列新的研究领域，现代工业的需求是表面工程迅速发展的动力，是新材料、光电子、微电子等许多先进产业的基础技术；环境保护的紧迫性是促进表面工程迅速发展的时代要求；现代科技成果为表面工程的迅速发展提供了技术支撑。 现代表面工程技术在国民经济中起着不可估量的作用。表面工程技术是人类进步的里程碑，是尖端技术发展的基本条件，国民经济依赖于它的开发与应用。它促进和推动传统产业的技术进步，并引起产业结构的变化，是知识密集、技术密集的新产业。 本书以理论为指导，以技术应用为目标，把熟悉原理和掌握应用作为学习的基本要求。在内容上力求做到系统性、实用性和综合性，通俗易懂并具有实际指导意义。 本书系统阐述了各种表面工程技术的基础理论、应用及最新技术。首先对表面工程技术的内涵进行了阐述，继而简明扼要地论述了表面工程技术的理论与基础知识，为阅读本书奠定了一些理论基础；然后从介绍传统的表面处理技术人手，特别阐述了一些表面技术的新进展，对基体表面前处理技术给予重点介绍；还介绍和论述了电镀、化学镀新技术（包括非金属电镀）、表面涂敷新技术、表面改性新技术、气相沉积技术、复合表面处理技术和高分子表面金属化技术、表面细微加工技术、表面分析和性能测试、表面工程与再制造等方面的内容。 本书具有很强的可读性和可操作性，能适合不同的读者，既可作为高等院校相关专业的教材，又可作为技术人员和技术工人的培训教材。本书共分十一章，其中第一、三、七、九、十章以及第二章第四节由姜银方（江苏大学）执笔；第四、五、六、八章由朱元右（南京工程学院）执笔，第二章的一、二、三节以及第十一章由戈晓岚（江苏大学）执笔。参加编写的还有冯爱新、刘新佳、张洁、刘桂玲、袁国定、陆文龙等。全书由姜银方负责统稿审订。戈晓岚任全书的主审。本书在编写过程中参阅了国内外相关的资料、文献和教材，征求了有关教 师、学生以及从事表面科学与技术工作的科技人员和工程技术人员的意见和建议，在此一并表示衷心的感谢。 由于时间仓促，编著的学识水平有限，加以表面科学与技术的发展迅速，书中必然存在不少问题，恳请各位专家和读者批评指正。 编者 2005年8月

暂缺《现代表面工程技术》作者简介

目录

第一章绪论1

第一节表面工程技术的发展背景1

一.表面工程技术迅速发展的原因1

二.表面工程技术在国民经济中的地位和意义2

第二节表面工程技术的学科体系3

第三节表面工程技术的应用4

一.表面技术在结构材料上的应用5

二.表面技术在功能材料和元器件上的应用5

三.表面技术在人类适应.保护和优化环境方面的应用7

四.表面技术在研究和生产新型材料中的应用8

第四节表面工程技术的发展趋势10

一.研究复合表面技术10

二.完善表面工程技术设计体系10

三.开发多种功能涂层11

四.研究开发新型涂层材料11

五.深化表面工程基础理论和测试方法的研究11

六.扩展表面工程的应用领域12

七.积极为国家巨大工程建设服务13

八.向自动化.智能化的方向迈进13

九.降低对环保的负面效应13



第二章表面工程技术的基础理论15

第一节表面晶体学15

一.理想表面16

二.清洁表面16

三.覆盖表面20

四.金属表面的组织形貌22

第二节金属的表面现象24

一.吸附现象24

二.润湿及黏着28

三.金属表面反应30

第三节表面缺陷与表面扩散31

一.表面缺陷模型（TLK模型）31

二.表面扩散32

第四节涂层形成机制33

一.金属涂层形成机制34

二.非金属涂层形成机制39



第三章基体表面前处理技术43

第一节前处理技术内容及发展趋势43

一.前处理技术内容与作用43

二.基体前处理技术的回顾与发展45

第二节表面整平46

一.磨光46

二.抛光47

三.滚光47

四.振动磨光47

五.刷光47

六.塑料整平48

七.成批光饰48

第三节表面清洗48

一.除油49

二.除锈54

三.除油除锈联合处理54

第四节化学抛光56

一.低碳钢工件化学抛光56

二.铝及其合金的化学抛光56

第五节电化学抛光57

第六节磷化处理58

一.磷化膜的形成机理58

二.磷化配方及工艺规范58

三.影响磷化的因素59

四.磷化膜的后处理61

五.有色金属的磷化处理61

第七节金属表面的钝化及活化61

一.金属表面钝化现象61

二.钝化理论62

三.铬酸盐处理62

四.铜及铜合金的钝化63

五.不锈钢钝化64

六.金属表面的活化64

第八节空气火焰超音速喷砂.喷丸表面预处理65

一.超音速喷砂66

二.超音速表面喷丸67



第四章电镀.化学镀新技术68

第一节合金电镀68

一.合金电镀基本知识68

二.合金电镀工艺73

第二节复合电镀79

一.复合电镀原理79

二.复合电镀工艺80

第三节非晶态合金电镀82

一.电镀镍磷非晶态合金83

二.电镀镍硫非晶态合金83

三.电镀铁钼非晶态合金83

第四节电刷镀新技术84

一.电刷镀基本原理85

二.电刷镀设备85

三.电刷镀工艺86

四.流镀86

第五节非金属电镀88

一.塑料电镀88

二.石膏和木材电镀89

三.玻璃和陶瓷电镀90

第六节化学镀与化学转化镀新技术91

一.化学镀91

二.化学转化镀92

第七节表面着色新技术94

一.铝及铝合金着色95

二.不锈钢着色97

三.铜及铜合金着色98



第五章表面涂敷新技术99

第一节表面涂装新技术99

一.涂料99

二.涂装工艺101

三.静电喷涂101

四.电泳涂装101

五.粉末喷涂102

六.粘涂104

第二节热喷涂表面覆盖技术105

一.热喷涂原理106

二.热喷涂材料107

三.热喷涂工艺107

第三节堆焊和熔结111

一.堆焊111

二.熔结113

第四节其他表面涂敷技术115

一.电火花表面涂敷115

二.热浸镀118

三.搪瓷涂敷120

四.陶瓷涂层121

五.塑料涂敷123



第六章表面改性新技术126

第一节激光表面处理技术126

一.激光表面处理设备127

二.激光表面处理工艺127

第二节电子束表面处理130

一.电子束表面处理原理130

二.电子束表面处理设备131

三.电子束表面处理工艺131

第三节高密度太阳能表面处理133

一.太阳能表面处理设备及特点133

二.太阳能表面处理工艺133

三.几种高能密度表面处理技术用于金属表面热处理的比较134

第四节表面扩渗新技术134

一.渗金属.渗硼.渗硅.渗硫135

二.共渗与复合渗137

三.等离子体表面扩渗140

四.电加热表面扩渗142

五.电解表面扩渗142

第五节离子注入142

一.离子注入原理143

二.离子注入表面改性的机理146

三.离子注入表面改性的应用147

第六节其他表面改性技术148

一.表面形变强化148

二.表面热处理150



第七章气相沉积技术152

第一节薄膜及其制备方法152

一.薄膜的定义与类型152

二.薄膜的应用153

三.薄膜的制备方法154

第二节真空蒸镀154

一.真空蒸镀原理154

二.真空蒸镀设备155

三.真空蒸镀工艺155

第三节溅射镀膜159

一.溅射镀膜原理159

二.溅射镀膜工艺162

三.磁控溅射镀膜164

第四节离子镀膜165

一.离子镀膜原理166

二.离子镀膜工艺166

三.反应离子镀167

四.空心阴极放电离子镀169

五.多弧离子镀171

第五节化学气相沉积172

一.化学气相沉积原理172

二.化学气相沉积工艺173

第六节分子束外延177

一.分子束外延的特点177

二.分子束外延工艺178

三.分子束外延技术的发展179



第八章复合表面处理技术和高分子表面金属化技术180

第一节复合表面处理新技术180

一.复合表面扩渗180

二.碳氮共渗与氧化抛光复合处理181

三.表面热处理与表面扩渗的复合强化处理181

四.粘涂与电刷镀复合技术182

五.热处理与表面形变强化的复合处理工艺182

六.覆盖层与表面冶金化的复合处理工艺183

七.电镀与薄膜复合工艺183

八.激光.电子束复合气相沉积和复合涂镀层184

九.磁控溅射与油漆复合工艺185

十.改善铁.钛.铝及其合金摩擦学特性的表面复合处理工艺186

十一.多层涂层186

第二节复合镀层187

一.纤维增强金属复合材料镀层187

二.化合镀复合材料189

三.层状复合材料189

四.光学复合材料190

第三节镀覆层与热处理复合工艺191

一.电镀与表面扩渗复合工艺191

二.热处理与薄膜复合工艺193

三.含铝复合处理193

第四节离子注入与气相沉积复合表面改性193

一.IAC的原理与机理194

二.IAC的方法195

三.IAC的应用196

第五节高分子表面金属化新技术198

一.高分子表面金属化新技术的主要工艺及特点199

二.高分子表面金属化新技术的应用与前景展望200



第九章表面微细加工技术202

第一节表面加工技术简介202

一.激光束加工202

二.离子束加工204

三.电子束加工205

四.超声波加工207

五.电解加工208

六.电火花加工209

七.电铸加工210

八.光刻加工211

第二节微电子微细加工技术214

一.微细加工技术对微电子技术发展的重大影响214

二.微电子微细加工技术的分类和内容215



第十章表面分析和性能测试219

第一节表面分析219

一.表面形貌和显微组织结构分析219

二.表面成分分析219

三.表面原子排列结构分析220

四.表面原子动态和受激态分析221

五.表面的电子结构分析221

第二节表面分析仪器和测试技术简介222

一.电子显微镜(TEM)222

二.扫描隧道显微镜(STM)224

三.原子力显微镜(AFM)225

四.X射线衍射227

五.电子探针227

六.激光探针228

七.电子能谱仪229

第三节表面检测230

一.外观检测230

二.镀.涂层或表面处理层厚度的测定233

三.涂层的耐蚀性检验235

四.涂层的耐磨性试验237

五.涂层的孔隙率试验239

六.涂层的硬度试验239

七.涂层的结合强度(附着力)试验239

第四节薄膜弹性模量的测定——纳米压痕技术244

一.问题的提出244

二.薄膜弹性模量和硬度的确定245

三.纳米压痕系统的组成及工作原理246

四.纳米压痕技术的其他应用247



第十一章表面工程与再制造249

第一节再制造工程概论249

一.再制造工程的技术内涵249

二.再制造工程的学科体系252

第二节再制造技术的应用253

一.再制造与表面工程技术253

二.再制造的其他技术254

三.再制造技术的应用实例255

四.再制造工程的发展与意义261



参考文献265