金属材料表面技术原理与工艺

　　本书针对材料三大类表面技术中的基本原理进行了归纳与论述。每类技术中选出一些典型技术进行详细分析，并列出一些常用表面技术规范。在一些章节中以具体零部件为例，尝试与其他学科交叉实现“表面技术的设计”。经过表面技术处理的零部件，一般均存在残余应力，也会出现失效情况，本书介绍了残余应力定性分析方法及一些失效案例。对一些表面技术中存在的污染问题也给予较详细说明。本书供高等院校研究生、本科生或高职高专学生作为教材使用，适用于材料科学与工程、机械制造等与表面技术有关的专业。也可作为从事表面技术工作科技人员的参考书。

　　杨川，西南交通大学材料学院，副院长教授，杨川西南交大材料学院教授博士；主要从事材料表面工程与材料失效分析领域研究工作。在上述领域发表论文50余篇，其中EI检索论文18篇次，SCI检索3篇次；获得专利7项。完成国家自然科学基金项目1项；省部级项目5项；各类横向科研项目50余项。十五-十一五期间主持国家科技成果重点推广项目“智能化低温气体多元共渗技术”在我国重大工程如：青藏铁路、提速铁路、广州地铁上获得大规模成功应用。十一五期间该技术在高速铁路工务配件锚固螺栓上获得成功应用。获得铁道部科技进步四等奖1项、四川省科技进步三等奖1项、成都市科技进步1等奖1项。成都市金桥工程优秀奖1项，四川省金桥工程二等奖1项。用该技术开发出的教学设备，在2008年高等教育学会举办的高等院校自制教学设备评选中，获得最高奖励：优秀成果奖。获得四川省教学成果三等奖2项。2004-2008任教育部冶金与金属材料学科教学指导委员会委员曾任四川省热处理专委会副主任委员、四川省理化检验学会副理事长、成都市热处理专委会常委员等社会职务。目前主持国家科技支撑计划高速机车零部件国产化项目

第1章绪论1
1.1从表面技术到表面工程1
1.2表面技术在现代工业中发挥巨大作用的原因4
1.2.1采用表面技术可以解决某些零部件采用单一材料无法满足的性能要求4
1.2.2节约贵重材料，大幅度提高性价比5
1.2.3电子信息技术飞速发展的需要6
1.2.4节能、开发新能源的需求6
1.3表面工程中的设计概念7
1.4表面技术的发展与环境保护9
1.4.1开发各种材料表面防腐蚀新技术是重要的研究方向9
1.4.2应重视新型复合表面技术的研发11
1.4.3几种值得注意的表面改性技术12
1.4.4开发新型制备薄膜太阳能电池技术是研究热点14
1.4.5涂镀层技术中钢板、钢梁、钢管的镀层新技术开发15
1.4.6表面技术中的环保问题15
习题17
参考文献18
第2章利用相变原理设计表面改性技术19
2.1马氏体相变基本特征概述及在设计表面改性技术中应用19
2.2残余应力产生原理与分析方法23
2.2.1冷却过程中的残余应力产生原理24
2.2.2残余应力综合分析与控制26
2.3表面组织金相分析方法29
2.3.1阿贝原理29
2.3.2利用阿贝原理分析金相组织31
2.4表面相变强化工艺设计与典型工艺分析33
2.4.1工艺设计基本思路与一般规律34
2.4.2感应加热淬火工艺设计与分析36
2.4.3激光表面相变强化工艺44
2.5表面相变强化工艺设计案例49
2.6快速加热零部件失效案例分析55
2.7非钢铁材料表面相变强化工艺设计与贝氏体组织应用58
2.8几种常用表面改性工艺60
习题64
参考文献67
第3章利用扩散与相变原理设计表面改性工艺68
3.1基本原理概述68
3.2扩散基本规律70
3.2.1纯扩散理论70
3.2.2反应扩散理论71
3.3利用反应扩散方法设计表面改性工艺的思路74
3.4利用纯扩散理论设计表面改性工艺75
3.4.1钢的渗碳工艺分析75
3.4.2渗碳过程中炉内碳势的控制80
3.4.3渗碳件残余应力分析83
3.4.4渗碳的数值模拟技术简介84
3.5利用反应扩散理论设计表面改性工艺89
3.5.1设计思想与基本原理89
3.5.2典型工艺1——氮化工艺91
3.5.3渗硼工艺设计98
3.5.4固体粉末渗锌100
3.5.5盐浴渗金属方法TD技术101
3.5.6氮化与渗金属过程中产生的残余应力102
3.6工艺设计案例105
3.6.1案例1齿轮表面改性工艺设计105
3.6.2案例2导线夹制备工艺的设计108
3.6.3案例3对小模数齿轮设计多元共渗代替渗碳的技术方案112
3.6.4案例4利用TD方法提高热模具寿命113
3.7失效分析案例114
3.7.1案例1轴承外圈裂纹分析114
3.7.2案例2氮化裂纹问题115
3.8几种典型的表面改性工艺117
3.8.1碳氮共渗技术117
3.8.2真空渗碳118
3.8.3二段及三段氮化法119
3.8.4提高钢件抗腐蚀能力的氮化法119
3.8.5TD方法渗金属120
3.8.6抗蚀、抗氧化表面改性工艺设计121
3.8.7多元共渗工艺设计123
3.8.8快速电加热渗铝金123
3.9表面改性技术中的污染问题124
习题125
参考文献127
第4章薄膜技术128
4.1薄膜的定义与薄膜形成128
4.1.1薄膜定义及在现代科技中作用128
4.1.2薄膜形成过程简介129
4.2化学气相沉积技术基本原理与典型工艺分析132
4.2.1化学原理在化学气相沉积中作用与典型工艺分析132
4.2.2TCVD薄膜沉积过程与特点137
4.2.3CVD技术的应用138
4.2.4TCVD应用范围探讨140
4.3真空技术基础141
4.3.1真空的定义与单位141
4.3.2气体分子能量运动速度与分子间碰撞142
4.3.3真空的获得143
4.3.4真空系统配置简介145
4.4等离子体技术基础148
4.4.1等离子体基本概念148
4.4.2等离子体产生方法150
4.5粒子间碰撞156
4.5.1弹性碰撞能量转移156
4.5.2非弹性碰撞的能量转移157
4.6等离子体化学气相沉积技术160
4.7物理气相沉积——真空蒸发镀膜技术163
4.7.1基本原理163
4.7.2蒸发源与合金膜的蒸发镀166
4.8物理气相沉积——离子镀技术167
4.8.1基本原理167
4.8.2典型工艺分析169
4.9物理气相沉积技术——溅射镀膜170
4.9.1离子溅射中一些理论问题170
4.9.2典型溅射镀膜技术172
4.9.3磁控溅射技术173
4.10离子注入与离子束合成薄膜技术原理178
4.10.1离子注入的原理*178
4.10.2离子注入机与注入工艺184
4.10.3离子束与镀膜复合技术185
4.10.4离子注入技术实际应用状况190
4.11薄膜中的应力分析192
4.11.1薄膜内应力192
4.11.2薄膜的附着力196
4.12薄膜设计应用案例197
案例1用TCVD技术沉积TiN提高硬质合金刀具切削速度197
案例2在蓝宝石上沉积TiN薄膜198
案例3光盘记录系统200
案例4太阳能电池原理与薄膜材料设计203
4.13几种气相沉积镀膜技术204
4.13.1反应蒸发镀工艺204
4.13.2三级与四级溅射205
4.13.3高频溅射镀205
4.13.4多弧离子镀206
4.13.5离子团束镀207
4.13.6离子辅助沉积207
4.13.7双离子束镀208
习题208
参考文献209
第5章涂镀层技术210
5.1电沉积技术基本原理与典型工艺210
5.1.1金属电化学腐蚀模型与标准电极电位210
5.1.2电沉积的基本过程212
5.1.3电沉积中的定量计算213
5.1.4电沉积的后处理与镀层残余应力216
5.1.5典型电沉积工艺分析——电镀锌工艺217
5.1.6电沉积技术中的污染问题221
5.2电刷镀技术222
5.2.1基本原理222
5.2.2电刷镀工艺步骤与应用领域226
5.3电沉积技术在高科技中应用229
案例1利用电沉积技术制备薄膜太阳能电池材料229
案例2利用电沉积技术制备镍网材料229
案例3电沉积铜用于IC铜布线230
5.4电沉积零件的失效分析231
案例4电沉积汽车调节螺杆失效分析231
5.5化学镀技术233
5.5.1化学镀原理233
5.5.2化学镀典型工艺与组织性能及应用235
5.5.3化学镀中残余应力问题238
5.6热浸镀技术239
5.6.1热浸镀基本原理与工艺过程239
5.6.2热浸镀典型工艺分析——热浸锌工艺241
5.7化学转移膜技术*243
5.7.1化学转移膜基本原理与用途243
5.7.2典型化学转移膜技术分析245
5.7.3化学转移膜技术中污染问题251
5.8热喷涂技术252
5.8.1热喷涂技术基本原理252
5.8.2喷涂层中的残余应力255
5.8.3典型喷涂技术256
5.9几种涂层技术简介259
5.9.1电镀铬工艺259
5.9.2电刷镀工艺260
5.9.3热镀铝工艺263
5.9.4爆炸喷涂265
5.9.5超音速喷涂266
5.9.6铝合金阳极氧化267
习题270
参考文献270
第6章复合表面处理技术272
6.1表面技术复合的设计原则272
6.2几种复合表面技术275
6.2.1硫与氮共渗复合处理275
6.2.2渗氮与感应表面淬火复合275
6.2.3溅射Al膜与离子氮化工艺复合276
6.2.4多元共渗与高分子材料复合276
6.2.5喷涂与激光、火焰快速加热复合279
6.2.6铸渗复合处理工艺279
习题280
参考文献281