表面保護(hù)層設(shè)計與加工指南

前言

　　“我國改革開放三十多年來，材料的研究、開發(fā)、應(yīng)用有了快速的發(fā)展，水泥、鋼鐵、有色金屬、稀土材料、織物等許多材料的產(chǎn)量多年居世界第一，我國已經(jīng)成為世界上材料的生產(chǎn)、銷售和消費(fèi)大國，支撐著“中國制造”的產(chǎn)品遍布世界、“中國建造”的重大工程建設(shè)項(xiàng)目遍布全國，促進(jìn)了國家GDP連續(xù)高速發(fā)展，中國已經(jīng)成為世界上第二經(jīng)濟(jì)大國。但是，我國還不是材料強(qiáng)國，我國的材料多處于中、低檔水平，支撐起來的“中國制造”的產(chǎn)品水平不高、價格太低、無緣名牌；“中國建造”的重大工程中的主要結(jié)構(gòu)件、專用件、關(guān)鍵件和重要件許多還依賴進(jìn)口；我國在材料的選用、材料制成品的設(shè)計、加工、制造和材料保護(hù)等方面與先進(jìn)國家相比還存在較大差距，導(dǎo)致材料制成品在制造環(huán)境、運(yùn)行環(huán)境和自然環(huán)境的侵蝕下，容易出現(xiàn)腐蝕、摩擦磨損磨蝕、斷裂（疲勞），引發(fā)“中國制造”的產(chǎn)品和“中國建造”的重大工程項(xiàng)目出現(xiàn)種種問題。　　材料壽命是人類所用材料的核心。材料性能優(yōu)良，質(zhì)量穩(wěn)定，使用安全、可靠、經(jīng)濟(jì)，是材料壽命的前提；沒有使用安全、可靠、經(jīng)濟(jì)，就談不上使用壽命。材料壽命的延長表達(dá)了上述性能的全面提升；材料延壽，就是提高材料制成品使用的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性，就是延長材料制成品的使用壽命，就是節(jié)約了資源、能源、實(shí)施了低碳經(jīng)濟(jì)、減少了環(huán)境污染、支持了人類可持續(xù)發(fā)展。　　我國建國以來材料研究取得了顯著的成績，在滿足經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求的同時，一大批材料研究、材料應(yīng)用研究、材料加工研究和材料保護(hù)研究相繼發(fā)展壯大起來，并為材料及其制成品的使用可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性做了大量的工作，積累了豐富的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在材料全生命周期中凝煉出一些重要的原則、技術(shù)和措施?！　?ldquo;材料延壽與可持續(xù)發(fā)展”有兩方面的工作：一是總結(jié)過去?？偨Y(jié)系統(tǒng)控制材料提前損傷、提前破壞和提前失效的因素的理論、原則、技術(shù)和措施，使各個行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計師，制造、使用和管理工程師有所啟示、有所參考、有所作為、有所貢獻(xiàn)；盡可能地延長材料的使用壽命，提高材料制成品的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性。這項(xiàng)工作實(shí)質(zhì)上是針對過去與現(xiàn)在，總結(jié)現(xiàn)有成果，及早服務(wù)于國家建設(shè)。　　二是研究未來。面對未來，材料的優(yōu)質(zhì)化、高性能化、高強(qiáng)化、長壽命化，多品質(zhì)、多規(guī)格化、標(biāo)準(zhǔn)化、傳統(tǒng)材料的綜合優(yōu)化、新材料的不斷創(chuàng)新，由此促進(jìn)我國從“材料生產(chǎn)、銷售、消費(fèi)大國”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;材料強(qiáng)國”。為此，我們組織了“材料延壽與可持續(xù)發(fā)展”的戰(zhàn)略研究，在開展大量的調(diào)查研究基礎(chǔ)上，從國家長遠(yuǎn)發(fā)展的眼光提出一整套的理論、原則、政策和建議，促使我國早日成為“材料強(qiáng)國”，支持國家“節(jié)約資源、節(jié)能減排”、“可持續(xù)發(fā)展”和“保衛(wèi)地球”戰(zhàn)略?！　∧壳?，在中國科協(xié)和中國工程院的領(lǐng)導(dǎo)與支持下，一批材料科學(xué)工作者在努力地開展工作，提出研究報告，編寫并出版發(fā)行《材料延壽與可持續(xù)發(fā)展》系列圖書，供相關(guān)方面領(lǐng)導(dǎo)和工作人員參考?！　∠Ｍㄟ^我們的努力，既能為設(shè)計師、制造、使用和管理工程師提高其產(chǎn)品對環(huán)境抗力的理論、原則、技術(shù)和措施；又為國家成為“材料強(qiáng)國”，提出種種設(shè)想、原則、措施和政策建議?！　∮捎谖覀兯接邢?，不當(dāng)之處，敬請批評指正。　　中國工程院院士　　觀察物體，映入我們眼簾的，首先是該物體的表面。任何物體離有表面，沒有表面談不上物體，設(shè)計產(chǎn)品必當(dāng)設(shè)計表面。腐蝕從表面開始，摩擦磨損在表面發(fā)生，美好裝飾在表面進(jìn)行，賦予產(chǎn)品特種功能在表面施加。人類對表面的關(guān)注和研究始于遠(yuǎn)古，在20世紀(jì)后期，由于三束(電子束、激光束和離子束)的進(jìn)入，極大地促進(jìn)了對表面的認(rèn)識，催生了一門新的科學(xué)，稱為表面工程學(xué)?！　”臼兰o(jì)初出版的《國防科技名詞大典》對“表面工程”的定義是：“將材料表面與基體一起作為一個系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，利用表面改性轉(zhuǎn)化技術(shù)、薄膜技術(shù)和涂鍍層技術(shù)，使材料表面獲得材料本身沒有而又希望具有的性能的系統(tǒng)工程。”指出表面工程“可有效地改善和提高材料和產(chǎn)品的性能（耐蝕、耐磨、裝飾性能），確保產(chǎn)品使用可靠和安全，延長使用壽命，或賦予材料和器件特殊的物理和化學(xué)性能，例如聲光磁電的轉(zhuǎn)換和存儲性能，使電子器件多功能化和超小型化，有效地節(jié)約有限的資源和能源，減少環(huán)境污染，維護(hù)可持續(xù)發(fā)展。”　　表面工程技術(shù)所形成的材料表面保護(hù)層，能夠防止腐蝕，調(diào)整摩擦匹配（利用摩擦、減少磨損），裝飾美化生活，賦予特種功能（給以物體原本沒有而又希望擁有的種種性能）。　　材料表面保護(hù)層是預(yù)防與控制引發(fā)材料提前失效三大因素［腐蝕、摩擦和疲勞（腐蝕疲勞）］最普遍、最常見、最有效、最經(jīng)濟(jì)、最成功的技術(shù)措施。經(jīng)過千百萬人的研究和應(yīng)用，形成的表面工程技術(shù)，造就了那么多的表面層，我們拾到了其中的一部分，以《表面保護(hù)層設(shè)計與加工指南》為題成書，力圖以比較簡練的方式，告訴設(shè)計師和工程師們?nèi)绾卫谩⑷绾卧O(shè)計、如何制造，以求材料制成品（產(chǎn)品、設(shè)備和工程建設(shè)項(xiàng)目）擁有比較理想的使用可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性?！　”緯帉戇^程中得到了許多專家的指導(dǎo)和幫助，徐濱士、劉世參、魏士丞、范瑞麟、高玉魁、劉若愚、劉穎、趙閨彥等參與了本書的立題、編寫和審稿工作，尤其徐濱士院士對本書進(jìn)行了全面審定，在此表示衷心的感謝，并對所有為本書做出過貢獻(xiàn)的同仁表示感激之情！　　表面工程發(fā)展迅速，表面保護(hù)層和功能層日新月異。本書中可能存在不當(dāng)之處，歡迎批評指正?！　±罱鸸?

內(nèi)容概要

　　本書是《材料延壽與可持續(xù)發(fā)展》叢書之一。為了預(yù)防與控制引發(fā)材料提前失效的腐蝕、摩擦磨損和斷裂（疲勞與腐蝕疲勞等），可廣泛采用材料表面防護(hù)層，包括形變與相變強(qiáng)化、化學(xué)與電化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、熱擴(kuò)散層，以及電鍍、熱噴涂層、熱浸鍍、有機(jī)涂層、無機(jī)漆層、復(fù)合涂鍍層和氣相沉積層等。本書簡明地闡述各種保護(hù)層的性能、特點(diǎn)、適用范圍、不適用范圍、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，特別提出了它們的設(shè)計與加工指南。
　　可供各種產(chǎn)品和工程建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計、制造、使用、檢驗(yàn)、維護(hù)維修和管理等部門的設(shè)計師、工程師們使用，也可供相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員，尤其是工學(xué)院大學(xué)生、研究生、博士生和教師參考。

書籍目錄

第1章　緒言
　1.1　表面工程技術(shù)的概念和內(nèi)涵
　1.2　表面工程工藝技術(shù)的近代發(fā)展
　1.3　表面工程技術(shù)的應(yīng)用
　1.4　表面工程學(xué)的形成
　1.5　表面工程技術(shù)與國家可持續(xù)發(fā)展
　參考文獻(xiàn)
第2章　表面形變強(qiáng)化和相變強(qiáng)化層
　2.1　概述
　2.2　表面形變強(qiáng)化層
　2.3　表面相變硬化層
　2.4　離子注入層
　參考文獻(xiàn)
第3章　化學(xué)處理膜層
　3.1　概述
　3.2　鋁合金化學(xué)氧化膜
　3.3　鎂合金化學(xué)氧化膜
　3.4　鋼鐵化學(xué)氧化膜
　3.5　銅及銅合金化學(xué)氧化膜
　3.6　銅及銅合金鈍化膜
　3.7　銀及銀鍍層的鈍化膜
　3.8　鋼鐵磷化膜
　3.9　金屬表面著色
　3.10　化學(xué)鍍
　參考文獻(xiàn)
第4章　電化學(xué)轉(zhuǎn)化膜
　4.1　概述
　4.2　鋁與鋁合金耐腐蝕硫酸陽極化膜
　4.3　鋁及其合金耐腐蝕鉻酸陽極化膜
　4.4　鋁及鋁合金耐摩擦磨損陽極化膜
　4.5　鋁合金磷酸陽極化膠接膜
　4.6　鋁合金草酸陽極化絕緣膜
　4.7　鋁及鋁合金瓷質(zhì)陽極化裝飾膜
　4.8　微弧陽極氧化陶瓷膜層
　4.9　鎂合金的陽極化膜
　4.10　鈦合金的陽極化膜
　4.11　銅和銅合金的陽極化膜
　4.12　硅、鍺和鉭的陽極化
　4.13　鋯合金的陽極化膜
　參考文獻(xiàn)
第5章　熱擴(kuò)散層
第6章　電鍍層
第7章　熱浸鍍層
第8章　熱噴涂層
第9章　有機(jī)涂層
第10章　無機(jī)涂層
第11章　復(fù)合層
第12章　氣相沉積層

圖書封面

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