表面工程手冊(cè)

前言

表面工程（Surface Engineering）也稱為“表面技術(shù)”、“表面處理”或“表面改性”，是應(yīng)用物理、化學(xué)、機(jī)械等方法改變固體材料表面成分或組織結(jié)構(gòu)，獲得所要求的性能，以提高產(chǎn)品的可靠性或延長使用壽命的各種技術(shù)的總稱。眾所周知，磨損、腐蝕和疲勞是零件或構(gòu)件在工作過程中失效的最主要的三種形式，由此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失十分驚人；而這些失效現(xiàn)象大都發(fā)生在材料表面，因而采取各種手段以提高材料的表面性能，對(duì)于增加零件的安全可靠性或延長使用壽命，無疑是非常有效的。更為重要的是，通過表面工程可以大量節(jié)約資源和能源、充分發(fā)揮材料的潛力和降低生產(chǎn)成本，這在重視“環(huán)境材料”的今天來說，應(yīng)該大力提倡。此外，表面工程用于修復(fù)因磨損、腐蝕而失效或因超差而報(bào)廢的零部件使之繼續(xù)服役，也是很有成效的，并得到了廣泛應(yīng)用。由于以上各點(diǎn)，表面工程的發(fā)展極其迅速，特別是近二、三十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與工業(yè)生產(chǎn)的大量需求，有關(guān)表面工程的新工藝、新技術(shù)層出不窮，一些傳統(tǒng)工藝和技術(shù)也不斷改進(jìn)或創(chuàng)新。為此，國內(nèi)知識(shí)界和工程技術(shù)界迫切需要一部能較全面反映當(dāng)代表面工程技術(shù)的書籍。在化學(xué)工業(yè)出版社的大力支持下，曲敬信和汪泓宏兩位教授組織了國內(nèi)20余名工作在第一線、具有較高理論水平和富有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并在表面工程有關(guān)領(lǐng)域卓有成就的專家學(xué)者編寫了本書。本書有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）基礎(chǔ)性。本書首先（第1章至第4章）介紹了摩擦與磨損、金屬的腐蝕、金屬的高溫氧化和疲勞的基本理論、規(guī)律及其與表面工程的關(guān)系。在介紹各種表面技術(shù)時(shí)，注意到闡明其基本原理和理論，力求深入淺出。（2）實(shí)用性。本書是一部大型專業(yè)性的技術(shù)手冊(cè)，詳細(xì)介紹了各種表面技術(shù)的基本設(shè)備、工藝規(guī)范、主要參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)手段，便于讀者參考、應(yīng)用。（3）新穎性。本書力求反映當(dāng)代表面工程的新技術(shù)、新成果、新趨勢，在一定程度上體現(xiàn)了本領(lǐng)域的當(dāng)代水平。（4）全面性。本書較全面、系統(tǒng)地介紹了表面工程的各個(gè)重要領(lǐng)域，以便讀者從中分析比較、取長補(bǔ)短、為我所用。表面工程涉及多種學(xué)科領(lǐng)域，是一個(gè)多學(xué)科交叉的新興邊緣學(xué)科。作者們雖然盡了很大努力，恐仍有不當(dāng)之處，希望讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

《表面工程手冊(cè)》是一部全面反映當(dāng)代表面工程技術(shù)的大型書籍。它首先介紹了摩擦與磨損、金屬的腐蝕、金屬的高溫氧化和疲勞等的基本理論、規(guī)律及其與表面工程的密切關(guān)系；然后詳細(xì)地介紹了各種表面技術(shù)，包括電鍍、自催化沉積、表面轉(zhuǎn)化、化學(xué)氣相沉積、真空蒸發(fā)、濺射鍍膜、離予鍍、離子二注入、電子束表面改性、激光束表面改性、表面熱處理、化學(xué)熱處理、熱浸鍍、熱噴涂、堆焊、溶膠－凝膠法、高分子涂層等的基本設(shè)備、工藝規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、豐要參數(shù)等；最后介紹了鍍層質(zhì)量檢驗(yàn)與測試的打法。
《表面工程手冊(cè)》可供機(jī)械、化工、石化、能源、礦冶、電予、航空航天、裝飾建材等工業(yè)領(lǐng)域的表面工程技術(shù)人員使用，也可供有關(guān)專業(yè)的大專院校師生學(xué)習(xí)參考。

書籍目錄

第1章 摩擦與磨損1.1 概述1.2 摩擦1.2.1 摩擦的定義和分類1.2.2 古典摩擦定律1.2.3 摩擦機(jī)理1.2.4 影響摩擦的主要因素1.3 材料的磨損1.3.1 磨損的定義1.3.2 磨損的分類1.3.3 磨損的評(píng)定方法1.4 磨料磨損1.4.1 磨料磨損的定義和分類1.4.2 磨料磨損機(jī)理和簡化模型1.4.3 磨料磨損的主要影響因素1.5 粘著磨損1.5.1 粘著磨損的定義和分類1.5.2 粘著磨損的模型和粘著磨損方程式1.5.3 機(jī)械零件的磨損特性1.5.4 影響粘著磨損的主要因素1.6 疲勞磨損1.6.1 疲勞磨損的定義與特征1.6.2 疲勞磨損的基本理論1.6.3 影響疲勞磨損的主要因素1.7 沖蝕磨損1.7.1 沖蝕磨損的定義與特點(diǎn)1.7.2 沖蝕磨損的基本理論1.7.3 影響沖蝕磨損的主要因素1.8 腐蝕磨損與微動(dòng)磨損1.8.1 腐蝕磨損1.8.2 微動(dòng)磨損參考文獻(xiàn)第2章 金屬的腐蝕2.1 腐蝕的分類2.2 電化學(xué)腐蝕機(jī)理2.2.1 原電池作用2.2.2 電解作用2.3 電化學(xué)腐蝕的熱力學(xué)判據(jù)和電位-pH圖2.3.1 利用金屬標(biāo)準(zhǔn)電極電位和陰極反應(yīng)平衡電位估計(jì)腐蝕的可能性2.3.2 電位-pH圖2.3.3 電位-pH腐蝕狀態(tài)圖2.3.4 實(shí)測的E-pH腐蝕狀態(tài)圖2.3.5 電位-pH圖的適用性和局限性2.4 電化學(xué)腐蝕動(dòng)力學(xué)與極化作用2.5 鈍化作用2.6 金屬與合金的耐蝕性特點(diǎn)2.6.1 熱力學(xué)穩(wěn)定的金屬材料的耐蝕性特點(diǎn)2.6.2 鈍性金屬材料的耐蝕性特點(diǎn)2.6.3 鍍層金屬的耐蝕性特點(diǎn)2.6.4 應(yīng)力、應(yīng)變對(duì)金屬腐蝕的影響2.7 環(huán)境因素對(duì)腐蝕的影響2.7.1 介質(zhì)氧化還原性的影響2.7.2 介質(zhì)pH值和溶氧濃度的影響2.7.3 介質(zhì)中特異離子的影響2.7.4 介質(zhì)流速的影響2.7.5 溫度的影響2.8 腐蝕過程的控制因素2.9 防腐蝕途徑的選擇2.10金屬材料或鍍層的耐蝕性評(píng)價(jià)與試驗(yàn)方法2.10.1 腐蝕速率或腐蝕程度的表示方法2.10.2 耐蝕性評(píng)價(jià)2.10.3 常用腐蝕試驗(yàn)方法簡介參考文獻(xiàn)第3章 金屬的高溫氧化3.1 金屬高溫氧化原理3.1.1 金屬高溫氧化的熱力學(xué)判據(jù)3.1.2 高溫氧化機(jī)理3.1.3 高溫氧化速度3.1.4 氧化物的比容3.2 金屬高溫硫化3.3 幾種液態(tài)環(huán)境中的高溫腐蝕3.3.1 釩侵蝕3.3.2 熱腐蝕3.3.3 熔鹽腐蝕3.3.4 液態(tài)金屬中的腐蝕3.4 防止高溫腐蝕的途徑3.4.1 使用惰性氣體或保護(hù)氣氛3.4.2 選用耐高溫腐蝕的金屬材料3.4.3 使用高溫防護(hù)涂層3.5 高溫氧化的評(píng)價(jià)與試驗(yàn)方法簡介參考文獻(xiàn)第4章 疲勞4.1 疲勞強(qiáng)度與壽命4.1.1 疲勞現(xiàn)象4.1.2 應(yīng)力疲勞壽命(S-N曲線)4.1.3 應(yīng)變疲勞壽命(Coffin-Manson關(guān)系)4.1.4 平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響4.1.5 疲勞累積損傷4.1.6 疲勞的多階段過程4.2 循環(huán)形變及其特征4.2.1 循環(huán)形變的硬化和軟化4.2.2 循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線4.2.3 駐留滑移帶與循環(huán)應(yīng)變局部化4.2 循環(huán)形變的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)4.3 疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展4.3.1 裂紋萌生的優(yōu)先地點(diǎn)4.3.2 裂紋擴(kuò)展的第Ⅰ和第Ⅱ階段4.3.3 近門檻的疲勞裂紋擴(kuò)展4.3.4 裂紋的閉合現(xiàn)象及其機(jī)制4.3.5 疲勞短裂紋行為4.4 循環(huán)形變和疲勞中的表面效應(yīng)4.4.1 疲勞中的表面與內(nèi)部形變4.4.2 疲勞損傷的X射線測量4.4.3 疲勞中的表面膜效應(yīng)參考文獻(xiàn)第5章 表面預(yù)處理5.1 凈化處理.5.1.1 表面沾污物5.1.2 凈化原理5.1.3 凈化劑5.1.4 凈化方法5.1.5 凈化度檢驗(yàn)5.2 除銹與活化5.2.1 酸洗法除銹5.2.2 電解法除銹5.2.3 噴砂法除銹5.2.4 活化處理5.3 光飾與粗糙化5.3.1 光飾處理5.3.2 粗糙化處理參考文獻(xiàn)第6章 電鍍6.1 基本理論6.1.1 電沉積過程6.1.2 陰極析出與極化6.1.3 電結(jié)晶及其影響因素6.1.4 共沉積6.1.5 快速電沉積6.2 單金屬電鍍6.2.1 鍍鎘、錫、鉛6.2.2 鍍鋅、銅6.2.3 鍍鎳、鐵、鈷6.2.4 鍍鉻6.2.5 鍍貴金屬及其他單金屬6.3 合金電鍍6.3.1 防護(hù)性合金電鍍6.3.2 耐磨性合金電鍍6.3.3 減摩性合金電鍍6.3.4 釬焊性合金電鍍6.3.5 裝飾性合金電鍍6.4 復(fù)合電鍍6.4.1 防護(hù)性復(fù)合電鍍6.4.2 耐磨性復(fù)合電鍍6.4.3 減摩性復(fù)合電鍍6.5 電刷鍍6.5.1 概述6.5.2 電刷鍍裝備6.5.3 電刷鍍?nèi)芤?.5.4 電刷鍍工藝及參數(shù)控制6.5.5 電刷鍍技術(shù)應(yīng)用簡介6.6 流鍍6.6.1 概述6.6.2 流鍍裝備6.6.3 流鍍工藝與應(yīng)用6.6.4 流鍍非晶態(tài)合金6.6.5 復(fù)合流鍍參考文獻(xiàn)第7章 自催化沉積7.1 概述7.1.1 自催化沉積條件7.1.2 自催化沉積特點(diǎn)7.1.3 自催化沉積應(yīng)用范圍7.2 自催化鍍液7.2.1 主鹽7.2.2 還原劑7.2.3 絡(luò)合劑7.2.4 穩(wěn)定劑7.2.5 其他添加劑7.3 催化表面與參數(shù)控制7.3.1 固體表面的催化活性7.3.2 參數(shù)控制7.4 磷系自催化沉積7.4.1 磷系自催化鍍鎳7.4.2 磷系自催化鍍鈷7.4.3 磷系自催化鍍貴金屬7.4.4 磷系自催化鍍其他金屬7.4.5 磷系自催化鍍多元合金7.5 硼系自催化沉積7.5.1 硼系自催化鍍鎳7.5.2 硼系自催化鍍鈷7.5.3 硼系自催化鍍貴金屬7.5.4 硼系自催化鍍多元合金7.6 醛系及肼系自催化沉積7.6.1 醛系自催化沉積7.6.2 肼系自催化沉積7.7 自催化復(fù)合沉積7.7.1 軟質(zhì)點(diǎn)系自催化復(fù)合鍍層7.7.2 硬質(zhì)點(diǎn)系自催化復(fù)合鍍層參考文獻(xiàn)第8章 表面轉(zhuǎn)化8.1 概述8.1.1 表面轉(zhuǎn)化膜的分類8.1.2 表面轉(zhuǎn)化處理方法8.1.3 表面轉(zhuǎn)化膜的用途8.2 氧化處理8.2.1 鋁及鋁合金氧化處理8.2.2 鋼鐵氧化處理8.2.3 其他金屬的氧化處理8.3 磷化處理8.3.1 鋼鐵磷化8.3.2 鋅材磷化8.3.3 鋁材磷化8.4 鈍化處理8.4.1 銅及銅合金鈍化處理8.4.2 不銹鋼鈍化處理8.4.3 鋅及鋅合金鈍化處理8.4.4 其他金屬的鈍化處理8.5 著色處理8.5.1 不銹鋼著色8.5.2 銅及銅合金著色8.5.3 銀及銀合金著色8.5.4 鋅及鋅合金著色參考文獻(xiàn)第9章 化學(xué)氣相沉積9.1 引言9.2 化學(xué)氣相沉積9.2.1 化學(xué)氣相沉積理論基礎(chǔ)9.2.2 化學(xué)氣相沉積方法及裝置9.3 等離子體增強(qiáng)CVD9.3.1 原理9.3.2 等離子體CVD沉積裝置9.3.3 等離子體CVD沉積方法9.4 激光CVD9.4.1 原理9.4.2 1CVD方法9.5 金屬有機(jī)化合物CVD9.5.1 原理9.5.2 金屬有機(jī)化合物9.5.3 MOCVD沉積裝置及方法9.5.4 安全性考慮9.6 CVD硬質(zhì)涂層和耐腐蝕涂層9.6.1 CVD硬質(zhì)涂層9.6.2 抗摩擦磨損及耐腐蝕CVD涂層9.6.3 CVD硬質(zhì)涂層的工具應(yīng)用9.6.4 CVD耐腐蝕涂層9.7 CVD金剛石膜9.7.1 金剛石膜化學(xué)氣相沉積9.7.2 金剛石膜CVD工藝9.7.3 類金剛石膜(D1C)的化學(xué)氣相沉積9.7.4 金剛石和類金剛石膜的應(yīng)用參考文獻(xiàn)第10章 真空蒸發(fā)10.1 概述10.2 真空蒸發(fā)的物理原理10.2.1 蒸發(fā)熱力學(xué)10.2.2 蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)10.2.3 薄膜厚度的均勻性10.3 真空鍍膜工藝10.3.1 真空蒸發(fā)裝置10.3.2 蒸發(fā)源10.4 真空蒸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用10.5 特殊蒸發(fā)技術(shù)10.5.1 多源蒸發(fā)10.5.2 瞬時(shí)蒸發(fā)10.5.3 反應(yīng)蒸發(fā)10.5.4 分子束外延參考文獻(xiàn)第11章 濺射技術(shù)11.1 濺射技術(shù)基礎(chǔ)11.1.1 濺射11.1.2 濺射原理11.1.3 濺射系數(shù)11.1.4 濺射產(chǎn)物和濺射時(shí)靶表面的變化11.2 濺射鍍膜工藝與裝備11.2.1 直流輝光放電11.2.2 射頻輝光放電11.2.3 等離子體電位、浮動(dòng)電位和偏壓11.2.4 從二極濺射到磁控濺射11.2.5 磁控濺射技術(shù)11.2.6 磁控濺射的工作原理11.2.7 各種磁控濺射源11.2.8 反應(yīng)濺射鍍膜11.2.9 離子柬濺射鍍膜11.3 濺射鍍膜技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例11.3.1 純金屬與合金濺射鍍膜的應(yīng)用實(shí)例——集成電路(IC)芯片制造中的電極引線11.3.2 化合物濺射鍍膜的應(yīng)用實(shí)例——硬質(zhì)涂層濺射鍍膜工藝11.3.3 在幕墻玻璃產(chǎn)品上的應(yīng)用實(shí)例11.3.4 在透明導(dǎo)電玻璃生產(chǎn)方面的應(yīng)用實(shí)例參考文獻(xiàn)第12章 離子鍍12.1 概述12.2 離子鍍的物理原理12.2.1 離子鍍的成膜條件12.2.2 離子鍍的離化率12.2.3 粒子轟擊對(duì)薄膜生長的影響12.2.4 離子鍍的特點(diǎn)12.3 離子鍍的類型及應(yīng)用12.3.1 直流二極型離子鍍12.3.2 三極型離子鍍12.3.3 射頻離子鍍12.3.4 磁控濺射離子鍍12.3.5 反應(yīng)離子鍍12.3.6 空心陰極放電離子鍍12.3.7 多弧離子鍍12.3.8 離子束輔助沉積12.3.9 離化團(tuán)束沉積參考文獻(xiàn)第13章 離子注人13.1 科學(xué)意義和應(yīng)用前景13.2 離子注入的特點(diǎn)和離子注入機(jī)13.2.1 離子注入原理13.2.2 離子注入的特點(diǎn)13.2.3 離子注入系統(tǒng)和離子注入機(jī)13.3 射程和能量淀積13.3.1 阻止本領(lǐng)和能量損失13.3.2 離子射程13.3.3 入射離子在固體中的分布13.3.4 能量淀積和輻射損傷……第14章 電子束表面改性第15章 激光束表面改性第16章 表面熱處理第17章 化學(xué)熱處理第18章 熱浸鍍第19章 熱噴涂第20章 堆焊第21章 溶膠-凝膠法第22章 高分子涂層第23章 鍍層質(zhì)量檢驗(yàn)與測試

章節(jié)摘錄

插圖：化學(xué)氣相沉積（Cheroical Vapor Deposition，CVD）是一種制備材料的氣相生長方法。這種方法通過含有構(gòu)成薄膜元素的揮發(fā)性化合物與其他氣相物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生非揮發(fā)性的固相物質(zhì)并使之以原子態(tài)沉積在置于適當(dāng)位置的襯底上，從而形成所要求的材料?；瘜W(xué)氣相沉積與物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）的不同之點(diǎn)在于后者是利用高溫所引起的物質(zhì)的蒸發(fā)，或電子、離子、光子等荷能粒子的能量所造成的靶物質(zhì)的濺射在襯底上形成所要求的薄膜的?；瘜W(xué)氣相沉積是一種非常靈活、應(yīng)用極為廣泛的工藝方法，可以用來制備各種涂層、粉末、纖維和成型元器件。當(dāng)今，應(yīng)用CVD工藝幾乎可以制備任何金屬和非金屬元素（包括碳和硅），及其化合物（如碳化物、氧化物、氮化物、硼化物、硅化物、金屬間化合物等等）。CVD技術(shù)最初的發(fā)展原動(dòng)力是微電子技術(shù)，今天已普及應(yīng)用于各種各樣的家用電器中所包含的集成電路塊，以及性能越來越強(qiáng)大、價(jià)格卻越來越低廉的微型計(jì)算機(jī)中的芯片，從半導(dǎo)體材料的外延，到鈍化、刻蝕、布線和封裝，幾乎每一個(gè)工序都離不開CVD技術(shù)。目前正在蓬勃發(fā)展的光電子技術(shù)和微電子一光電子集成技術(shù)，同樣離不開CVD。目前正在研究開發(fā)的很多光電子材料和器件，都是采用MOCVD（一種以金屬有機(jī)化合物為前驅(qū)反應(yīng)氣體的CVD技術(shù)）方法制作的。除廣泛用于微電子和光電子技術(shù)中薄膜和器件的制作外，CVD技術(shù)還用來沉積各種各樣的冶金涂層和防護(hù)涂層，廣泛應(yīng)用于各種工具、模具、磨具、裝飾，以及抗腐蝕、抗高溫氧化、熱腐蝕和沖蝕等等的場合。越來越多地采用化學(xué)氣相沉積方法的原因之一是因?yàn)椴捎没瘜W(xué)氣相沉積方法可以制備各種各樣高純的、具有所希望性能的晶態(tài)和非晶態(tài)和金屬、半導(dǎo)體及化合物薄膜和涂層的能力。與PVD沉積方法相比，CVD方法具有更好的覆蓋性，可以在深孔、階梯、洼面或其他復(fù)雜的三維形體上沉積。此外化學(xué)氣相沉積方法還可以在很寬廣的范圍控制所制備薄膜的化學(xué)計(jì)量比，這與其他方法相比是很突出的?；瘜W(xué)氣相沉積其他的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備成本和操作費(fèi)用相對(duì)較低，既適合于批量生產(chǎn)，也適合于連續(xù)生產(chǎn)，與其他加工過程有很好的相容性。因此，近年來研究開發(fā)了許多種新的CVD方法，包括低壓（減壓）化學(xué)氣相沉積（LPCVD），等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）以及激光輔助的化學(xué)氣相沉積（LCVD）。一些同時(shí)結(jié)合了物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積特點(diǎn)的復(fù)合方法也已經(jīng)出現(xiàn)。下面將對(duì)CVD技術(shù)的理論基礎(chǔ)和所包含的內(nèi)容逐一介紹。

編輯推薦

《表面工程手冊(cè)》是由化學(xué)工業(yè)出版社出版的。

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