金屬材料表面技術原理與工藝

第1章緒論1

1.1從表面技術到表面工程1

1.2表面技術在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮巨大作用的原因4

1.2.1采用表面技術可以解決某些零部件采用單一材料無法滿足的性能要求4

1.2.2節(jié)約貴重材料，大幅度提高性價比5

1.2.3電子信息技術飛速發(fā)展的需要6

1.2.4節(jié)能、開發(fā)新能源的需求6

1.3表面工程中的設計概念7

1.4表面技術的發(fā)展與環(huán)境保護9

1.4.1開發(fā)各種材料表面防腐蝕新技術是重要的研究方向9

1.4.2應重視新型復合表面技術的研發(fā)11

1.4.3幾種值得注意的表面改性技術12

1.4.4開發(fā)新型制備薄膜太陽能電池技術是研究熱點14

1.4.5涂鍍層技術中鋼板、鋼梁、鋼管的鍍層新技術開發(fā)15

1.4.6表面技術中的環(huán)保問題15

習題17

參考文獻18

第2章利用相變原理設計表面改性技術19

2.1馬氏體相變基本特征概述及在設計表面改性技術中應用19

2.2殘余應力產(chǎn)生原理與分析方法23

2.2.1冷卻過程中的殘余應力產(chǎn)生原理24

2.2.2殘余應力綜合分析與控制26

2.3表面組織金相分析方法29

2.3.1阿貝原理29

2.3.2利用阿貝原理分析金相組織31

2.4表面相變強化工藝設計與典型工藝分析33

2.4.1工藝設計基本思路與一般規(guī)律34

2.4.2感應加熱淬火工藝設計與分析36

2.4.3激光表面相變強化工藝44

2.5表面相變強化工藝設計案例49

2.6快速加熱零部件失效案例分析55

2.7非鋼鐵材料表面相變強化工藝設計與貝氏體組織應用58

2.8幾種常用表面改性工藝60

習題64

參考文獻67

第3章利用擴散與相變原理設計表面改性工藝68

3.1基本原理概述68

3.2擴散基本規(guī)律70

3.2.1純擴散理論70

3.2.2反應擴散理論71

3.3利用反應擴散方法設計表面改性工藝的思路74

3.4利用純擴散理論設計表面改性工藝75

3.4.1鋼的滲碳工藝分析75

3.4.2滲碳過程中爐內(nèi)碳勢的控制80

3.4.3滲碳件殘余應力分析83

3.4.4滲碳的數(shù)值模擬技術簡介84

3.5利用反應擴散理論設計表面改性工藝89

3.5.1設計思想與基本原理89

3.5.2典型工藝1——氮化工藝91

3.5.3滲硼工藝設計98

3.5.4固體粉末滲鋅100

3.5.5鹽浴滲金屬方法TD技術101

3.5.6氮化與滲金屬過程中產(chǎn)生的殘余應力102

3.6工藝設計案例105

3.6.1案例1齒輪表面改性工藝設計105

3.6.2案例2導線夾制備工藝的設計108

3.6.3案例3對小模數(shù)齒輪設計多元共滲代替滲碳的技術方案112

3.6.4案例4利用TD方法提高熱模具壽命113

3.7失效分析案例114

3.7.1案例1軸承外圈裂紋分析114

3.7.2案例2氮化裂紋問題115

3.8幾種典型的表面改性工藝117

3.8.1碳氮共滲技術117

3.8.2真空滲碳118

3.8.3二段及三段氮化法119

3.8.4提高鋼件抗腐蝕能力的氮化法119

3.8.5TD方法滲金屬120

3.8.6抗蝕、抗氧化表面改性工藝設計121

3.8.7多元共滲工藝設計123

3.8.8快速電加熱滲鋁金123

3.9表面改性技術中的污染問題124

習題125

參考文獻127

第4章薄膜技術128

4.1薄膜的定義與薄膜形成128

4.1.1薄膜定義及在現(xiàn)代科技中作用128

4.1.2薄膜形成過程簡介129

4.2化學氣相沉積技術基本原理與典型工藝分析132

4.2.1化學原理在化學氣相沉積中作用與典型工藝分析132

4.2.2TCVD薄膜沉積過程與特點137

4.2.3CVD技術的應用138

4.2.4TCVD應用范圍探討140

4.3真空技術基礎141

4.3.1真空的定義與單位141

4.3.2氣體分子能量運動速度與分子間碰撞142

4.3.3真空的獲得143

4.3.4真空系統(tǒng)配置簡介145

4.4等離子體技術基礎148

4.4.1等離子體基本概念148

4.4.2等離子體產(chǎn)生方法150

4.5粒子間碰撞156

4.5.1彈性碰撞能量轉移156

4.5.2非彈性碰撞的能量轉移157

4.6等離子體化學氣相沉積技術160

4.7物理氣相沉積——真空蒸發(fā)鍍膜技術163

4.7.1基本原理163

4.7.2蒸發(fā)源與合金膜的蒸發(fā)鍍166

4.8物理氣相沉積——離子鍍技術167

4.8.1基本原理167

4.8.2典型工藝分析169

4.9物理氣相沉積技術——濺射鍍膜170

4.9.1離子濺射中一些理論問題170

4.9.2典型濺射鍍膜技術172

4.9.3磁控濺射技術173

4.10離子注入與離子束合成薄膜技術原理178

4.10.1離子注入的原理*178

4.10.2離子注入機與注入工藝184

4.10.3離子束與鍍膜復合技術185

4.10.4離子注入技術實際應用狀況190

4.11薄膜中的應力分析192

4.11.1薄膜內(nèi)應力192

4.11.2薄膜的附著力196

4.12薄膜設計應用案例197

案例1用TCVD技術沉積TiN提高硬質(zhì)合金刀具切削速度197

案例2在藍寶石上沉積TiN薄膜198

案例3光盤記錄系統(tǒng)200

案例4太陽能電池原理與薄膜材料設計203

4.13幾種氣相沉積鍍膜技術204

4.13.1反應蒸發(fā)鍍工藝204

4.13.2三級與四級濺射205

4.13.3高頻濺射鍍205

4.13.4多弧離子鍍206

4.13.5離子團束鍍207

4.13.6離子輔助沉積207

4.13.7雙離子束鍍208

習題208

參考文獻209

第5章涂鍍層技術210

5.1電沉積技術基本原理與典型工藝210

5.1.1金屬電化學腐蝕模型與標準電極電位210

5.1.2電沉積的基本過程212

5.1.3電沉積中的定量計算213

5.1.4電沉積的后處理與鍍層殘余應力216

5.1.5典型電沉積工藝分析——電鍍鋅工藝217

5.1.6電沉積技術中的污染問題221

5.2電刷鍍技術222

5.2.1基本原理222

5.2.2電刷鍍工藝步驟與應用領域226

5.3電沉積技術在高科技中應用229

案例1利用電沉積技術制備薄膜太陽能電池材料229

案例2利用電沉積技術制備鎳網(wǎng)材料229

案例3電沉積銅用于IC銅布線230

5.4電沉積零件的失效分析231

案例4電沉積汽車調(diào)節(jié)螺桿失效分析231

5.5化學鍍技術233

5.5.1化學鍍原理233

5.5.2化學鍍典型工藝與組織性能及應用235

5.5.3化學鍍中殘余應力問題238

5.6熱浸鍍技術239

5.6.1熱浸鍍基本原理與工藝過程239

5.6.2熱浸鍍典型工藝分析——熱浸鋅工藝241

5.7化學轉移膜技術*243

5.7.1化學轉移膜基本原理與用途243

5.7.2典型化學轉移膜技術分析245

5.7.3化學轉移膜技術中污染問題251

5.8熱噴涂技術252

5.8.1熱噴涂技術基本原理252

5.8.2噴涂層中的殘余應力255

5.8.3典型噴涂技術256

5.9幾種涂層技術簡介259

5.9.1電鍍鉻工藝259

5.9.2電刷鍍工藝260

5.9.3熱鍍鋁工藝263

5.9.4爆炸噴涂265

5.9.5超音速噴涂266

5.9.6鋁合金陽極氧化267

習題270

參考文獻270

第6章復合表面處理技術272

6.1表面技術復合的設計原則272

6.2幾種復合表面技術275

6.2.1硫與氮共滲復合處理275

6.2.2滲氮與感應表面淬火復合275

6.2.3濺射Al膜與離子氮化工藝復合276

6.2.4多元共滲與高分子材料復合276

6.2.5噴涂與激光、火焰快速加熱復合279

6.2.6鑄滲復合處理工藝279

習題280

參考文獻281

本書針對材料三大類表面技術中的基本原理進行了歸納與論述。每類技術中選出一些典型技術進行詳細分析，并列出一些常用表面技術規(guī)范。在一些章節(jié)中以具體零部件為例，嘗試與其他學科交叉實現(xiàn)“表面技術的設計”。經(jīng)過表面技術處理的零部件，一般均存在殘余應力，也會出現(xiàn)失效情況， 本書介紹了殘余應力定性分析方法及一些失效案例。對一些表面技術中存在的污染問題也給予較詳細說明。

本書供高等院校研究生、本科生或高職高專學生作為教材使用，適用于材料科學與工程、機械制造等與表面技術有關的專業(yè)。也可作為從事表面技術工作科技人員的參考書。

本選題以焊接技術應用專業(yè)為基礎，主要講授金屬材料基礎知識與熱處理基本工藝，以及機械制造工藝基礎相關理論知識與材料選用有關的機械制造基本能力的培養(yǎng)。主要內(nèi)容包括金屬的的性能、鋼鐵材料、鋼的熱處理、其他常用金屬和當今前沿金屬材料介紹、金屬毛坯制造工藝、零件切削加工工藝等相關知識。

緒論 1

第一單元 金屬材料與熱處理

第1章 金屬的結構與結晶 4

1.1 金屬的晶體結構 4

1.1.1 晶體與非晶體 4

1.1.2 金屬的晶格類型 4

1.1.3 單晶體與多晶體 5

1.1.4 晶體的缺陷 6

1.2 純金屬的結晶 7

1.2.1 純金屬的結晶過程 7

1.2.2 晶粒大小對金屬材料的影響 8

1.2.3 同素異構轉變 9

第2章　金屬材料的性能 11

2.1 金屬材料的物理性能 11

2.1.1 密度 11

2.1.2 熔點 12

2.1.3 熱膨脹性 12

2.1.4 導熱性 13

2.2 金屬材料的力學性能 14

2.2.1 強度和塑性 14

2.2.2 硬度 17

2.2.3 沖擊韌性和疲勞強度 19

2.3 金屬材料的工藝性能 20

2.3.1 鑄造性能 21

2.3.2 鍛壓性能 22

2.3.3 焊接性能 23

2.3.4 切削加工性能及熱處理性能 23

第3章　鐵碳合金 25

3.1 合金及其組織 26

3.1.1 合金的基本概念 26

3.1.2 合金的組織 26

3.2 鐵碳合金的基本組織與性能 28

3.2.1 鐵素體 28

3.2.2 奧氏體 28

3.2.3 滲碳體 29

3.2.4 珠光體 29

3.2.5 萊氏體 29

3.3 鐵碳合金相圖 30

3.3.1 鐵碳合金相圖的組成 31

3.3.2 Fe-Fe3C相圖中特性點、線的含義 31

3.3.3 鐵碳合金的分類 33

3.3.4 鐵碳合金的成分、組織與性能的關系 33

3.3.5 Fe-Fe3C相圖的應用 33

3.4 碳素鋼 35

3.4.1 鋼中常存元素及其對性能的影響 35

3.4.2 碳素鋼的分類 35

3.4.3 碳素鋼牌號及用途 36

第4章 鋼的熱處理 41

4.1 熱處理的原理及分類 41

4.2 鋼在加熱及冷卻時的組織轉變 42

4.2.1 鋼在加熱時的組織轉變 42

4.2.2 鋼在冷卻時的組織轉變 43

4.3 熱處理的基本方法 47

4.3.1 退火與正火 47

4.3.2 淬火與回火 49

4.4 鋼的表面熱處理 54

4.4.1 表面淬火 54

4.4.2 化學熱處理 55

第5章 合金鋼 61

5.1 合金鋼的分類和牌號 61

5.1.1 合金鋼的分類 61

5.1.2 合金鋼的牌號 62

5.2 合金結構鋼 63

5.2.1 低合金結構鋼 63

5.2.2 合金滲碳鋼 64

5.2.3 合金調(diào)質(zhì)鋼 65

5.2.4 合金彈簧鋼 66

5.2.5 滾動軸承鋼 66

5.3 合金工具鋼 68

5.3.1 合金刃具鋼 68

5.3.2 合金模具鋼 70

5.3.3 合金量具鋼 71

5.4 特殊性能鋼 72

5.4.1 不銹鋼 72

5.4.2 耐熱鋼 74

5.4.3 耐磨鋼 74

第6章　鑄鐵 76

6.1 鑄鐵的特點與分類 76

6.1.1 鑄鐵的石墨化 76

6.1.2 鑄鐵的組織與性能的關系 77

6.1.3 鑄鐵的分類 78

6.2 常用鑄鐵簡介 78

6.2.1 灰鑄鐵 78

6.2.2 可鍛鑄鐵 80

6.2.3 球墨鑄鐵 81

6.2.4 蠕墨鑄鐵 83

6.2.5 合金鑄鐵 84

6.2.6 常用鑄鐵的熱處理 84

第7章 有色金屬與硬質(zhì)合金 86

7.1 銅及銅合金 86

7.1.1 純銅（Cu） 86

7.1.2 銅合金 87

7.2 鋁及鋁合金 91

7.2.1 鋁及鋁合金的性能特點 92

7.2.2 鋁及鋁合金的分類、代號、牌號和用途 92

7.3 鈦及鈦合金 95

7.3.1 純鈦（Ti） 96

7.3.2 鈦合金 96

7.3.3 鈦的三大功能 97

7.4 硬質(zhì)合金 97

7.4.1 硬質(zhì)合金的性能特點 98

7.4.2 常用的硬質(zhì)合金 98

第二單元 金 屬 工 藝

第8章 鍛造與鑄造 102

8.1　鍛造 102

8.1.1 坯料的加熱 102

8.1.2 自由鍛 103

8.1.3 模鍛 106

8.1.4 鍛件的鍛后冷卻 107

8.1.5 自由鍛工藝 108

8.1.6 自由鍛的常見缺陷 109

8.2　鑄造 110

8.2.1 鑄造基礎 110

8.2.2 砂型鑄造 111

8.2.3 鑄造工藝 116

8.2.4 特種鑄造 118

第9章 車削 122

9.1　車床 122

9.1.1 臥式車床 122

9.1.2 車削運動 122

9.1.3 車削的加工范圍及特點 125

9.1.4 切削用量 126

9.2　車床的工藝裝備 127

9.2.1 車床夾具 127

9.2.2 車刀和刀具材料 129

9.3　車削工藝 131

9.3.1 分析圖樣 132

9.3.2 制定加工工藝 132

9.3.3 齒輪軸的車削加工 132

第10章 鉗加工 134

10.1　劃線 134

10.1.1 常用劃線工具 135

10.1.2 劃線基準的選擇 136

10.1.3 劃線步驟及工藝 136

10.2　孔加工 138

10.2.1 鉆床 138

10.2.2 鉆孔 139

10.2.3 擴孔 139

10.2.4 锪孔 140

10.2.5 鉸孔 140

10.3　螺紋加工 142

10.3.1 攻螺紋 142

10.3.2 套螺紋 144

10.4　平面與曲面加工 145

10.4.1 鋸削與鏨削 146

10.4.2 銼削 147

10.4.3 刮削 149

10.4.4 研磨 151

第11章 銑削、刨削與鏜削 154

11.1　銑削 154

11.1.1 銑床與銑刀 154

11.1.2 銑床的加工范圍與特點 158

11.1.3 銑削方法 159

11.1.4 工件的裝夾 160

11.1.5 典型零件的銑削 161

11.2　刨削與鏜削 163

11.2.1 刨床與插床 164

11.2.2 鏜削 166

11.2.3 刨削、插削與鏜削的典型零件加工 168

第12章 磨削 170

12.1　磨床 170

12.1.1 常用磨床 170

12.1.2 磨削的主要加工內(nèi)容 173

12.1.3 磨削的工藝特點 173

12.2　砂輪 174

12.2.1 砂輪的組成 174

12.2.2 砂輪的標記 174

12.3　磨削工藝 178

12.3.1 在外圓磨床上磨外圓 178

13.3.2 在外圓磨床上磨內(nèi)圓 180

12.3.3 在外圓磨床上磨外圓錐 181

12.3.4 在平面磨床上磨平面 181

12.3.5 齒輪軸的磨削工藝 182

附錄Ⅰ 壓痕直徑與布氏硬度對照表 184

附錄Ⅱ 黑色金屬硬度及強度換算表 186

附錄Ⅲ 常用鋼的臨界點 187