表面工程-论文

表面工程技术简要综述表面处理技术是采用某种特殊工艺方法来直接改变材料原来的表面组织成分或在原来表面上形成具有持殊性能的表层。几种技术的互相渗透、互相交叉可以使表面改性有一个相当大约突破。表面处理技术在以下几个方面延伸发展：1、改善金属表面的金相显微组织，使表层组织强化它包括感应加热淬火，氧—乙快火焰加热淬火、电子束、激光等高能量密度的表面处理。若激光束与表面覆盖合金或热喷涂陶瓷涂层等相互结合，会更具生命力。2、改变金属表面合金成分，使表面合金化，它是一种有效的表面改性方法，投资少、功能多，并有使零件表面与心部形成相当于两种不同成分的复合材料性能的效果。主要有热扩渗、接渗等。3、.把冷加上与表面状态的改变有机结合起来(如喷九、掖压、冷压、冷轧等工艺)这开辟了一个把整体强化与局部或表面强化结合起来的复合强化新领域。因为在整体强化后，往往会导致缺口敏感性提高并使疲劳极限下降，甚至发生脆性断裂。为此在缺口或薄弱区域施以局部液压强化造成局部压应力，可显著降低材料的缺口敏感性，使服投寿命显著提高。如3cr2w8v钢制造的热压模的喷九强化，既减少和消除了脆性材料对应力集中的敏感性，又可产生由表面应力诱发的相变相晶粒碎化效应。4、.表面覆盖技术表面覆盖技术(包含有喷徐、涂镀、电镀、粉末熔射、电火花喷射等各种工艺)，表面氧化、磷化及着色也可归于此类。它既可起改性作用，又可起保护、装饰作用。表面覆盖正向着陶瓷材料迈进，粉末熔射可与激光技术结合起来。但覆盖层与基体金属结合力小，设法增强结合力是今后重要的研究方向。表面覆盖层即表面改性层，根据其厚度及特点的不同作如下分类：(1)涂层表面冶金，包括熔烧、堆焊、热喷涂、喷熔、高能(电子束、激光束)热源涂熔。其特点是处理时基体温度等于或低于熔点，改性层厚度为1—10um。(2)薄膜表面冶金，包括真空蒸发沉积(气相沉积、反应性气相沉积、电场沉积、反应性电场沉积)、离子涂覆(低压离子涂覆、反应性离子涂覆、HcD、反应性HcD、中空阳极溅射、液相溅射)。其特点是用等离子作媒介，但处理时基体温度在室温附近，改性层厚度在o．1—10um。(3)精密表面冶金(离子注入法、离子混合法、离子扩散法)，也称为离于冶金。其特点是处理时基体温度在室温或超低温，没有尺寸变化．改性层范围在l0一100原子层厚。用此法处理的刀具寿命可提高6—12倍。5、交叉复合处理将各种新技术、新工艺复合交叉，虽然要复杂一些，但能得到意想不到的效果。如对渗硼层进行激光微熔处理，不仅能细化硼化物，获得细小的共晶，而且使表层组织致密．较大幅度提高韧性和耐磨性。下面将简要介绍几种表面处理工艺一、热喷涂热喷涂技术就是许多表面改性技术的一种，这种特殊的技术，在产品制造和旧件维修方面都有广泛的应用。通过在普通材料的表面喷涂保护层、强化层和装饰层等各种功能涂层，使其实现防蚀、耐磨、减磨、抗高温、耐氧化、隔热、绝缘、导电和防微波辐射等一系列功能特性，使报废零件“起死回生”，使新设备“益寿延年”。热喷涂是一系列过程，在此过程中，细微而分散的金属或非金属的涂层材料，以一种熔化或半熔化状态，沉积到一种经过制备的基体表面，形成某种喷涂沉积层。涂层材料可以是粉状或线丝状。热喷涂枪由燃料气或电弧提供所需的热量，将热喷徐材料加热到半熔化的塑性状态或熔融态，再经气流的加速，使受约束的颗粒流冲击到基体表面上。颗粒因受冲压而变形，形成叠层薄片，粘附在经过制备的基体表面上，随之冷却并不断堆积，最终形成一种层状结构的涂层。热喷涂方法分类二、电镀随着科学技术与现代工业的发展，各个领域对材料不断提出新的需求。同时，节约原材料，节约能源和环境保护的要求越来越高。因而，促使电镀在单金属镀层的基础上有了很大发展，产生了许多新型电镀工艺。如从一种溶液中在阴极上同时析出两种或两种以上的金属制取合金镀层的合金电镀；使第二相(常为非水溶性固体)微粒与金属共沉积制取复合镀层的复合电镀；制取非晶态合金镀层的非晶态电镀；不用镀槽而用镀笔进行快速电镀的电刷镀；在非金属材料上制取镀层的非金属电镀；不用电流，利用适当还原剂使金属沉积在有催化能力的材料表面的化学镀(也叫无电解镀)。还有化学转化膜技术，金属着色技术等。由上述新工艺的交义融合或结合某种新技术手段或设备，又产生了一些新型工艺，如非晶态复合镀，复合化学镀，非金属化学镀，非金属刷镀，摩擦电喷镀，脉冲电镀，超声波电镀，超声波化学镀，激光处理非品态复合镀等。三、化学镀化学镀也称为元电解镀，是一种不使用外电源、而是利用还原剂使溶液中的金属离子在基体表面还原沉积的化学处理方法，即Men+十还原剂一Me↓十氧化剂化学镀是一个自催化的还原过程，也就是基体表面及在其上析出的金属都具有自催化能力，使镀层能够不断增厚。化学镀工艺不需要直流电源设备，前处理工艺较为简单，在金属和非金属材料上都能进行镀覆。由于不存在电流分布的问题，所以在形状复杂的零件表面也能获得厚度均匀的铰层。其催化特点可使镀件表面形成任意厚度的镀层。重复镀双层时也有很高的结合力。镀层孔隙少，致密性好，硬度高，耐蚀性和耐磨性强，某些化学镀层还具有独特的化学、机械或磁性能。但是，由于化学镀的镀液中氧化剂(金属离子)与还原剂同时存在，处于热力学不稳定状态，即镀液稳定性差。而且沉积速度侵，工作温度高。所以，铰液中除金属盐、还原剂外，还必须加入增强金属离子稳定性的络合剂、防止pH值明显变化的缓冲剂和PH调节剂、防止镀液自然分解的稳定剂、促进沉积的加速剂，以及光亮剂、润湿剂等。可以进行化学镀的金属有镍，铜，钴，银，金，钯，铂等和相应的合金。化学镀通常制得是二元合金，如N1—P，Cu—P等。也可以获得二元或四元合金，如Ni—Cu—P．Ni—Sn—P，NL—zn—P和Ni—R卜zn—P等。四、新型表面改性技术（1）物理气相沉积物理气相沉积(简称PVD法)，是利用热蒸发或粹光放电、弧光放电等物理过程，在基材表面沉积所需涂层的技术。它包括真空蒸发镀膜、离子镀膜和饿射镀膜。与其他镀膜或表面处理方法相比，物理气相沉积具有以下待点：镀层材料广泛，可镀各种金屑、合金、氧化物、氮化物、碳化初等化合物镀层，也能镀制金属、化合物的多层或复合层；镀层附着力强，工艺温度低，工件一般无受热变形成材料变质的问题，如用离子镀得到TEN等硬质镀层，其工件温度可保持在550℃以下，这比化学气相沉积法制备同样的镀层所需的1000℃要低得多；镀层纯度高、组织致密；工艺过程主要由电参数控制，易于控制、调节。（2）化学气相沉积化学气相沉积(简称CVD法)是利用气态物质在固体表面发生化学反应，生成固态沉积物的过程。化学气相沉积的过程可以在常压下进行，也可以在低压下进行。CVD技术是当前获得固态薄膜的方法之一。利用CVD技术，可以沉积出玻璃态薄膜，也能制出纯度高、结构高度完整的结晶薄膜，还可沉积纯金屑膜、台金膜以及金局间化合物，如；硼、碳、硅、锗、硼化物、硅化物、碳化物、氮化物等薄膜。在微电学制造工艺中，CVD技术主要用在表面钝化膜、绝缘膜、多层布线、扩散源、．太阳电池等方面。此外，用CVD技术获得的氮化物、硼化物、碳化物、金刚石及其类金刚石薄膜，可作为耐磨、耐蚀、装饰、光学、电学等功能薄膜面得到应用。图1为通常的CVD装置示意图。工艺中的材料源，常采用挥发性的化合物，由气体携带入高温的反应区，通过化学反应在工件表面生成薄膜。由于不少CVD工艺的副产品都是侵蚀性的和有毒的，所以必须有废气的收集和处理装置。5激光表面强化激光表面强化是高能密度表面强化技术中的一种主要手段，是新兴的激光技术和历史悠久的金属热处理相结合的产物。在一些特定情况下，它具有传统表面强化技术或其他高能密度表面强化技术不能或不容易达到的特点．这就使得激光表面强化技术在表面强化的领域内占有重要的地位。激光表面强化的工艺原理应用激光对金属进行表面强化，当激光束辐照金属时，激光与金属之间的交互作用按激光强度和辐照时间分为几个阶段：吸收光束、能量传递、金属组织的改变、激光作用后的冷却等。过程的进展与金属的性能有关，例如金属表面的反射系数、热扩散系数、导热系数、密度等。当金属受到激光束的辐照时，金属中的电子得到光子的能量并与晶体点阵中的杂质碰撞，从面加热晶体点阵。由于光子穿透金属的能力很低，因面只能使金屑表面的一薄层温度升高。金属受到激光表面强化时，加热及冷却过程基本上是在固态下进行，因为固态的各个部位没有相互位移，所以金属表层吸收的能量主要依靠热传导向内部传递。这样，金属的加热是依靠吸收激光能量和热传导给基体的能量的平衡。激光可以使碳钢在很短时间内升温到由于快速加热而升高了的临界温度。例如，对于45号碳钢来说，高速升温时的临界点入2温度大约在900℃左右。温度高于亚共析钢的临界点入e时，得到奥氏体，加热停止后，就进入冷却阶段。碳钢的奥氏体只要冷却速度大于30一40℃／s就可以转变成马氏体，得到硬化。一般情况下，为了得到较厚的淬硬层深度，应使表面加热温度稍高些，以便于发生马氏体相变，从而达到硬化的目的。当停止激光加热后，金属的激光加热区域的热向周围传导，从而降温冷却。实际上在加热的过程中，热也是向外传导的，只是由于输入功率很大，在激光束下面形成了一个高温区。一断开热源，它的冷却速度非常快。由传热分析的计算得知，从800℃冷却到400℃的冷却速度可以达到2×102一105℃／s。这对于奥氏体向马氏体转变来说，冷却速度是足够的。即使对于含碳量很低的钢，这种冷却速度也是大子它的临界淬火冷却速度的。因此，在激光表面强化处理中，除特殊情况外，完全可以自行冷却淬火，没有必要采用加速冷却的措施。各种材料经过激光表面强化处理以后，可以得到硬度很高、晶粒和组织报细的强比层，它与基体的结合属于紧密的冶金结合。虽然在大多数情况下不经回火而直接装配使用，却并不表现出脆性，具有优良的性能。五、离子注入技术所谓离子注入，就是将某一需要注入的化学元素的原子经电离后变成离子，并将其在电场中加速，获得较高的动能后注入到固体材料表面，以改变该材料表面的物理、比学或机械性能的一种技术。在离子注入过程中，具有一定动能的离子射入固体后，就与固体表层内的原子核和电子发生随机碰撞。碰撞过程中，离子不断消耗其能量，离子的运动方向不断改变。经过一段碰撞过程后，离子的能量耗尽，就在固体表层内某一部位停留下来。大量的实践证明，经离子注入(例如氮离子注入)的零件表面其摩擦磨损性能获得了明显的改善。离子注入改善材料耐磨性的原因主要有如下几方面：(1)固溶强化。该强化效果主要体现在保C，N这类小尺寸原子半径的间隙原子的注入上，被注入到零件表面的C，N原子往往以间隙的方式固溶于晶体的品格问隙中．产生强烈的晶格畸变，从而使材料的变形抗力增加。(2)钉扎位错。注入的小尺寸半径的原子(如C，N原子)往往易于偏聚于位错附近，形成气团，对位错的运动产生拖曳作用，从面使材料的屈服强度提高。(3)沉淀硬化。注入元素(如C，N)固溶子表层的基体内，使基体过饱和程度增加，达到某一限度后，基体内的涪质元素将以某种化合物的形式沉淀出来。由于沉淀温度较低(100一200℃)，沉淀出的化台物往往与基体保持共格关系，从面产生强烈的共格畸变强化。例如在38crMoAl钢工件上注入N将会产生FedN，crN，A1N等氮化物沉淀。(4)辐照强化。由于入射离子对靶材进行高能垣入射，使表层的基体和第二相碳化物被打碎，位错密度增加，亚晶粒细化，从面使表层的强度增加。(5)减少摩擦系数。在零件表面注入一些减磨元素如Pb+，Ag，Sn，N，S等．可以明显降低零件接触表面的枯着倾向，从面明显降低材料的摩擦系数。因此，离子注入主要是通过在零件表层内产生各种强化以提高表层的强度和硬度，以及减少表面粘着倾向、降低摩擦系数，从而改善零件表面的摩擦性能。在工业生产中，目前主要用N+注入来延长各种摩擦件的使用寿命。综上所述，可见材料表面工程技术的进步，一是表现在传统工艺技术的革新，一是表现在新工艺的出现。不论哪种情况，主要都由于相关学科的发展对此边缘学科的促进作用。当然表面工程技术的进步也促进了许多学科的发展和工业的进