材料表面处理技术概论

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1、材料表面处理技术概论摘要：本文简要介绍了材料表面处理技术的概念，研究背景，发展历程，和应用现状等方面。关键词：表面处理技术、历史、现状表面处理在基体材料表面上形成一层与基体的机械、物理和化学 性能不同的表层的工艺方法。表面处理的目的是满足产品的耐蚀性、 耐磨性、装饰或其他特种功能要求。一般国内所说的表面处理有两种 解释，一种是狭义的表面处理，即只包括喷砂、喷丸等在内的即常说 的前处理部分；另一种是广义的表面处理，即包括前处理、电镀、涂 装、化学氧化、热喷涂等众多物理化学方法在内的工艺方法。我们所 说的主要是广义的表面处理，即表面工程技术。一、发展背景磨损、腐蚀和断裂是机械零部件、工程构件的三大

2、主要破坏形式， 它们所导致的经济损失十分巨大，其中由于磨损、腐蚀导致的机件失 效与相应的经济损失占非常大的比重。在美国国家材料政策委员会向 美国国会提出一份报告中指出：由于摩擦磨损引起的损失，使美国经 济每年支付1000亿美元的巨额资金，这项损失中材料部分约为200 亿美元；在1983年前联邦德国的一次调查中指出：由于摩擦磨损造 成的总随时估计为387亿马克；在英国，由于摩擦磨损造成的经济损 失每年至少为51500万英镑以上。1986年我国对摩擦磨损造成的损 失惊醒了全面彻底的调查分析，指出：此项损失至少占国民总产值的 1.8%。许多国家政府对腐蚀造成的经济损失也进行了调查分析，美国 Batt

3、elle实验室和国家标准总局1978年共同进行调查表明：1975 年美国的腐蚀一年损失达820亿美元，占国民总产值的4.9%, 1995 年4月Battelle和SSINA发表报告指出：现在美国因为腐蚀一年的 损失达3000亿美元；1983年我国曾做过腐蚀调查，当时的结论为我 国因腐蚀造成的损失至少在400亿元人民币以上。众所周知，摩擦和腐蚀均是发生于机件表面的材料流失过程，而 且其它形式的机件失效是从表面开始，采用表面防护措施延缓和控制 表面的破坏，称为解决上述问题的有效方法，在解决问题的同时，促 进了表面工程科学和表面技术的形成与发展。二、发展历史 人们使用表面技术已有悠久的历史。我国早在

4、战国时代已进行了钢的 淬火，使钢的表面坚硬。欧洲使用类似的技术也有很久的历史但是 表面技术的迅速发展史从19世纪工业革命开始的，尤其是近30年发 展更为迅速。1983年，表面工程的概念首次被提出，同年英国伯明翰大学沃 福森表面工程研究所建立和1985年表面工程国际刊物发行，1986 年国际热处理联合会也改名为国际热处理及表面工程联合会,这些都 是表面工程技术在国际上迅速发展的重要标志。同样，在国内表面工 程技术也得到了迅速发展，其标志为1987年中国机械工程学会建立 的表面工程研究所（学会性质）、1988年出版的表面工程期刊（经 国家科委正式批准1997年更名为中国表面工程）。现在表面工程 已

5、经发展成为横跨材料学、摩擦学、物理学、化学界面力学和表面力 学材料失效与防护金属热处理学、焊接学、腐蚀与防护学、光电子学 等学科的边缘性综合性复合型学科。表面技术的应用已经十分广泛，可以用于防腐、耐磨、修复、强 化、装饰等，也可以是光、电磁、声、热、化学、生物等方面的应 用。表面技术所涉及的基材不仅是金属材料、有机高分子子材料及复 合材料。我国自“六五”计划以来，通过在设备维修领域和制造领域 推广应用表面工程技术已取得了几百亿元的经济效益。在国家的节 能、节材“九五”规划中建议将发展表面工程作为重大措施之一，并 列为节能、节材示范项目。国计委已决定建立国家表面工程研究中心。 材料表面改性作为传

6、统材料性能优化的基础研究也被列入国家自然 科学基金“九五”优先资助领域。一些国内外知名专家预言，表面工 程将成为21世纪工业发展的关键技术之一。三、发展现状表面工程有多种技术方法，包括电镀、电刷镀、化学镀、涂装、 粘结、热喷涂、热浸镀、化学气相沉积、表面热处理、表面激光改性、 离子注入等。本文选择几种作为介绍。1、气相沉积技术气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程在工件表面形成 具有特殊性能的金属或化合物涂层。按照过程的性质可将其分为化学 气相沉积和物理气相沉积两大类。化学气相沉积是利用气态物质在固 态工件表面进行化学反应，生成固态沉积物的过程。通常处理是将低 温下气化的金属盐与加热到高温的

7、基体接触，通过与碳氢化合物和氢 气或氮气进行气相反应，在基体表面上沉积所要求的金属或金属间化 合物。化学气相反应室应抽真空并加热到900 1000C，生成物沉积 在工件表面。钢件经沉积镀覆后，还需进行热处理，可在同一反应室 内进行由于加热温度较高、所用钢种皆系合金钢，故升温时要采用预 热处理，沉积处理后随炉冷至200 C以下，取出空冷，再进行淬火和 回火处理。碳素工具钢、渗碳钢、轴承钢、高速钢、铸铁及硬质合金 等多种材料都可进行气相沉积。物理气相沉积（PVD）是通过蒸发、电离或溅射等过程，产生金 属粒子沉积在工件表面，形成金属涂层或与反应气反应形成化合物涂 层。物理气相沉积的重要特点是沉积温度

8、低于600C,沉积速度比CVD 快。PVD法可适用于黑色金属高速钢、碳素工具钢等有色金属、陶瓷、 高聚物、玻璃等各种材料o PVD法有真空蒸镀、真空溅射、离子镀三 大类.2、离子注入表面强化处理离子注人是根据被处理表面材料所需要的离子注人是根据被处 理表面材料所需要的性能来选择适当种类的原子，使其在真空电场 中离子化，并在高电压作用下加速注人工件表层的技术。离子注入 设备真空中将注入的原子电离成离子，用聚束系统形成离子束流，用 加速系统以必要的能量加速。由于加速的离子束也可能含有不需要的 离子,需要利用质量分析器进行质量分离，只让必要的离子从狭缝通 过。由于通过狭缝的离子束的断面的不均匀，为使

9、离子束有良好的均 匀性，应对离子束作电扫描。离子注人技术在工业上应用广泛。在材 料工业中用于金属材料表面合金化，可以提高工程材料的表面性能。 例如，利用N、C、B等非金属元素注入到钢、铁、有色金属及各种合 金中，当注人剂量的离子大于时，将产生明显的表面硬化作用，一般 提高10%100%,甚至更高。离子注入能改变金属表面的摩擦系数， 又由于它提高了硬度，耐磨性增强。当离子注入Ce、Y、Hf、Th、Zr、 Nb、Ti或其它能稳定氧化物的活性元素于钢中，可大大提高钢的耐 腐蚀能力。3、熔盐浸镀处理TMD处理是熔盐浸镀法、电解法及粉末法进行扩散表面硬化处理 技术的总称。TD处理是Toyota Diff

10、usion的简称，系日本丰田中央 研究所于七十年代所发展的材料表面改性技术，在日本已有超过二十年的实际工业应用历史。TD处理是将欲处理的 工件置于含有碳化物形成元素如钒、妮、铬高温盐浴中温度保持在 871 一 1037C,处理时间为1 一 8h。此时底材中所含的碳会往外扩散 至表面，与盐浴中的碳化物形成元素结合为碳化物，例如碳化钒、碳 化铌与碳化铬。前二者有优异耐磨性与耐剥离强度，而后者碳化铬虽 然有较低的耐磨性，但是却有高的抗氧化性。此碳化物非常细致内部 没有疏松组织，与底材系以金属键结方式紧密结合，在碳化物与底材 之间存在一层薄的扩散层约2 一 20微米。由于碳化物形成所需的碳 均 由底材

11、供应，因此适合TD作处理的底材必须为含碳量至少在0.3% 以上的含碳材料，如钢铁镍合金、钻合金及超硬合金。处理前，工件 均须作预热以防加热过速产生变形然后在各种工件材料的A化温度 下进行TD处理。处理后的冷却方式则有多种选择视材料而定，可采 用空 冷、油冷、水冷、盐浴冷却、氮气冷却使底材获得硬化，再行 回火。当钢材A化温度大于TD处理温度上限时,处理后的钢材必须放 在真空热处理炉或具保护性的盐浴炉中加热至A化温度并作冷却以 完成底材的硬化。实际应用最广的是用熔盐浸镀法在工件表面涂覆VC、NBC、Cr-C 等碳化物镀层。TD处理有直接加热与间接加热形式两种。熔盐浸镀 法的原理是将放入耐热坩埚中的

12、硼砂(至少占70%-90% )熔融后，欲 涂覆哪种碳化物即向硼砂中相应的加入哪种能形成碳化物的物质例 如涂覆VC时加入Fe-V的合金粉末或V205粉末，将含碳的钢件浸入 保持在8001200C的盐浴中，保温110h,即可得到由碳化物构成 的表面涂层。4、激光表面处理技术激光表面处理激光是1960年才出现的一种新光源。激光具有高 亮度、高单色性、高相干性、强方向性等特征由于这些特点决定了 它在许多领域中都有重大的应用。激光表面处理是一种高能量密度的 表面热处理,下面介绍有关几种新型的激光表面处理工艺。激光表面融处理(LSM )是用能量密度较大的激光照射工作表面 使材料表面层熔化,停止照射后靠基体

13、热传导快冷却凝固技术。在激 光熔融处理时，当冷却速度为106C/S以上时，足以抑制正常晶粒的 形成，而在表面层1 一 10微米内产生亚稳结构这类亚结构通常是超 细的枝晶，甚至是非晶态,这主要取决于金属或合金的本质和冷却速 度，这种处理方法相当于激光上釉其特点是表面具有高硬度、高耐磨 和高耐蚀性。另一种常用于铸铁或高碳钢的处理工艺是通过激光束照 射铸铁表面，使表面熔融，而片状石墨均匀地熔于奥氏体基体中在随 后的自冷却过程中过饱和的碳以渗碳体形式析出在表面层形成莱氏 体组织；这种表层硬度约为1000HV，大幅度地提高耐磨性，此工艺已 用于汽车凸轮轴生产中。激光合金化是用激光束把基体材料表层和涂敷到

14、表面上的合金 化物质一起熔化后迅速凝固，从而达到改变表层化学成分、提高金属 的耐磨性、抗蚀性及高温抗氧化性的一种表面改性处理方法。激光合 金化能量密度一般为104 一 106W/cm2。，合金化熔池深度为0.5 2mm， 基体材料为碳钢或铸铁有时亦选用有色金属Al、Ti、Ni为基体合金。 合金化的材料可以是粉末、薄片、线材或棒材可预先加人或同时加 人，预先加入的方式有沉积、电镀、离子注人、刷涂、喷涂等。这种 工艺可使零件有高硬度、高耐磨性、优良的耐蚀性已在工业上广泛 应用。5、低温等离子材料表面改性等离子体物理在天文学和受控核聚中有极重大的应用。近四十年 来，低温等离子体技术发展得很快在机械工

15、业中亦得到广泛应用。低 温等离子体改善材料表面性能的机理粗略认为在低温等离子体反应 室内，低压工作气体中的电子在电场加速作用下，由于电子碰撞及派 生离子、原子的碰撞使气体电离从而产生低温等离子体低温等离子 体中存在大量的离子、电子以及亚稳态、激发态、游离态粒子这些 粒子具有几个电子伏至十几个电子伏能量伴随着等离子体产生将出 现各种能量的光辐射，这些具有一定能量活性粒子和各种能量光辐射 可直接引起材料表面发生某些物理变化和化学变化，活性离子和光 辐射又可在低温下（低于400C）分解反应气体使反应气体的生成 物沉积到材料表面从而改变材料表面的物理化学性。此外有的高能 离子会注人到基体材料表层，引起

16、碰撞、散射、激发、溅射、重排、 异构、裂解等，也可使材料表面组成、成分及结构发生变化从而实现 材料表面的改性。低温等离子体轰击被粘材料表面可使材料表面能增加、浸润性提 高、表面粗糙度增加及促进界面化学键形成。低温等离子体处理难粘 高分子材料的表面,可显著改善高分子材料的粘接性能。例如用氧等 离子体处理聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等低表面能材料的表面可 使这些材料的胶结强度提高815倍，并解决了聚四氟乙烯的粘接问 题用氧等离子体处理硅橡胶以普通环氧胶粘剂粘接后其胶结强度提 高约50倍。碳纤维增强复合材料性能优异、价格低廉,但由于碳纤维 表面光滑、且惰性很大、和树脂基体粘接强度差从而层间剪切强度 低

17、，影 响其广泛应用，而碳纤维经氧等离子体处理后,碳环氧复合材 料层间剪切强度提高约40%,这是由于提高了纤维与基体之间的结合 力。金属材料经低温等离子体处理后其表面疏松的氧化层、油污及 其它杂质可被高能粒子轰击掉，形成洁净表面低温等离子体处理能活 化和刻蚀金属表面、增加接触面积、减小接触角，能增加金属材料的 胶结强度利用低温等离子体轰击金属基体上的镀层可使轰击元素渗 人基体，促进镀层与基体界面发生化学反应,由物理结合转变为化学 键结合，提高膜基界面的结合强度。四、应用范围表面工程技术的作用是多种多样的，但其最主要的作用为提高金 属机件的耐蚀性、耐磨性及获得电、磁、光等功能的表面层。1）腐蚀保护

18、性即可以提高基体材料的耐大气、海洋大气、天 然水及某些酸碱盐的腐蚀作用。例如在钢构件上喷涂一层ZN85A115 合金，可使构件在海水中的耐腐蚀2040年。2）抗莫性 包括抗磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损 等。例如在刀具表面上镀一层TiC、TiN或A12O3薄膜，成为防止钢 屑粘结的表面薄膜，从而提高刀具寿命36倍。3）电性能 包括绝缘性、导电性等。4）耐热性 包括抗高温氧化、热疲劳等性能。5 ）光学特性包括反光性、光选择吸收性、吸光性等性能。6）电磁特性包括磁性、半导体性、电磁屏蔽等性能。7 ）密封性8）装饰性包括染色性、光泽性等性能。9）其他表面特性诸如疲劳特性，保油性、可焊接性等性

19、能。 表面技术的应用使基体材料表面具有原来没有的性能，这就大幅度地拓宽了材料的应用领域，充分发挥了材料的潜力。例如：1）可用一般材料代替稀有的、珍贵的材料制造机器零件，而不 降低甚至超过原机件的质量。2）可以把两种或两种以上的材料复合，各取所长，解决单一材 料解决不了的问题。3）延长在苛刻条件下机件的寿命。4）大幅度提咼现有机件的寿命。5）赋予材料特殊的物理、化学性能，有助于某些尖端技术的开 发。6）可成功的修复磨损、腐蚀的零件。五、发展方向随着社会科技的发展，表面工程技术已成为现代工业的中间力 量。但当面对日趋严重的能源、环境、资源等问题时，现阶段的表面 工程技术愈发的力不从心。笔者就如下几

20、个方面，提出对表面工程的 希望。1、研究复合表面技术在单一表面技术发展的同时，综合运用两种或多种表面技术的复 合表面技术（也称第二代表面技术 有了迅速的发展。复合表面技术 通过多种工艺或技术的协同效应使工件材料表面体系在技术指标、可 靠性、寿命、质量和经济性等方面获得最佳的效果，克服单一表面技 术存在的局限性,解决了一系列工业关键技术和咼新技术发展中特殊 的技术问题。强调多种表面工程技术的复合，是表面工程程的重要特 色之一。复合表面工程技术的研究和应用已取得了重大进展,如热喷 涂和激光重熔的复合、热喷涂与刷镀的复合、化学热处理与电镀的复 合等。2、加快纳米表面工程的科研速度近年来纳米材料技术正

21、在以令人吃惊的速度迅猛发展。迄今的 研究以纳米粉末的制作为主，但是越来越倍受关注的是纳米材料的结 构化问题。众所周知，特殊的表面性能是纳米材料的重要独特性能之 一。表面工程无论在工艺方法和应用领域方面都与纳米材料技术 有着不可分割的密切联系。在传统的电刷镀溶液中，加人纳米粉体材 料可以制备出性能优异的纳米复合镀层；在传统的机油添加剂中，加 人纳米粉体材料，可以提高减摩性能并具有良好的自修复性能。3、完善表面工程技术设计体系表面工程技术设计是针对工程对象的工况条件和设备中零部件等 寿命的要求，综合分析可能的失效形式与表面工程的进展水平，正确 选择表面技术或多种表面技术的复合，合理确定涂层材料及工

22、艺，预 测使用寿命，评估技术经济性，必要时进行模拟实验，并编写表面工 程技术设计书和工艺卡片。目前，表面工程技术栋设计仍基本停留 在经验设计阶段。有些行业和企业针对自己的工程问题开发出了表面 程技术设计软件，但局限性很大。随着计算机技术、仿真技术和虚 拟技术的发展，建立有我国特色的表面工程技术设计体系既有条件又 迫在眉睫。4、扩展表面工程的应用领域表面工程已经在机械产品、信息产品、家电产品和建筑装饰中获 得富有成效的应用。但是其深度广度仍很不够，不了解和不应用表面 工程的单位和产品仍很普遍。表面工程的优越性和潜在效益仍未很好 发挥，需要做大量的宣传推广工作。我国面临加人世贸组织，通过推 广应用

23、表面工程提高产品的质量，降低生产成本,改进产品包装，增 强市场竞争力，也应是主要的举措之一。六、结束语在近年来先进表面工程技术发展中，采用远离平衡态镀膜技术、 等离子体技术、激光技术、纳米技术等均取得了良好的应用效果，也 证明了基础研究对于推动前沿和高技术领域发展的重要性先进表面 工程技术的应用面越来越广，从人民生活到国民经济，从高新技术到 传统产业，促进了节能、节材、降低成本、环保化、生态化、小型化、 微型化、轻量化、便携化。用先进表面工程技术，迅速大量形成了规 模化的高新技术产业，对经济起了巨大的推动作用。重视基础研究， 加强服务观点，勤奋、求实、虚心、自信、坚持不懈，是先进表面工 程持续

24、发展和成功之道参考文献：1董允，张延森，林晓娉.现代表面工程技术M.北京：机械工业 出版社，2003.2刘勇，田保红，刘素芹。先进材料表面处理和测试技术M。北 京：科学出版社，2008.3姜左.材料表面粗粒技术及发展期刊论文-苏州职业大学学 报，2009(2).4徐滨士.表面工程的应用与展望 中国 科技前沿(中国工程院 版)，北京：高等教育出版社2000, 6: 337-357.5宋延光.表面工程与中国汽车1二业.材料保护。1999,32(10 B):23-28.6丁传贤.等离子喷涂层的进展材料保护，1999, 32(10 B):10-127李长久，李华.涂层组织对HVOF镍基自熔性涂层性能的影响。上 海97表面工程国际会议文集，1 997: 69-718徐滨士，马世宁，刘世参，等21世纪的再制造工程 中国机械 工程，2000, 1-2:36 -38