金属表面工程新技术研究

2013-04-16石勇

机械管理开发 2013年1期

石勇

（山西大学工程学院，山西太原 030013）

0 引言

磨损、腐蚀和断裂是机械零部件、工程构件三大主要破坏形式，他们所导致的经济损失占有非常大的比重。在美国国家材料政策委员会向美国国会提出的一份报告中指出，由于摩擦磨损引起的损失，使美国经济每年支付1 000亿元美元的巨额资金，这项损失中的材料部分仅为200亿元美元；在2010年德国的一次调查中指出，由于摩擦磨损造成的总损失估计为300亿欧元；2008年我国对摩擦磨损造成的经济损失进行了全面彻底的调查分析指出，此项损失至少占国民经济总产值的1.8%。许多国家政府对腐蚀造成的损失进行了调查分析，美国国家标准局2000年调查表明，现在美国因为腐蚀一年损失达3 000亿元美元；2005年我国曾作过腐蚀调查，当时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，磨损和腐蚀均是发生于机件表面的材料流失过程，而且其他形式的机件失效有许多也是从表面开始，采用表面防护措施延缓和控制表面的破坏，成为解决上述问题的有效方法，在解决问题的同时，也促进了表面工程科学和表面技术的形成与发展。

1 表面工程新技术的创立

表面工程技术围绕腐蚀、摩擦、磨损的功能特性（声、光、磁、电的转换等）三大因素，成为世界上20世纪80年代重点发展的十项关键技术之一，取得了长足的进展，形成了一门新兴学科——表面工程学。1986年在布达佩斯举行的国际材料热处理联合理事会上决定接受表面工程学科，并且决定把联合会改名为“国际热处理及表面工程联合会”。进入90年代，其发展势头有增无减，目前仍处于重点加强研究的领域。美国工程科学院为美国国会提供的2000年前集中力量加强发展的92项新科学技术项目，表面工程为其中之一，这也是有关材料研究中的唯一重点发展的学科领域。

2 表面工程新技术的发展

近30年多来，有许多新的科学技术渗透到表面强化技术领域，使金属的表面强化技术得到了迅速发展，由此开发出来的表面强化技术构成了目前材料表面技术的主流。例如，激光是上世纪60年代出现的重大科学技术成就之一，70年代制造出大功率的激光器以后，便开始用激光加热进行表面淬火。用激光和电子束加热，有利于环境保护，便于实现自动化。激光、电子束用于表面加热后，就使表面强化技术超出了热处理范畴，可以通过熔化－结晶过程、熔融合金化—结晶过程、熔化—非晶态过程，大幅度改变硬化层的结构与性能。热喷涂技术作为一种新的表面防护和表面强化工艺在近20多年里得到了迅速的发展。在这个时期，热喷涂技术由早期制备一般的装饰性和防护性涂层发展到制备各种功能性涂层；由产品的维修发展到大批量的产品制造；由单一涂层发展到包括产品失效分析、表面预处理、喷涂材料和设备的选择、涂层系统设计和涂层后加工等在内的热喷涂系统工程。热喷涂技术的发展是从使用条件最苛刻，要求最严格的宇航工业开始，然后迅速向各民用工业部门扩展开来的[1]。目前，热喷涂技术已成为金属表面材料领域中一个十分活跃的独立领域。气相沉积法中化学气相沉积是利用镀层材料的挥发性化合物气体分解或化合反应后沉积成膜；物理气相沉积则是利用真空蒸发、溅射、离子镀等方法沉积成膜。这些薄膜强化新技术用材广泛，使用面宽，已广泛用于机械制造，冶金工业以及宇航、核能等领域。

20世纪70年代发展起来的离子注入新技术，利用注入离子可得到过饱和固溶体、非晶态和某些化合物层，能改变材料摩擦系数，增加表面硬度，提高耐磨性及抗蚀性，延长了零件的使用寿命。近几年，由美国人发明的等离子体淹没离子混合注入技术发展很快，可在钛合金、铝合金等零件上全方位注入N，混合注入TiN等，还可在低于300℃下制备金刚石膜。还有一些历史较长的表面处理技术，近十几年来也得到了飞速发展，例如，电镀技术已由单一的金属发展到镀各种合金。尤其是前些年发明的一种局部电镀技术——刷镀，已经成为人们公认的金属表面新技术，在我国已经得到普遍应用。传统电镀工艺与近代激光技术结合形成的激光电镀是新兴的高速电镀技术。运用激光辐照提高金属沉积速度，其速率比无激光照射的高1 000倍。当用一种连续激光或脉冲激光照射于阴极表面时，不仅极大地提高了沉积速度，而且可以用计算机控制激光束的运动轨迹而得到预期的复杂几何图形的无屏蔽镀层。20世纪80年代又出现一种激光喷射强化电镀的新技术，将激光强化电镀技术与电镀液喷射结合起来，使激光和镀液同步射向阴极表面，使传质速度大大超过激光照射所引起的微搅拌的速度，从而达到很高的沉积速度[2]。

近十几年来，薄膜技术获得了全面的发展，取得了显著的效益。例如，近代建筑楼宇外部以幕墙玻璃装修，是采用蒸镀或磁控溅射在玻璃上镀上薄膜，不仅色彩鲜艳夺目，显示艺术魅力，而且夏季能反射强烈的阳光（红外线），降低室温和空调能耗；冬季能防止室内暖气（红外线）的流失，起保温作用；同时，能使进入室内紫外线降低90%，防止室内物品的老化和腿色。当今，大规模发展的固体电子器件的集成化，无论是有源或无源器件，真正参与工作的媒质，只有很薄的一层。集成电路从小规模到大规模乃至超大规模的发展，从材料上讲，就是从块状材料转为薄膜材料的变化。没有近代薄膜技术，就难以发展近代微电子学和微电子工程。