表面工程技术的应用及发展*

李 霞,杨效田

(1.兰州交通大学化学与生物工程学院,甘肃兰州 730070;2.兰州理工大学材料科学与工程学院,甘肃兰州 730050)

表面工程技术的应用及发展*

李 霞1,杨效田2

(1.兰州交通大学化学与生物工程学院,甘肃兰州 730070;2.兰州理工大学材料科学与工程学院,甘肃兰州 730050)

根据表面工程在现代工业中的巨大价值阐述了表面工程的意义,对表面工程按学科特点和工艺特征进行了分类。对表面工程在应用现状进行了全面归纳,并根据其应用现状和工业科技发展特点,提出了表面工程未来的发展方向。

表面工程;技术;应用

0 引 言

表面工程是经表面预处理后,应用物理、化学、机械等技术手段改变固体材料表面成分过组织结构及盈利状况,获得所要求的性能,以提高产品的可靠性或延长其使用寿命的各种技术总称[1]。

1 表面工程技术的意义

工业生产与应用证明,因为材料的疲劳断裂、磨损、腐蚀、氧化、烧损等造成的破坏十分惊人。据报道,每年因腐蚀造成西方主要发达国家的经济损失占其经济总值的2%～4%,全球因腐蚀导致的金属损耗超过一亿吨。因摩擦磨损造成的材料损失在美国每年高达200亿美元;在英国每年超过5亿英镑。全球由于腐蚀和磨损造成的失效破坏在各种机电产品失效破坏中约占70%[2-3]。而在社会资源和能源日益短缺的今天,为了让工件使用寿命延长,如果使用高级合金材料制成零件和整个设备来达到表面强化和防护的目的,这是不经济的,也是不科学的。

随着科技发展,人们发现,仅仅通过提高材料表面的耐磨耐蚀性,也能大大提高材料的使用寿命,从而就有了表面工程技术的应用和发展。表面工程技术概念的提出与发展应用,对工业科技发展具有了重大的影响和推动意义[4-7]:

(1)表面工程技术是保证产品质量的基础工艺艺术,满足不同工况服役与装饰外观的要求,显著提高产品的使用寿命、可靠性与市场竞争能力。

(2)表面工程技术是节能、节材和挽回经济损失的有效手段。采用有效的表面防护手段,至少可减少腐蚀损失15～35%,减少磨损损失33%左右。

(3)表面工程技术在制备新型材料方面具有特殊的优势。通过表面原位合成技术,能在低成本基础上在工件表面制备出性能优良的新型合金材料涂层,很好满足了工业、航空航天工业对高性能零部件表面的需求。

(4)表面工程技术是微电子技术发展的基础技术。以化学气相沉积、物理气相沉积、光刻技术和离子注入为代表的表面薄膜沉积技术和表面微细加工技术是制作大规模集成电路、光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础。

2 表面工程技术的分类

表面工程技术的分类目前没有统一的标准,其可依据涂层种类、表面功能特性、制备工艺方法及其制备的作用原理等进行不同分类。按学科特点分类[2],表面工程有:

(1)表面涂镀:即将液态涂料涂覆在材料表面或将镀料原子沉积在材料表面形成涂层或镀层。常见手段有:热喷涂、堆焊、电镀、化学镀、气相沉积和涂装技术。

(2)表面改性:即利用热处理、机械处理、离子处理和化学处理等方法,改变材料表面的成分及性能的技术。常见手段有:热扩渗、转化膜、表面合金化、离子注入和喷丸强化。

(3)薄膜技术:即采用各种方法在工件表面上沉积厚度为100 nm至1 μm或数微米薄膜的技术。常见手段:气相沉积技术。

按工艺特点来分[8-9],表面技术有:

(1)电镀技术:即合金电镀、复合电镀、电刷镀、非晶态电镀和非金属电镀的总称。

(2)涂装:指制备特殊用途、特殊类型的新涂料和涂装工艺。

(3)堆焊:目前比较成熟的有埋弧自动堆焊、振动电弧堆焊、CO2保护自动堆焊和等离子堆焊。

(4)热喷涂:是采用火焰、电弧、等离子弧进行的喷涂和爆炸喷涂。

(5)热扩渗:是在基体材料表面进行的固体渗、液体渗、气体渗和等离子渗。

(6)化学转化膜:是采用化学氧化、阳极氧化制备表面膜层。

(7)彩色金属:是对工件进行整体着色、吸附着色及电解着色。

(8)气相沉积:一般采用化学气相沉积和物理气相沉积。

(9)三束改性:目前一般采用激光束改性、电子束改性和离子束改性。

3 表面工程技术的应用

20世纪80年代提出表面工程概念以来,表面工程对人们生活和工业生产产生了巨大的影响并显示出强大的生命力[10-15]。

(1)在保护、优化环境中的应用 采用化学气相沉积和溶胶-凝胶等技术制成的催化剂载体,可有效地治理被污染的大气,起到净化大气环境的作用。采用化学气相沉积、阳极氧化和溶胶-凝胶等表面工程技术制备过滤膜,能起到净化水质。采用表面技术制成的吸附剂,可使空气、水、溶液中的有害成分被吸附,起到吸附杂质作用,还可去湿、除臭。表面工程技术还是开发绿色能源的基础技术之一,许多绿色能源装置都应用了气相沉积镀膜和涂覆技术。

(2)在结构材料中的应用 表面工程技术在耐腐蚀性和耐磨性方面起着重要作用,同时在强化、装饰等方面也起着重要作用。

采用表面工程技术在结构件表面制备耐腐蚀保护膜或涂层,能显著提高结构件表面化学腐蚀和电化学腐蚀等的能力。利用热喷涂、堆焊、电刷镀和电镀等表面技术,在材料表面形成Ni基、Co基、Fe基、金属陶瓷等覆层,可有效地提高材料或制件的耐磨性。采用表面工程技术能够有效提高材料表面耐磨耐腐蚀性能之外,通过各种表面强化处理还能提高材料表面除腐蚀和磨损之外的其他抵御环境作用的能力。表面工程技术在结构材料中应用除了上述功能外,在表面装饰功能方面也得到了较好的应用。合理地选择电镀、化学镀、氧化等表面技术,可以获得镜面镀层、全光亮镀层、亚光镀层、缎状镀层,不同色彩的镀层,各种平面、立体花纹镀层、仿贵金属、仿古和仿大理石镀层等。

(3)在功能材料和元器件中的应用 功能材料主要指具有优良的物理、化学和生物等功能,以及一些声、电、光、磁等互相转换功能,而被用于非结构目的的高技术材料,常用来制造各种装备中具有独特性能的核心部件。材料的功能特性与其表面成分、组织结构等密切相关。采用表面工程技术能在低成本基础上制备出特殊功能性质的表面涂层材料。

① 在电学特性方面的应用。利用电镀、化学镀、气相沉积、离子注入等技术可制备具有电学特性的功能薄膜及其元器件。

②在磁学特性方面的应用。通过气相沉积技术和涂装等表面技术能制备出磁记录介质、磁带、磁泡材料、电学屏蔽材料、薄膜磁阻元件等。

③ 在光学特性方面的应用。利用电镀、化学镀、转化膜、涂装、气相沉积等方法,能够获得具有反光、光选择吸收、增透性、光致发光、感光等特性的薄膜材料。

④在声学特性方面的应用。利用涂装、气相沉积等表面技术,可以制备掺杂Mn-Zn铁氧体复合聚苯胺款频段的吸波涂层、红外隐身涂层、降低雷达波反射系数的纳米复合雷达隐身涂层,声反射和声吸收涂层以及声表面波器件等。

⑤在生物学特性方面的应用。将具有一定的生物相容性和物理化学性质的生物医学材料,利用等离子喷涂、气相沉积、等离子注入等方法形成的专用涂层,可在保持基体材料特性的基础上,提高基体表面的生物学性质、耐磨性、耐蚀性和绝缘性等,阻隔基体材料离子向周围组织溶出扩散,起到改善同人体机能的作用。在金属材料上制备生物陶瓷涂层,能提高材料的生物活性,用作人造关节、人造牙等医学植入体。将磁性涂层涂覆在人体的一定穴位上,有治疗疼痛、高血压等功能。

⑥在转换功能方面的应用。采用表面工程技术可获得能光-电,热-电,光-热,力-热,磁-光等转换功能的器件。

(4)在再制造工程中的应用 再制造工程是在维修工程和表面工程的基础上发展起来的新兴科学,是以产品全寿命周期论为指导,以实现废旧产品的性能提升为指标,以优质、高效、节能、节材和环保为准则,以先进生产技术和产业优化为手段,来修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。简而言之为是废旧产品高技术修复、改造的产业。其重要特征是,再制造以后的产品质量和性能达到或超过新品,成本只是产品的50%,可节能 60%,节材70%,对环境的不良影响显著降低,可有力的促进资源节约型、环境友好型社会的建设。

表面工程在再制造工程中的应用,使废旧产品的零部件因被直接用作再制造,毛坯而不用回炉再次熔炼,钢锭到新零件的二次制造时对能源的再次消耗和对环境的再度污染。一方面提高了产品的绿色度,另一方面避免了成为固体垃圾而造成的环境污染。已在民用工业和军事工业中得到广泛应用。

4 表面工程的发展方向

工业科技的发展促进了表面科学和工程的发展,同时,表面科学与工程的发展也必须适应工业科技的发展。现代表面工程要在未来工业中发挥更加巨大作用,必须从以下方面做深入研究。

(1)深化表面科学理论和表面测试技术的研究。从原子角度研究摩擦磨损及润滑机理,研究表面效应,表面改性及表面涂敷在摩擦学在工业中的应用。研究腐蚀过程和腐蚀机理,腐蚀膜形成及失效机理。研究在线监测技术,实时监控进行在线监测,形成相关严密的覆层失效评估体系。

(2)发展复合表面技术。单一的表面技术已经不能适应工业快速发展对产品性能的要求,综合应用复合表面技术,能够解决工业产品产品对特殊技术指标、可靠性、和经济性的要求。

(3)研究开发新型涂层材料。涂层材料是制备优良涂层的物质基础,不断开发优良的耐磨耐腐蚀以及不同环境需求的优质涂层材料是保证表面工程强大生命力的基础,开发在表面工程技术加工过程中自形成新材料的功能涂层能够更加显示出表面工程的优越性。

(4)开发多功能涂层。随着工业的发展,许多行业需要特殊涂层,如防滑涂层、隐身涂层、吸热涂层、隔热涂层、导电涂层、催化涂层等,采用激光、高能电子束、离子束等现代先进表面技术的联合应用,制备特殊结构,特殊要求的功能涂层,具有很好的发展前景。

(5)研究表面工程技术的自动化、智能化生产。目前为止,表面处理在微电子行业和汽车行业自动化程度较高,随着计算机技术的发展,实现表面技术在其他行业的自动化、智能化是施工,是表面工程技术未来的发展基本趋势。

(6)实现表面工程的清洁生产。表面工程基本来说是属于节能环保型工程,但某些技术任然存在污染问题,比如涂装、电镀热处理等。研究从设计、制造到运行全过程的无污染的、节约型的、再生的表面技术工程,也是表面工程一个基本发展趋势。

[1] 姜银方.现代表面工程技术[M].北京:化学工业出版社,2006.

[2] 王兆华,张 鹏,林修洲.材料表面工程[M].化学工业出版社, 2011.

[3] 吴子健,吴朝军,曾克里,等.热喷涂技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4] 张 建,杨 军,朱浪涛.超音速等离子喷涂&203陶瓷涂层的微观组织及其耐磨性能[J].兵器材料科学与工程,2012,35 (2):1-6.

[5] Hirokazu Tahara,Yasutaka Ando.Study of titanium nitride deposition by supersonic plasma spraying[J].Vacuum,2009(83):98-101.

[6] 路 阳,邓 刚,杨效田,等.高铝青铜粉体超音速等离子喷涂层感应重熔后的组织及性能[J].北京科技大学学报2014,36 (3):333-338.

[7] 杨效田,王智平,路 阳,等.超音速等离子-感应复合技术制备高铝铜合金涂层特[J].哈尔滨工程大学学报.2012,33(7):906 -910.

[8] 张九渊.表面工程与失效分析[M].杭州:浙江大学出版社, 2005.

[9] 徐滨士,刘世参.表面工程[M].北京:机械工业出版社,2000.

[10] 张 建,杨 军,朱浪涛.超音速等离子喷涂&203陶瓷涂层的微观组织及其耐磨性能[J].兵器材料科学与工程,2012,35 (2):1-6.

[11] 谢兆钱,王海军,郭永明,等.超音速等离子喷涂超细WC-12Co涂层的性能[A].装甲兵工程学院.装备再制造技术国防科技重点实验室2010(5):54-58.

[12] S.AL am.Friction and Wear Characteristics of Coating on Steel Substrates Sprayed by a Low Pressure Plasma Technique[J]. Wear,2001,248(1-2):75-81.

[13] L.-M.Berger,S.Sauro,T.Naumann,et al.Structure and Properties of F-sprayed Alloyed WC-Co and WC-Ni coatings[J]. Surface&Coatings Technology,2008(202):4417-4421.

[14] 赵新宝,高斯峰,杨初斌,等.镍基单晶高温合金晶粒取向的选择及控制[J].中国材料进展,2013,32(1):24-37.

[15] 刘 明,王海军,韩志海,等.内孔等离子喷涂Ni45-15%Mo涂层与28CrMoAl渗氮层耐磨性研究[J].中国表面工程,2007,20 (2):16-18.

Application and Development of Surface Engineering Technology

LI Xia1,YANG Xiao-tian2
(1.School of Chemical and Biological Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou Gansu 730070,China; 2.College of Materials Science and Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou Gansu 730050,China)

According to the great value of surface engineering in the modern industry,the significance of surface engineering was expounded in this article,and the surface engineering was classified according to the subject characteristics and technology characteristics respectively.The application status of surface engineering was comprehensively concluded,and the future development direction of surface engineering was then put forward according to its application status and the development characteristics of the industrial technology.

surface engineering;technology;application

TG146

A

1007-4414(2015)05-0202-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.075

2015-09-30

李 霞(1970-),女,甘肃兰州人,工程师,主要从事材料制备研究及化工机械相关工作。