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1、第14章 纳米表面工程技术设计14.1 概述 纳米表面工程技术设计是通过对纳米材料、纳米技术的合理运用，在零件结构设计之后，为保证零件表面服役性能的一种技术设计，对于需要修理或再制造的零件表面，则是一种恢复或提高零件表面二次服役性能的技术设计。纳米表面工程技术设计的主要内容是运用纳米表面工程的研究成果和成熟技术，根据零件表面的运行环境状况，提出对表面层或表面层体系的技术要求，选择获得零件表面性能的工艺手段和材料，编制合理的制备工艺，提出表面质量检测标准等。在整个机械产品的失效中，零件表面失效占有极其重要的份额。腐蚀失效从零件表面起始，摩擦磨损失效使零件表面尺寸发生变化，疲劳裂纹失效由零件表面向
2、内扩展，零件变形失效也可以看作是零件表面相对于定位基准的位移。传统的机械设计偏重于部件的结构设计及零件刚度、强度的核算，不太重视零件表面的技术设计，即使有所考虑，也是采用比较单一的表面强化技术手段，而且选材的范围偏窄，致使一些机械往往由于其中的某个零件的某一局部表面失效，而造成整机的停运或报废。据文献介绍，世界钢产量的1/10由于腐蚀而损失，机电产品提前失效的原因70%属于表面腐蚀和磨损。所以通过对零件表面的技术设计减少腐蚀与磨损的损失具有十分重要的意义。纳米材料、纳米技术在表面工程中的应用，为提高零件表面的服役性能提供了新的技术措施，为使表面性能适应现代机电产品在高温、高速、重载、重腐蚀介质
3、下可靠工作提供了保证，为解决传统表面工程难以解决的表面抗失效难题开辟了新的途径，更为重要的是纳米表面工程为高新技术产业中各种功能薄膜（如光学薄膜、微电子薄膜、光电子学薄膜、集成光学薄膜、信息存储膜和防护功能薄膜）的制备，以及相应产品的开发（半导体芯片、微电阻电容、显示器、传感器、微机电系统）提供了新的手段。纳米表面工程的研究当前尚属起步阶段，因而还无法构建起纳米表面工程技术设计的完整体系，本章只对现有的纳米表面工程研究成果进行归纳，重点对表面涂覆层技术设计中的关键环节进行分析，为较合理地运用这些成果提供设计思路。14.2 表面技术设计的基本原则表面技术设计的基本原则是满足零件表面服役性能的要求
4、、经济性好和有利于环境保护。14.2.1 满足零件表面服役的性能要求零件表面的服役性能包括力学性能、物理化学性能和环保性能。力学性能有表面涂覆层与基体的结合强度、表面耐磨性 、表面耐腐蚀性、表面抗疲劳性等。物理化学性能有摩擦系数、磁学性能、电学性能、光学性能、光电转换性能等。环保性能是指从表面涂覆层制备到使用再到零件退役的全周期都要有利于环境保护零件表面服役性能是表面功能与表面寿命的综合性指标。功能与寿命密不可分。机械产品的整体结构不同、使用要求不同、工况条件不同，因而对零件的服役寿命有不同的要求。零件表面的服役寿命可分为以下几类：(1)、 一过性的寿命例如为了改善制造和装配条件而进行的工艺性
5、表面处理，它们对零件表面的处理质量要求可靠，但对使用寿命要求较短,制造过程和装配工序结束，表面性能失去意义；（2）、 与零件等寿命要求零件表面的服役寿命与所依附的零件服役寿命相等，在零件寿命到期后，或进行修理，或列入报废；（3）、 与整机维修期等寿命表面服役寿命与整个机械的维修间隔期间相吻合，则最能有效地节省维修工时，降低维修成本。尽管维修方式经历了“计划维修视情维修先进维修预知维修”四个发展阶段，但是每种机电产品迟早需要进行维修，在对整个机械进行系统分析和样机试验的基础上，总能确定一个大致的维修间隔期。另外从维修体制来分析，根据维修的难易程度可分为基层级中继级基地级，每种维修级别都对应相应的
6、维修间隔期，零件表面的服役寿命以达到基地级维修的间隔时限为最佳。（4）、 迁延性寿命例如表面强化后的模具表面、切削刀具刀刃等，这些表面服役的寿命希望越长越好。此外，机械设备中的易损件、常备消耗件，希望这些零件表面的服役寿命也越长越好，它能保证零件和整机长期正常运行，大大减小维修工时，从而降低运行成本，即使整机到达寿命终止，这类零件还可以更换到同类机械上继续使用。（5）、 可再制造性循环寿命零件表面出现失效是不可避免的，只是失效期长或短的问题，在零件表面技术设计时，既要满足一定期限的性能要求，又要考虑为下一次的修理或再制造创造有利条件，使零件工作表面不断更新，而零件本体尽量较长时间使用。14.2
7、.2 经济性好经济性的好坏是个相对概念。一是不同表面技术之间的比较，即结合具体的表面处理技术和材料进行经过表面处理与未经表面处理两种情况的经济性比较和不同处理技术、处理材料之间的经济性比较。在进行这种经济性的比较中最基本的原则是从设备全寿命周期费用的观点出发，进行成本与效能分析。二是对于选择出的性能/价格比优异的表面处理技术，衡量在整个产品的成本体系中是否可以接受。分析性能/价格比一般遵循以下三条准则：（1） 延寿准则，即： CT/CHTTTH （141）式中 CT经表面强化处理的零件成本CH未经表面强化的零件成本TT经表面强化的零件使用寿命TH未经表面强化零件使用寿命如果CT/CH越小，TT
8、/TH越大，则说明该表面处理技术的经济性越好。（2） 省钱准则，即：CSTCPH （14-2）式中 CST对零件表面强化处理的成本CPH-设备在一定检修期内，未经表面处理的零件因表面失效发生的全部维修费用CPH比CST越大，说明性能价格比越好。在运用式14-2分析经济性时，应进行多个检修期的性能价格评比，例如，对设备小修期、中修期、大修期分阶段进行费效分析，期望检修期越长，对应的性能价格比越优异。（3）、可靠性准则，即： KTKH （14-3）式中KT对零件经表面强化处理后的表面功能可靠性 KH零件未经表面强化处理的表面功能可靠性对于地面设备、民用设备，可用式14-1或14-2两条准则进行比较
9、。但对于航空航天器、军用装备及民用重要设备还应从可靠性准则进行比较，如果这些设备（装备）在运行的关键时刻发生表面失效，则造成的经济损失、战斗损伤及社会影响是巨大的。14.2.3 有利于环境保护表面工程的本身是一种有利于保护环境、节能、节材的绿色科技，但是各种具体的技术或多或少地对环境或对操作者的安全存在一定的负面影响。人类进入21世纪之后，保护环境、节约资源的任务更加迫切，坚持可持续发展战略的意义更加重大，加强对操作者的安全防护又是贯彻以人为本的重要体现。在表面工程技术设计中，坚持有利于环境保护的原则，就是在满足性能要求、经济又合理的多种表面处理方案中，尽量选用耗能、耗水少和污染小的方案，并在
10、表面处理工艺中制订完善的安全防护措施。14.3 表面技术设计的基本程序表面技术设计的基本程序见图14-1分析工况条件分析失效形式提出表面层的性能要求选择表面处理技术选择表面处理材料进行技术经济分析确定表面处理方案编制表面处理工艺图14-1 表面技术设计程序框图14.4 分析零件表面的工况条件和失效形式14.4.1 零件表面的工况条件零件表面工况条件主要包括：载荷大小及类别、与摩擦副之间的相对运动速度、工作环境温度与压力、工作介质、润滑情况等。14.4.2 零件表面的失效 磨损和腐蚀是零件表面失效的两种主要形式。14.4.2.1 磨损失效零件表面磨损失效按磨损机理可分为四类，即粘附磨损、磨粒磨损
11、、表面疲劳磨损和腐蚀磨损。判断这四类磨损的常用方法是观察磨损表面的外观，这四类磨损的外观特征见表14-1。表14-1 磨损类别与外观特征磨损类别表面外观特征粘附磨损磨粒磨损疲劳磨损腐蚀磨损锥刺、鳞尾、麻点擦伤、沟纹、条痕裂纹、麻点反应产物、点蚀 实际的磨损过程不可能仅是一种磨损机理形态，而往往是多种磨损机理形态的复合。表14-2列出了在不同摩擦学体系中，各类磨损所占的比例。表14-2 各类磨损在不同摩擦学体系中的比例相互作用组元相对运动类型磨损形式各种磨损机理所占比例粘附磨损磨粒磨损疲劳磨损腐蚀磨损固体对固体（有或无润滑）滑动滚动旋动撞击、冲击振动凿削刻划滑动磨损滚动磨损自旋磨损冲击磨损微动磨
12、损凿削磨损划伤磨损2512.52512.52512.502512.52512.52512.502512.52512.5257587.52562.52562.525012.5固体对固体加颗粒滑动滚动碾磨磨粒滑动磨损磨粒滚动磨损高应力碾碎性磨损12.525012.512.512.575062.507525固体对液体加颗粒流动磨粒侵蚀012.57512.5固体对气体加颗粒平行喷射斜向喷射垂直喷射磨粒侵蚀磨粒侵蚀加冲击侵蚀冲击侵蚀00012.512.512.57543.7512.512.543.7575固体对液体撞击流动液滴冲击侵蚀液体侵蚀气蚀00012.512.512.500087.587.587.
13、5固体对气体流动烧蚀各类磨损对表面材料性能的要求见表14-3序号磨损类型要求材料具备的性能1粘附磨损互相接触的相配材料溶解度应较低。 在工作表面温度下，抗热氧化能力好，表面能低2磨料磨损有比磨料更硬的表面，较高的加工硬化能力3疲劳磨损高硬度，高韧性。精加工时加工性能好，流线性好，要去除硬的非金属夹杂物，表面无微裂纹4腐蚀磨损无钝化作用时，要提高其抗腐蚀介质能力，兼有抗腐蚀和抗磨损性能表14-3 各类磨损对表面材料性能的要求14.4.2.2 腐蚀失效按其腐蚀形态可分为全面（或均匀）腐蚀或局部腐蚀，导致腐蚀失效的主要是后者。局部腐蚀又可分为点腐蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、磨损腐蚀
14、、应力腐蚀和腐蚀疲劳、氢损伤等。图14-2示出主要腐蚀形态示意图。应力腐蚀断裂是在拉应力和腐蚀环境共同作用下所引起的部件失效；腐蚀疲劳是金属在循环交变应力作用下产生破裂； 磨蚀是由于腐蚀流体以及金属和流体间的相对运动而共同引起的金属破坏； 气泡腐蚀是由于真空泡的形成和破裂所产生的气化作用所导致的金属表面的局部破坏；图14-2 主要腐蚀形态示意图微动腐蚀或摩擦氧化是在两种材料界面承受轻微的相对运动或滑动时所发生的腐蚀，典型的相对运动是振动；氢损伤是一种非常特殊的腐蚀动形式，要在非常特殊的条件下才能发生。氢损伤是由于金属表面生成的原子态氢所引起的。 在一般情况下，局部腐蚀比全面腐蚀的危险性大得多，常常造成失效甚至灾难性事故，因而引起了广泛的注意并促使人
