表面工程技术的开发和应用

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1、表面工程技术的开发和应用表面工程学是一门新兴的学科，发展迅速，应用前景广阔。文章 阐述了开展表面工程学研究的目的和意义。评述了表面工程学在人类 文明和生活、在先进制造技术、在设备仪器维修、在电子通讯技术、 在高新技术以及在节约资源、保护环境中的作用和应用。关键词 表面工程学 表面技术 应用1。前言表面科学与工程以表面为研究对象。表面问题是一个古老的问题. 然而,早在二十多年以前，所有固体物理的研究均假设材料是无穷大 的，没有表面,抛开表面问题来研究材料，说明表面有其特殊的复杂 性.美国材料界有“上帝创造了物质、魔鬼给了一个表面之说，可见 表面问题是比较困难的。表面工程学科发展的重要标志是 19

2、83 年英国伯明翰大学成立了 Wolfson表面工程学院1,并在1985年创办了国际性杂志表面 工程。认识到这一新兴学科的重要性,1986年在布达佩斯第5届国际 材料热处理大会上,将国际热处理学会更名为国际热处理与表面工程 学会。中国机械工程学会于1987年成立了表面工程研究所, 1988年 出版了中文版表面工程杂志, 1993 年成立了中国机械工程学会 表面工程分会。自1989年以来,我国先后多次召开全国性或国际性的 表面工程学术会议和表面科学与工程学术会议。2、表面工程学的研究意义和目的物体的相互作用首先是通过物体表面进行的。表面及表面层的结 构与性能在科学、技术和日常生活中的重要性是不言

3、而喻的。如催化 剂的催化行为是由表面成分和结构决定的；在半导体材料中,各种电 性能通常是由材料的最外层微米数量级厚度的成分和结构控制的。工 程中常见的三大失效形式-磨损、腐蚀和断裂,前两者是因表面破坏 而失效，即使是疲劳断裂，也往往是从受力最大的表面开始而逐渐向 内部发展。失效破坏导致零部件报废,设备停产，给国民经济造成巨 大的损失。表面工程学能直接针对许多贵重零部件的失效原因，实行 局部表面强化或修复，对零部件进行预保护或重新恢复其使用价值， 它的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功 能薄层，这层表面材料与制作部件的整体材料相比 ,厚度薄，仅占工 件整体厚度的几百分之一到几

4、十分之一，但却赋于基体材料表面的原 来没有的特殊性能，从而满足工程上对材料表面性能的要求 .因此， 开展表面工程学的研究，改善材料的表面性能 ,对于提高零件的使用 寿命和可靠性;对于改善机械设备的性能、质量，增强产品的竞争能 力；对于推动高新技术的发展；对于节约资源、美化人类生活，减少 环境污染等方面都具有重要意义，其经济效益和社会效益是显而易见 的.开展表面工程学的研究，不仅在于其经济意义 ,还在于其具有重 要的学术价值。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 9 项新科学技术中，有关材料方面的仅有材料表面科学 与技术的的研究2。在我国材料表面改性作为传统材料性能优

5、化的 基础研究也列入国家自然科学基金“九五优先资助领域。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 ,并列出 节能、节材示范项目3。表面科学的研究可为表面技术的研究提供 一定的理论指导；表面新技术的开发和完善又提出许多新的学术课 题，表面工程学的研究也有力地促进了相关学科的发展。表面工程学研究的目的是赋于材料表面具有原来没有的特殊性 能：1）物理性能：包括电磁特性（导电性、绝缘性、半导体性、磁 性、电磁屏蔽性），光学特性（吸光性、反光性、光导、光 电效应），热特性（热传导性、耐热性），声特性及防辐射等；2) 化学性能：包括腐蚀防护性、催化特性等；3) 机械性能：包括加工性、

6、密封性、抗疲劳性、强度、硬度、 韧性等；4) 摩擦学性能:包括减摩性、耐磨性、自润滑性、浸润性等；5) 装饰性：包括色彩、光泽性和可修饰性。3、表面工程学的应用表面工程技术以其高度的实用性和显著的优质、高效、低耗 的特点在制造业、维修业中占领了日益增长的市场,在航空航天、 电子、汽车、能源、石油化工、矿山等工业部门得到了越来越广 泛的应用。可以说几乎有表面的地方就离不开表面工程。 3.1 表面工程改善和美化人类生活4人类生活中的衣食住行、学习、娱乐、旅游、医疗、饰品、 工艺品无不越来越得益于表面工程的成就.衣料的美观、保暖、手 感、抗静电;食品的色泽、保鲜、储存、包装；新型建材、房屋装 修更是

7、以表面工程为其重要技术源泉；汽车的美观、节油、低噪 声离不开渗透在零部件、摩擦副、活化剂、传感器、电子仪表中 的表面工程的新成果；还有，保护视力的镜片、高级相机的镜头 比天然品更美的镀膜饰品、美观舒适的墙体和地面装饰、镀膜玻 璃、灯具和发光体、不粘附厨房用具、钟表及家用电器、学习用 品和工艺美术品,等等。可以说,人们生活在一个由于表面工程技术 的发展而变得越来越美好的环境中. 3.2表面工程是先进制造技术发展的关键之一表面工程的快速发展及广泛应用被认为是制造领域中的重要 进展。目前,技术成熟并投入工业实际应用的表面工程技术已多达 上百种.例如，表面工程使内燃机的缸套/活塞环、凸轮/挺杆、轴/

8、轴套三级摩擦副降低能耗1/41/3,大修里程从平均10万公里提 高到30 万公里；对气缸、轧钢机大滑板、大型冷冻机螺杆压缩机 转子轴等各种工件表面进行激光淬火，可使寿命提高35 倍;对高 速钢和硬质合金工模具在精加工以后进行表面氮离子注入，可使 寿命提高110倍;切削刀具采用氮化钛类涂层，引起了一场刀具 的“黄色革命 ”。对各种金属切削刀具进行等离子体增强磁控溅 射离子镀处理，可使其寿命提高314倍；利用双束动态混合注入 技术,将高分子材料溅射到传热管（黄铜、紫铜和镀铬的黄铜等）上， 同时用氮离子注入，可以在传热表面形成蒸汽的滴状冷凝，使传 热效率提高了 20倍.5表面加工技术不仅是产品内在质

9、量得以保证的关键，也是产 品外观质量保证的重要手段.例如，对于滾动轴承的滚道，目前工 厂广泛采用磨一抛工艺，其表面粗糙度可达Ra0。04 um,采用 新的表面加工方法可提高至到RaO.Olum,使用寿命可提高4倍以上， 并能消除波纹度，减小轴承的振动与噪音；对模具光整加工使其 表面粗糙度降低,一级模具使用寿命可以提高50以上。表面工程技术在制造业广泛应用的例子枚不胜举.表面工程技 术已成为先进制造技术中优先发展的内容，也是我国国民经济建 设中重点发展应用的技术内容。3.3 表面工程促进了维修行业的发展 零件磨损、腐蚀和疲劳失效常发生在表面。通过表面技术修 复、强化使机械零件翻新如初，从而大量节

10、省了因购置新品、库 存和管理备件以及停机等所造成的对能源、原材料和经费的浪费, 并极大地减少了环境污染及废物的处理。许多采用表面技术处理 过的旧零部件,其性能大大超过新品，而成本仅为新品的10，甚 至不至。全军装备维修表面工程研究中心应用电弧喷涂技术成功地修 复了长江三峡工程中挖泥船的发动机曲轴，当时如从日本购买新 轴，加上运费和进口关税等需人民币 120 万元，从订购至交货需 三个月以上，停产损失更为可观，而修复总费用仅3.5 万元，不足 曲轴价格的 3%；采用电刷镀技术修复或改造大型、重型、精密设 备，尤其是进口设备,取得了十分突出的成效，如北京首钢从比利 时引进的二手连铸设备、唐山水泥机

11、械厂由德国进口的6.3 米立式 车床、天津石油化纤公司由日本进口的 5.7 米连续缩聚搅拌釜主 轴、齐鲁石化公司由日本进口的 328 块汇流铜排、燕山石化公司 由日本进口的聚丙烯造粒主减速箱，平圩电厂由美国进口的60 万 瓩汽轮机等大型进口设备等.6采用等离子喷涂修复 242 件履带式工程机械行走机构零件， 装机后进行 12000 公里行驶考核，证明涂层与基体结合可靠，耐 磨性比新品提高1.48.3倍，喷涂修复成本仅为新品价格10% 12,等离子喷涂金属陶瓷涂层，用于修复醋酸泵密封环和轴套 , 使用寿命比一般不锈钢件高10倍以上；大型重载齿轮表面镀铟可 避免粘着磨损；气缸表面的激光相变硬化，可

12、使气缸寿命延长 3 5 倍；挖泥船液压支柱 5 米长的液压缸内表面上深度划伤，用粘涂 快速修复效果很好;气相沉积表面与润滑油添加剂配合使用，可使 耐磨性提高 45 倍；新型防腐涂料用于地下管道和行驶车辆，可 使防腐寿命达到 10 年.使用导电胶能快速填补划伤沟槽,还能与电 刷镀组合应用，使被修复表面有金属涂层；液压缸体、柱塞、轴 承配合面和密封面等使用耐磨胶可恢复零件磨损表面尺寸，在胶 中添加减摩剂可实现低速运转表面的固体润滑；6赵源等人从仿 生学角度出发，根据动物摩擦副如关节、牙齿等自补偿功能，提 出了磨损自补偿，从研究选择性，转移到自补偿润滑添加剂,使摩 擦副在磨损时达到一定补偿或无磨损。

13、总之，表面工程技术的广泛应用大大推动了工程机械维修技 术的发展,使维修由简单的技术或工艺发展成为一门相互渗透，相 互交叉的综合性学科。在日本已提出了“再生工厂技术”的概念。 现代机械维修与表面工程技术的发展有着密切的联系。随着先进 制造技术及设备工程学的不断发展，制造与维修将越来越趋于统 一。3.4 表面工程在电子工业中的应用 表面工程在四十年代解决了在半导体表面真空蒸发镀金属 膜， 促成了六十多年电子工业的大发展。如蒸镀 SbS3、CaSe 、 ZnSe 等用于电视摄像机摄像管的光电导面；蒸镀 Cr、Cu 用于摄 像管的电极；蒸镀或溅射 ZnS， ZnS+ZnSe 用于显示器上电发光 的荧光

14、体；蒸镀或溅射 FeNi 或 Ni-Fe 合金用于电子计算机中磁 阀或磁头的敏感件;溅射或CVD的SiO2或AL203膜在电子计算机、 无线电、电视中作为绝缘膜；蒸镀Ni, Cr, Sn, Sb、金属陶瓷等 作金属膜电阻；离子镀 Au， Al， Cu， Ni 用于电极副和导电模； 离子镀 W, Pt 用作接点材料 ,离子镀铜用于印刷板和薄膜集成电 路板；离子镀SiO2，Al2O3用于电容和二极管；离子镀Fe, Co, Ni 用于磁带；离子镀 Be 在音响上用作振动极；离子镀 Pt 用于集成 电路上；化学镀钯在电接触和连接器,尤其是通讯工业方面已得 到应用。迄今,电子工业和计算机工业的进一步发展

15、将得益于激 光沉积镀金镀铜,化学镀镍磷合金等这样一些表面工程的新技术3.5 表面工程在高新技术领域中的应用表面工程是随着高新技术出现发展起来的一项工程技术。高 新技术促进了表面工程的发展,表面工程为高新技术的发展提供了 工艺及材料支持。表面工程在制备功能材料方面具有特殊的优势。 非晶态金属或合金具有优异的耐蚀性、耐磨性、高强度、低膨胀 性以及特殊的电磁特性,可以采用溶液镀,气相沉积、激光束、 等离子束高能密度等表面技术制备,既简便,又经济.非晶硅薄膜 具有优良的光吸收能力,可作为太阳能转换材料,且可以大面积 涂敷,成本也较低,是理想的光电转换材料。非晶膜还可以用于 磁屏蔽，用于变压器的铁芯等；

16、在超导材料研究方面,日本已开发 了用激光制备高性能超导材料的技术，可制成超导带材料,也可以 采用热喷涂技术制备超导涂层；表面工程为电子通讯技术提供关 键的薄膜材料及功能器件.如在大规模集成电路中以SiO2为基的绝 缘衬底上生产Si的薄膜技术。制作超大规模集成电路中最理想的 功能材料是采用CVD方法制备的金刚石薄膜，其具有极为优异的 导热性，高介电性和半导体性能；在生物医疗方面已采用等离子 喷涂技术在不锈钢人工骨骼表面喷氧化物陶瓷涂层制造人工骨 骼,解决了陶瓷层与人体肌肉生物相容性的难题。在Co-Cr-Mo合 金上喷涂羟基磷灰石涂层制备人造关节,用等离子喷涂法制造人工 齿根的技术也得到了应用；日本的航空航天、核电站、大规模集 成电路、电子计算机中大量使用了陶瓷、塑料电镀及化学镀技术 新加坡已发展了电磁屏蔽用的聚酸脂塑料电镀，连续式电子束镀 膜技术在德国已进入产业化应用。总之，表面工程技术在高新技 术领域有着广泛的应用