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材料表面技术 材料表面技术是上个世纪80年代以来世界十项关键技术之一 也是一门广博精深 内涵深 外延广 渗透力强 影响面宽 和具有极高使用价值的通用性工程技术 表面工程迅速发展的原因1 表面工程的属性是其迅速发展的原因2 现代工业的需求是表面工程迅速发展的动力3 资源和环境保护的紧迫性是促进表面工程迅速发展的时代要求4 现代科技成果为表面工程的迅速发展提供了技术支持 材料表面技术 表面工程技术的分类 国家自然科学基金会将表面技术分为 按作用原理可分为 1 表面涂镀层技术 2 表面改性技术 3 表面处理技术 1 原子沉积 2 颗粒沉积 3 整体覆盖 4 表面改性 1 表面涂镀层技术 2 表面改性技术 3 表面处理技术 电镀 化学镀 电刷镀 涂装 涂覆 堆焊 热喷涂 物理气相沉积 化学气相沉积 离子镀 离子束合成薄膜技术等 化学热处理 离子注入 等离子扩渗处理等 表面热处理 激光表面处理 电子束表面处理 喷丸强化 磷化处理 氧化处理等 热喷涂 热喷涂 是利用专用设备把固体材料加热到熔化或半熔化状态 并加速喷射到基体表面上 从而形成一种特制薄层以提高基体的表面性能 1 热源 火焰 电弧 等离子热源 爆炸热源和激光热源等 2 热喷涂的材料 金属 合金 陶瓷 塑料 尼龙等 3 基体 金属 陶瓷 玻璃 石膏 木材 布 纸等固体材料 4 工艺过程 加热熔化 熔滴雾化 粒子飞行 撞击基体 冷却凝固形成涂层 热喷涂 热喷涂的优点 1 基体温度低 不变形 不弱化 2 喷涂尺寸不受限制 3 喷涂厚度可以控制 4 效率高 与电镀相比较 5 可赋予普通材料以特殊的表面性能 存在问题 1 结合力低 2 孔隙率高 3 均匀性较差 物理气相沉积 PVD 是利用蒸发或溅射等物理形式 把材料从靶源移走 然后通过真空或半真空空间使这些携带能量的蒸发粒子沉积到基体或零件的表面 以形成膜层 物理气相沉积法主要有真空蒸镀 阴极溅射和离子镀 PVD法已广泛用于机械 航空 电子 轻工和光学等工业部门中制备耐磨 耐蚀 耐热 导电 磁性 光学 装饰 润滑 压电和超导等各种镀层 随着PVD设备的不断完善 大型化和连续化 它的应用范围和可镀工件尺寸不断扩大 已成为国内外近20年来争相发展和采用的先进技术之一 气相沉积 真空蒸镀如图所示 在10 3Pa或更高真空度的反应室中 将镀层材料加热成蒸发原子 使其在真空条件下撞击工件表面而形成沉积层 气相沉积 真空蒸镀 镀膜特点 1 镀膜由气相沉积 均匀性好 2 在真空条件下形成 纯净性好 3 成膜过程简单 工艺可精确控制 应用 真空蒸镀主要用于光学透镜的反射膜及装饰用的金膜 银膜 气相沉积 阴极溅射 是利用高速正离子轰击某一靶材 阴极 使靶材表面原子以一定能量逸出 然后在工件表面沉积的过程 阴极溅射与真空蒸镀相比有如下特点 1 薄膜的结合力高 2 容易相成高熔点物质的膜 3 可以在较大面积上得到均匀的薄膜 4 容易控制膜的组成 5 可以长时间地连续运转 6 有良好的再现性 7 几乎可以制造一切物质的薄膜 气相沉积 离子镀 借助于一种惰性气体的辉光放电使欲镀金属或合金蒸发离子化 在带负电荷的基体 工件 上形成镀膜 离子镀膜特点 1 离子镀膜附着力强 2 均匀性好 3 取材广泛且能相互搭配 4 整个工艺过程无污染 气相沉积 物理气相沉积特点 沉积温度低于600 沉积速度快适用于钢铁材料和陶瓷 玻璃 塑料等非金属材料 化学气相淀积CVD ChemicalVaporDeposition 指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室 在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程 在超大规模集成电路中很多薄膜都是采用CVD方法制备 气相沉积 气相沉积 优点 常用的化学涂层材料有具有 很高的硬度 2000 4000HV 较低的摩擦系数优异的耐磨性良好的抗黏着能力和耐腐蚀能力 化学气相沉积特点 缺点 化学气相沉积温度高 工件容易变形 处理过程中会产生有毒气体 必须注意通风及防污染处理 材料表面技术 表面技术的应用领域 表面技术的应用所包含的内容十分广泛 可以用于耐蚀 耐磨 修复 强化 装饰等 也可以是在光 电 磁 声 热 化学 生物等方面的应用 表面技术所涉及的基体材料不仅有金属材料 也包括无机非金属材料 有机高分子材料及复合材料 表面技术的种类很多 把这些技术恰当地应用于构件 零部件和元器件 可以获得巨大的效益 在航空航天方面的应用 在防护上常用涂镀技术 热浸镀技术 物理和化学气相沉积技术 PVD CVD 来提高飞机 运载火箭 卫星 宇宙飞船 导弹在各种飞行恶劣环境下对材料性能产生的影响进行防护 在航空航天方面的应用 通过表面技术处理 提高材料性能 起到保护航空航天飞行器免遭环境影响而失效 从而提高航空航天产品的先进和使用的可靠性 在航空航天方面的应用 如第四代的飞机 在停飞和飞行过程中 可能遇到 50 的空气摩擦升温至200 因而在飞机蒙皮的表面涂上高聚物涂料免受环境介质侵蚀 减少阻力 飞机的蒙皮 雷达罩 发动机的尾喷管 座舱都采用隐身涂层 雷达罩和尾喷管采用SnO2和In2O3等掺杂半导体材料作填料和适当的载流子浓度及迁移率以及等离子体频率 使其具有兼容雷达和红外隐身 美国的TF39发动机轴承 离子注入铬 磷 可解决点蚀 磨蚀 提高发动机轴承的使用寿命 在航空航天方面的应用 近年来 航空表面工程技术已经取得了飞速的发展 涌现出许多表面工程新技术和新工艺 如激光强化技术 离子注人技术 飞机蒙皮有机涂层技术 薄膜减阻技术等已经投人应用或正在研究之中 这些表面技术将在航空领域中显示出更广阔的应用前景 在航空航天方面的应用 在汽车工业中的应用 1886年卡尔 奔驰在德国的斯图加特制造生产出世界上第一辆汽车 当时使用油漆作防锈和美化装饰 近代汽车工业充分利用了各种表面热处理技术 物理气相沉积技术 电镀技术热浸镀铝 镀锌技术 喷涂技术 涂装技术等技术 使汽车成为现代技术与艺术之结合 在汽车工业中的应用 奥迪系列 宝马系列 人们对汽车的基本性能 驾驶性 安全性及对环境的保护性等 不断的改进作了大量的工作 由于机械 电子和光学等各种技术的综合应用 导致了目前所制造的汽车更为安全和舒适 在这些技木之中 表面和薄膜技术是主要涉及的应用领域 在汽车工业中的应用 在车身涂装上 设计选用电泳底漆 中间涂层 面漆三涂层体系 不仅使车身具有防腐蚀功能 更具有亮丽 闪光色彩 汽车上一些钢构件采用单一的钝化处理 在散热器主片 吊耳总承 制动软轴支架等几十中零部件中应用 在汽车工业中的应用 以神龙汽车公司的车身涂装线为例 涂装工艺采用三涂层体系 3C3B 即电泳底漆涂层 中间涂层 面漆涂层 涂层总厚度为110 130 m 涂装厂房为三层 一层为辅助设备层 二层为工艺层 三层为空调机组层 厂房是全封闭式 通过空调系统调节工艺层内的温度和湿度 并始终保持室内环境的微正压 保持室内清洁度 各工序间自动控制 流水作业 确保涂装高质量 在先进制造业中的应用 现代意义上的制造业不断吸收机械 电子 信息 材料 能源及现代管理等方面的最新成果追求高效 低耗 优质 清洁 并具有快速适应市场变化的能力 现代制造业的发展主要以集成电路技术为代表 制造和使用微小型电子元器件和电路 实现电子系统功能的微电子技术 是改变人们生产和生活面貌的先导技术 激光表面改性技术 1 激光相变硬化又称激光淬火它是通过激光将金属材料加热到相变温度以上 在冷却过程中产生马氏体相变从而硬化材料表面 显著提高材料的耐磨性和疲劳强度 此技术的优越性表现在可以局部加热处理 显著抑制变形 易于控制晶粒及组织形态 无需后续加工工艺 早在1975年 通用汽车公司就已运用此技术处理铸铁汽车部件提高其耐磨性能 目前在汽车制造及精密机械行业 激光热处理已有广泛的应用 如菲亚持集团用其处理汽缸体 尼桑公司则用其处理发动机及其传动部件 激光发生器 激光工作过程 激光表面改性技术 2 表面重熔运用较高能量密度的激光束使表面熔化并硬化表面 改善表层组织与结构 韧化晶粒 这种技术称表面重熔 此技术有两个控制参量 温度梯度与凝固速率 它们实际上受激光能量与照射时间所控制 一般熔化区深度为0 3 1 m 工艺处理后 原始粗糙的组织可显著韧化 树枝晶将变为马氏体 亚稳相或非晶组织 激光表面置熔的最新进展是将其应用于凸轮轴的表面改性方面 许多发动机都是应用层片状灰口铸铁作为凸轮轴材料 传统处理技术如钨极惰性气体保护重熔或直接冷硬铸造法能获得耐磨性好的莱氏体表层组织 采用激光重熔技术同样可获得莱氏体组织 且更为方便 经济 南京产激光发生器 激光相变相图 激光相变相图 激光表面改性技术 3 激光表面合金化利用高能量激光束使材料表面成分实现预期变化的一种高新技术 激光合金化特别适用于工件最重要部位的处理 如模具的刃口 凸轮轴的局部表面等 此法既改善了影响工件寿命和重要部位的磨损性能与寿命 又可简化工艺和节约昂贵的合金元素 此工艺已应用于工业 如在含有N2气氛中激光熔化Ti可以成功制出TiN 用同样的方法可以制出TiC TiNC等 激光表面改性技术 激光表面合金化举例广州富通光科技术有限公司利用高能量密度的激光对模具进行表面处理 从而改变模具表层的显微结构或成分 实现模具表面强 硬 化或修复的技术 研究中开发了适合于模具表面处理的多种合金材料 预处理剂和专有熔覆送丝设备技术 解决了模具钢材料和激光表面工程技术的配合工艺 达到参数优化控制 激光表面改性技术 主要技术性能指标熔覆系统 送丝与激光同步进给送丝进度可调范围 0 1 0 5m min超细合金粉 Al粉400 粒度1 6 耐温C2粉800 镍基和钻基粉 粒度200 320目 耐温 600 700 合金丝直径 2 3mm高温耐磨 工作温度600 HRc50 55耐冲击磨损 工作温度200 300 HRc55 60 该项技术的应用 可从根本上解决制约我国模具加工的技术瓶颈 模具钢材料和热处理问题 从而变革模具制造工艺 缩短模具开发与制造周期 提高模具质量和使用寿命 降低模具加工成本 达到以国产钢材替代进口钢材的目的 减少我国模具产业对进口钢材 进口硬加工中心装备的依赖 增强我国模具企业的国际竞争力 电子束加工技术在现代制造中的应用 Telemark电子束枪 1 电子束焊接 电子束焊接技术是一种利用电子束作为热源的焊接工艺 它利用经高压静电场与电磁场加速与会聚的高能量密度电子束轰击焊件表面 将电子的动能大部分转变为热能 使焊件接头处的金属熔融 达到焊接的目的 电子束焊接有能量高度集中 106 109W cm2 约为普通电弧的10 100倍 所需线性能量低 速度高 热影响区小 变形小 可在精加工后进行焊接 焊接在真空中进行 焊缝纯度高 强度高的特点 电子束焊接可适用于几乎所有的金属材料 如普通碳钢 不锈钢 合金钢 铝 难熔金属及活泼金属等 1 电子束焊接 电子束焊接主要用于焊接汽车工业中的如下零部件 手动变速箱中的复合多联齿轮 自动变速箱中的行星齿轮变速器及液力变速器 涡轮增压器 ABS刹车系统的液压容器 后桥以及其它零件 如 活门 火花塞 摇杆组件 配电器等闲 2 电子束蒸发涂覆 它是采用物理气相沉积的方法 用高能量密度的电子束作为热源 在真空中对涂覆材料进行受控加热 使之蒸发沉积到各种基体材料上 如钢带 塑料 纸 玻璃以及各种零件 从而获得耐蚀 耐磨 耐热以及特殊光电性能的各种表面特性 电子束钢带镀膜是国际上近20年开始应用的一种镀膜技术 它是用电子束镀膜方法 在普通钢带上镀以铝 铜 镍以及不锈钢等金属及合金材料 用于制造各种汽车压力油管 家电邦迪管以及建筑装饰 美化材料 离子束加工技术及应用 1 离子注入表面改性采用离子注入技术作为金属表面强化的研究始于70年代初 离子注入是根据被处理材料表面所需要的性能 选择适当元素的原子 使其在真空电场中离子化 并在高压下加速注入到材料表层 离子注入将引起材抖表层成分和结构变化 以及原子环境和电子组态等微观状态的扰动 因此导致材料的各种物理 化学或力学性能的变化 离子注入一般在常温或低温下进行 整个过程均在真空中完成 因而表面处理中无氧化和脱碳现象 可以向金属或合金表面注入任何需要的元素 不论它们本来是否互溶 2 等离子喷涂应用 等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为热源 以喷涂粉末材料为主的热喷