表面技术改性在汽车中的应用(DOC 48页)

表面技术改性在汽车中的应用单位：马关县民族职业高级中学姓名：张豪志时间：2015年12月 目录摘 要IAbstractII前 言1第一章 材料表面改性技术的概念及发展现状21.1 表面技术21.2 材料表面改性技术的发展现状31.2.1 表面改性技术的概述31.2.2 现状及国内外发展趋势4第二章 材料表面改性技术的分类及特点72.1 电化学方法72.1.1 电镀72.1.2 阳极氧化82.2 化学方法92.2.1 化学转化膜处理92.2.2 化学镀102.3 热加工方法112.3.1 热浸镀112.3.2 热喷涂122.3.3 热烫印122.3.4 堆焊132.4 真空法132.4.1 物理气相沉积（PVD）142.4.2 化学气相沉积（CVD）142.5 其它方法162.5.1 涂装162.5.2 激光表面处理17 2.5.3 电泳及静电喷涂19第三章 表面改性技术在汽车工业中的应用213.1 汽车零件的真空热处理技术213.2 应用在汽车领域的离子氮化技术223.2.1 离子氮化及优点233.2.2 零件离子氮化处理后的常见缺陷243.2.3 离子氮化后零件的肿胀现象及防治对策253.2.4 离子氮化脉冲电源的优点263.2.5 离子氮化前预先热处理工艺的制订原则273.3 汽车典型零件的表面改性技术29第四章 最新表面技术的应用314.1 制造行业314.1.1 机械行业314.1.2 铸造工业324.2 加工行业324.3 其他行业334.3.1 航空、航天行业334.3.2 电力行业334.3.3 汽车与机车的制造与维修行业34第五章 表面改性技术在汽车工业中应用的发展趋势355.1 DLC在汽车中的应用355.1.1 DLC膜的本身特性和优异性能355.1.2 DLC膜在机械功能领域上的应用375.2 阳极氧化技术在汽车中的应用385.3 激光处理技术在汽车中的应用39第六章 结论41总结与体会42参考文献：44 摘 要表面改性技术（Surface Modified Technique）是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构，以提高机器零件或材料性能的一类表面改进技术。本论文以表面技术的分类及其特点和具体的方法为方向，重点总结表面技术如何在汽车领域中应用。分析了电化学、化学、热加工法、真空法、离子氮化技术、激光表面处理和DLC膜等表面技术在汽车中的应用，归纳了国内外表面技术的发展现状及其发展趋势，最终总结出DLC膜、阳极氧化技术和激光表面处理等表面技术应该在汽车行业中广泛应用，有利于提高汽车零件耐磨性等，以便于延长汽车的使用寿命。关键字：表面改性技术，汽车，阳极氧化，离子氮化技术，DLC 膜。AbstractSurface modification technology ( Surface Modified Technique ) is the use of chemical, physical method to change the material or the workpiece surface chemical composition or structure, to improve the machine parts or material properties of a surface modified technology. In this paper the classification and characteristics of surface technology and specific method for the direction, focus on summing up the surface how technology application in automobile manufacturing industry. Analysis of the electrochemical, chemical, thermal processing method, vacuum method, ion nitriding technology, laser surface treatment and DLC film surface technology application in automobile, summed up the domestic and international surface technology development status and trend of development, then summarizes the DLC film, anodic oxidation technology and laser surface treatment, surface technology should be in the car widely used in industry, is helpful to improve the car parts such as wear resistance, so as to prolong the service life of automobile.Keywords:Surface Modification technology, Car, Anodic oxidation, Ion nitriding technology, DLC film.前 言表面改性技术（Surface Modified Technique）是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能的一类表面强化技术。表面技术在当今社会中无处不在，在各行各业中都有表面技术的应用。表面技术虽然不能说是什么新兴技术了，但是它的发展还没到顶峰，还有广阔的发展空间。所以我们要来研究它，继续的开发它，让表面技术在我们这一代更进一步。材料表面技术在各个领域中都有应用，本论文主要是研究它在汽车工业中的应用，其实表面技术并没有想象的那么神秘。当然不同的部件需要用不同的表面技术来处理。例如，给自己的爱车贴防爆膜就是一种表面技术，还有烤漆等等。这些是很常见的，只是过于平凡所以没有注意而已。当然这是在汽车行业中的，还有很多都是生活中常见的，只要留心，就会发现，其实表面技术没什么神秘的。本论文通过对表面技术的概念以及其现在的发展现状，还有表面技术的分类，以及用什么方法来实现表面改性做了新的诠释，以及在各行各业中的应用进行了总结，还有研究讨论它如何应用在我们的汽车行业中的，以及它的发展现状和发展趋势。掌握表面改性技术对提高汽车关键部件的使用寿命意义重大，还有对我国汽车行业发挥的作用。通过对材料表面改性技术在汽车工业中应用的总结研究，可为其更好的应用到现实生产中打下良好的理论基础。希望对我国汽车行业有帮助，让表面技术能够在这个行业中得到充分应用。 第1章 材料表面改性技术的概念及发展现状表面改性技术是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构，以提高机器零件或材料性能的一类表面强化技术。它包括化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属等)；表面涂层(低压等离子喷涂、低压电弧喷涂）、激光重熔复合等；薄膜镀层(物理气相沉积、化学气相沉积等)和非金属涂层技术等。1.1 表面技术 表面技术是表面处理、表面涂（镀）层及表面改性的总称，是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程，来改变基材表面状态、化学成分、组织结构或形成特殊覆层，使基体表面具有某种特殊性能（耐高温性、耐磨性、抗高压性等等），从而达到特定使用要求的方法。现在表面技术的应用已经十分广泛，在各行各业中都有表面技术的应用。表面技术提高了材料抵御环境作用的能力，赋予材料表面某种功能特性（如光、电、磁、热、声、吸附、分离等各种物理和化学性能），制造特殊构件、零部件和元器件等。表面技术主要通过两种途径来实现：(1) 施加各种覆盖层。采用各种涂层技术，包括电镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、物理气相沉积、化学气相沉积、分子束外延制膜和离子束合成薄膜技术等实现。(2) 用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态，主要有喷丸强化、表面热处理、化学热处理、等离子扩渗处理、激光表面处理、电子束表面处理和离子注入表面改性等方法。 表面改性就是指在保持材料或制品原性能的前提下，赋予其表面新的性能，如亲水性、生物相容性、抗静电性能、染色性能等。表面改性的方法有很多，大体上可以归结为：表面化学反应法、表面接枝法、表面复合化法等。 现代材料表面改性技术是跨学科、跨行业、跨世纪的新兴领域，包含了表面物理、固体物理、等离子物理、表面化学、有机及无机化学、电化学、冶金学、金属材料学、高分子材料学、硅酸盐材料学以及物质的传输、热的传递等多门学科的边缘学科技术。各门学科之间互相弥补、互相渗透、互相交融，取长补短，日益完善，逐渐形成一门别具特色和有着自己模式的新兴学科。表面改性技术通过对基体材料表面采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能。它包括化学热处理（渗氮、渗碳、渗金属等）、表面涂层（低压等离子喷涂、低压电弧喷涂）、激光重熔复合等薄膜镀层（物理气相积、化学气相沉积等）和非金属涂层技术等。这些用以强化零件或材料表面的技术，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性，使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件，提高了可靠性、延长了使用寿命，具有很大的经济意义和推广价值。1.2 材料表面改性技术的发展现状1.2.1 表面改性技术的概述 新型表面功能覆层技术，包括低温化学表面涂层技术及超深层表面改性技术，它运用物理、化学或物理化学相结合等技术手段来改变“材料及其制件表面成份和组织结构”，其特点是保持基体材料固有的特征，又赋予表面化所要求的各种性能，从而适应各种技术和服役环境对材料的特殊要求，因而它是制造和材料学科最为活跃的技术领域，又是涉及表面处理与涂层技术的交叉学科。其最大的优势在于能以极少的材料和能源消耗制备出基体材料难以甚至无法获得的性能优异的表面薄层，从而获得最大的经济效益，它是一种优质高效的表面改性与涂层技术。优质、高效的表面改性与涂层技术其范围广阔：如热化学表面技术；物理气相沉积；化学气相沉积；物理化学气相沉积技术；高能等离体表面涂层技术；金刚石薄膜涂层；多元多层复合涂层技术；表面改性及涂层性能预测及剪栽技术；性能测试与寿命评估等等。 新型低温化学气相沉积技术引入等离子体增强技术，图1-1所示为其工作过程及其装置，使其温度降至600以下，获得硬质耐磨涂层新工艺，所生产的高强度、高性能的涂层工艺，在高速、重负荷、难加工领域中有其特殊的作用。超深层表面改性技术可应用于绝大多数热处理件和表面处理件，可替代高频淬火，碳氮共渗，离子渗氮等工艺，得到更深的渗层，更高的耐磨性，产品寿命剧增，可产生突破性的功能变化。 图1-1 新型低温气相沉积装置及工作过程1.2.2 现状及国内外发展趋势 随着基础工业及高新技术产品的发展，对优质、高效表面改性及涂层技术的需求向纵深延伸，国内外在该领域与相关学科相互促进的局势下，在诸如“热化学表面改性”、“高能等离子体表面涂层”、“金刚石薄膜涂层技术”以及“表面改性与涂层工艺模拟和性能预测”等方面都有着突破的进展。 （1）热化学表面改性技术现状及发展趋势 国外近年来重视对“可控气氛”条件和真空条件下的渗碳，碳氮共渗等技术的研究，并已实现工业化。而在我国应用很少，相关的技术研究工作亦不够。可控气氛渗碳和真空渗碳技术是显著缩短生产周期，节能、省时，同时可提高工件质量，不氧化、不脱碳，保证零件表面耐腐蚀和抗疲劳性，并减少热处理后机加工余量及清理工时。 目前国际上碳势控制和监测，渗层布型控制等方面的研究成果已应用于实际生产，并用计算机进行在线动态控制。 （2）PVD、CVD技术现状及发展趋势各种气相沉积是当前世界上著名研究机构和大学竞相开展的具有挑战的性的研究课题。目前该技术在信息、计算机、半导体、光学仪器等产业及电子元器件、光电子器件、太阳能电池、传感器件等制造中应用十分广泛，在机械工业中，制作硬质耐磨镀层、耐腐蚀镀层、热障镀层及固体润滑镀层等方面也有较多的研究和应用，其中TiN等镀膜刀具的普及已引起切削领域中的一场革命，金刚石薄膜、立方氮化硼薄膜的研究也十分火热，并已向实用化方面推进。 在不同PVD（物理气相沉积）、CVD(化学气体沉积)工艺的基础上，通过发展和复合很多新的工艺和设备，如IBAD（离子束辅助沉积）、PCVD（等离子化学气体沉积）与空心阴极多弧复合离子镀膜装置、离子注入与油溅射镀或蒸镀的复合装置、等离子体浸没式离子注装置等不断将该类技术推向新的高度。与国外的发展相比，我国在上述方面虽研究较多，但水平有较大差异，在实用化方面差距更大。 （3）高能等离子体表面涂层技术现状及发展趋势 该技术是增加表面物理化学反应，获取特殊性能覆盖层。其核心是更有效地增强和控制阴极电弧等离子体的产生和作用，美国、日本、德国大力发展该技术。等离子体增强电化学表面改性技术，是目前国际上较活跃的开发研究领域，对于铝、钛等材料，通过等离子体调光放电手段，增强电化学处理效果，在金属表面上生成致密氧化铝和其它氧化物陶瓷膜层，可使基体具有极高性能表面，是先进制造工艺的前沿技术，在机加工用刀具和模具行业也有很了的应用前景。 （4）金刚石薄膜涂层技术 薄的金刚石薄膜，可提高工件的使用性能，并满足一些特殊条件的需求。近年来，由于金刚石薄膜的优异性能以及广泛的应用前景，日本、美国、西欧均进行大量的研究工作，并开发了多种金刚石涂层工艺技术，已在国内外掀起金刚石涂层研究的热潮。尤其是在提高金刚石涂层和基体结合强度，大面积快速沉积金刚石涂层技术，产业化生产涂层金刚石薄膜设备系统等关键技术方面国外已取得突破性进展，美国、瑞典等国已推出金刚石金属切削工具供应市场，而我国该技术还没有达到实用水平，急待开发并实现产业化。 （5）多元多层复合涂层技术的现状及发展趋势单一的表面涂层不能满足表面工程设计中苛刻的工况条件，任何表面处理均有其不同的优缺点，因为利用不同涂层材料的性能优点，在基体表面形成多元多层复合涂层（含万分渐变的梯度层）具有重大的意义，如图1-2所示为多层涂层，不同颜色的代表不同的涂层。国外已开展单层涂层厚度为纳米级，层数在100层以上的多元多层复合涂层技术的研究，所制备的涂层具有较高的耐腐性、韧性和强度，和基体的结合强度也好，表面粗糙度低，这对直精高速工削机械加工十人有利。国外已列入主要发展方面，予计在纳米级精细涂层材料研究和应用领域会有新的突破。因为复合涂层技术具有抗磨损、抗高温氧化腐蚀、隔热等功能，能扩大涂层制品使用范围，延长使用寿命，是一项在下一世纪会得到迅速发展的技术。我国目前已开始研究，并取得初步成果，但还存在一些问题有待于解决。 图 1-2 多元多层复合涂层 （6）表面改性与涂层工艺模拟和性能预测的现状及发展趋势表面改性与涂层技术作为表面工程的重要组成部分，已经渗透到传统工业与高新技术产业部门，根据应用的要求反过来又促进表面功能覆层技术的进一步发展。根据使用要求，对材料表面进行设计、对表面性能参数进行剪裁，使之符合特定要求，并进一步实现对表面覆盖层的组织结构和性能和预测等，已成为该领域重要研究方向。国外已对PVD、CVD以及其它表面改性方法开展计算机模拟研究，针对CVD过程进行模拟，采用宏观和微观多层次模型，对工艺和涂层各种性能和基体的结合力进行模拟和预测；对渗碳，渗氮工件渗层性能应力等进行计算机模拟等等，人们可以更好地控制和优化工艺过程。我国这方面的研究刚处地起步阶段。 第二章 材料表面改性技术的分类及特点 表面技术有着十分广泛的内容，仅从一个角度进行分类难于概括全面，目前也没有统一的分类方法。不能简单的从物理或者化学两方面来给它分类，在不同材料中要用不同的方法，有的是单纯的物理的方法，有的是单纯的化学的方法，有的是物理和化学共用的。2.1 电化学方法 这种方法是利用电极反应，在工件表面形成镀层。其中主要的方法有：电镀、阳极氧化等。2.1.1 电镀利用电解作用在机械制品上沉积出附着良好的、但性能和基体材料不同的金属覆层的技术。电镀层比热浸层均匀，一般都较薄，从几个微米到几十微米不等。通过电镀，可以在机械制品上获得装饰保护性和各种功能性的表面层，还可以修复磨损和加工失误的工件。镀层大多是单一金属或合金，如锌、镉、金或黄铜、青铜等；也有弥散层，如镍-碳化硅、镍-氟化石墨等；还有覆合层，如钢上的铜-镍-铬层、钢上的银铟层等。电镀的基体材料除铁基的铸铁、钢和不锈钢外，还有非铁金属，如ABS塑料、聚丙烯、聚砜和酚醛塑料，但塑料电镀前，必须经过特殊的活化和敏化处理。电镀分为挂镀、滚镀、连续镀和刷镀等方式，主要与待镀件的尺寸和批量有关。挂镀适用于一般尺寸的制品，如汽车的保险杠，自行车的车把等。滚镀适用于小件，如紧固件、垫圈、销子等。连续镀适用于成批生产的线材和带材。刷镀适用于局部镀或修复。电镀液有酸性的、碱性的和加有铬合剂的酸性及中性溶液，无论采用何种镀覆方式，与待镀制品和镀液接触的镀槽、吊挂具等应具有一定程度的通用性。 （1）镀层分类 镀层分为装饰保护性镀层和功能性镀层两类。 装饰保护性镀层：主要是在铁金属、非铁金属及塑料上的镀铬层，特别是钢的铜-镍-铬层，锌及钢上的镍-铬层。为了节约镍，人们已能在钢上镀铜-镍/铁-高硫镍-镍/铁-低固分镍-铬层。与镀铬层相似的锡/镍镀层，可用于分析天平、化学泵、阀和流量测量仪表上。 （2）功能性镀层：这种镀层种类很多，如： 提高与轴颈的相容性和嵌入性的滑动轴承罩镀层，铅-锡，铅-铜-锡，铅-铟等复合镀层； 用于耐磨的中、高速柴油机活塞环上的硬铬镀层，这种镀层也可用在塑料模具上，具有不粘模具和使用寿命长的特点； 在大型人字齿轮的滑动面上镀铜，可防止滑动面早期拉毛； 用于防止钢铁基体遭受大气腐蚀的镀锌； 防止渗氮的铜锡镀层； 用于收音机、电视机制造中钎焊并防止钢与铝间的原电池腐蚀的锡-锌镀层。适用于修复和制造的工程镀层，有铬、银、铜等，它们的厚度都比较大，硬铬层可以厚达300m。2.1.2 阳极氧化阳极氧化（Anodic oxidation）：金属或合金的电化学氧化。铝及其合金在相应的电解液和特定的工艺条件下，由于外加电流的作用下，在铝制品（阳极）上形成一层氧化膜的过程.阳极氧化如果没有特别指明，通常是指硫酸阳极氧。如图2-1所示，将金属或合金的制件作为阳极，采用电解的方法使其表面形成氧化物薄膜。金属氧化物薄膜改变了表面状态和性能，如表面着色，提高耐腐蚀性、增强耐磨性及硬度，保护金属表面等。例如铝阳极氧化，将铝及其合金置于相应电解液(如硫酸、铬酸、草酸等)中作为阳极，在特定条件和外加电流作用下，进行电解。阳极的铝或其合金氧化，表面上形成氧化铝薄层，其厚度为520m，硬质阳极氧化膜可达60200m。阳极氧化后的铝或其合金，提高了其硬度和耐磨性，可达250500kg/mm2，良好的耐热性，硬质阳极氧化膜熔点高达2320K，优良的绝缘性，耐击穿电压高达2000V，增强了抗腐蚀性能，在=0.03NaCl盐雾中经几千小时不腐蚀。氧化膜薄层中具有大量的微孔，可吸附各种润滑剂，适合制造发动机气缸或其他耐磨零件；膜微孔吸附能力强可着色成各种美观艳丽的色彩。有色金属或其合金（如铝、镁及其合金等）都可进行阳极氧化处理，这种方法广泛用于机械零件，飞机汽车部件，精密仪器及无线电器材，日用品和建筑装饰等方面。功用：防护性、装饰性、绝缘性、提高与有机图层的结合力、提高与无机覆盖层的结合力。 图 2-1 金属阳极氧化2.2 化学方法 这种方法是无电流作用，利用化学物质相互作用，在工件表面形成镀覆层。其中主要的方法是：化学转化膜处理、化学镀等。2.2.1 化学转化膜处理 在电解质溶液中，金属工件在无外电流作用，由溶液中化学物质与工件相互作用从而在其表面形成镀层的过程，称为化学转化膜处理。（1）化学转化膜的分类按基材分：铝材、锌材、钢材、镁材、钛材和铜材转化膜；按工艺分：阳极氧化膜、磷化膜、钝化膜、着色膜、化学氧化膜等；按用途分：装饰性膜、防护性膜、减摩性膜、耐摩性膜、绝缘性膜、打底膜等。（2）化学转化膜的方法化学转化膜常用的处理方法有：浸渍法、电解法、喷涂法、刷涂法等。电解法：以阳极氧化为主，即工件与直流电源（或交流电源）的正极相连，广泛应用于铝、镁、钛为基材的各种单金属或合金的氧化处理；浸渍法：即直接浸入药液中，在相应的温度下进行处理。由于没有电解法所存在的电流分布问题，其广泛应用于处理形状复杂的、不同材质的表面转化处理，如钢材的化学氧化（发蓝、发黑）、铝的化学氧化、锌的钝化、多种材料的磷化等等；喷淋法：其原理与浸渍法相似，也属于化学处理法。主要用于形状复杂、表面府蚀较轻的零件，适用于批量生产或自动化作业；刷涂法：即直接在工件上进行刷涂，其成本低，但质量不易保证，主要用于局部处理。2.2.2 化学镀化学镀就是在不通电的情况下，利用氧化还原反应在具有催化表面的镀件上，获得金属合金的方法。它是新近发展起来的一门新技术。美、英、日、德等国，其工业产值正以每年15%的速度递增。它广泛地应用于机械、电子、塑料、模具、冶金、石油化工、陶瓷、水力、航空航天等工业部门，是一项很有发展前途的高新技术之一。其特点如下： （1）表面硬度高，耐磨性能好： 其表面硬度可在Hv0.1 =550-1100kg/mm2 （相当于HRc =55-72）的范围内任意控制选择。处理后的机械部件，耐磨性能好，使用寿命长，一般可提高3-4倍，有的可达8 倍以上。 （2）硬化层的厚度极其均匀，处理部件不受形状限制，不变形。 特别适用于形状复杂、深盲孔及精度要求高的细小及大型部件的表面强化处理。 （3）有优良的抗腐蚀性能： 它在许多酸、碱、盐、氨和海水中具有很好的耐蚀性，其耐蚀性比不锈钢要优越得多，如表2-2所示。表2-2 Ni-12P 合金镀层在下列介质中的腐蚀速率 腐蚀介质温度 腐蚀速率（mm/年）Ni-12P合金锈钢不锈钢 Cr18Ni9Ti 42% NaOH沸腾 0.048 1.545% NaOH20 没有0.537% HCl30 0.141.5-1.810% H2SO430 0.031 1.510% H2SO470 0.048 1.5水（海水）3.5% 盐95 没有0.5-1.440% HF30 0.0141 1.5 （4）处理后的部件，表面光洁度高，表面光亮，不需重新机械加工和抛光，即可直接装机使用。 （5）镀层与基体的结合力高，不易剥落，其结合力比电镀硬铬和离子镀要高。 （6）可处理的基体材料：理材料有各种模具合金钢、不锈钢、铜、铝、锌、钛、塑料、尼龙、玻璃、橡胶、粉末、木头等。2.3 热加工方法 这种方法是在高温条件下令材料熔融或热扩散，在工件表面形成涂层。其主要方法有一下几种：热浸镀、热喷涂、化学热处理、堆焊等等。2.3.1 热浸镀金属工件放入熔融金属中，令其表面形成涂层的过程，称为热浸镀，如热镀锌、热镀铝等。热浸镀锌的特点: 整个钢材表面均受到保护,无论在凹陷处管件内，任何其它涂层很难进入的角落,溶化锌均很容易均匀的覆盖上。镀锌层的硬度值比钢材还大。最上层的 Eta layer 只有 70 DPN 硬度,故易受碰撞而凹入，但下层Zeta layer 及Delta layer 分别有179及 211 DPN 硬度值比铁材的 159 DPN 硬度值最还高，故其抗冲击及抗磨耗性均相当良好。在边角区，锌层往往比其它地方还厚，且有良好的韧性及抗磨耗性。而其它涂层在此边角处，往往是最薄最不易施工，最易受伤害处，故常须再维护。即使因受很大的机械伤害或其它原因。造成一小部份的锌层脱落，将铁基裸露，此时，周围锌层就会发挥牺牲阳极的功能，来保护此处钢铁，使其不受侵蚀。而其它涂层则刚好相反，锈会马上生成，且迅速漫延至涂层下面，引起涂层剥落。锌层在大气中的消耗是非常缓慢的，约为钢铁腐蚀速率的1/17至1/18，且是可预估的，其寿命远超过其它任何涂层。镀层寿命在某一特定的环境下，主要视镀层厚度而定。而镀层厚度又受钢铁厚度而决定，即越厚的钢铁易得较厚的镀层，故同一个钢构中厚的钢铁部位一定也得到较厚的镀层，以保证得到更长的寿命。因美观、艺术，或在特定严重腐蚀环境使用时，镀锌层可再施以上漆处理，只要漆的系统选用正确、施工容易，其防蚀效果比单独上漆及热浸锌寿命加起来还要好上 1.52.5 倍。2.3.2 热喷涂如图2-4所示为离子热喷涂，以及离子热喷涂的工艺过程，将熔融金属雾化，喷涂于工件表面，形成涂层的过程，称为热喷涂，如热喷涂锌、热喷涂涂铝等。优点： 基体材料不受限制，可以是金属和非金属，可以在各种基体材料上喷涂；可喷涂的涂层材料极为广泛，热喷涂技术可用来喷涂几乎所有的固体工程材料，如硬质合金、陶瓷、金属、石墨等；喷涂过程中基体材料温升小，不产生应力和变形； 操作工艺灵活方便，不受工件形状限制，施工方便；涂层厚度可以从0.01mm至几毫米； 涂层性能多种多样，可以形成耐磨、耐蚀、隔热、抗氧化、绝缘、导电、防辐射等具有各种特殊功能的涂层；适应性强及经济效益好等优点。图 2-4 离子热喷涂2.3.3 热烫印将金属箔加温、加压覆盖于工件表面上，形成涂覆层的过程，称为热烫印，如热烫印铝箔等。优点：(1) 质量好，精度高，烫印图像边缘清晰、锐利；(2) 表面光泽度高，烫印图案明亮、平滑；(3) 烫印箔的选择范围广，不同颜色的烫印箔，不同光泽效果的烫印箔，适用于不同基材的烫印箔；(4) 热烫印工艺有一个突出优点：就是可以进行立体烫印。采用电脑数控雕刻制版(CNC)方式制成立体烫印版，使烫印加工成的图文具有明显立体层次，在印刷品表面形成浮雕效果，产生强烈的视觉。2.3.4 堆焊如图2-5所示为曲轴的堆焊，令熔敷金属堆集于工件表面而形成焊层的过程，称为堆焊，如堆焊耐磨合金等。堆焊零件冗杂、金属类型多，被堆焊的零件品种单一，任务要求非常复杂，包括简直全部类型的金属，必需按照详细状况正确选用堆焊资料，才干使堆焊零件具有高的运用寿命。减小熔合比要取得预期的堆焊成分和效果，必需尽量增加母材的熔入量，减小熔合比，降低浓缩率。堆焊金属与母资料差别大，堆焊金属与母资料成分通常相差悬殊，为避免堆焊、焊后热处置及零件运用进程中发生开裂或剥离，堆焊金属与母材应有相近的线收缩系数和相变温度。堆焊的成本比较低，而且效果和原来的基本相近。 图 2-5 曲轴的堆焊2.4 真空法这种方法是在高真空状态下令材料气化或离子化沉积于工件表面而形成镀层的过程。2.4.1 物理气相沉积（PVD）物理气相沉积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。 （1）真空蒸镀在真空中使金属、合金或化合物蒸发，然后凝结在基体表面上的方法叫真空蒸镀。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。 （2）阴极溅射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：薄膜的结合力高；容易相成高熔点物质的膜；可以在较大面积上得到均匀的薄膜；容易控制膜的组成；可以长时间地连续运转；有良好的再现性；几乎可以制造一切物质的薄膜。 （3）离子镀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。 离子镀膜的特点：离子镀膜附着力强；均匀性好；取材广泛且能相互搭配；整个工艺过程无污染。2.4.2 化学气相沉积（CVD） CVD（Chemical Vapor Deposition，化学气相淀积），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。CVD的特点：淀积温度低，薄膜成份易控，膜厚与淀积时间成正比，均匀性，重复性好，台阶覆盖性优良。图2-6为金刚石喷射装置示意图。由于低压气相沉积法是在金刚石处于亚稳态条件下合成金刚石的，因此在金刚石相析出的同时，还会伴随有非金刚石相石墨的出现，后者的存在会抑制金刚石相的沉积，降低薄膜的质量。因此，金刚石薄膜沉积技术的关键是能否抑制、去除石墨相。CH4气在1200以下的温度分解速度非常慢，而气相沉积的温度又要求控制在1200以下，因为在高真空中，金刚石在1300以上时便会逐渐石墨化，所以必须设法提高CH4在1200以下的分解速度，以得到实现金刚石沉积所必须的甲基CH3。金刚石中碳原子的外层电子处于SP3杂化状态，而甲基CH3具有SP3杂化结构，从而它就相当于一个金刚石的活性种子，它分解便以金刚石的形式析出。在金刚石析出的同时，石墨也可能会沉积出来，要除去它必须依靠原子氢。CVD法中加入的碳氢化合物一氢气混合气体，在低于常压被加热或放电时会生成原子氢。原子氢有抑制石墨碳与金刚石同时析出，促进金刚石生长的作用。 图 2-6 金刚石喷射装置示意图 （1）在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上。 （2）可以在常压或者真空条件下进行沉积，通常真空沉积膜层质量较好。 （3）采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。 （4）涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。 （5）可以控制涂层的密度和涂层纯度。 （6）绕镀件好。可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜。适合涂覆各种复杂形状的工件。由于它的绕镀性能好，所以可涂覆带有槽、沟、孔，甚至是盲孔的工件。 （7）沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但可通过各种技术对化学反应进行气相扰动，以改善其结构。 （8）可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。2.5 其它方法主要是机械的、化学的、电化学的、物理的方法。其中的主要方法有以下几种。2.5.1 涂装喷涂或刷涂方法，将涂料(有机或无机)涂覆于工件表面而形成涂层的过程，称为涂装，如喷漆、刷漆等。如图2-7所示为汽车的喷涂过程，图中为机械手臂正在进行喷涂。图 2-7 汽车的喷涂过程载重汽车的主要涂装件是前部驾驶室，涂装要求最高；其他部件如车厢、车架等涂装要求比驾驶室低。客车的涂装与载货汽车的涂装有较大区别。客车车身包括大梁、骨架、车厢内部、车身外表面，其中以车身外表面要求较高。车身外表面不但要求具有良好的保护性和装饰性，而且喷涂面积大、平面多，有两种以上的颜色，有时还有汽车色带。因此，施工周期比载货汽车长，施工要求比载货汽车高，施工过程比载货汽车复杂。轿车和小型旅行车，不论在表面装饰性或底层保护性都比大型客车和载货汽车的要求高。它的表面涂层属于一级装饰精度，具有美丽的外观，光亮如镜或光滑的表面，无细微的杂质、擦伤、裂纹、起皱、起泡及肉眼可见的缺陷，并应有足够的机械强度。底面涂层属于优良保护层，应有优良的防锈性和防腐蚀性，很强的附着力；局部或全部刮涂附着力好、机械强度高的腻子，使用数年也不会出现锈蚀或脱落等现象。2.5.2 激光表面处理 激光表面处理工艺主要有激光相变硬化、激光熔融及激光表面冲击三类。激光熔融又有激光表面熔融、激光表合金化和激光表面熔融。 （1）激光熔凝技术激光熔凝处理是利用高能量密度的激光束扫描金属材料表层使其快速熔化。从而造成熔化表层和基体之间很大的温度梯度，待激光扫过后，熔化表层快速冷却而凝固，形成极细的亚稳相、过饱和相以至非晶相组织。这样既可减少金属表层的微孔和裂纹，提高抗腐蚀性能，又可提高表层的硬度和强度，特别对铸造零件和焊缝的改性非常有效。例如，汽车发动机的铸铁凸轮轴、摩擦飞轮等经激光熔凝处理后，耐磨性和抗腐蚀性能都有明显提高。激光熔凝处理工艺简单、成熟、易于控制，被加工件的热影响区小，因而变形较小，但由于被加工件表面发生微熔，故平整表面的粗糙度会有所增加，需增加精磨等后续加工。 （2）激光合金化激光合金化处理是利用激光作为热源。使外加合金元素和基体金属表层融合而形成一种新的合金层，获得基体金属所没有的新性能：激光合金化技术具有很大的自由度，可根据不同的性能设计要求而采用不同的外加合金元素。从而使廉价的基体金属得到优异的表面性能，而且原料消耗很少，是一项经济而高效的表面处理技术。激光合金化技术常用于对性能要求比较苛刻的材料处理。如要求耐磨性很高的材料、工作在强腐蚀、强氧化、高温或其它复杂恶劣环境中的材料。因此，激光合金化技术在航空航天、兵器制造、汽车、模具；采掘机械制造等工业部门具有广阔的应用前景。 （3）激光熔覆处理激光溶覆处理是根据工况对零件表面性能的要求，选择相应的涂敷材料(合金、陶瓷粉末或其它复合粉末)，先预涂在零件表面，然后用高能激光束进行扫描，控制激光参数使涂敷材料完全熔化而基体微熔，随后凝固形成和基体为冶金结合的涂敷层。目前更为先进的激光熔覆工艺已不采用预涂的方法，而是采用同步送粉装置，在激光束扫描基体表面使之熔化的同时，将涂敷材料的粉末喷注在激光熔池内，可以一次获得较厚的涂敷层。在实际应用中，涂敷材料多选择 Co-Cr 基、 Ni-Cr 基、 Fe-Cr 基合金粉末配以一定数量的陶瓷材料，如 WC、TiC、Al2O3、VC 、BN、ZrO2、SiC、 B4C等，形成致密的超硬金属陶瓷涂层，厚度可达零点一到十几毫米之间。激光熔覆处理的应用主要是高耐磨、抗腐蚀、抗氧化性要求更高的零件，如汽轮机叶片、电厂排粉机叶片（表面熔覆Co-Cr-Mo合金）、石油钻头、穿孔顶头、高压阀门密封面、轧辊、阀座、阀杆、泥浆泵和抽油泵内壁。另外，激光熔覆技术对磨损报废的零件进行整体或局部修复十分有效。激光熔覆技术是一种发展潜力极大的表面处理技术。激光表面处理技术与淬火、电镀、喷涂等常规表面热处理方法、以及与近代物理方法（PVD）、化学方法（CVD）相比，其优越性通过下表可以看出。激光束这一领域快速提高了表面温度（达 1000K），薄层转换成奥氏体。通过冷热传导去除能量导致自行谇灭，由此产生快速冷却表面层和奥氏体转换为马氏体的转变过程。激光硬化的基本目标是提高耐磨性。磨损减少是基于激光硬化后的零件表面硬度高于磨损媒介的硬度。由于摩擦系数的降低，提高了抗粘磨损，同时可以提高其疲劳强度。 （4）激光束加工的优点 激光束加工的优点的优点主要有一下几点：不需要工具，适合于自动化连续操作；不受切削力影响，容易保证加工精度；能加工所有材料；加工速度快，效率高，热影响区小；可加工深孔和窄缝，直径或宽度可小到几微米，深度可以达到直径或宽度的10倍以上；可透过玻璃对工件进行加工；工件可以不放在真空室中，也不需要用X射线进行防护，装置较为简单；激光束传递方便，容易控制。2.5.3 电泳及静电喷涂（1）电泳工件作为一个电极放入导电的水溶性或水乳化的涂料中，与涂料中另一电极构成电解电路。在电场作用下，涂料溶液中已离解成带电的树脂离子，阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动。这些带电荷的树脂离子，连同被吸附的颜料粒子一起电泳到工件表面，形成涂层，这一过程称为电泳。（2）静电喷涂在直流高电压电场作用，雾化的带负电的油漆粒子定向飞往接正电的工件上，从而获得漆膜的过程，称为静喷涂。然而，所有上述种类的划分不是绝对的。如表面处理技术还可划分为狭义表面改性技术、薄膜技术、涂镀层技术三大技术： 狭义表面改性技术表面改性和表面转化两个方面的技术都可属于表面改性技术。实际上“表面改性”是一个具有较为广泛涵义的技术名词，它可泛指“经过特殊表面处理以得到某种特殊性能的技术”。因此，有许多表面涂镀层技术或薄膜技术也可看作表面改性技术。为了使各类技术归类完整，这里所说的表面改性技术是指“表面覆盖”以外的，通过用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态 或应力状态，来获得某种特殊性能的表面处理技术。 薄膜技术：主要包括图中的溶胶-凝胶法制备薄膜、真空物理沉积和化学气相沉积中的技术。涂镀层技术：主要包括图中的涂料涂层、电化学及化学沉积、热喷涂中所列出的技术。表面工程技术为各个领域、各行各业高技术的发展开辟了新天地。它所形成的表面改性层、薄膜和涂镀层几乎扩展到所能设想到的每个方面，同时其基础理论也在不断丰富和发展。主要领域包括：1）通过电沉积工艺在金属（后发展到在塑料、陶瓷等非金属材料）基体表面制造多种金属或合金涂层；2）在钢铁或其他基材表面涂刷涂料来获得漆膜，仅涂料一项，全球主要工业国家统计1997年产量已达140亿升；3）通过涂刷油、蜡、脂在材料表面得到各类防锈润滑作用的涂膜；4）通过化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、磁控（电控）溅射等获得多种性能或用途的薄膜。 据 BBC Inc 统计全球1995年 CVD 、 PVD 和离子注入业的设备材料销售值近90亿美元，到2000年达150亿美元，年增长率7.4%，大于工业平均增长率。涂层材料品种的发展也很快，已有单一金属、多种合金、高分子聚合物、工程塑料、合成橡胶、陶瓷、金属陶瓷、无机硅酸盐及具有特殊光、磁、电性能等等材料。同时制造涂层和薄膜的工艺技术和工艺方法亦愈来愈多，有电沉积、化学沉积、真空沉积、浸镀、刷镀、静电喷涂、电泳、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂、热熔敷、激光熔覆等。各类制造涂层与薄膜的工艺技术促进了相应工程装备的发展，工程技术界不断推陈出新，各类加工制造用设备愈来愈先进。值得一提的是，由于表面涂层、表面薄膜、表面改性在材料科学上的巨大发展潜力，已涌现出将多种表面工程技术复合而形成的复合表面处理技术。目前已开发的一些复合表面处理如等离子喷涂与激光辐照复合、热喷涂与喷丸复合、化学热处理与电镀复合、激光淬火与化学热处理复合、化学热处理与气相沉积复合等，已经取得良好效果，有的还收到了意想不到的效果。第三章 表面改性技术在汽车工业中的应用 汽车零件的表面处理技术，是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变零件表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能的系统工程。从表面处理的方式上，又可分为：化学方法、物理方法物理化学方法和机械方法。虽然旨在提高模具表面性能新的处理技术不断涌现，但在汽车零件制造中应用较多的主要的渗氮、渗碳和气相沉积。3.1 汽车零件的真空热处理技术真空热处理技术是近些年发展起来的一种新型的热处理技术，它所具备的特点，正是模具制造中所迫切需要的，比如防止加氧化和不脱碳、真空脱气或除气，消除氢脆，从而提高材料（零件）的塑性、韧性和疲劳强度。真空加热缓慢、零件内外温差较小等因素，决定了真空热处理工艺造成的零件变形小等。按采用的冷却介质不同，真空淬火可分为真空油冷淬火、真空气冷淬火、真空水冷淬火和真空硝盐等温淬火。汽车零件真空热处理中主要应用的是真空油冷淬火、真空气冷淬火和真空回火。为保持工件（如汽车零件）真空加热的优良特性，冷却剂和冷却工艺的选择及制定非常重要，零件淬火过程主要采用油冷和气冷。对于热处理后不再进行机械加工的零件工作面，淬火后尽可能采用真空回火，特别是真空淬火的工件（汽车零件），它可以提高与表面质量相关的机械性能。如疲劳性能、表面光亮度、腐蚀性等。热处理过程的计算机模拟技术（包括组织模拟和性能预测技术）的成功开发和应用，使得零件的智能化热处理成为可能。由于零件生产的小批量（甚至是单件）、多品种的特性，以及对热处理性能要求高和不允许出现废品的特点，又使得零件的智能化处理成为必须。零件的智能化热处理包括：明确零件的结构、用材、热处理性能要求：零件加热过程温度场、应力场分布的计算机模拟；零件冷却过程温度场、相变过程和应力场分布的计算机模拟；加热和冷却工艺过程的仿真；淬火工艺的制定；热处理设备的自动化控制技术。国外工业发达国家，如美国、日本等，在真空高压气淬方面，已经开展了这方面的技术研发。3.2 应用在汽车领域的离子氮化技术渗氮工艺有气体渗氮、离子渗氮、液体渗氮等方式。每一种渗氮方式中，都有若干种渗氮技术，可以适应不同钢种不同工件的要求。由于渗氮技术可形成优良性能的表面，并且渗氮工艺与模具钢的淬火工艺有良好的协调，同时渗氮温度低渗氮后不需激烈冷却，零件的变形极小，因此零件的表面强化是采用渗氮技术较早，也是应用最广泛的。零件渗碳的目的，主要是为了提高零件的整体强韧性，即零件的工作表面具有高的强度和耐磨性。由此引入