材料表面处理技术概论

材料表面处理技术概论

摘要：本文简要介绍了材料表面处理技术的概念，研究背景，发展历程，和应用现状等方面。

关键词：表面处理技术、历史、现状

表面处理在基体材料表面上形成一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层的工艺方法。表面处理的目的是满足产品的耐蚀性、耐磨性、装饰或其他特种功能要求。一般国内所说的表面处理有两种解释，一种是狭义的表面处理，即只包括喷砂、喷丸等在内的即常说的前处理部分；另一种是广义的表面处理，即包括前处理、电镀、涂装、化学氧化、热喷涂等众多物理化学方法在内的工艺方法。我们所说的主要是广义的表面处理，即表面工程技术。

一、发展背景

磨损、腐蚀和断裂是机械零部件、工程构件的三大主要破坏形式，它们所导致的经济损失十分巨大，其中由于磨损、腐蚀导致的机件失效与相应的经济损失占非常大的比重。在美国国家材料政策委员会向美国国会提出一份报告中指出：由于摩擦磨损引起的损失，使美国经济每年支付1000亿美元的巨额资金，这项损失中材料部分约为200亿美元；在1983年前联邦德国的一次调查中指出：由于摩擦磨损造成的总随时估计为387亿马克；在英国，由于摩擦磨损造成的经济损失每年至少为51500万英镑以上。1986年我国对摩擦磨损造成的损失惊醒了全面彻底的调查分析，指出：此项损失至少占国民总产值的1.8%。许多国家政府对腐蚀造成的经济损失也进行了调查分析，美国Battelle 实验室和国家标准总局1978年共同进行调查表明：1975年美国的腐蚀一年损失达820亿美元，占国民总产值的4.9%，1995年4月Battelle和SSINA发表报告指出：现在美国因为腐蚀一年的损失达3000亿美元；1983年我国曾做过腐蚀调查，当时的结论为我国因腐蚀造成的损失至少在400亿元人民币以上。

众所周知，摩擦和腐蚀均是发生于机件表面的材料流失过程，而且其它形式的机件失效是从表面开始，采用表面防护措施延缓和控制表面的破坏，称为解决上述问题的有效方法，在解决问题的同时，促进了表面工程科学和表面技术的形成与发展。

二、发展历史

人们使用表面技术已有悠久的历史。我国早在战国时代已进行了钢的淬火，使钢的表面坚硬。欧洲使用类似的技术也有很久的历史。但是表面技术的迅速发展史从19世纪工业革命开始的，尤其是近30年发展更为迅速。

1983年，表面工程的概念首次被提出，同年英国伯明翰大学沃福森表面工程研究所建立和1985年《表面工程》国际刊物发行，1986年国际热处理联合会也改名为国际热处理及表面工程联合会，这些都是表面工程技术在国际上迅速发展的重要标志。同样，在国内表面工程技术也得到了迅速发展，其标志为1987年中国机械工程学会建立的表面工程研究所（学会性质）、1988年出版的《表面工程》期刊（经国家科委正式批准1997年更名为《中国表面工程》）。现在表面工程已经发展成为横跨材料学、摩擦学、物理学、化学界面力学和表面力学材料失效与防护金属热处理学、焊接学、腐蚀与防护学、光电子学等学科的边缘性综合性复合型学科。

表面技术的应用已经十分广泛，可以用于防腐、耐磨、修复、强化、装饰等，也可以是光、电磁、声、热、、化学、生物等方面的应用。表面技术所涉及的基材不仅是金属材料、有机高分子子材料及复合材料。我国自“六五”计划以来，通过在设备维修领域和制造领域推广应用表面工程技术已取得了几百亿元的经济效益。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，并列为节能、节材示范项目。国计委已决定建立国家表面工程研究中心。材料表面改性作为传统材料性能优化的基础研究也被列入国家自然科学基金“九五”优先资助领域。一些国内外知名专家预言，表面工程将成为21世纪工业发展的关键技术之一。

三、发展现状

表面工程有多种技术方法，包括电镀、电刷镀、化学镀、涂装、粘结、热喷涂、热浸镀、化学气相沉积、表面热处理、表面激光改性、离子注入等。本文选择几种作为介绍。

1、气相沉积技术

气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程,在工件表面形成具有特殊性能的金属或化合物涂层。按照过程的性质可将其分为化学气相沉积和物理气相沉积两大类。化学气相沉积是利用气态物质在固态工件表面进行化学反应，生成固态沉积物的过程。通常处理是将低

温下气化的金属盐与加热到高温的基体接触，通过与碳氢化合物和氢气或氮气进行气相反应,在基体表面上沉积所要求的金属或金属间化合物。化学气相反应室应抽真空并加热到900一1000℃,生成物沉积在工件表面。钢件经沉积镀覆后，还需进行热处理，可在同一反应室内进行由于加热温度较高、所用钢种皆系合金钢，故升温时要采用预热处理，沉积处理后随炉冷至200℃以下，取出空冷，再进行淬火和回火处理。碳素工具钢、渗碳钢、轴承钢、高速钢、铸铁及硬质合金等多种材料都可进行气相沉积。

物理气相沉积（PVD）是通过蒸发、电离或溅射等过程，产生金属粒子沉积在工件表面，形成金属涂层或与反应气反应形成化合物涂层。物理气相沉积的重要特点是沉积温度低于600℃，沉积速度比CVD 快。PVD法可适用于黑色金属高速钢、碳素工具钢等有色金属、陶瓷、高聚物、玻璃等各种材料。PVD法有真空蒸镀、真空溅射、离子镀三大类.

2、离子注入表面强化处理

离子注人是根据被处理表面材料所需要的离子注人是根据被处理表面材料所需要的性能来选择适当种类的原子，使其在真空电场中离子化，并在高电压作用下加速注人工件表层的技术。离子注入设备真空中将注入的原子电离成离子，用聚束系统形成离子束流，用加速系统以必要的能量加速。由于加速的离子束也可能含有不需要的离子,需要利用质量分析器进行质量分离，只让必要的离子从狭缝通过。由于通过狭缝的离子束的断面的不均匀，为使离子束有良好的均匀性，应对离子束作电扫描。离子注人技术在工业上应用广泛。在材料工业中用于金属材料表面合金化，可以提高工程材料的表面性能。例如，利用N、C、B等非金属元素注入到钢、铁、有色金属及各种合金中，当注人剂量的离子大于时，将产生明显的表面硬化作用，一般提高10%--100%，甚至更高。离子注入能改变金属表面的摩擦系数，又由于它提高了硬度，耐磨性增强。当离子注入Ce、Y、Hf、Th、Zr、Nb、Ti或其它能稳定氧化物的活性元素于钢中，可大大提高钢的耐腐蚀能力。

3、熔盐浸镀处理

TMD处理是熔盐浸镀法、电解法及粉末法进行扩散表面硬化处理技术的总称。TD处理是Toyota Diffusion的简称，系日本丰田中央研究所于七十年代所发展的材料表面改性技术，