表面工程技术的作用

表面工程技术的作用

表面工程技术的作用是多种多样的，但其最重要的作用为提高金属机件的耐蚀性、耐磨

性及获得电、磁、光等功能性表面层。

1）腐蚀保护性即可以提高基体材料的耐大气、海洋大气、天然水及某些酸碱盐的腐蚀作

用。例如若在钢构件上喷涂一层8515AI15合金，可使构件在海水中耐腐蚀20・40年。

2）抗磨性包括抗磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损等。例如若在刀具表面镀上一层TiC、TiN或Al 203薄膜，成为防止钢屑粘结的表面薄层，从而提高刀具寿命3・6倍。

3）电性能包括绝缘性、导电性等。

4）耐热性包括抗高温氧化、热疲劳等性能。

5）光学特性包括反光性、光选择吸收性、吸光性等性能。

6）电磁特性包括磁性、半导体性、电磁屏蔽性等性能。

7）密封性。

8）装饰性包括染色性、光泽性等性能。

9）其它表面特性诸如耐疲劳性、保油性、可焊接性等性能。

表面技术的应用使基体材料表面具有原来没有的性能，这就大幅度地拓宽了材料的应用领域，充分发挥了材料的潜力。举例如下：

1）可用一般的材料代替稀有的、昂贵的材料制造机器零件，而不降低甚至超过原机件的质量。

2）可以把两种以上的材料复合，各取所长，解决单一材料解决不了的问题。

3）延长在苛刻条件下服役机件的寿命。

4）大幅度提高现有机件的寿命。

5）赋予材料特殊的物理、化学性能，有助于某些尖端技术的发展。

6）可成功地修复磨损、腐蚀的零件。

表面工程技术的分类

表面工程技术目前还没有统一的分类办法，但一般均认为表面工程技术包括表面涂镀技术、

表面扩渗技术和表面处理技术三个领域。表面涂镀技术是将液态涂料涂敷在材料表面，或者

将镀料原子沉积在材料表面，从而获得晶体结构、化学成分和性能有别于基体材料的涂层或镀层，此类技术有有机涂装、热？镀、热喷涂、电镀、化学镀和气相沉积等；表面扩渗技术是将原子渗入（或离子注入）基体材料的表面，改变基体表面的化学成分，从而达到改变其

性能，它主要包括化学热处理、阳极氧化、表面合金化和离子注入等；表面处理技术是通过

加热或机械处理，在不改变材料表层化学成分的情况下，使其结构发生变化，从而改变其性

能，常用的表面处理技术包括表面淬火、激光重熔和喷丸等。可见，表面工程技术远远超出

了最初的化学热处理、电镀的范畴。

表面工程技术发展的主攻方向

目前，对新型金属表面技术主要集中力量开发的为以下三方面技术：

1.离子技术

离子技术包括等离子和离子束技术，表1使各种离子技术的开发年代及其的工作气压。

注：有*号者已在金属材料领域中实用化

2. 激光技术

3. 激光熔融

随着机械加工工业水平的提高，对刀具提出了新的要求。除了传统的提高使用寿命外还要求减少切削时污染，尽可能使用干切削。若不能取消切削液则希望其中只含防锈剂而无有机物，这样可以使循环回收的成本大为降低。由于切削工具种类很多，选用陶瓷刀具或镀层

又取决于刀具的工作状态。车削和钻孔不同，铳刀又应考虑其断续冲击的特点。本文就刀具

镀层发展过程及今后的要求，结合我们所作的研究对这一领域的发展作一概述。

切削加工的现状

切削加工是金属材料最基本的成型手段之一，在一个国家的机械制造业中起着举足轻

重的作用。据美国统计，目前每年用于切削加工的费用在1000亿美元以上，切削加工创造

的总产值为5580亿美元。据1991年的统计资料，我国拥有的金属切削机床为300多万台，

所创造的总产值为1000多亿元。

随着工业产品的技术水平日益提高，新材料尤其是难加工材料（如高强度、高抗磨性、

低导热系数材料等）相继出现，从而迫使人们不断寻找新的切削材料，促进了刀具材料的发展。进入20世纪以来，新的刀具材料不断涌现（高速钢、硬质合金、金属陶瓷和立方氮化硼

等），从而使切削加工技术有了很大发展。

镀层刀具材料是在刀具材料（如硬质合金、高速钢等）的基体上，用气相沉积的方法沉积一层几微米厚的高硬度、高耐磨损性的镀层。这种刀具材料既有基本的韧性、又有很高的硬

度，因而性能优异。从二十世纪八十年代中期开始，随着等离子体技术在镀层技术中的迅速

发展，先进国家逐渐推广应用，开发了纳米、非晶等多种硬质镀层。据统计国外一半以上刀具已采用了镀膜，模具的镀膜比例也在逐年增加。

刀具磨损的主要原因

在金属切削加工过程中，刀具与工件之间发生了强烈的摩擦、热和化学作用，使得刀具

切削部分逐渐磨损或局部破损，最终失去切削能【6-9】。工件材料中的硬质点，如各种碳化物、

氧化物等，在刀具表面刻划沟纹而造成的磨粒磨损；在足够大的切削力和切削温度作用下，

刀具材料与工件、切屑发生粘结现象(冷焊)。粘结点逐渐地被工件或切屑剪切、撕裂而带走，

发生粘结磨损。电化学性质相近的金属，粘结倾向越大；刀具与工件、切削的接触面，在高温下双方金属中的化学元素从高浓度向低浓度处迁移，这种固态下元素相互迁移而造成的刀

具磨损称为扩散磨损；切削温度过高，切削刃处材料易被氧化，形成氧化膜，导致氧化磨损；

刀尖负荷过大以及刃口热裂纹造成的崩刃等。

基于以上原因，导致刀具很快发生磨损、氧化、崩刃和变钝从而失效。由于材料磨损主

要发生在表面，因此在表面镀上一层硬度高、耐磨损、化学性能稳定、不易氧化、抗粘结性好、和基体附着牢固的硬质镀层，对于改善刀具的切削性能，提高刀具的耐用度效果明显。

气相沉积技术简介和其在硬质镀层上发展及应用

气相沉积技术利用气相之间的反应，在材料或者制品表面沉积各种成分、形式的薄膜，从而使材料或者制品获得所

需的各种优异性能。一般可以将其分成两大类：化学气相沉积(Physical Vapor Deposition)和物理气相沉积(Chemical Vapor Deposition) L1,1O]

硬质镀层首先是用CVD技术进行沉积的(3)。1890年，德国的Erlwein利用化学气相沉积技术首先在白炽灯丝上形成TiC L11J o后Arkel在灯丝上用CVD方法制备出高熔点金属碳

化物薄膜[12]o 1900年，Balzers制备出金属氮化物CrN,当时他称之为BALINIT D-CrN七】。然而，直到1952年莱

茵金属公司才在Fe基材料上成功地制备出具有良好结合力的硬质TiC

镀层。CVD技术真正应用于工模具表面改性，则始于1969年"4」，到1970年瑞典，美国，德国等工模具制造公司纷纷开始大规模镀层工具的研究与生产。化学气相沉积具有绕镀性好，膜基结合强度高，膜层质量稳定，易于大规模生产等优点。但由于CVD沉积工艺温度

高(900-1000 C),超过了常规工模具钢的回火温度，一般多用于硬质合金工模具的表面镀层制备。但近年来的研究发现

CVD处理的高温也会使硬质合金组织发生变化，性能下降L15： o 此外，CVD易于造成环境的污染，使其应用范围受到一定程度的限制。

由于CVD技术的这些缺点推动了PVD技术的发展。这种镀膜技术无公害、节能、沉

积温度较低，其沉积工艺温度通常低于高速钢的回火温度，从而避免了高速钢镀膜后的二次

热处理，节省了能源，降低了废品率，能很好地满足工业生产地要求。现在工模具PVD技

术中常用的离子镀最早是由 D.M.Mattox于1963年提出并付诸实现的L16J。随后各种离子镀

技术(多弧离子镀、溅射离子镀、活性反应离子镀等)逐渐发展和完善，始于60年代初Bell实验室和WE公司利用溅射方法制取集成电路上的Ta膜，从而开始了它在工业上的应用。

特别是1974年，J.Chapin发明了磁控溅射技术，使高速、低温溅射成为现实。由于磁控

溅射的日臻完善，使其能以崭新的面貌出现在技术和工业领域中。

磁控溅射基本原理及发展

早期溅射镀膜最大缺点是溅射速率较低，与蒸镀相比要低一个数量级6心此人们一直在寻找一种高速溅射源。磁控

溅射由于其高效的特点，得到大家的重视，并迅速被应用到工业生产中。与二级溅射相比，传统的磁控溅射由于采用了辅助磁场，通过控制电子的运动轨迹，增加了气体的离化率，降低工作气压，提高离子电流密度，不仅提高了沉积速度，而且镀层质量也较好