摩擦学与表面工程

机电工程学院

摩擦学与润滑技术作业摩擦学与表面工程

2012年3月

摩擦学与表面工程

摩擦学对表面工程的要求主要是实现摩擦副功能，减少或增加摩擦和磨损。从摩擦学的角度出发，要尽力避免力将摩擦副偶件孤立起来进行表面处理技术研究，即在研究和选择表面处理技术时，必须从系统的观点出发，充分考虑配副性问题。表面工程摩擦学领域所获得的大量研究成果，不仅促进和丰富了摩擦学的基础研究而且为开发工业和高新技术发展所必需的具有高强度高耐磨性和

高抗蚀性的摩擦学材料提供了重要的指南。表面工程是极具活力的实用技术与之结合，将摩擦学是研究相对运动的相互作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的基础理论和实践，表面工程是表面经过预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得表面所需性能的系统工程。

一表面工程的分类

根据表面工程技术涂层和表面处理发展历程把表面工程分为两代，第一代主要采用单一技术包括电镀化学镀热喷涂热化学处理沉积以及载能束改性等表面工程技多年来该类表面工程及其摩擦学的研究取得了巨大进展许多研究成果已获得了应用随着新型工艺如和等的采用具有低摩擦高抗磨性的新型涂层如等应运而生但是只有采用第二代表面工程即复合表面工程才有可能从经济和技术上不断满足高性能新材料的要求

按表面技术分类如下。

1.表面热处理及化学热处理。

2.堆焊及热喷涂

3.电镀及电沉积

4.气相沉积

5.高能密度处理

6.胶粘非金属涂层

二．表面工程常用方法

1、表面化学法预处理：溶剂清洗，碱洗，碱蚀，酸洗，酸蚀，乳化液清洗，

化学抛光，电解抛光，电解清洗等。目的是满足清洁表面（去油、锈、氧化皮）使表面光亮、粗化或满足其他要求，使表面均一。

2、表面机械法精整：喷砂、喷丸、磨光、抛光、刷光、滚光等目的是清理表

面杂质；表面均一及粗化；表面强化（喷丸硬化）

3、热加工相变硬化：火焰加热硬化、激光淬火、电子束硬化等。目的是提

高表面硬度与耐磨性（不改变基体表面化学成份）

4、热化学（扩散）表面改性：渗碳、碳氮共渗，渗氮、渗硫与多元共渗，渗

硼及多元共渗，渗金属及复合渗，激光表面合金化，热浸锌、铝等。目的是提高耐蚀、耐热、耐磨及抗疲劳性能

5、化学法镀覆：化学镀，溶胶一凝胶法，磷酸盐处理，（磷化）铬酸盐处理

（铬酸盐钝化）草酸盐处理，钢铁氧化等。目的是防护装饰；改善耐磨性能；冷变形加工润滑

6、电镀：常规单金属镀，复合电镀，合金电镀，脉冲电镀，高速电镀，激

光电镀，刷镀等。目的是防护装饰；提高减摩耐磨性能；制备特殊功能金属镀层（光、电、磁、可焊性等）

7、电铸：电铸镍，电铸铜等复制金属制品尺寸修复

8、阳极氧化：铝及铝合金阳极氧化，镁及镁合金阳极氧化，钛及钛合金阳

极氧化等目的是防护装饰；提高喊摩耐磨性能；制备特殊功能膜（耐热、绝缘、太阳能吸收等）

9、有机涂装：浸涂，淋涂，幕帘淋涂，辊涂，电泳涂装，自泳涂装，静电

涂装，喷涂，流化床涂覆等目的是防护装饰；耐腐蚀；制备特种功能有机涂层（隔音、减震、隔热、耐油、防火、电绝缘、防污等）

10、梯度功能表面技术：正机械梯度意味着摩擦表面材料的剪切屈服应力

〔或硬度)小于非摩擦表面基体材料的剪切屈服应力，即从摩擦表面到基体内，材料的屈服应力逐渐增大;反之为负机械梯度。正机械梯度摩擦面的剪切强度低于比基体的低，剪切发生在摩擦接触面上，表现为外摩擦;

负机械梯度因摩擦面的剪切强度高于基体的，剪切发生在摩擦件基体内，表现为内摩擦。机械梯度功能表面是目前梯度功能表面技术的一部分，它很好地体现了摩擦学关于摩擦表面机械梯度的理论。

11、热喷涂：火焰喷涂，电弧喷涂，等离子喷涂，爆炸喷涂，粉末等离子堆

焊等目的是制备耐蚀，耐磨，减摩，隔热，导电，绝缘，可磨耗封严等多种功能涂层

12、物理气相沉积（PVD）：蒸发镀，溅射镀，离子镀等目的是制备装饰性，

耐磨，耐蚀及光，电，磁等功能薄膜

13、化学气相沉积（CVD）：常压化学气相沉积，低压化学气相沉积，激光化

学气相沉积，金属有机化合物化学气相沉积，等离子体化学气相沉积等目的是制备耐磨，抗氧化，抗腐蚀固态薄膜，适用于复杂零件及难熔金属、石墨、陶瓷等基体材料零件处理，可沉积难熔金属

14、离子注入表面改性：氮离子注入（单一气体注入），等离子源离子注入，

离子辅助镀膜等。目的是制备金属成形刀具、模具耐磨硬质涂层

15、缓蚀材料防锈（封存防锈）：水剂防锈，油脂防锈，气相防锈，可剥性塑

料防锈，防锈切削液等。目的是整机设备及机械基础件（包括原材料，毛坯件）在运输、储存及加工工序间周转过程中防锈

16、其他：包覆、衬里、搪瓷涂覆、离心浇注、料浆喷涂、机械镀等目的是

制备耐化工腐蚀厚覆层及耐蚀镀层（机械镀）

三．表面工程的应用

1. 在改善和美化人们生活中的应用

2. 在保护、优化环境中的应用

3. 在结构材料中的应用

表面工程技术在耐腐蚀性和装饰性方面起着重要作用，同时在强化、耐磨、装饰等方面也起着重要作用。

(1)表面防护表面防护主要是指材料表面防止化学腐蚀和电化学腐蚀

等的能力。采用表面工程技术能显著提高结构件的防护能力。

(2)耐磨性耐磨性是指材料在一定摩擦力条件下抵抗磨损的能力。它与

材料特性以及载荷、速度、温度等磨损条件有关。利用热喷涂、堆

焊、电刷镀和电镀等表面技术，在材料表面形成Ni基、Co基、Fe

基、金属陶瓷等覆层，可有效地提高材料或制件的耐磨性。

(3)表面强化主要指通过各种表面强化处理来提高材料表面抵御除腐

蚀和磨损之外的环境作用的能力。

(4)表面装饰具有光亮、色泽、花纹和仿照等功能。合理地选择电镀、

化学镀、氧化等表面技术，可以获得镜面镀层、全光亮镀层、亚光

镀层、缎状镀层，不同色彩的镀层，各种平面、立体花纹镀层、仿

贵金属、仿古和仿大理石镀层等。

4.在功能材料和元器件中的应用

功能材料主要指具有优良的物理、化学和生物等功能，以及一些声、电、光、磁等互相转换功能，而被用于非结构目的的高技术材料，常用来制造各种装备中具有独特性能的核心部件。材料的功能特性与其表面成分、组织结构等密切相关。

(1)电学特性利用电镀、化学镀、气相沉积、离子注入等技术可制备具

有电学特性的功能薄膜及其元器件。

(2)磁学特性通过气相沉积技术和涂装等表面技术制备出磁记录介质、

磁带、磁泡材料、电学屏蔽材料、薄膜磁阻元件等。

(3)光学特性利用电镀、化学镀、转化膜、涂装、气相沉积等方法，能

够获得具有反光、光选择吸收、增透性、光致发光、感光等特性的

薄膜材料。

(4)声学特性利用涂装、气相沉积等表面技术，可以制备掺杂Mn-Zn铁

氧体复合聚苯胺款频段的吸波涂层、红外隐身涂层、降低雷达波反

射系数的纳米复合雷达隐身涂层，声反射和声吸收涂层以及声表面

波器件等。

(5)热血特性采用磁控溅射，涂装等方法制备。

(6)生物学特性具有一定的生物相容性和物理化学性质的生物医学材

料，利用等离子喷涂、气相沉积、等离子注入等方法形成的一用涂

层，可在保持基体材料特性的基础上，提高基体表面的生物学性质、

耐磨性、耐蚀性和绝缘性等，阻隔基体材料离子向周围组织溶出扩

散，起到改善同人体机能的作用。在金属材料上制备生物陶瓷涂层，

提高材料的生物活性，用作人造关节、人造牙等医学植入体。将磁

性涂层涂覆在人体的一定穴位上，有治疗疼痛、高血压等功能。

(7)各种转换功能采用表面工程技术可获得进行光-电，热-电，光-热，

力-热，磁-光等转换功能的器件。

5.在再制造工程中的应用

(1)再制造工程的内涵再制造工程是在维修工程和表面工程的基础上

发展起来的新兴科学，是以产品全寿命周期论为指导，以实现废旧

产品的性能提升为指标，以优质、高效、节能、节材和环保为准则，

以先进生产技术和产业优化为手段，来修复、改造废旧产品的一系

列技术措施或工程活动的总称。简而言之为是废旧产品高技术修复、

改造的产业。其重要特征是，再制造以后的产品质量和性能达到或

超过新品，成本只是产品的50%，可节能60%，节材70%，对环境的