表面工程技術(shù)的作用

1、表面工程技術(shù)的作用表面工程技術(shù)的作用是多種多樣的，但其最重要的作用為提高金屬機件的耐蝕性、耐磨性及獲得電、磁、光等功能性表面層。1) 腐蝕保護性即可以提高基體材料的耐大氣、海洋大氣、天然水及某些酸堿鹽的腐蝕作用。例如若在鋼構(gòu)件上噴涂一層8515Al15合金，可使構(gòu)件在海水中耐腐蝕20-40年。2) 抗磨性包括抗磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損等。例如若在刀具表面鍍上一層TiC、TiN或Al2O3薄膜，成為防止鋼屑粘結(jié)的表面薄層，從而提高刀具壽命3-6倍。3) 電性能包括絕緣性、導(dǎo)電性等。4) 耐熱性包括抗高溫氧化、熱疲勞等性能。5) 光學(xué)特性包括反光性、光選擇吸收性、吸光性等性

2、能。6) 電磁特性包括磁性、半導(dǎo)體性、電磁屏蔽性等性能。7) 密封性。8) 裝飾性包括染色性、光澤性等性能。9) 其它表面特性諸如耐疲勞性、保油性、可焊接性等性能。表面技術(shù)的應(yīng)用使基體材料表面具有原來沒有的性能，這就大幅度地拓寬了材料的應(yīng)用領(lǐng)域，充分發(fā)揮了材料的潛力。舉例如下：1) 可用一般的材料代替稀有的、昂貴的材料制造機器零件，而不降低甚至超過原機件的質(zhì)量。2) 可以把兩種以上的材料復(fù)合，各取所長，解決單一材料解決不了的問題。3) 延長在苛刻條件下服役機件的壽命。4) 大幅度提高現(xiàn)有機件的壽命。5) 賦予材料特殊的物理、化學(xué)性能，有助于某些尖端技術(shù)的發(fā)展。6) 可成功地修復(fù)磨損、腐蝕的零件

3、。表面工程技術(shù)的分類表面工程技術(shù)目前還沒有統(tǒng)一的分類辦法，但一般均認為表面工程技術(shù)包括表面涂鍍技術(shù)、表面擴滲技術(shù)和表面處理技術(shù)三個領(lǐng)域。表面涂鍍技術(shù)是將液態(tài)涂料涂敷在材料表面，或者將鍍料原子沉積在材料表面，從而獲得晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和性能有別于基體材料的涂層或鍍層，此類技術(shù)有有機涂裝、熱？鍍、熱噴涂、電鍍、化學(xué)鍍和氣相沉積等；表面擴滲技術(shù)是將原子滲入（或離子注入）基體材料的表面，改變基體表面的化學(xué)成分，從而達到改變其性能，它主要包括化學(xué)熱處理、陽極氧化、表面合金化和離子注入等；表面處理技術(shù)是通過加熱或機械處理，在不改變材料表層化學(xué)成分的情況下，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變其性能，常用的表面處理技

4、術(shù)包括表面淬火、激光重熔和噴丸等?？梢姡砻婀こ碳夹g(shù)遠遠超出了最初的化學(xué)熱處理、電鍍的范疇。表面工程技術(shù)發(fā)展的主攻方向目前，對新型金屬表面技術(shù)主要集中力量開發(fā)的為以下三方面技術(shù)：1 離子技術(shù)離子技術(shù)包括等離子和離子束技術(shù)，表1使各種離子技術(shù)的開發(fā)年代及其的工作氣壓。離子技術(shù)種類工作氣壓13310nPa開發(fā)年代一、表面涂鍍技術(shù)*等離子噴涂n350*氣等離子化學(xué)氣相沉積-1n270*離子鍍-4n-160*磁控濺射-3n-170離子束鍍n-5離子束輔助鍍n-5等離子聚合n3二、表面改性技術(shù)*離子注入n-570離子束共混n-5*離子化學(xué)熱處理-1n130三、表面處理技術(shù)等離子刻蝕-2n-1輝光放電退火

5、n2注：有*號者已在金屬材料領(lǐng)域中實用化2 激光技術(shù)3 激光熔融隨著機械加工工業(yè)水平的提高，對刀具提出了新的要求。除了傳統(tǒng)的提高使用壽命外還要求減少切削時污染，盡可能使用干切削。若不能取消切削液則希望其中只含防銹劑而無有機物，這樣可以使循環(huán)回收的成本大為降低。由于切削工具種類很多，選用陶瓷刀具或鍍層又取決于刀具的工作狀態(tài)。車削和鉆孔不同，銑刀又應(yīng)考慮其斷續(xù)沖擊的特點。本文就刀具鍍層發(fā)展過程及今后的要求，結(jié)合我們所作的研究對這一領(lǐng)域的發(fā)展作一概述。切削加工的現(xiàn)狀切削加工是金屬材料最基本的成型手段之一，在一個國家的機械制造業(yè)中起著舉足輕重的作用。據(jù)美國統(tǒng)計，目前每年用于切削加工的費用在1000億美

6、元以上，切削加工創(chuàng)造的總產(chǎn)值為5580億美元。據(jù)1991年的統(tǒng)計資料，我國擁有的金屬切削機床為300多萬臺，所創(chuàng)造的總產(chǎn)值為1000多億元。隨著工業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)水平日益提高，新材料尤其是難加工材料(如高強度、高抗磨性、低導(dǎo)熱系數(shù)材料等)相繼出現(xiàn)，從而迫使人們不斷尋找新的切削材料，促進了刀具材料的發(fā)展。進入20世紀以來，新的刀具材料不斷涌現(xiàn)(高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷和立方氮化硼等)，從而使切削加工技術(shù)有了很大發(fā)展。鍍層刀具材料是在刀具材料(如硬質(zhì)合金、高速鋼等)的基體上，用氣相沉積的方法沉積一層幾微米厚的高硬度、高耐磨損性的鍍層。這種刀具材料既有基本的韌性、又有很高的硬度，因而性能優(yōu)異。從二十世

7、紀八十年代中期開始，隨著等離子體技術(shù)在鍍層技術(shù)中的迅速發(fā)展，先進國家逐漸推廣應(yīng)用，開發(fā)了納米、非晶等多種硬質(zhì)鍍層。據(jù)統(tǒng)計國外一半以上刀具已采用了鍍膜, 模具的鍍膜比例也在逐年增加。刀具磨損的主要原因在金屬切削加工過程中，刀具與工件之間發(fā)生了強烈的摩擦、熱和化學(xué)作用，使得刀具切削部分逐漸磨損或局部破損，最終失去切削能6-9。工件材料中的硬質(zhì)點，如各種碳化物、氧化物等，在刀具表面刻劃溝紋而造成的磨粒磨損；在足夠大的切削力和切削溫度作用下，刀具材料與工件、切屑發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象(冷焊)。粘結(jié)點逐漸地被工件或切屑剪切、撕裂而帶走，發(fā)生粘結(jié)磨損。電化學(xué)性質(zhì)相近的金屬，粘結(jié)傾向越大；刀具與工件、切削的接觸面，在

8、高溫下雙方金屬中的化學(xué)元素從高濃度向低濃度處遷移，這種固態(tài)下元素相互遷移而造成的刀具磨損稱為擴散磨損；切削溫度過高，切削刃處材料易被氧化,形成氧化膜，導(dǎo)致氧化磨損；刀尖負荷過大以及刃口熱裂紋造成的崩刃等?；谝陨显?，導(dǎo)致刀具很快發(fā)生磨損、氧化、崩刃和變鈍從而失效。由于材料磨損主要發(fā)生在表面，因此在表面鍍上一層硬度高、耐磨損、化學(xué)性能穩(wěn)定、不易氧化、抗粘結(jié)性好、和基體附著牢固的硬質(zhì)鍍層，對于改善刀具的切削性能，提高刀具的耐用度效果明顯。氣相沉積技術(shù)簡介和其在硬質(zhì)鍍層上發(fā)展及應(yīng)用氣相沉積技術(shù)利用氣相之間的反應(yīng)，在材料或者制品表面沉積各種成分、形式的薄膜，從而使材料或者制品獲得所需的各種優(yōu)異性能。

9、一般可以將其分成兩大類：化學(xué)氣相沉積(Physical Vapor Deposition)和物理氣相沉積(Chemical Vapor Deposition)1,10硬質(zhì)鍍層首先是用CVD技術(shù)進行沉積的3。1890年，德國的Erlwein利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)首先在白熾燈絲上形成TiC11。后Arkel在燈絲上用CVD方法制備出高熔點金屬碳化物薄膜12。1900年，Balzers制備出金屬氮化物CrN，當(dāng)時他稱之為BALINIT D-CrN13。然而，直到1952年萊茵金屬公司才在Fe基材料上成功地制備出具有良好結(jié)合力的硬質(zhì)TiC鍍層。CVD技術(shù)真正應(yīng)用于工模具表面改性，則始于1969年14，到

10、1970年瑞典，美國，德國等工模具制造公司紛紛開始大規(guī)模鍍層工具的研究與生產(chǎn)。化學(xué)氣相沉積具有繞鍍性好，膜基結(jié)合強度高，膜層質(zhì)量穩(wěn)定，易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。但由于CVD沉積工藝溫度高(900-1000)，超過了常規(guī)工模具鋼的回火溫度，一般多用于硬質(zhì)合金工模具的表面鍍層制備。但近年來的研究發(fā)現(xiàn)CVD處理的高溫也會使硬質(zhì)合金組織發(fā)生變化，性能下降15。此外，CVD易于造成環(huán)境的污染，使其應(yīng)用范圍受到一定程度的限制。由于CVD技術(shù)的這些缺點推動了PVD技術(shù)的發(fā)展。這種鍍膜技術(shù)無公害、節(jié)能、沉積溫度較低，其沉積工藝溫度通常低于高速鋼的回火溫度，從而避免了高速鋼鍍膜后的二次熱處理，節(jié)省了能源，降低了廢品

11、率，能很好地滿足工業(yè)生產(chǎn)地要求。現(xiàn)在工模具PVD技術(shù)中常用的離子鍍最早是由D.M.Mattox于1963年提出并付諸實現(xiàn)的16。隨后各種離子鍍技術(shù)（多弧離子鍍、濺射離子鍍、活性反應(yīng)離子鍍等）逐漸發(fā)展和完善，始于60年代初Bell實驗室和WE公司利用濺射方法制取集成電路上的Ta膜，從而開始了它在工業(yè)上的應(yīng)用。特別是1974年，J.Chapin發(fā)明了磁控濺射技術(shù)，使高速、低溫濺射成為現(xiàn)實17。由于磁控濺射的日臻完善，使其能以嶄新的面貌出現(xiàn)在技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域中。磁控濺射基本原理及發(fā)展早期濺射鍍膜最大缺點是濺射速率較低，與蒸鍍相比要低一個數(shù)量級5,10此人們一直在尋找一種高速濺射源。磁控濺射由于其高效的

12、特點，得到大家的重視，并迅速被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。與二級濺射相比，傳統(tǒng)的磁控濺射由于采用了輔助磁場，通過控制電子的運動軌跡，增加了氣體的離化率，降低工作氣壓，提高離子電流密度，不僅提高了沉積速度，而且鍍層質(zhì)量也較好2,5。圖1.1為平面型磁控濺射的原理圖。圖1.1 平面磁控濺射原理5Fig.1.1 Schematic of magnetron arrangement在過去的十幾年里，由于市場不斷增長的需求，傳統(tǒng)的磁控濺射難以滿足要求。非平衡磁控濺射，閉合場非平衡磁控濺射等24,25新型的磁控濺射技術(shù)已成為眾多科研工作者的研究對象。圖1.2中為傳統(tǒng)磁控濺射、非平衡磁控濺射和閉合場磁控濺射的原理圖。

13、非平衡磁場分布將磁場區(qū)域延伸到基體的表面；閉合場磁場分布形成了閉合的磁場線，阻止電子流失到爐壁因而極大地提高了離子電流密度，離子轟擊效果增強，可獲得更佳的鍍層質(zhì)量。并且目前也有將磁控濺射和離子鍍相結(jié)合的磁控濺射離子鍍，如Teer公司的非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備，進一步提高了離子電流密度。圖1.2 傳統(tǒng)磁控濺射、非平衡磁控濺射及非平衡閉合場磁控濺射原理圖24Fig.1.2 Theoretic diagram of conventional magnetron sputtering, unbalance magnetron sputtering and unbalance close-magnetic field sputtering采用閉合場非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)對于工業(yè)生產(chǎn)而言具有獨特的優(yōu)勢：1) 非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，適于大規(guī)模生產(chǎn)；2) 非平衡閉合磁場提高了氣體離化率，可在較低的氣壓、基體偏壓