1.1傳統(tǒng)表面技術(shù)及發(fā)展
傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化技術(shù)如表面淬火、表面滲碳、氮化等屬于熱處理工藝的一部分,是比較古老的表面強(qiáng)化工藝。但是這些工藝仍在發(fā)展。如表面化學(xué)熱處理從液體法發(fā)展到氣體法,目前又發(fā)展了真空化學(xué)熱處理和離子轟擊化學(xué)熱處理;表面淬火由傳統(tǒng)的中頻淬火、高頻淬火又發(fā)展了激光加熱表面淬火;傳統(tǒng)電鍍工藝與近代激光技術(shù)結(jié)合形成了激光電鍍等等。
1.2表面工程技術(shù)分類
通常將表面工程技術(shù)分為表面涂鍍技術(shù)、表面擴(kuò)滲技術(shù)和表面熱處理三個(gè)領(lǐng)域。表面涂鍍技術(shù)是將液態(tài)涂料敷在材料表面,或者是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)成分和性能有益于基體材料的涂層或鍍層。此類技術(shù)有有機(jī)涂裝、熱浸鍍、熱噴涂、電鍍、化學(xué)鍍和氣相沉積等:表面擴(kuò)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(dá)到改變其性能的目的,它主要包括化學(xué)處理、陽(yáng)極氧化、表面合金化和離子注入等。表面熱處理技術(shù)是通過(guò)加熱或機(jī)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。常用的表面處理技術(shù)包括表面淬火、激光重熔和噴丸等。
1.3一些新興發(fā)展的表面工程技術(shù)
1.3.1熱噴涂技術(shù)
熱噴涂是采用專用設(shè)備利用熱源將金屬或非金屬材料加熱到熔化或半熔化狀態(tài),用高速氣流將其吹成微小顆粒并噴射到機(jī)件表面,形成覆蓋層。最初發(fā)展的是線材噴涂,而后出現(xiàn)了火焰粉末噴涂技術(shù),火焰噴焊工藝:20世紀(jì)50年代發(fā)展了爆炸噴涂和等離子噴涂,近年又有了超音速噴涂和激光噴涂。目前各種熱噴涂技術(shù)均已成熟,不僅能?chē)娡拷饘?、?fù)合陶瓷與金屬陶瓷,還能?chē)娡克芰霞皬?fù)合材料,應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。加熱噴涂技術(shù)是一個(gè)涉及金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子化學(xué)、表面物理、表面化學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、等離子物理等學(xué)科的交叉邊緣科學(xué)。
1.3.2氣相沉積
氣相沉積按機(jī)理分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)。物理氣相沉積是利用真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍等方法沉積成膜;化學(xué)氣相沉積是利用鍍層材料的揮發(fā)性使化合物氣體分解或化合反應(yīng)后沉積成膜。其中真空蒸鍍是在真空環(huán)境中把材料加熱熔化后蒸發(fā),使其大量原子、分子、原子團(tuán)離開(kāi)熔體表面,凝結(jié)在被鍍件表面上形成鍍膜;濺射鍍膜是用高能粒子(通常是由電場(chǎng)加速的正離子)沖擊固體表面時(shí)使固體表面的原子、分子飛濺出來(lái)沉積凝聚在被鍍件表面形成薄膜:離子鍍是在真空條件下,利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)離子化,在氣體離子或被蒸發(fā)物離子轟擊作用的同時(shí),把蒸汽物或其反應(yīng)物蒸鍍?cè)诨w上。此外,還有等離子輔助化學(xué)氣相沉積(PACVD)和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PCVD)。
1.3.3激光技術(shù)
激光表面處理是近二十年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù),主要有:激光涂鍍,包括激光蒸鍍、化學(xué)熱處理、噴涂、電鍍等;激光熱處理;激光熔融等。利用激光可獲得極高的加熱和冷卻速度,從而可制成微晶、非晶及其它一些奇特的、平衡相圖上不存在的亞穩(wěn)態(tài)合金,從而賦予材料表面以特殊的性能。
1.3.4離子注入
離子于注入是把工件放在離子注入機(jī)的真空靶室中,在幾十至幾百伏的電壓下,把所需元素的離子注入到工件表面的一種工藝。金屬經(jīng)離子注入后,在其零點(diǎn)幾微米的表面層增加注入元素和輻照損傷,從而使物理、化學(xué)性能發(fā)生顯著的變化。離子注入有如下特征:a.原則上任何元素都可以注入任何基體金屬中;b.注入一般是在常溫真空中進(jìn)行,表面無(wú)變形、無(wú)氧化,能保持原有尺寸精度和表面粗糙度,c.注入原子與基體金屬之間沒(méi)有界面,因而注入層不會(huì)有剝落問(wèn)題。
1.3.5 復(fù)合技術(shù)
在各種表面技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上,相互滲透、揚(yáng)長(zhǎng)避短,出現(xiàn)了一批復(fù)合技術(shù)。在金屬材料領(lǐng)域中,復(fù)合技術(shù)大多是為涂鍍耐磨層而開(kāi)發(fā)的。例如有滲碳+液體滲鉻、滲釩、滲硼等;液體滲硼+液體滲鉻加化學(xué)氣相沉積氮化鈦:電鍍鉻牛離子注入氮:熱噴涂牛激光重熔,電鍍+熱噴涂:熱噴涂+電鍍等等。
傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化技術(shù)如表面淬火、表面滲碳、氮化等屬于熱處理工藝的一部分,是比較古老的表面強(qiáng)化工藝。但是這些工藝仍在發(fā)展。如表面化學(xué)熱處理從液體法發(fā)展到氣體法,目前又發(fā)展了真空化學(xué)熱處理和離子轟擊化學(xué)熱處理;表面淬火由傳統(tǒng)的中頻淬火、高頻淬火又發(fā)展了激光加熱表面淬火;傳統(tǒng)電鍍工藝與近代激光技術(shù)結(jié)合形成了激光電鍍等等。
1.2表面工程技術(shù)分類
通常將表面工程技術(shù)分為表面涂鍍技術(shù)、表面擴(kuò)滲技術(shù)和表面熱處理三個(gè)領(lǐng)域。表面涂鍍技術(shù)是將液態(tài)涂料敷在材料表面,或者是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)成分和性能有益于基體材料的涂層或鍍層。此類技術(shù)有有機(jī)涂裝、熱浸鍍、熱噴涂、電鍍、化學(xué)鍍和氣相沉積等:表面擴(kuò)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(dá)到改變其性能的目的,它主要包括化學(xué)處理、陽(yáng)極氧化、表面合金化和離子注入等。表面熱處理技術(shù)是通過(guò)加熱或機(jī)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。常用的表面處理技術(shù)包括表面淬火、激光重熔和噴丸等。
1.3一些新興發(fā)展的表面工程技術(shù)
1.3.1熱噴涂技術(shù)
熱噴涂是采用專用設(shè)備利用熱源將金屬或非金屬材料加熱到熔化或半熔化狀態(tài),用高速氣流將其吹成微小顆粒并噴射到機(jī)件表面,形成覆蓋層。最初發(fā)展的是線材噴涂,而后出現(xiàn)了火焰粉末噴涂技術(shù),火焰噴焊工藝:20世紀(jì)50年代發(fā)展了爆炸噴涂和等離子噴涂,近年又有了超音速噴涂和激光噴涂。目前各種熱噴涂技術(shù)均已成熟,不僅能?chē)娡拷饘?、?fù)合陶瓷與金屬陶瓷,還能?chē)娡克芰霞皬?fù)合材料,應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。加熱噴涂技術(shù)是一個(gè)涉及金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子化學(xué)、表面物理、表面化學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、等離子物理等學(xué)科的交叉邊緣科學(xué)。
1.3.2氣相沉積
氣相沉積按機(jī)理分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)。物理氣相沉積是利用真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍等方法沉積成膜;化學(xué)氣相沉積是利用鍍層材料的揮發(fā)性使化合物氣體分解或化合反應(yīng)后沉積成膜。其中真空蒸鍍是在真空環(huán)境中把材料加熱熔化后蒸發(fā),使其大量原子、分子、原子團(tuán)離開(kāi)熔體表面,凝結(jié)在被鍍件表面上形成鍍膜;濺射鍍膜是用高能粒子(通常是由電場(chǎng)加速的正離子)沖擊固體表面時(shí)使固體表面的原子、分子飛濺出來(lái)沉積凝聚在被鍍件表面形成薄膜:離子鍍是在真空條件下,利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)離子化,在氣體離子或被蒸發(fā)物離子轟擊作用的同時(shí),把蒸汽物或其反應(yīng)物蒸鍍?cè)诨w上。此外,還有等離子輔助化學(xué)氣相沉積(PACVD)和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PCVD)。
1.3.3激光技術(shù)
激光表面處理是近二十年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù),主要有:激光涂鍍,包括激光蒸鍍、化學(xué)熱處理、噴涂、電鍍等;激光熱處理;激光熔融等。利用激光可獲得極高的加熱和冷卻速度,從而可制成微晶、非晶及其它一些奇特的、平衡相圖上不存在的亞穩(wěn)態(tài)合金,從而賦予材料表面以特殊的性能。
1.3.4離子注入
離子于注入是把工件放在離子注入機(jī)的真空靶室中,在幾十至幾百伏的電壓下,把所需元素的離子注入到工件表面的一種工藝。金屬經(jīng)離子注入后,在其零點(diǎn)幾微米的表面層增加注入元素和輻照損傷,從而使物理、化學(xué)性能發(fā)生顯著的變化。離子注入有如下特征:a.原則上任何元素都可以注入任何基體金屬中;b.注入一般是在常溫真空中進(jìn)行,表面無(wú)變形、無(wú)氧化,能保持原有尺寸精度和表面粗糙度,c.注入原子與基體金屬之間沒(méi)有界面,因而注入層不會(huì)有剝落問(wèn)題。
1.3.5 復(fù)合技術(shù)
在各種表面技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上,相互滲透、揚(yáng)長(zhǎng)避短,出現(xiàn)了一批復(fù)合技術(shù)。在金屬材料領(lǐng)域中,復(fù)合技術(shù)大多是為涂鍍耐磨層而開(kāi)發(fā)的。例如有滲碳+液體滲鉻、滲釩、滲硼等;液體滲硼+液體滲鉻加化學(xué)氣相沉積氮化鈦:電鍍鉻牛離子注入氮:熱噴涂牛激光重熔,電鍍+熱噴涂:熱噴涂+電鍍等等。