表面工程技术优化方案

表面工程技术是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程，来改变基体表面状态、化学成分、组织结构和应力状态等，使基体表面具有不同于基体的某种特殊性能，从而达到特定使用要求的一项应用技术。早在战国时期，我国在制造兵器时，对钢进行淬火，使钢质零件表面获得坚硬层，这是历史上最早使用表面技术的记录。近20年多来，随着电子束、离子束、激光束技术达到实用化并进入材料表面加工技术领域后，表面技术得到了前所未有的丰富和发展，在促进高技术进步，节约原材料，提高新产品性能，延长产品使用寿命，装饰环境，美化生活等方面发挥了越来越突出的作用，成为20世纪80年代世界十项关键技术之一，并形成一门独立学科，受到世界各国的重视。

表面工程是由多个学科交叉、综合而发展起来的新兴学科，有着广泛的含义，概括了表面处理、表面加工、表面涂层、表面改性以及薄膜技术等内容。这里仅介绍表面改性、表面覆层和复合表面处理几方面技术。

1.表面改性技术

表面改性是指采用某种工艺手段使在零件表面获得与基体的组织结构和性能不同的技术。材料经表面改性处理后，既能发挥基体的力学性能，又能使材料表面获得各种如耐磨性、耐腐蚀、耐高温等特殊性能，延长材料和构件的使用寿命。传统的喷丸强化处理、表面淬火、化学热处理等均属于表面改性技术，近10年来，激光束、电子束、离子束等高能束表面改性处理技术也得到了大量的应用。

（1）激光表面改性

激光表面淬火是目前应用最成功的激光表面改性技术，它是以高能量的激光束快速扫描工件表面，在扫描表面极薄一层的小区域内极快吸收能量而使温度急剧上升，升温速度可达105～106℃/s，而工件基体仍处于冷态，由于热传导的作用，表面热量迅速传到工件其他部位，表面温度瞬间冷却，其冷却速度可达104℃/s，达到快速自冷淬火，实现工件表面的相变硬化。激光淬火比常规淬火的表面硬度高15%～20%以上，可显著提高钢的耐磨性，通常，表面硬化层的深度为0.3～0.6 mm，当采用大功率激光器时可达3 mm的深度。

（2）电子束表面改性

当高速电子束照射到金属表面时，电子能深入金属表面一定深度，与基体金属的原子核及电子发生相互作用，从而使被处理金属的表层温度迅速升高。

电子束表面处理主要有以下的特点。

1）加热和冷却速度快。电子束以巨大的能量作用在金属表面上，能在0.3 s的短时间内使金属表面温度升到1 000℃，使钢的表面完成相变，快速冷却后形成硬化层。

2）与激光处理相比，电子束处理设备的结构简单、使用成本低，其一次性投资仅为激光的1/3，实际使用成本也只有激光处理的一半。

3）电子束与金属表面耦合性好，能量利用率远高于激光，而且，电子束能量的控制比激光束控制方便。

4）电子束是在真空中工作的，可保证在表面处理时工件表面不被氧化，但这也带来许多不便。

（3）离子注入表面改性

离子注入属于物理气相沉积范围，是将所需物质的离子在电场中加速后高速轰击工件表面，并使之注入工件表面一定深度的真空处理工艺。离子注入将引起材料表层成分和结构发生变化，使原子环境和电子组态等微观状态发生扰动，因而导致材料的各种物理、化学和力学性能的变化。目前，离子注入工艺已应用于许多工业部门，尤其是在工具模具制造业效益突出。离子注入表面改性特征如下。

1）利用离子注入法可注入任何元素，且不受固溶度和扩散系数的影响，是开发新型材料的非常独特的方法，为材料性能的挖掘提供了广阔的天地。

2）离子注入温度和注入后的温度可以任意控制，且在真空中进行，不发生氧化，不变形，不产生退火软化现象，表面粗糙度一般无变化，可作为最终处理工艺。

3）可控性和重复性好。通过改变离子源和加速器能量，可以调整离子注入深度及其分布；通过可控扫描机构，不仅可实现在较大面积上均匀化，而且可以在很小范围内进行局部改性。

4）可获得两层或两层以上性能不同的复合材料，复合层不易脱落。注入层薄，工件尺寸基本不变。(www.xing528.com)

2.表面覆层技术

表面覆层技术是指通过应用物理、化学、电学、光学、材料学、机械学等各种工艺手段，用极少量的材料，在产品表面制备一层保护层、强化层或装饰层，达到耐磨、耐蚀、耐（隔）热、抗疲劳、耐辐射、提高产品质量、延长使用寿命的目的。如图2-132所示为应用表面覆层技术制作的产品。

图2-132　应用表面覆层技术制作的产品

表面覆层技术有许多工艺方法，传统的工艺方法有电镀、化学镀、电刷镀、热浸镀、涂装、搪瓷涂敷等。近20～30年来，发展了热喷涂、电火花喷敷、气相沉积、塑料粉末涂敷等新工艺技术。

（1）热喷涂技术

热喷涂技术是采用气体、液体或电弧、等离子、激光等作为热源，使金属、合金、陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及其复合材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理的工件表面，从而形成附着牢靠的表面层。如图2-133所示为火焰喷涂方法及设备。

图2-133　火焰喷涂方法及设备

（2）气相沉积技术

气相沉积技术是近30年来迅速发展的一种表面制膜新技术，它是利用气相之间的反应，在各种材料表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料获得所需的各种优异性能。气相沉积技术可分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。物理气相沉积是在真空条件下，利用各种物理方法将镀料气化成原子、分子或离子，直接沉积到基体表面的方法。化学气相沉积则是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物或单质气体供给基体，借助气相作用或在基体表面上的化学反应生成所要求的薄膜。

3.复合表面处理技术

单一的表面处理技术往往具有一定的局限性，不能满足人们对材料越来越高的使用要求。若将两种或两种以上的表面处理工艺用于同一工件的处理，不仅可以发挥各种表面处理技术的各自特点，而且更能显示组合使用的突出效果。

（1）复合热处理技术

将两种以上的热处理方法复合起来，比单一的热处理具有更多的优越性。因而，在实际生产中发展了许多种复合热处理工艺，并得到了广泛的应用。例如：渗钛与离子渗氮复合处理，可在工件表面形成硬度极高、耐磨性很好且具有较好耐蚀性的金黄色TiN化合物层，其性能明显高于单一渗钛和单一渗氮层的性能。

（2）表面覆层技术与其他表面处理技术的复合

利用各种工艺方法在工件表面上所形成的各种覆层，如镀层、涂层、沉积层或薄膜，若再经过适当热处理，使覆层中的金属原子向基体扩散，或与基体进行冶金化融合，不仅增强了覆层与基体的结合强度，同时也能改变表层覆层本身的成分，防止覆层剥落并获得较高的强韧性，可提高表面的抗擦伤、耐磨损和耐腐蚀能力。

除此以外，复合表面处理技术还有离子辅助涂覆、离子注入与气相沉积复合表面改性技术等。近年来，复合表面处理技术在欧美、日本以及在我国均得到较快的发展，并取得了良好的效果。