金屬表面工程新技術研究

石 勇

（山西大學工程學院，山西 太原 030013）

0 引 言

磨損、腐蝕和斷裂是機械零部件、工程構件三大主要破壞形式，他們所導致的經濟損失占有非常大的比重。在美國國家材料政策委員會向美國國會提出的一份報告中指出，由于摩擦磨損引起的損失，使美國經濟每年支付1 000億元美元的巨額資金，這項損失中的材料部分僅為200億元美元；在2010年德國的一次調查中指出，由于摩擦磨損造成的總損失估計為300億歐元；2008年我國對摩擦磨損造成的經濟損失進行了全面徹底的調查分析指出，此項損失至少占國民經濟總產值的1.8%。許多國家政府對腐蝕造成的損失進行了調查分析，美國國家標準局2000年調查表明，現在美國因為腐蝕一年損失達3 000億元美元；2005年我國曾作過腐蝕調查，當時結論為我國因腐蝕造成的損失至少在400億元人民幣以上。

眾所周知，磨損和腐蝕均是發生于機件表面的材料流失過程，而且其他形式的機件失效有許多也是從表面開始，采用表面防護措施延緩和控制表面的破壞，成為解決上述問題的有效方法，在解決問題的同時，也促進了表面工程科學和表面技術的形成與發展。

1 表面工程新技術的創立

表面工程技術圍繞腐蝕、摩擦、磨損的功能特性（聲、光、磁、電的轉換等）三大因素，成為世界上20世紀80年代重點發展的十項關鍵技術之一，取得了長足的進展，形成了一門新興學科——表面工程學。1986年在布達佩斯舉行的國際材料熱處理聯合理事會上決定接受表面工程學科，并且決定把聯合會改名為“國際熱處理及表面工程聯合會”。進入90年代，其發展勢頭有增無減，目前仍處于重點加強研究的領域。美國工程科學院為美國國會提供的2000年前集中力量加強發展的92項新科學技術項目，表面工程為其中之一，這也是有關材料研究中的唯一重點發展的學科領域。

2 表面工程新技術的發展

近30年多來，有許多新的科學技術滲透到表面強化技術領域，使金屬的表面強化技術得到了迅速發展，由此開發出來的表面強化技術構成了目前材料表面技術的主流。例如，激光是上世紀60年代出現的重大科學技術成就之一，70年代制造出大功率的激光器以后，便開始用激光加熱進行表面淬火。用激光和電子束加熱，有利于環境保護，便于實現自動化。激光、電子束用于表面加熱后，就使表面強化技術超出了熱處理范疇，可以通過熔化－結晶過程、熔融合金化—結晶過程、熔化—非晶態過程，大幅度改變硬化層的結構與性能。熱噴涂技術作為一種新的表面防護和表面強化工藝在近20多年里得到了迅速的發展。在這個時期，熱噴涂技術由早期制備一般的裝飾性和防護性涂層發展到制備各種功能性涂層；由產品的維修發展到大批量的產品制造；由單一涂層發展到包括產品失效分析、表面預處理、噴涂材料和設備的選擇、涂層系統設計和涂層后加工等在內的熱噴涂系統工程。熱噴涂技術的發展是從使用條件最苛刻，要求最嚴格的宇航工業開始，然后迅速向各民用工業部門擴展開來的[1]。目前，熱噴涂技術已成為金屬表面材料領域中一個十分活躍的獨立領域。氣相沉積法中化學氣相沉積是利用鍍層材料的揮發性化合物氣體分解或化合反應后沉積成膜；物理氣相沉積則是利用真空蒸發、濺射、離子鍍等方法沉積成膜。這些薄膜強化新技術用材廣泛，使用面寬，已廣泛用于機械制造，冶金工業以及宇航、核能等領域。

20世紀70年代發展起來的離子注入新技術，利用注入離子可得到過飽和固溶體、非晶態和某些化合物層，能改變材料摩擦系數，增加表面硬度，提高耐磨性及抗蝕性，延長了零件的使用壽命。近幾年，由美國人發明的等離子體淹沒離子混合注入技術發展很快，可在鈦合金、鋁合金等零件上全方位注入N，混合注入TiN等，還可在低于300℃下制備金剛石膜。還有一些歷史較長的表面處理技術，近十幾年來也得到了飛速發展，例如，電鍍技術已由單一的金屬發展到鍍各種合金。尤其是前些年發明的一種局部電鍍技術——刷鍍，已經成為人們公認的金屬表面新技術，在我國已經得到普遍應用。傳統電鍍工藝與近代激光技術結合形成的激光電鍍是新興的高速電鍍技術。運用激光輻照提高金屬沉積速度，其速率比無激光照射的高1 000倍。當用一種連續激光或脈沖激光照射于陰極表面時，不僅極大地提高了沉積速度，而且可以用計算機控制激光束的運動軌跡而得到預期的復雜幾何圖形的無屏蔽鍍層。20世紀80年代又出現一種激光噴射強化電鍍的新技術，將激光強化電鍍技術與電鍍液噴射結合起來，使激光和鍍液同步射向陰極表面，使傳質速度大大超過激光照射所引起的微攪拌的速度，從而達到很高的沉積速度[2]。

近十幾年來，薄膜技術獲得了全面的發展，取得了顯著的效益。例如，近代建筑樓宇外部以幕墻玻璃裝修，是采用蒸鍍或磁控濺射在玻璃上鍍上薄膜，不僅色彩鮮艷奪目，顯示藝術魅力，而且夏季能反射強烈的陽光（紅外線），降低室溫和空調能耗；冬季能防止室內暖氣（紅外線）的流失，起保溫作用；同時，能使進入室內紫外線降低90%，防止室內物品的老化和腿色。當今，大規模發展的固體電子器件的集成化，無論是有源或無源器件，真正參與工作的媒質，只有很薄的一層。集成電路從小規模到大規模乃至超大規模的發展，從材料上講，就是從塊狀材料轉為薄膜材料的變化。沒有近代薄膜技術，就難以發展近代微電子學和微電子工程。

3 結束語

總之，目前各種材料表面新技術大量涌現，已引起各工業部門及材料學工作者的高度重視，成為材料學科中一個非常活躍的領域，我們相信在新的世紀里金屬表面工程新技術必將會獲得更快和更大的發展。

[1] 馮瑞.材料科學導輪[J].北京:化學工業出版社,2002.

[2] 石勇.刷鍍在電力工業上的應用[J].電力學報,1998（2）：18-20.