表面工程技术的开发和应用_精品文档.doc

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表面工程技术的开发和应用

表面工程学是一门新兴的学科，发展迅速，应用前景广阔。

文章阐述了开展表面工程学研究的目的和意义。

评述了表面工程学在人类文明和生活、在先进制造技术、在设备仪器维修、在电子通讯技术、在高新技术以及在节约资源、保护环境中的作用和应用。

关键词表面工程学表面技术应用

1.前言

表面科学与工程以表面为研究对象。

表面问题是一个古老的问题。

然而，早在二十多年以前，所有固体物理的研究均假设材料是无穷大的，没有表面，抛开表面问题来研究材料，说明表面有其特殊的复杂性。

美国材料界有“上帝创造了物质、魔鬼给了一个表面”之说，可见表面问题是比较困难的。

表面工程学科发展的重要标志是1983年英国伯明翰大学成立了Wolfson表面工程学院[1],并在1985年创办了国际性杂志《表面工程》。

认识到这一新兴学科的重要性，1986年在布达佩斯第5届国际材料热处理大会上，将国际热处理学会更名为国际热处理与表面工程学会。

中国机械工程学会于1987年成立了表面工程研究所，1988年出版了中文版《表面工程》杂志，1993年成立了中国机械工程学会表面工程分会。

自1989年以来，我国先后多次召开全国性或国际性的表面工程学术会议和表面科学与工程学术会议。

2、表面工程学的研究意义和目的

物体的相互作用首先是通过物体表面进行的。

表面及表面层的结构与性能在科学、技术和日常生活中的重要性是不言而喻的。

如催化剂的催化行为是由表面成分和结构决定的；在半导体材料中，各种电性能通常是由材料的最外层微米数量级厚度的成分和结构控制的。

工程中常见的三大失效形式—磨损、腐蚀和断裂，前两者是因表面破坏而失效，即使是疲劳断裂，也往往是从受力最大的表面开始而逐渐向内部发展。

失效破坏导致零部件报废，设备停产，给国民经济造成巨大的损失。

表面工程学能直接针对许多贵重零部件的失效原因，实行局部表面强化或修复，对零部件进行预保护或重新恢复其使用价值，它的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，这层表面材料与制作部件的整体材料相比，厚度薄，仅占工件整体厚度的几百分之一到几十分之一，但却赋于基体材料表面的原来没有的特殊性能，从而满足工程上对材料表面性能的要求。

因此，开展表面工程学的研究，改善材料的表面性能，对于提高零件的使用寿命和可靠性；对于改善机械设备的性能、质量，增强产品的竞争能力；对于推动高新技术的发展；对于节约资源、美化人类生活，减少环境污染等方面都具有重要意义，其经济效益和社会效益是显而易见的。

开展表面工程学的研究，不仅在于其经济意义，还在于其具有重要的学术价值。

美国工程科学院为美国国会提供的2000年前集中力量加强发展的9项新科学技术中，有关材料方面的仅有材料表面科学与技术的的研究[2]。

在我国材料表面改性作为传统材料性能优化的基础研究也列入国家自然科学基金“九五”优先资助领域。

在国家的节能节材九五规划中建议将发展表面工程作为重大措施之一，并列出节能、节材示范项目[3]。

表面科学的研究可为表面技术的研究提供一定的理论指导；表面新技术的开发和完善又提出许多新的学术课题，表面工程学的研究也有力地促进了相关学科的发展。

表面工程学研究的目的是赋于材料表面具有原来没有的特殊性能：

1）物理性能：

包括电磁特性（导电性、绝缘性、半导体性、磁性、电磁屏蔽性），光学特性（吸光性、反光性、光导、光电效应），热特性（热传导性、耐热性），声特性及防辐射等；

2）化学性能：

包括腐蚀防护性、催化特性等；

3）机械性能：

包括加工性、密封性、抗疲劳性、强度、硬度、韧性等；

4）摩擦学性能：

包括减摩性、耐磨性、自润滑性、浸润性等；

5）装饰性：

包括色彩、光泽性和可修饰性。

3、表面工程学的应用

表面工程技术以其高度的实用性和显著的优质、高效、低耗的特点在制造业、维修业中占领了日益增长的市场，在航空航天、电子、汽车、能源、石油化工、矿山等工业部门得到了越来越广泛的应用。

可以说几乎有表面的地方就离不开表面工程。

3.1表面工程改善和美化人类生活[4]

人类生活中的衣食住行、学习、娱乐、旅游、医疗、饰品、工艺品无不越来越得益于表面工程的成就。

衣料的美观、保暖、手感、抗静电；食品的色泽、保鲜、储存、包装；新型建材、房屋装修更是以表面工程为其重要技术源泉；汽车的美观、节油、低噪声离不开渗透在零部件、摩擦副、活化剂、传感器、电子仪表中的表面工程的新成果；还有，保护视力的镜片、高级相机的镜头、比天然品更美的镀膜饰品、美观舒适的墙体和地面装饰、镀膜玻璃、灯具和发光体、不粘附厨房用具、钟表及家用电器、学习用品和工艺美术品，等等。

可以说，人们生活在一个由于表面工程技术的发展而变得越来越美好的环境中。

3.2表面工程是先进制造技术发展的关键之一

表面工程的快速发展及广泛应用被认为是制造领域中的重要进展。

目前，技术成熟并投入工业实际应用的表面工程技术已多达上百种。

例如，表面工程使内燃机的缸套/活塞环、凸轮/挺杆、轴/轴套三级摩擦副降低能耗1/4~1/3,大修里程从平均10万公里提高到30万公里；对气缸、轧钢机大滑板、大型冷冻机螺杆压缩机转子轴等各种工件表面进行激光淬火，可使寿命提高3~5倍；对高速钢和硬质合金工模具在精加工以后进行表面氮离子注入，可使寿命提高1~10倍；切削刀具采用氮化钛类涂层，引起了一场刀具的“黄色革命”。

对各种金属切削刀具进行等离子体增强磁控溅射离子镀处理，可使其寿命提高3~14倍；利用双束动态混合注入技术，将高分子材料溅射到传热管（黄铜、紫铜和镀铬的黄铜等）上，同时用氮离子注入，可以在传热表面形成蒸汽的滴状冷凝，使传热效率提高了20倍。

[5]

表面加工技术不仅是产品内在质量得以保证的关键，也是产品外观质量保证的重要手段。

例如，对于滾动轴承的滚道，目前工厂广泛采用磨—抛工艺，其表面粗糙度可达Ra0.04μm,采用新的表面加工方法可提高到Ra0.01μm，使用寿命可提高4倍以上，并能消除波纹度，减小轴承的振动与噪音；对模具光整加工使其表面粗糙度降低，一级模具使用寿命可以提高50%以上。

表面工程技术在制造业广泛应用的例子枚不胜举。

表面工程技术已成为先进制造技术中优先发展的内容，也是我国国民经济建设中重点发展应用的技术内容。

3.3表面工程促进了维修行业的发展

零件磨损、腐蚀和疲劳失效常发生在表面。

通过表面技术修复、强化使机械零件翻新如初，从而大量节省了因购置新品、库存和管理备件以及停机等所造成的对能源、原材料和经费的浪费，并极大地减少了环境污染及废物的处理。

许多采用表面技术处理过的旧零部件，其性能大大超过新品，而成本仅为新品的10%，甚至不到。

全军装备维修表面工程研究中心应用电弧喷涂技术成功地修复了长江三峡工程中挖泥船的发动机曲轴，当时如从日本购买新轴，加上运费和进口关税等需人民币120万元，从订购到交货需三个月以上，停产损失更为可观，而修复总费用仅3.5万元，不足曲轴价格的3%；采用电刷镀技术修复或改造大型、重型、精密设备，尤其是进口设备，取得了十分突出的成效，如北京首钢从比利时引进的二手连铸设备、唐山水泥机械厂由德国进口的6.3米立式车床、天津石油化纤公司由日本进口的5.7米连续缩聚搅拌釜主轴、齐鲁石化公司由日本进口的328块汇流铜排、燕山石化公司由日本进口的聚丙烯造粒主减速箱，平圩电厂由美国进口的60万瓩汽轮机等大型进口设备等。

[6]

采用等离子喷涂修复242件履带式工程机械行走机构零件，装机后进行12000公里行驶考核，证明涂层与基体结合可靠，耐磨性比新品提高1.4~8.3倍，喷涂修复成本仅为新品价格10%~12%，等离子喷涂金属陶瓷涂层，用于修复醋酸泵密封环和轴套，使用寿命比一般不锈钢件高10倍以上；大型重载齿轮表面镀铟可避免粘着磨损；气缸表面的激光相变硬化，可使气缸寿命延长3~5倍；挖泥船液压支柱5米长的液压缸内表面上深度划伤，用粘涂快速修复效果很好；气相沉积表面与润滑油添加剂配合使用，可使耐磨性提高4~5倍；新型防腐涂料用于地下管道和行驶车辆，可使防腐寿命达到10年。

使用导电胶能快速填补划伤沟槽，还能与电刷镀组合应用，使被修复表面有金属涂层；液压缸体、柱塞、轴承配合面和密封面等使用耐磨胶可恢复零件磨损表面尺寸，在胶中添加减摩剂可实现低速运转表面的固体润滑；[6]赵源等人从仿生学角度出发，根据动物摩擦副如关节、牙齿等自补偿功能，提出了磨损自补偿，从研究选择性，转移到自补偿润滑添加剂，使摩擦副在磨损时达到一定补偿或无磨损。

总之，表面工程技术的广泛应用大大推动了工程机械维修技术的发展，使维修由简单的技术或工艺发展成为一门相互渗透，相互交叉的综合性学科。

在日本已提出了“再生工厂技术”的概念。

现代机械维修与表面工程技术的发展有着密切的联系。

随着先进制造技术及设备工程学的不断发展，制造与维修将越来越趋于统一。

3.4表面工程在电子工业中的应用

表面工程在四十年代解决了在半导体表面真空蒸发镀金属膜，促成了六十多年电子工业的大发展。

如蒸镀SbS3、CaSe、ZnSe等用于电视摄像机摄像管的光电导面；蒸镀Cr、Cu用于摄像管的电极；蒸镀或溅射ZnS,ZnS+ZnSe用于显示器上电发光的荧光体；蒸镀或溅射Fe-Ni或Ni-Fe合金用于电子计算机中磁阀或磁头的敏感件；溅射或CVD的SiO2或AL203膜在电子计算机、无线电、电视中作为绝缘膜；蒸镀Ni，Cr,Sn,Sb、金属陶瓷等作金属膜电阻；离子镀Au,Al,Cu,Ni用于电极副和导电模；离子镀W，Pt用作接点材料，离子镀铜用于印刷板和薄膜集成电路板；离子镀SiO2,Al2O3用于电容和二极管；离子镀Fe，Co,Ni用于磁带；离子镀Be在音响上用作振动极；离子镀Pt用于集成电路上；化学镀钯在电接触和连接器，尤其是通讯工业方面已得到应用。

迄今，电子工业和计算机工业的进一步发展将得益于激光沉积镀金镀铜，化学镀镍磷合金等这样一些表面工程的新技术。

3.5表面工程在高新技术领域中的应用

表面工程是随着高新技术出现发展起来的一项工程技术。

高新技术促进了表面工程的发展，表面工程为高新技术的发展提供了工艺及材料支持。

表面工程在制备功能材料方面具有特殊的优势。

非晶态金属或合金具有优异的耐蚀性、耐磨性、高强度、低膨胀性以及特殊的电磁特性，可以采用溶液镀，气相沉积、激光束、等离子束高能密度等表面技术制备，既简便，又经济。

非晶硅薄膜具有优良的光吸收能力，可作为太阳能转换材料，且可以大面积涂敷，成本也较低，是理想的光电转换材料。

非晶膜还可以用于磁屏蔽，用于变压器的铁芯等；在超导材料研究方面，日本已开发了用激光制备高性能超导材料的技术，可制成超导带材料，也可以采用热喷涂技术制备超导涂层；表面工程为电子通讯技术提供关键的薄膜材料及功能器件。

如在大规模集成电路中以SiO2为基的绝缘衬底上生产Si的薄膜技术。

制作超大规模集成电路中最理想的功能材料是采用CVD方法制备的金刚石薄膜，其具有极为优异的导热性，高介电性和半导体性能；在生物医疗方面已采用等离子喷涂技术在不锈钢人工骨骼表面喷氧化物陶瓷涂层制造人工骨骼，解决了陶瓷层与人体肌肉生物相容性的难题。

在Co-Cr-Mo合金上喷涂羟基磷灰石涂层制备人造关节，用等离子喷涂法制造人工齿根的技术也得到了应用；日本的航空航天、核电站、大规模集成电路、电子计算机中大量使用了陶瓷、塑料电镀及化学镀技术，新加坡已发展了电磁屏蔽用的聚酸脂塑料电镀，连续式电子束镀膜技术在德国已进入产业化应用。

总之，表面工程技术在高新技术领域有着广泛的应用前景。

3.6表面工程可于保护环境和节约资源

表面工程在保护环境，保护资源方面正起着越来越重要的作用。

无论是环境监测和评估，还是环境控制、环境改善，都将用到表面工程所能提供的一切最新成就。

节约能源，节约材料是表面工程最直接有效的传统领域。

各种表面工程技