表面工程技術(shù)的應(yīng)用

表面工程是經(jīng)表面預(yù)處理后，應(yīng)用物理、化學(xué)、機(jī)械等技術(shù)手段改變固體材料表面成分過組織結(jié)構(gòu)及盈利狀況，獲得所要求的性能，以提高產(chǎn)品的可靠性或延長其使用壽命的各種技術(shù)總稱。

表面工程技術(shù)的發(fā)展歷史

　　表面工程技術(shù)是一個既古老又新穎的學(xué)科，人類使用表面工程技術(shù)已有悠久的歷史;但是，表面工程技術(shù)的迅速發(fā)展是從19世紀(jì)工業(yè)革命時(shí)開始的，并在20世紀(jì)80年代成為世界上10大關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，表面工程技術(shù)仍是主流關(guān)鍵技術(shù)之一，幾乎涉及了工業(yè)的各個領(lǐng)域，發(fā)展勢頭正猛。

　　表面工程的概念1983年首次被提出，同年英國伯明翰大學(xué)成立了Wolfson表面工程學(xué)院，并在1985年創(chuàng)辦了國際性刊物《表面工程》。1986年，在布達(dá)佩斯第5屆國際材料熱處理大會上，“國際熱處理學(xué)會”被更名為“國際熱處理與表面工程學(xué)會”，這些都是表面工程技術(shù)在國際上迅速發(fā)展的重要標(biāo)志。

　　我國機(jī)械工程學(xué)會于1987年成立了表面工程研究所，1988年出版了中文版《表面工程》雜志，1993年成立了中國機(jī)械工程學(xué)會表面工程分會。自1989年以來，我國先后多次召開全國性或國際性的表面工程學(xué)術(shù)會議和表面科學(xué)與工程學(xué)術(shù)會議。

　　表面工程是經(jīng)表面預(yù)處理后，通過表面涂覆、表面改性或表面復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、形態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)等，以獲得所需的表面性能的系統(tǒng)工程。它是近代技術(shù)與經(jīng)典表面工藝結(jié)合而繁衍、發(fā)展起來的，有堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)，具有明顯的交叉、邊緣學(xué)科性質(zhì)和極強(qiáng)的實(shí)用性。

表面工程技術(shù)的意義

　　工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用證明，因?yàn)椴牧系钠跀嗔?、磨損、腐蝕、氧化、燒損等造成的破壞十分驚人。

　　據(jù)報(bào)道，每年因腐蝕造成西方主要發(fā)達(dá)國家的經(jīng)濟(jì)損失占其經(jīng)濟(jì)總值的2%～4%，全球因腐蝕導(dǎo)致的金屬損耗超過一億噸。因摩擦磨損造成的材料損失在美國每年高達(dá)200億美元;在英國每年超過5億英鎊。全球由于腐蝕和磨損造成的失效破壞在各種機(jī)電產(chǎn)品失效破壞中約占70%。

　　而在社會資源和能源日益短缺的今天，為了讓工件使用壽命延長，如果使用高級合金材料制成零件和整個設(shè)備來達(dá)到表面強(qiáng)化和防護(hù)的目的，這是不經(jīng)濟(jì)的，也是不科學(xué)的。

　　隨著科技發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，僅僅通過提高材料表面的耐磨耐蝕性，也能大大提高材料的使用壽命，從而就有了表面工程技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。表面工程技術(shù)概念的提出與發(fā)展應(yīng)用，對工業(yè)科技發(fā)展具有了重大的影響和推動意義:

　　1、表面工程技術(shù)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)工藝藝術(shù)，滿足不同工況服役與裝飾外觀的要求，顯著提高產(chǎn)品的使用壽命、可靠性與市場競爭能力。

　　2、表面工程技術(shù)是節(jié)能、節(jié)材和挽回經(jīng)濟(jì)損失的有效手段。采用有效的表面防護(hù)手段，至少可減少腐蝕損失15～35%，減少磨損損失33%左右。

　　3、表面工程技術(shù)在制備新型材料方面具有特殊的優(yōu)勢。通過表面原位合成技術(shù)，能在低成本基礎(chǔ)上在工件表面制備出性能優(yōu)良的新型合金材料涂層，很好滿足了工業(yè)、航空航天工業(yè)對高性能零部件表面的需求。

　　4、表面工程技術(shù)是微電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)。以化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、光刻技術(shù)和離子注入為代表的表面薄膜沉積技術(shù)和表面微細(xì)加工技術(shù)是制作大規(guī)模集成電路、光導(dǎo)纖維和集成光路、太陽能薄膜電池等元器件的基礎(chǔ)。

表面工程技術(shù)的分類

　　表面工程技術(shù)的分類目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，其可依據(jù)涂層種類、表面功能特性、制備工藝方法及其制備的作用原理等進(jìn)行不同分類。按學(xué)科特點(diǎn)分類，表面工程有:

　　1、表面涂鍍:即將液態(tài)涂料涂覆在材料表面或?qū)㈠兞显映练e在材料表面形成涂層或鍍層。常見手段有，熱噴涂、堆焊、電鍍、化學(xué)鍍、氣相沉積和涂裝技術(shù)。

　　2、表面改性:即利用熱處理、機(jī)械處理、離子處理和化學(xué)處理等方法，改變材料表面的成分及性能的技術(shù)。常見手段有，熱擴(kuò)滲、轉(zhuǎn)化膜、表面合金化、離子注入和噴丸強(qiáng)化。

　　3、薄膜技術(shù):即采用各種方法在工件表面上沉積厚度為100nm至1μm或數(shù)微米薄膜的技術(shù)。常見手段，氣相沉積技術(shù)。

鑠思百檢測可提供材料檢測服務(wù)，金相，晶粒度，電鏡制樣，等等測試服務(wù)。

按工藝特點(diǎn)來分，表面技術(shù)有:

　　①電鍍技術(shù):即合金電鍍、復(fù)合電鍍、電刷鍍、非晶態(tài)電鍍和非金屬電鍍的總稱。

　　②涂裝:指制備特殊用途、特殊類型的新涂料和涂裝工藝。

　　③堆焊:目前比較成熟的有埋弧自動堆焊、振動電弧堆焊、CO₂保護(hù)自動堆焊和等離子堆焊。

　　④熱噴涂:是采用火焰、電弧、等離子弧進(jìn)行的噴涂和爆炸噴涂。

　　⑤熱擴(kuò)滲:是在基體材料表面進(jìn)行的固體滲、液體滲、氣體滲和等離子滲。

　　⑥化學(xué)轉(zhuǎn)化膜:是采用化學(xué)氧化、陽極氧化制備表面膜層。

　　⑦彩色金屬:是對工件進(jìn)行整體著色、吸附著色及電解著色。

　　⑧氣相沉積:一般采用化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積。

　　⑨三束改性:目前一般采用激光束改性、電子束改性和離子束改性。

表面工程技術(shù)的應(yīng)用

　　20世紀(jì)80年代提出表面工程概念以來，表面工程對人們生活和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了巨大的影響并顯示出強(qiáng)大的生命力。

1、在保護(hù)、優(yōu)化環(huán)境中的應(yīng)用

　　采用化學(xué)氣相沉積和溶膠-凝膠等技術(shù)制成的催化劑載體，可有效地治理被污染的大氣，起到凈化大氣環(huán)境的作用。采用化學(xué)氣相沉積、陽極氧化和溶膠-凝膠等表面工程技術(shù)制備過濾膜，能起到凈化水質(zhì)。采用表面技術(shù)制成的吸附劑，可使空氣、水、溶液中的有害成分被吸附，起到吸附雜質(zhì)作用，還可去濕、除臭。

　　表面工程技術(shù)還是開發(fā)綠色能源的基礎(chǔ)技術(shù)之一，許多綠色能源裝置都應(yīng)用了氣相沉積鍍膜和涂覆技術(shù)。

2、在結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用

　　表面工程技術(shù)在耐腐蝕性和耐磨性方面起著重要作用，同時(shí)在強(qiáng)化、裝飾等方面也起著重要作用。

　　采用表面工程技術(shù)在結(jié)構(gòu)件表面制備耐腐蝕保護(hù)膜或涂層，能顯著提高結(jié)構(gòu)件表面化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕等的能力。利用熱噴涂、堆焊、電刷鍍和電鍍等表面技術(shù)，在材料表面形成Ni基、Co基、Fe基、金屬陶瓷等覆層，可有效地提高材料或制件的耐磨性。采用表面工程技術(shù)能夠有效提高材料表面耐磨耐腐蝕性能之外，通過各種表面強(qiáng)化處理還能提高材料表面除腐蝕和磨損之外的其他抵御環(huán)境作用的能力。

　　表面工程技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料中應(yīng)用除了上述功能外，在表面裝飾功能方面也得到了較好的應(yīng)用。合理地選擇電鍍、化學(xué)鍍、氧化等表面技術(shù)，可以獲得鏡面鍍層、全光亮鍍層、亞光鍍層、緞狀鍍層，不同色彩的鍍層，各種平面、立體花紋鍍層、仿貴金屬、仿古和仿大理石鍍層等。

3、在功能材料和元器件中的應(yīng)用

　　功能材料主要指具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和生物等功能，以及一些聲、電、光、磁等互相轉(zhuǎn)換功能，而被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料，常用來制造各種裝備中具有獨(dú)特性能的核心部件。材料的功能特性與其表面成分、組織結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。采用表面工程技術(shù)能在低成本基礎(chǔ)上制備出特殊功能性質(zhì)的表面涂層材料。

　　①在電學(xué)特性方面的應(yīng)用：利用電鍍、化學(xué)鍍、氣相沉積、離子注入等技術(shù)可制備具有電學(xué)特性的功能薄膜及其元器件。

　　②在磁學(xué)特性方面的應(yīng)用：通過氣相沉積技術(shù)和涂裝等表面技術(shù)能制備出磁記錄介質(zhì)、磁帶、磁泡材料、電學(xué)屏蔽材料、薄膜磁阻元件等。

　　③在光學(xué)特性方面的應(yīng)用：利用電鍍、化學(xué)鍍、轉(zhuǎn)化膜、涂裝、氣相沉積等方法，能夠獲得具有反光、光選擇吸收、增透性、光致發(fā)光、感光等特性的薄膜材料。

　　④在聲學(xué)特性方面的應(yīng)用：利用涂裝、氣相沉積等表面技術(shù)，可以制備摻雜Mn-Zn鐵氧體復(fù)合聚苯胺款頻段的吸波涂層、紅外隱身涂層、降低雷達(dá)波反射系數(shù)的納米復(fù)合雷達(dá)隱身涂層，聲反射和聲吸收涂層以及聲表面波器件等。

　　⑤在生物學(xué)特性方面的應(yīng)用：將具有一定的生物相容性和物理化學(xué)性質(zhì)的生物醫(yī)學(xué)材料，利用等離子噴涂、氣相沉積、等離子注入等方法形成的專用涂層，可在保持基體材料特性的基礎(chǔ)上，提高基體表面的生物學(xué)性質(zhì)、耐磨性、耐蝕性和絕緣性等，阻隔基體材料離子向周圍組織溶出擴(kuò)散，起到改善同人體機(jī)能的作用。在金屬材料上制備生物陶瓷涂層，能提高材料的生物活性，用作人造關(guān)節(jié)、人造牙等醫(yī)學(xué)植入體。將磁性涂層涂覆在人體的一定穴位上，有治療疼痛、高血壓等功能。

　　⑥在轉(zhuǎn)換功能方面的應(yīng)用：采用表面工程技術(shù)可獲得能光-電，熱-電，光-熱，力-熱，磁-光等轉(zhuǎn)換功能的器件。

4、在再制造工程中的應(yīng)用

　　再制造工程是在維修工程和表面工程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興科學(xué)，是以產(chǎn)品全壽命周期論為指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)廢舊產(chǎn)品的性能提升為指標(biāo)，以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材和環(huán)保為準(zhǔn)則，以先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)化為手段，來修復(fù)、改造廢舊產(chǎn)品的一系列技術(shù)措施或工程活動的總稱。

　　簡而言之為是廢舊產(chǎn)品高技術(shù)修復(fù)、改造的產(chǎn)業(yè)。其重要特征是，再制造以后的產(chǎn)品質(zhì)量和性能達(dá)到或超過新品，成本只是產(chǎn)品的50%，可節(jié)能60%，節(jié)材70%，對環(huán)境的不良影響顯著降低，可有力的促進(jìn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的建設(shè)。

　　表面工程在再制造工程中的應(yīng)用，使廢舊產(chǎn)品的零部件因被直接用作再制造，毛坯而不用回爐再次熔煉，鋼錠到新零件的二次制造時(shí)對能源的再次消耗和對環(huán)境的再度污染。一方面提高了產(chǎn)品的綠色度，另一方面避免了成為固體垃圾而造成的環(huán)境污染。已在民用工業(yè)和軍事工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

5、在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用

　　人類生活中的衣食住行、學(xué)習(xí)、娛樂、旅游、醫(yī)療、飾品、工藝品無不越來越得益于表面工程的成就。

　　衣料的美觀、保暖、手感、抗靜電;食品的色澤、保鮮、儲存、包裝;新型建材、房屋裝修更是以表面工程為其重要技術(shù)源泉;汽車的美觀、節(jié)油、低噪聲離不開滲透在零部件、摩擦副、活化劑、傳感器、電子儀表中的表面工程的新成果;還有，保護(hù)視力的鏡片、高級相機(jī)的鏡頭、比天然品更美的鍍膜飾品、美觀舒適的墻體和地面裝飾、鍍膜玻璃、燈具和發(fā)光體、不粘附廚房用具、鐘表及家用電器、學(xué)習(xí)用品和工藝美術(shù)品，等等。

　　可以說，人們生活在一個因表面工程技術(shù)的發(fā)展而變得越來越美好的環(huán)境中。

表面工程的發(fā)展方向

　　工業(yè)科技的發(fā)展促進(jìn)了表面科學(xué)和工程的發(fā)展，同時(shí)，表面科學(xué)與工程的發(fā)展也必須適應(yīng)工業(yè)科技的發(fā)展?，F(xiàn)代表面工程要在未來工業(yè)中發(fā)揮更加巨大作用，必須從以下方面做深入研究。

　　1、深化表面科學(xué)理論和表面測試技術(shù)的研究

　　從原子角度研究摩擦磨損及潤滑機(jī)理，研究表面效應(yīng)，表面改性及表面涂敷在摩擦學(xué)在工業(yè)中的應(yīng)用。研究腐蝕過程和腐蝕機(jī)理，腐蝕膜形成及失效機(jī)理。研究在線監(jiān)測技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)行在線監(jiān)測，形成相關(guān)嚴(yán)密的覆層失效評估體系。

　　2、發(fā)展復(fù)合表面技術(shù)

　　單一的表面技術(shù)已經(jīng)不能適應(yīng)工業(yè)快速發(fā)展對產(chǎn)品性能的要求，綜合應(yīng)用復(fù)合表面技術(shù)，能夠解決工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)品對特殊技術(shù)指標(biāo)、可靠性、和經(jīng)濟(jì)性的要求。

　　3、研究開發(fā)新型涂層材料

　　涂層材料是制備優(yōu)良涂層的物質(zhì)基礎(chǔ)，不斷開發(fā)優(yōu)良的耐磨耐腐蝕以及不同環(huán)境需求的優(yōu)質(zhì)涂層材料是保證表面工程強(qiáng)大生命力的基礎(chǔ)，開發(fā)在表面工程技術(shù)加工過程中自形成新材料的功能涂層能夠更加顯示出表面工程的優(yōu)越性。

　　4、開發(fā)多功能涂層

　　隨著工業(yè)的發(fā)展，許多行業(yè)需要特殊涂層，如防滑涂層、隱身涂層、吸熱涂層、隔熱涂層、導(dǎo)電涂層、催化涂層等，采用激光、高能電子束、離子束等現(xiàn)代先進(jìn)表面技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，制備特殊結(jié)構(gòu)，特殊要求的功能涂層，具有很好的發(fā)展前景。

　　5、研究表面工程技術(shù)的自動化、智能化生產(chǎn)

　　目前為止，表面處理在微電子行業(yè)和汽車行業(yè)自動化程度較高，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)表面技術(shù)在其他行業(yè)的自動化、智能化是施工，是表面工程技術(shù)未來的發(fā)展基本趨勢。

　　6、實(shí)現(xiàn)表面工程的清潔生產(chǎn)

　　表面工程基本來說是屬于節(jié)能環(huán)保型工程，但某些技術(shù)任然存在污染問題，比如涂裝、電鍍熱處理等。研究從設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)行全過程的無污染的、節(jié)約型的、再生的表面技術(shù)工程，也是表面工程一個基本發(fā)展趨勢。