第14章納米表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)

1、第14章納米表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)概述納米表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)是通過(guò)對(duì)納米材料、納米技術(shù)的合理運(yùn)用，在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，為保證零件表面服役性能的一種技術(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)于需要修理或再制造的零件表面，則是一種恢復(fù)或提高零件表面二次服役性能的技術(shù)設(shè)計(jì)。納米表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是運(yùn)用納米表面工程的研究成果和成熟技術(shù)，根據(jù)零件表面的運(yùn)行環(huán)境狀況，提出對(duì)表面層或表面層體系的技術(shù)要求，選擇獲得零件表面性能的工藝手段和材料，編制合理的制備工藝，提出表面質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)等。在整個(gè)機(jī)械產(chǎn)品的失效中，零件表面失效占有極其重要的份額。腐蝕失效從零件表面起始，摩擦磨損失效使零件表面尺寸發(fā)生變化，疲勞裂紋失效由零件表面向內(nèi)擴(kuò)展，零件變

2、形失效也可以看作是零件表面相對(duì)于定位基準(zhǔn)的位移。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)偏重于部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及零件剛度、強(qiáng)度的核算，不太重視零件表面的技術(shù)設(shè)計(jì)，即使有所考慮，也是采用比較單一的表面強(qiáng)化技術(shù)手段，而且選材的范圍偏窄，致使一些機(jī)械往往由于其中的某個(gè)零件的某一局部表面失效，而造成整機(jī)的停運(yùn)或報(bào)廢。據(jù)文獻(xiàn)介紹，世界鋼產(chǎn)量的1/10由于腐蝕而損失，機(jī)電產(chǎn)品提前失效的原因70%屬于表面腐蝕和磨損。所以通過(guò)對(duì)零件表面的技術(shù)設(shè)計(jì)減少腐蝕與磨損的損失具有十分重要的意義。納米材料、納米技術(shù)在表面工程中的應(yīng)用，為提高零件表面的服役性能提供了新的技術(shù)措施，為使表面性能適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品在高溫、高速、重載、重腐蝕介質(zhì)下可靠工作提供

3、了保證，為解決傳統(tǒng)表面工程難以解決的表面抗失效難題開(kāi)辟了新的途徑，更為重要的是納米表面工程為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中各種功能薄膜（如光學(xué)薄膜、微電子薄膜、光電子學(xué)薄膜、集成光學(xué)薄膜、信息存儲(chǔ)膜和防護(hù)功能薄膜）的制備，以及相應(yīng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)（半導(dǎo)體芯片、微電阻電容、顯示器、傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)）提供了新的手段。納米表面工程的研究當(dāng)前尚屬起步階段，因而還無(wú)法構(gòu)建起納米表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)的完整體系，本章只對(duì)現(xiàn)有的納米表面工程研究成果進(jìn)行歸納，重點(diǎn)對(duì)表面涂覆層技術(shù)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，為較合理地運(yùn)用這些成果提供設(shè)計(jì)思路。表面技術(shù)設(shè)計(jì)的基本原則表面技術(shù)設(shè)計(jì)的基本原則是滿(mǎn)足零件表面服役性能的要求、經(jīng)濟(jì)性好和有利于環(huán)境保

4、護(hù)。滿(mǎn)足零件表面服役的性能要求零件表面的服役性能包括力學(xué)性能、物理化學(xué)性能和環(huán)保性能。力學(xué)性能有表面涂覆層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、表面耐磨性、表面耐腐蝕性、表面抗疲勞性等。物理化學(xué)性能有摩擦系數(shù)、磁學(xué)性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能、光電轉(zhuǎn)換性能等。環(huán)保性能是指從表面涂覆層制備到使用再到零件退役的全周期都要有利于環(huán)境保護(hù)零件表面服役性能是表面功能與表面壽命的綜合性指標(biāo)。功能與壽命密不可分。機(jī)械產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)不同、使用要求不同、工況條件不同，因而對(duì)零件的服役壽命有不同的要求。零件表面的服役壽命可分為以下幾類(lèi)：、一過(guò)性的壽命例如為了改善制造和裝配條件而進(jìn)行的工藝性表面處理，它們對(duì)零件表面的處理質(zhì)量要求可靠，但對(duì)

5、使用壽命要求較短,制造過(guò)程和裝配工序結(jié)束，表面性能失去意義；、與零件等壽命要求零件表面的服役壽命與所依附的零件服役壽命相等，在零件壽命到期后，或進(jìn)行修理，或列入報(bào)廢；、與整機(jī)維修期等壽命表面服役壽命與整個(gè)機(jī)械的維修間隔期間相吻合，則最能有效地節(jié)省維修工時(shí)，降低維修成本。盡管維修方式經(jīng)歷了“計(jì)劃維修視情維修先進(jìn)維修預(yù)知維修”四個(gè)發(fā)展階段，但是每種機(jī)電產(chǎn)品遲早需要進(jìn)行維修，在對(duì)整個(gè)機(jī)械進(jìn)行系統(tǒng)分析和樣機(jī)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總能確定一個(gè)大致的維修間隔期。另外從維修體制來(lái)分析，根據(jù)維修的難易程度可分為基層級(jí)中繼級(jí)基地級(jí)，每種維修級(jí)別都對(duì)應(yīng)相應(yīng)的維修間隔期，零件表面的服役壽命以達(dá)到基地級(jí)維修的間隔時(shí)限為最佳。

6、、遷延性壽命例如表面強(qiáng)化后的模具表面、切削刀具刀刃等，這些表面服役的壽命希望越長(zhǎng)越好。此外，機(jī)械設(shè)備中的易損件、常備消耗件，希望這些零件表面的服役壽命也越長(zhǎng)越好，它能保證零件和整機(jī)長(zhǎng)期正常運(yùn)行，大大減小維修工時(shí)，從而降低運(yùn)行成本，即使整機(jī)到達(dá)壽命終止，這類(lèi)零件還可以更換到同類(lèi)機(jī)械上繼續(xù)使用。、可再制造性循環(huán)壽命零件表面出現(xiàn)失效是不可避免的，只是失效期長(zhǎng)或短的問(wèn)題，在零件表面技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，既要滿(mǎn)足一定期限的性能要求，又要考慮為下一次的修理或再制造創(chuàng)造有利條件，使零件工作表面不斷更新，而零件本體盡量較長(zhǎng)時(shí)間使用。經(jīng)濟(jì)性好經(jīng)濟(jì)性的好壞是個(gè)相對(duì)概念。一是不同表面技術(shù)之間的比較，即結(jié)合具體的表面處理技術(shù)和

7、材料進(jìn)行經(jīng)過(guò)表面處理與未經(jīng)表面處理兩種情況的經(jīng)濟(jì)性比較和不同處理技術(shù)、處理材料之間的經(jīng)濟(jì)性比較。在進(jìn)行這種經(jīng)濟(jì)性的比較中最基本的原則是從設(shè)備全壽命周期費(fèi)用的觀點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)行成本與效能分析。二是對(duì)于選擇出的性能/價(jià)格比優(yōu)異的表面處理技術(shù)，衡量在整個(gè)產(chǎn)品的成本體系中是否可以接受。分析性能/價(jià)格比一般遵循以下三條準(zhǔn)則：（1）延壽準(zhǔn)則，即：Ct/ChWTt/Th（141）式中CT經(jīng)表面強(qiáng)化處理的零件成本Ch-未經(jīng)表面強(qiáng)化的零件成本Tt-經(jīng)表面強(qiáng)化的零件使用壽命Th-未經(jīng)表面強(qiáng)化零件使用壽命如果G/Ch越小，Tt/Th越大，則說(shuō)明該表面處理技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性越好。省錢(qián)準(zhǔn)則，即：QtWCph（14-2）式中Cst

8、一對(duì)零件表面強(qiáng)化處理的成本GH-設(shè)備在一定檢修期內(nèi)，未經(jīng)表面處理的零件因表面失效發(fā)生的全部維修費(fèi)用Gh比Cst越大，說(shuō)明性能價(jià)格比越好。在運(yùn)用式14-2分析經(jīng)濟(jì)性時(shí)，應(yīng)進(jìn)行多個(gè)檢修期的性能價(jià)格評(píng)比，例如，對(duì)設(shè)備小修期、中修期、大修期分階段進(jìn)行費(fèi)效分析，期望檢修期越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的性能價(jià)格比越優(yōu)異。、可靠性準(zhǔn)則，即：KtKh（14-3）式中Kt-對(duì)零件經(jīng)表面強(qiáng)化處理后的表面功能可靠性Kh-零件未經(jīng)表面強(qiáng)化處理的表面功能可靠性對(duì)于地面設(shè)備、民用設(shè)備，可用式14-1或14-2兩條準(zhǔn)則進(jìn)行比較。但對(duì)于航空航天器、軍用裝備及民用重要設(shè)備還應(yīng)從可靠性準(zhǔn)則進(jìn)行比較，如果這些設(shè)備（裝備）在運(yùn)行的關(guān)鍵時(shí)刻發(fā)生表面失效

9、，則造成的經(jīng)濟(jì)損失、戰(zhàn)斗損傷及社會(huì)影響是巨大的。14.2.3有利于環(huán)境保護(hù)表面工程的本身是一種有利于保護(hù)環(huán)境、節(jié)能、節(jié)材的綠色科技，但是各種具體的技術(shù)或多或少地對(duì)環(huán)境或?qū)Σ僮髡叩陌踩嬖谝欢ǖ呢?fù)面影響。人類(lèi)進(jìn)入21世紀(jì)之后，保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的任務(wù)更加迫切，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的意義更加重大，加強(qiáng)對(duì)操作者的安全防護(hù)又是貫徹以人為本的重要體現(xiàn)。在表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)中，堅(jiān)持有利于環(huán)境保護(hù)的原則，就是在滿(mǎn)足性能要求、經(jīng)濟(jì)又合理的多種表面處理方案中，盡量選用耗能、耗水少和污染小的方案，并在表面處理工藝中制訂完善的安全防護(hù)措施。表面技術(shù)設(shè)計(jì)的基本程序表面技術(shù)設(shè)計(jì)的基本程序見(jiàn)圖14-1分析工況條件分析失效形式

10、提出表面層的性能要求選擇表面處理技術(shù)選擇表面處理材料編制表面處理工藝確定表面處理方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析圖14-1表面技術(shù)設(shè)計(jì)程序框圖分析零件表面的工況條件和失效形式零件表面的工況條件零件表面工況條件主要包括：載荷大小及類(lèi)別、與摩擦副之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、工作環(huán)境溫度與壓力、工作介質(zhì)、潤(rùn)滑情況等。零件表面的失效磨損和腐蝕是零件表面失效的兩種主要形式。磨損失效零件表面磨損失效按磨損機(jī)理可分為四類(lèi)，即粘附磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損和腐蝕磨損。判斷這四類(lèi)磨損的常用方法是觀察磨損表面的外觀，這四類(lèi)磨損的外觀特征見(jiàn)表14-1。表14-1磨損類(lèi)別與外觀特征磨損類(lèi)別表面外觀特征粘附磨損錐刺、鱗尾、麻點(diǎn)磨粒磨損擦

11、傷、溝紋、條痕疲勞磨損裂紋、麻點(diǎn)腐蝕磨損反應(yīng)產(chǎn)物、點(diǎn)蝕實(shí)際的磨損過(guò)程不可能僅是一種磨損機(jī)理形態(tài)，而往往是多種磨損機(jī)理形態(tài)的復(fù)合。表14-2列出了在不同摩擦學(xué)體系中，各類(lèi)磨損所占的比例。表14-2各類(lèi)磨損在不同摩擦學(xué)體系中的比例相互作用組元相對(duì)運(yùn)動(dòng)類(lèi)型磨損形式各種磨損機(jī)理所占比例粘附磨損磨粒磨損疲勞磨損腐蝕磨損滑動(dòng)滑動(dòng)磨損25%25%25%25%滾動(dòng)滾動(dòng)磨損12.5%12.5%12.5%62.5%固體對(duì)固體旋動(dòng)自旋磨損25%25%25%25%（有或無(wú)潤(rùn)撞擊、沖擊沖擊磨損12.5%12.5%12.5%62.5%滑）振動(dòng)微動(dòng)磨損25%25%25%25%鑿削鑿削磨損12.5%12.5%75%0%刻劃劃

12、傷磨損0%0%87.5%12.5%滑動(dòng)磨?；瑒?dòng)磨損12.5%12.5%75%0%固體對(duì)固體滾動(dòng)磨粒滾動(dòng)磨損25%12.5%0%75%加顆粒碾磨高應(yīng)力碾碎性磨損0%12.5%62.5%25%固體對(duì)液體流動(dòng)磨粒侵蝕0%12.5%75%12.5%加顆粒平行噴射磨粒侵蝕0%12.5%75%12.5%固體對(duì)氣體斜向噴射磨粒侵蝕加沖擊侵蝕0%12.5%43.75%43.75%加顆粒垂直噴射沖擊侵蝕0%12.5%12.5%75%撞擊液滴沖擊侵蝕0%12.5%0%87.5%固體對(duì)液體液體侵蝕0%12.5%0%87.5%流動(dòng)氣蝕0%12.5%0%87.5%固體對(duì)氣體流動(dòng)燒蝕各類(lèi)磨損對(duì)表面材料性能的要求見(jiàn)表14-

13、3表14-3各類(lèi)磨損對(duì)表面材料性能的要求序號(hào)磨損類(lèi)型要求材料具備的性能1粘附磨損互相接觸的相配材料溶解度應(yīng)較低。在工作表向溫度卜，抗熱氧化能力好，表面能低2磨料磨損有比磨料更硬的表向，較局的加工硬化能力3疲勞磨損高硬度，高韌性。精加工時(shí)加工性能好，流線(xiàn)性好，要去除硬的非金屬夾雜物，表面尢微裂紋4腐蝕磨損無(wú)鈍化作用時(shí)，要提高其抗腐蝕介質(zhì)能力，兼有抗腐蝕和抗磨損性能腐蝕失效按其腐蝕形態(tài)可分為全面（或均勻）腐蝕或局部腐蝕，導(dǎo)致腐蝕失效的主要是后者。局部腐蝕又可分為點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、晶間腐蝕、選擇性腐蝕、磨損腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞、氫損傷等。圖14-2示出主要腐蝕形態(tài)示意圖。應(yīng)力腐蝕斷裂是

14、在拉應(yīng)力和腐蝕環(huán)境共同作用下所引起的部件失效；腐蝕疲勞是金屬在循環(huán)交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生破裂；磨蝕是由于腐蝕流體以及金屬和流體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而共同引起的金屬破壞；氣泡腐蝕是由于真空泡的形成和破裂所產(chǎn)生的氣化作用所導(dǎo)致的金屬表面的局部破壞;氧化或宦金屬島間腐愀政松去孔心口沆用性腐性負(fù)E裂或展?fàn)罡蓟g應(yīng)力廊他廢勞應(yīng)力腐忖破覆沉枳腐蝕圖14-2主要腐蝕形態(tài)示意圖微動(dòng)腐蝕或摩擦氧化是在兩種材料界面承受輕微的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或滑動(dòng)時(shí)所發(fā)生的腐蝕，典型的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是振動(dòng)；氫損傷是一種非常特殊的腐蝕動(dòng)形式，要在非常特殊的條件下才能發(fā)生。氫損傷是由于金屬表面生成的原子態(tài)氫所引起的。在一般情況下，局部腐蝕比全面腐蝕的危險(xiǎn)

15、性大得多，常常造成失效甚至災(zāi)難性事故，因而引起了廣泛的注意并促使人們從不同角度進(jìn)行深入地研究。納米表面技術(shù)的分類(lèi)及功用現(xiàn)階段可以實(shí)用的納米表面技術(shù)及其主要功用見(jiàn)表14-4。（詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)本書(shū)有關(guān)章節(jié)）表14-4實(shí)用納米表面技術(shù)及功用納米表卸技術(shù)功用納米復(fù)合電刷鍍提高鍍層的強(qiáng)度和抗疲勞性能，制備常溫和高溫耐磨鍍層，制備低摩擦系數(shù)鍍層，恢復(fù)尺寸。納米熱噴涂提高噴涂層的強(qiáng)度和韌性，制備抗磨、抗熱疲勞和隔熱涂層，恢復(fù)尺寸。氣相沉積納米薄膜制備高性能的光、電、熱、聲、磁功能薄膜及硬膜、超硬膜。納米固體潤(rùn)滑提高固體潤(rùn)滑膜的強(qiáng)度和韌性，制備高性能減摩抗磨固體潤(rùn)滑膜。納米涂料改善涂料的工藝性、耐候性和耐劃傷性，

16、制備抗紫外線(xiàn)涂層、熱障涂層、隱身涂層、磁屏蔽涂層、抗靜電涂層、抗菌防污涂層、防霧透明涂層、阻燃涂層等。納米粘涂提高粘涂層的強(qiáng)度，制備抗磨損、抗腐蝕、抗氣蝕涂層，恢復(fù)尺寸，用于密封、堵漏。納米自修復(fù)潤(rùn)滑劑降低摩擦系數(shù)，提高表面光滑度和耐磨性并能在機(jī)件運(yùn)行中自行修補(bǔ)尺、磨耗。金屬納米化加工提高表面硬度和屈服強(qiáng)度，提高表面化學(xué)兀素的滲入濃度和深度，形成金屬表面納米化。納米表面技術(shù)的選用合理地選擇能滿(mǎn)足零件整體性能和表面服役要求的表面技術(shù)，是表面技術(shù)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。表面技術(shù)的種類(lèi)很多，許多功用又相近，結(jié)合具體的零件和工況條件選擇出優(yōu)化的表面技術(shù)必須關(guān)注以下4個(gè)方面。表面技術(shù)對(duì)零件整體性能的影響表面技

17、術(shù)對(duì)零件整體性能的影響主要有熱影響、氫脆影響和機(jī)械影響。不同的表面技術(shù)及不同的預(yù)處理方法對(duì)零件整體性能有不同的影響。(1)熱影響進(jìn)行表面技術(shù)處理時(shí)，零件的溫度見(jiàn)表14-5。在選擇表面技術(shù)時(shí)要分析溫度對(duì)零件變形、對(duì)原來(lái)熱處理性質(zhì)以及對(duì)零件表面氧化的影響。熱影響在選擇表面技術(shù)時(shí)是占有權(quán)重較大的因素，往往據(jù)此能很快劃分出可供選擇的技術(shù)范圍。表14-5表面處理時(shí)的零件溫度表向技木零件的溫度(C)備注納米復(fù)合電刷鍍常溫納米熱噴涂常溫或預(yù)熱100150c化學(xué)氣相沉積CVD8001200c金屬有機(jī)化合物氣相沉積MOCVD500800C溫度與沉積的兒樂(lè)侶天物理氣相沉積PVD200400c納米涂裝常溫納米粘涂常

18、溫金屬表面納米化加工常溫(2)氫脆影響在電鍍時(shí)，鍍液中的氫離子會(huì)還原成氫原子，一部分氫原子會(huì)成為氫氣逸出,一部分滲入到鍍層中使鍍層產(chǎn)生氫應(yīng)力，還有一部分氫原子滲入到零件中而使零件“氫脆”。例如在鋼鐵零件表面槽鍍饃的過(guò)程中，沒(méi)有光亮劑的鍍饃溶液零件滲氫量約為60100cm3/100g,有光亮劑的鍍饃溶液零件滲氫量比沒(méi)有光亮劑的高1倍。由于各種電沉積元素的析出電位和鍍液介質(zhì)不同，析氫量或者說(shuō)對(duì)鋼質(zhì)零件的“氫脆”影響亦不同，按“氫脆”的影響程度排序：鍍鋅鍍鎘鍍銀。另外鋼質(zhì)零件外表面如果有陽(yáng)極保護(hù)鍍層，則在零件工作過(guò)程中，鋼質(zhì)基材表面也會(huì)析氫，氫滲入基體后與承載應(yīng)力的共同作用，可能導(dǎo)致高強(qiáng)鋼發(fā)生“氫脆

19、斷裂”，這種由于表面鍍層腐蝕而導(dǎo)致的環(huán)境“氫脆”稱(chēng)為“后脆”?！皻浯唷被颉昂蟠唷睂?duì)鋼質(zhì)零件的影響程度主要與鋼質(zhì)零件的抗拉強(qiáng)度有關(guān)，強(qiáng)度越高，對(duì)氫脆越敏感。其次與零件的工作溫度有關(guān)，工作溫度增高，氫脆敏感性增強(qiáng)。14-6幾種槽鍍鍍層對(duì)鋼質(zhì)零件的強(qiáng)度和零件工作溫度的限用條件見(jiàn)表表14-6幾種鍍層的限用條件鍍種鋼質(zhì)零件的抗拉強(qiáng)度零件的使用溫度鍍鋅不得大于1240MPa不得大于250c鍍鎘不得大于230C鍍銀不得大于250300c電刷鍍的鍍積速度比槽鍍快46倍，在操作過(guò)程中又是通過(guò)鍍筆與工件往復(fù)運(yùn)動(dòng)不斷沉積出鍍層，因而，電刷鍍對(duì)零件的氫脆影響低于槽鍍。在電刷鍍技術(shù)中，還專(zhuān)門(mén)配制有低氫脆鍍液，并制定有減

20、少氫脆的工藝措施，如電凈電壓定在812V、采用反向電流、鍍積底層和工作層時(shí)相對(duì)提高工作電壓、盡量提高鍍積速度等。有了這些措施，電刷鍍已允許應(yīng)用到飛機(jī)著陸裝置和飛機(jī)上其它的高強(qiáng)鋼零件。在選用納米電刷鍍鍍積高強(qiáng)鋼零件時(shí)，建議按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)行氫脆試驗(yàn)。(3)機(jī)械影響機(jī)械影響主要與表面預(yù)處理的方法有關(guān)。對(duì)于有偶件配合的表面，為了制備一定厚度的涂覆層，需事前對(duì)待處理表面磨削掉一部分金屬，結(jié)果會(huì)使軸頸稍微變細(xì)、孔壁稍微變薄，在選擇表面技術(shù)時(shí)需要評(píng)估這種預(yù)加工對(duì)零件的強(qiáng)(剛)度的影響是否允許。為了提高熱噴涂涂層與基體金屬的結(jié)合強(qiáng)度，需對(duì)表面進(jìn)行粗糙化處理。如果采用在表面車(chē)螺紋或電火花拉毛的方法，則會(huì)對(duì)零件的

21、強(qiáng)度尤其抗疲勞強(qiáng)度造成影響。如果采用噴砂預(yù)處理則對(duì)基體沒(méi)有負(fù)面影響。涂覆層及表面改性層的尺寸涂覆層及表面改性層的尺寸問(wèn)題，一是出于工作要求，即在零件服役的壽命周期內(nèi)耐磨層應(yīng)有多大，防腐層應(yīng)具備多厚，功能薄膜及納米化層工作厚度應(yīng)是多少等；二是出于工藝可達(dá)性，即納米表面技術(shù)在制配涂覆層及改性層時(shí)，工藝上能達(dá)到的最佳厚度及最大厚度。在表面技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)找出工作要求厚度與可實(shí)現(xiàn)厚度之間的結(jié)合點(diǎn)，從而確定出涂覆層或改性層的厚度尺寸。并可據(jù)此提出有涂覆層零件的預(yù)加工量和涂覆層形成后的光整加工余量。不同的表面技術(shù)制備出的涂覆層及改性層的厚度見(jiàn)表14-7。表14-7當(dāng)前納米表面技術(shù)制備出的涂覆層及改性層厚度表

22、向技木涂覆層及改性層的厚度（mm最佳厚度取大厚度納米電刷鍍饃鍍層0.150.2納米熱噴涂0.20.510氣相沉積0.0010.0030.1納米粘涂0.210金屬納米化加工納米化結(jié)構(gòu)表層0.020.1一般的規(guī)律是，隨著涂覆層厚度的增加，涂覆層的內(nèi)應(yīng)力加大，從而影響涂覆層自身的機(jī)械性能以及涂覆層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。所謂最佳厚度是指工藝上容易實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用場(chǎng)合較多、綜合機(jī)械性能又沒(méi)有明顯下降時(shí)的厚度。對(duì)于要求厚度較大的場(chǎng)合，可以采用設(shè)置“夾心層”的辦法制備出復(fù)合式的涂覆層，以降低涂覆層內(nèi)應(yīng)力。在表面工程的術(shù)語(yǔ)中，有無(wú)膜、薄膜與厚膜之分。無(wú)膜是指通過(guò)金屬表面納米化加工或離子注入或熱滲擴(kuò)等技術(shù)只改變表面的

23、成分、組織結(jié)構(gòu)，從而改變了表面的性能，零件表面沒(méi)有尺寸變化，這類(lèi)表面技術(shù)可稱(chēng)為表面改性技術(shù)。關(guān)于薄膜與厚膜有兩種劃分方法，一種是以膜的厚度來(lái)界定，如有的學(xué)者提出：小于25m的膜稱(chēng)為薄膜，大于25m的膜稱(chēng)為厚膜。筆者支持按功能進(jìn)行分類(lèi)的提法，即把各種保護(hù)性膜稱(chēng)厚膜（如耐磨層、耐腐蝕層、抗氧化層、隔熱層等），而把各種功能膜稱(chēng)為薄膜（如光學(xué)膜、微電子膜、信息儲(chǔ)存膜等）。本書(shū)又將薄膜、厚膜統(tǒng)稱(chēng)為涂覆層。14.6.3涂覆層與基體的結(jié)合強(qiáng)度在選擇表面技術(shù)時(shí)，必須考慮涂覆層與基體的結(jié)合是否牢靠，是否滿(mǎn)足工作條件需要。涂覆層與基體金屬的結(jié)合強(qiáng)度見(jiàn)表14-8。表14-8涂覆層與基體金屬的結(jié)合強(qiáng)度表向技木涂覆層與

24、基體的結(jié)合強(qiáng)度納米復(fù)合電刷鍍沖擊法60kg納米等離了噴涂3080MPa納米超音速火焰噴涂4090MPa納米電弧噴涂2040MPa物理氣相沉積高速鋼上離子鍍TiN,膜厚2dm-3m,對(duì)應(yīng)結(jié)合力為220285MPa級(jí)納米粘涂熱粘2040MPa冷粘1020MPa涂覆層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，與涂覆層的制備工藝有重要的關(guān)聯(lián)，前面列舉的結(jié)合強(qiáng)度數(shù)值，是在嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)處理規(guī)范和嚴(yán)格執(zhí)行涂覆層制配工藝的條件下獲得的。不執(zhí)行預(yù)處理規(guī)范和不正當(dāng)?shù)牟僮鞴に嚲碗y獲得理想的結(jié)合性能。涂覆層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，還和零件材質(zhì)的線(xiàn)脹系數(shù)、涂覆層材質(zhì)的線(xiàn)脹系數(shù)之間的差異相關(guān)聯(lián)。如果二者的線(xiàn)脹系數(shù)差別較大，則結(jié)合強(qiáng)度下降。為了解決這一問(wèn)

25、題，通常采用附加過(guò)渡層的辦法解決，對(duì)于大多數(shù)零件采用先制備底層，再制備工作層的方法，對(duì)于重要零件或線(xiàn)脹系數(shù)差別很大的零件，可采用逐步改變涂層成份的方法（通常稱(chēng)為梯度涂覆層）來(lái)保證結(jié)合性能。在氣相沉積和電沉積技術(shù)中，十分強(qiáng)調(diào)鍍層與基體材料的晶格類(lèi)型。共格界面的結(jié)合強(qiáng)度最好，部分共格界面的結(jié)合強(qiáng)度次之，無(wú)相互作用的晶格界面結(jié)合強(qiáng)度最差。這一規(guī)律同樣適用于多層、多相的復(fù)合涂覆層體系。涂覆層與基體的結(jié)合強(qiáng)度雖然是選擇和論證表面技術(shù)時(shí)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，但不應(yīng)追求結(jié)合強(qiáng)度越高越好，主要是看能否滿(mǎn)足工作要求。定性地說(shuō)，對(duì)于有潤(rùn)滑的動(dòng)配合表面，有微動(dòng)磨損的靜配合表面，摩擦副為金屬或橡膠的密封面、氣體或液體的沖刷

26、面，上述納米熱噴涂技術(shù)、納米復(fù)合電刷鍍技術(shù)、納米氣相沉積技術(shù)以及納米粘涂技術(shù)所制備的涂覆層，其結(jié)合性能都能滿(mǎn)足工況要求，但是不能用于高接觸應(yīng)力交變負(fù)荷的齒輪齒面、軋鋼機(jī)軋輻表面以及挖掘機(jī)鏟齒、鏟刃表面等。從定量上分析，一是涂覆層與基體之間的剪切強(qiáng)度應(yīng)小于工作時(shí)表面受到的剪切力，二是為防止涂覆層在工作時(shí)變形，應(yīng)計(jì)算出涂覆層在工作時(shí)的接觸壓力。例如青銅涂覆層的接觸壓力上限定為1.7MPa,大約是青銅屈服強(qiáng)度的1%4%。閥門(mén)上工具鋼類(lèi)材質(zhì)的涂覆層的接觸壓力上限規(guī)定為140MPa大約是其強(qiáng)度極限的4%6%。由于金屬納米化加工是在零件本身基材上制備出表面納米結(jié)構(gòu)層，因而可以適用于軋輻表面，而且可使軋輻的

27、使用壽命成倍提高。14.6.4常用納米表面技術(shù)的生產(chǎn)效率生產(chǎn)效率是影響生產(chǎn)成本的重要因素，在運(yùn)用納米表面技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)急搶修時(shí)也是一個(gè)重要的時(shí)間因素。表14-9列出了納米表面技術(shù)與生產(chǎn)率有關(guān)的數(shù)據(jù)。表14-9幾種納米表面技術(shù)的生產(chǎn)率表向技木與生產(chǎn)率相關(guān)的因素沉積速率自動(dòng)化生產(chǎn)與批量生產(chǎn)能力現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的適應(yīng)性備注電刷鍍銀基鍍液12.7m/min單件生產(chǎn)、手工作業(yè)適合等離了噴涂110kg/h單件生產(chǎn)、半自動(dòng)化或手工作業(yè)不適合沉積速率與噴涂材料及工超音速火焰噴涂不適合高速電弧噴涂適合規(guī)范有關(guān)化學(xué)氣相沉積12m/h小件可批量生產(chǎn)、半自動(dòng)化作業(yè)不適合還需考慮真空釜的抽氣時(shí)間及緩冷開(kāi)釜時(shí)間；沉積速率與沉積

28、的元素與大物理氣相沉積450m/h粘涂單件生產(chǎn)、手工作業(yè)適合取決于涂膠時(shí)間和固化時(shí)間金屬納米化加工50m/60min可小批量生產(chǎn)、半自動(dòng)化作業(yè)不適合選擇表面處理材料選擇表面技術(shù)是解決制備涂覆層的手段問(wèn)題，選擇表面處理材料則是解決涂覆層的表面性能問(wèn)題。當(dāng)前納米表面工程技術(shù)比較成熟和應(yīng)用得最多的技術(shù)途徑是在涂覆層中添加納米顆粒，以改善涂覆層的性能。因此表面處理材料由兩部分組成，一是涂覆層主體材料，或稱(chēng)基料，二是納米顆粒的材料種類(lèi)及添加量。兩種材料之間有時(shí)還存在相容性問(wèn)題。在納米復(fù)合鍍和粘涂、涂裝技術(shù)中，首先要將納米顆粒進(jìn)行干分散處理，然后添加在鍍液或膠中調(diào)勻。對(duì)于等離子噴涂和高速氣流噴涂還要進(jìn)行造

29、粒，即將納米顆粒制成適合于噴涂的“喂料”，高速電弧噴涂需要制成含納米顆粒的粉芯絲材。納米顆粒復(fù)合電刷鍍材料體系及性能見(jiàn)表14-10,納米等離子噴涂材料體系及性能見(jiàn)表14-11,納米復(fù)合硬膜材料體系及性能見(jiàn)本書(shū)表5-1，納米功能薄膜材料體系見(jiàn)表14-12。表14-10納米顆粒復(fù)合電刷鍍材料體系及性能涂覆層材料體系鍍液中納米顆粒添加量g/L納米顆粒粒度nm鍍層硬度HV相對(duì)耐磨性耐疲勞周次X106(300kgf/mm2下)鍍層適應(yīng)工作溫度Ni040045011.20200c以下n-Al2O7Ni203030806607002.22.51.98400c以下n-TiO2/Ni5806401.92.21.

30、47n-SiO2/Ni6506902.02.41.48n-ZrO2/Ni6306801.52.01.55n-SiC/Ni6006401.62.0400c以下n-Dia/Ni6106501.41.8400c以下表14-11納米等離子噴涂材料體系及性能?chē)娡糠N類(lèi)材料種類(lèi)納米顆粒尺寸/nm喂料尺寸/m涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度/MPa涂層硬度/HVo.2摩擦系數(shù)/心孔隙率/%箋南一寸17J噴涂Al203/TiO22080101003080100012000.8510WC/Co150017000.5表14-12納米功能薄膜的材料體系薄膜名稱(chēng)體系晶粒尺寸/膜層厚度(nnrj)應(yīng)用電學(xué)寬帶隙薄膜金剛石，c-BN,D

31、LC,AlN,SiC非晶態(tài)一微米晶場(chǎng)發(fā)射器件鐵電薄膜BaTiOJBTO),Pb(Zr,Ti)O3(PZT),SrTiO3(STO),(Ba,Sr)TiO3(BST),(Pb,La)(Zr,Ti)O3(BLZT),ZnO,AlN,ZnO/AlN20-70nm電容器，薄膜傳感器，微型壓電電機(jī)，鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器，光波導(dǎo)，熱釋電紅外探測(cè)器鐵電/超導(dǎo)多層膜BaTiO3(BTO)/YBa2Cu3O-s(YBCO,PZT/YBCO50-230nm微波器件，超導(dǎo)場(chǎng)效應(yīng)晶體管光學(xué)光電發(fā)射薄膜Ag-CezO,Ag-BaO5-80nm光電轉(zhuǎn)換發(fā)光薄膜Ge,Si/Ge,Si/SiO2,Ge/SiO2,Si/SixGe-

32、x,ZnQ10nm發(fā)光器件，激光器件磁學(xué)巨磁電阻膜Co/Cu,Fe/Ag,Fe/Mo,Co/Mn/Co,CoNi/Cu,CaAgi-x/Ag,Co/Al,NixFe1-x/Mo0.2-4nm高密度磁頭，磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器，磁電阻傳感器龐磁電阻膜Pr1-xSrxMnO20-300nm半導(dǎo)體、超導(dǎo)磁光效應(yīng)膜TbFeCqGdTbFeCoPt/Co,MnBiAl,0.3-40nm磁光盤(pán)信息存儲(chǔ)稀土鐵基硬磁膜Nc2Fe14B,SmFeNix,SmFeg,（SmFe。）xm）G,0.2-60nm硬磁薄膜聲學(xué)聲表面波薄膜Al2（Nb2Q）3,硅酸鋁，金剛石100nm濾波器件，緩時(shí)器件執(zhí)八、學(xué)納米太陽(yáng)能吸熱膜S

33、nxAlyNQ10-80nm太陽(yáng)能換熱器復(fù)合表面技術(shù)的運(yùn)用在單一表面技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，綜合運(yùn)用兩種或多種表面技術(shù)的復(fù)合表面技術(shù)（也稱(chēng)第二代表面技術(shù)）有了迅速的發(fā)展。復(fù)合表面技術(shù)通過(guò)最佳協(xié)同效應(yīng)使工件材料表面體系在技術(shù)指標(biāo)、可靠性、壽命、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性等方面獲得最佳的效果，克服了單一表面技術(shù)存在的局限性，解決了一系列工業(yè)關(guān)鍵技術(shù)和高新技術(shù)發(fā)展中特殊的技術(shù)問(wèn)題。強(qiáng)調(diào)多種表面工程技術(shù)的復(fù)合，是表面工程的重要特色。復(fù)合表面工程技術(shù)的研究和應(yīng)用已取得了重大進(jìn)展，如熱噴涂和激光重熔的復(fù)合、熱噴涂與刷鍍的復(fù)合、化學(xué)熱處理與電鍍的復(fù)合等。即使同一種表面技術(shù)，在其發(fā)展歷程中也同樣存在著博采眾長(zhǎng)與其它技術(shù)相互交叉的趨

34、勢(shì)。以離子注入為例：在用于半導(dǎo)體材料摻雜的離子注入基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的束線(xiàn)離子注入技術(shù)可大大改善零件表面的耐磨性、耐疲勞性和光、電、磁性能。為了克服功能膜層比較薄的缺點(diǎn)，學(xué)者們將蒸鍍、濺射鍍膜技術(shù)與束線(xiàn)離子注入技術(shù)相結(jié)合發(fā)展了離子輔助鍍膜（IAC）或離子束輔助沉積（HAD）技術(shù)，既克服了一般鍍膜技術(shù)中膜基結(jié)合不良的缺點(diǎn)，又將膜層厚度從原來(lái)的0.2m提高到了幾微米甚至幾十微米。由于束線(xiàn)離子注入存在著固有的視線(xiàn)限制，無(wú)法處理形狀復(fù)雜或者較為大型的零件，近10年來(lái)國(guó)內(nèi)外興起了等離子體浸沒(méi)離子注入（PIII）技術(shù)，將工件浸沒(méi)在等離子體中，能全方位處理形狀復(fù)雜的零件，也能方便地處理大和重的工件。該技術(shù)在材料

35、表面改性方面取得了巨大的成功。而沿著束線(xiàn)離子注入技術(shù)路線(xiàn)發(fā)展起來(lái)的MeVV礙離子體源，可以向金屬表面注入金屬離子，并在航空航天零部件的抗高溫腐蝕方面取得了令人滿(mǎn)意的效果。最近，一些研究者又綜合了PIII和MeWAl：者的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了金屬等離子體浸沒(méi)離子注入與沉積（MePIIID）。這項(xiàng)技術(shù)既可進(jìn)行純金屬等離子沉積，又可進(jìn)行金屬等離子體注入，還可任意改變二者的比例，為離子注入技術(shù)在表面改性方面的應(yīng)用開(kāi)拓了更為廣闊的空間。納米表面技術(shù)的研究成果豐富了復(fù)合表面技術(shù)的內(nèi)涵，也為表面技術(shù)設(shè)計(jì)中提高表面性能、降低生產(chǎn)成本、加快表面處理速度以及節(jié)省能源開(kāi)辟了新途徑。盧柯等學(xué)者對(duì)經(jīng)過(guò)表面納米化加工的純鐵進(jìn)行滲氮處理試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)和傳統(tǒng)滲氮處理工藝相比，滲氮處理溫度由原來(lái)的500下降到3