表面工程技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用

-.z外表工程技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用*清洪(**僑興輕工學(xué)校，350301)外表工程學(xué)是一門新興的學(xué)科，開展迅速，應(yīng)用前景廣闊。文章闡述了開展外表工程學(xué)研究的目的和意義。評述了外表工程學(xué)在人類文明和生活、在先進(jìn)制造技術(shù)、在設(shè)備儀器維修、在電子通訊技術(shù)、在高新技術(shù)以及在節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境中的作用和應(yīng)用。關(guān)鍵詞外表工程學(xué)外表技術(shù)應(yīng)用1.前言外表科學(xué)與工程以外表為研究對象。外表問題是一個古老的問題。然而，早在二十多年以前，所有固體物理的研究均假設(shè)材料是無窮大的，沒有外表，拋開外表問題來研究材料，說明外表有其特殊的復(fù)雜性。美國材料界有“上帝創(chuàng)造了物質(zhì)、魔鬼給了一個外表〞之說，可見外表問題是比擬困難的。外表工程學(xué)科開展的重要標(biāo)志是1983年英國伯明翰大學(xué)成立了Wolfson外表工程學(xué)院[1],并在1985年創(chuàng)辦了國際性雜志?外表工程?。認(rèn)識到這一新興學(xué)科的重要性，1986年在布達(dá)佩斯第5屆國際材料熱處理大會上，將國際熱處理學(xué)會更名為國際熱處理與外表工程學(xué)會。中國機(jī)械工程學(xué)會于1987年成立了外表工程研究所，1988年出版了中文版?外表工程?雜志，1993年成立了中國機(jī)械工程學(xué)會外表工程分會。自1989年以來，我國先后屢次召開全國性或國際性的外表工程學(xué)術(shù)會議和外表科學(xué)與工程學(xué)術(shù)會議。2、外表工程學(xué)的研究意義和目的物體的相互作用首先是通過物體外表進(jìn)展的。外表及外表層的構(gòu)造與性能在科學(xué)、技術(shù)和日常生活中的重要性是不言而喻的。如催化劑的催化行為是由外表成分和構(gòu)造決定的；在半導(dǎo)體材料中，各種電性能通常是由材料的最外層微米數(shù)量級厚度的成分和構(gòu)造控制的。工程中常見的三大失效形式—磨損、腐蝕和斷裂，前兩者是因外表破壞而失效，即使是疲勞斷裂，也往往是從受力最大的外表開場而逐漸向內(nèi)部開展。失效破壞導(dǎo)致零部件報廢，設(shè)備停產(chǎn)，給國民經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失。外表工程學(xué)能直接針對許多貴重零部件的失效原因，實(shí)行局部外表強(qiáng)化或修復(fù)，對零部件進(jìn)展預(yù)保護(hù)或重新恢復(fù)其使用價值，它的最大優(yōu)勢是能夠以多種方法制備出優(yōu)于本體材料性能的外表功能薄層，這層外表材料與制作部件的整體材料相比，厚度薄，僅占工件整體厚度的幾百分之一到幾十分之一，但卻賦于基體材料外表的原來沒有的特殊性能，從而滿足工程上對材料外表性能的要求。因此，開展外表工程學(xué)的研究，改善材料的外表性能，對于提高零件的使用壽命和可靠性；對于改善機(jī)械設(shè)備的性能、質(zhì)量，增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭能力；對于推動高新技術(shù)的開展；對于節(jié)約資源、美化人類生活，減少環(huán)境污染等方面都具有重要意義，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益是顯而易見的。開展外表工程學(xué)的研究，不僅在于其經(jīng)濟(jì)意義，還在于其具有重要的學(xué)術(shù)價值。美國工程科學(xué)院為美國國會提供的2000年前集中力量加強(qiáng)開展的9項(xiàng)新科學(xué)技術(shù)中，有關(guān)材料方面的僅有材料外表科學(xué)與技術(shù)的的研究[2]。在我國材料外表改性作為傳統(tǒng)材料性能優(yōu)化的根底研究也列入國家自然科學(xué)基金“九五〞優(yōu)先資助領(lǐng)域。在國家的節(jié)能節(jié)材九五規(guī)劃中建議將開展外表工程作為重大措施之一，并列出節(jié)能、節(jié)材示*工程[3]。外表科學(xué)的研究可為外表技術(shù)的研究提供一定的理論指導(dǎo)；外表新技術(shù)的開發(fā)和完善又提出許多新的學(xué)術(shù)課題，外表工程學(xué)的研究也有力地促進(jìn)了相關(guān)學(xué)科的開展。外表工程學(xué)研究的目的是賦于材料外表具有原來沒有的特殊性能：物理性能：包括電磁特性(導(dǎo)電性、絕緣性、半導(dǎo)體性、磁性、電磁屏蔽性)，光學(xué)特性(吸光性、反光性、光導(dǎo)、光電效應(yīng))，熱特性(熱傳導(dǎo)性、耐熱性)，聲特性及防輻射等；化學(xué)性能：包括腐蝕防護(hù)性、催化特性等；機(jī)械性能：包括加工性、密封性、抗疲勞性、強(qiáng)度、硬度、韌性等；摩擦學(xué)性能：包括減摩性、耐磨性、自潤滑性、浸潤性等；裝飾性：包括色彩、光澤性和可修飾性。3、外表工程學(xué)的應(yīng)用外表工程技術(shù)以其高度的實(shí)用性和顯著的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的特點(diǎn)在制造業(yè)、維修業(yè)中占領(lǐng)了日益增長的市場，在航空航天、電子、汽車、能源、石油化工、礦山等工業(yè)部門得到了越來越廣泛的應(yīng)用?？梢哉f幾乎有外表的地方就離不開外表工程。外表工程改善和美化人類生活[4]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外表工程的成就。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、房屋裝修更是以外表工程為其重要技術(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、電子儀表中的外表工程的新成果；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?？梢哉f，人們生活在一個由于外表工程技術(shù)的開展而變得越來越美好的環(huán)境中。外表工程是先進(jìn)制造技術(shù)開展的關(guān)鍵之一外表工程的快速開展及廣泛應(yīng)用被認(rèn)為是制造領(lǐng)域中的重要進(jìn)展。目前，技術(shù)成熟并投入工業(yè)實(shí)際應(yīng)用的外表工程技術(shù)已多達(dá)上百種。例如，外表工程使內(nèi)燃機(jī)的缸套/活塞環(huán)、凸輪/挺桿、軸/軸套三級摩擦副降低能耗1/4~1/3,大修里程從平均10萬公里提高到30萬公里；對氣缸、軋鋼機(jī)大滑板、大型冷凍機(jī)螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸等各種工件外表進(jìn)展激光淬火，可使壽命提高3~5倍；對高速鋼和硬質(zhì)合金工模具在精加工以后進(jìn)展外表氮離子注入，可使壽命提高1~10倍；切削刀具采用氮化鈦類涂層，引起了一場刀具的“黃色革命〞。對各種金屬切削刀具進(jìn)展等離子體增強(qiáng)磁控濺射離子鍍處理，可使其壽命提高3~14倍；利用雙束動態(tài)混合注入技術(shù)，將高分子材料濺射到傳熱管(黃銅、紫銅和鍍鉻的黃銅等)上，同時用氮離子注入，可以在傳熱外表形成蒸汽的滴狀冷凝，使傳熱效率提高了20倍。[5]外表加工技術(shù)不僅是產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量得以保證的關(guān)鍵，也是產(chǎn)品外觀質(zhì)量保證的重要手段。例如，對于滾動軸承的滾道，目前工廠廣泛采用磨—拋工藝，其外表粗糙度可達(dá)Ra0.04μm,采用新的外表加工方法可提高到Ra0.01μm，使用壽命可提高4倍以上，并能消除波紋度，減小軸承的振動與噪音；對模具光整加工使其外表粗糙度降低，一級模具使用壽命可以提高50%以上。外表工程技術(shù)在制造業(yè)廣泛應(yīng)用的例子枚不勝舉。外表工程技術(shù)已成為先進(jìn)制造技術(shù)中優(yōu)先開展的內(nèi)容，也是我國國民經(jīng)濟(jì)建立中重點(diǎn)開展應(yīng)用的技術(shù)內(nèi)容。3.3外表工程促進(jìn)了維修行業(yè)的開展零件磨損、腐蝕和疲勞失效常發(fā)生在外表。通過外表技術(shù)修復(fù)、強(qiáng)化使機(jī)械零件翻新如初，從而大量節(jié)省了因購置新品、庫存和管理備件以及停機(jī)等所造成的對能源、原材料和經(jīng)費(fèi)的浪費(fèi)，并極大地減少了環(huán)境污染及廢物的處理。許多采用外表技術(shù)處理過的舊零部件，其性能大大超過新品，而本錢僅為新品的10%，甚至不到。全軍裝備維修外表工程研究中心應(yīng)用電弧噴涂技術(shù)成功地修復(fù)了長江三峽工程中挖泥船的發(fā)動機(jī)曲軸，當(dāng)時如從日本購置新軸，加上運(yùn)費(fèi)和進(jìn)口關(guān)稅等需人民幣120萬元，從訂購到交貨需三個月以上，停產(chǎn)損失更為可觀，而修復(fù)總費(fèi)用僅3.5萬元，缺乏曲軸價格的3%；采用電刷鍍技術(shù)修復(fù)或改造大型、重型、精細(xì)設(shè)備，尤其是進(jìn)口設(shè)備，取得了十分突出的成效，如首鋼從比利時引進(jìn)的二手連鑄設(shè)備、**水泥機(jī)械廠由德國進(jìn)口的6.3米立式車床、**石油化纖公司由日本進(jìn)口的5.7米連續(xù)縮聚攪拌釜主軸、齊魯石化公司由日本進(jìn)口的328塊匯流銅排、燕山石化公司由日本進(jìn)口的聚丙烯造粒主減速箱，平圩電廠由美國進(jìn)口的60萬瓩汽輪機(jī)等大型進(jìn)口設(shè)備等。[6]采用等離子噴涂修復(fù)242件履帶式工程機(jī)械行走機(jī)構(gòu)零件，裝機(jī)后進(jìn)展12000公里行駛考核，證明涂層與基體結(jié)合可靠，耐磨性比新品提高1.4~8.3倍，噴涂修復(fù)本錢僅為新品價格10%~12%，等離子噴涂金屬陶瓷涂層，用于修復(fù)醋酸泵密封環(huán)和軸套，使用壽命比一般不銹鋼件高10倍以上；大型重載齒輪外表鍍銦可防止粘著磨損；氣缸外表的激光相變硬化，可使氣缸壽命延長3~5倍；挖泥船液壓支柱5米長的液壓缸內(nèi)外表上深度劃傷，用粘涂快速修復(fù)效果很好；氣相沉積外表與潤滑油添加劑配合使用，可使耐磨性提高4~5倍；新型防腐涂料用于地下管道和行駛車輛，可使防腐壽命到達(dá)10年。使用導(dǎo)電膠能快速填補(bǔ)劃傷溝槽，還能與電刷鍍組合應(yīng)用，使被修復(fù)外表有金屬涂層；液壓缸體、柱塞、軸承配合面和密封面等使用耐磨膠可恢復(fù)零件磨損外表尺寸，在膠中添加減摩劑可實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)轉(zhuǎn)外表的固體潤滑；[6]趙源等人從仿生學(xué)角度出發(fā)，根據(jù)動物摩擦副如關(guān)節(jié)、牙齒等自補(bǔ)償功能，提出了磨損自補(bǔ)償，從研究選擇性，轉(zhuǎn)移到自補(bǔ)償潤滑添加劑，使摩擦副在磨損時到達(dá)一定補(bǔ)償或無磨損?？傊?，外表工程技術(shù)的廣泛應(yīng)用大大推動了工程機(jī)械維修技術(shù)的開展，使維修由簡單的技術(shù)或工藝開展成為一門相互滲透，相互穿插的綜合性學(xué)科。在日本已提出了“再生工廠技術(shù)〞的概念?，F(xiàn)代機(jī)械維修與外表工程技術(shù)的開展有著密切的聯(lián)系。隨著先進(jìn)制造技術(shù)及設(shè)備工程學(xué)的不斷開展，制造與維修將越來越趨于統(tǒng)一。3.4外表工程在電子工業(yè)中的應(yīng)用外表工程在四十年代解決了在半導(dǎo)體外表真空蒸發(fā)鍍金屬膜，促成了六十多年電子工業(yè)的大開展。如蒸鍍SbS3、CaSe、ZnSe等用于電視攝像機(jī)攝像管的光電導(dǎo)面；蒸鍍Cr、Cu用于攝像管的電極；蒸鍍或?yàn)R射ZnS,ZnS+ZnSe用于顯示器上電發(fā)光的熒光體；蒸鍍或?yàn)R射Fe-Ni或Ni-Fe合金用于電子計(jì)算機(jī)中磁閥或磁頭的敏感件；濺射或CVD的SiO2或AL203膜在電子計(jì)算機(jī)、無線電、電視中作為絕緣膜；蒸鍍Ni，Cr,Sn,Sb、金屬陶瓷等作金屬膜電阻；離子鍍Au,Al,Cu,Ni用于電極副和導(dǎo)電模；離子鍍W，Pt用作接點(diǎn)材料，離子鍍銅用于印刷板和薄膜集成電路板；離子鍍SiO2,Al2O3用于電容和二極管；離子鍍Fe，Co,Ni用于磁帶；離子鍍Be在音響上用作振動極；離子鍍Pt用于集成電路上；化學(xué)鍍鈀在電接觸和連接器，尤其是通訊工業(yè)方面已得到應(yīng)用。迄今，電子工業(yè)和計(jì)算機(jī)工業(yè)的進(jìn)一步開展將得益于激光沉積鍍金鍍銅，化學(xué)鍍鎳磷合金等這樣一些外表工程的新技術(shù)。3.5外表工程在高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用外表工程是隨著高新技術(shù)出現(xiàn)開展起來的一項(xiàng)工程技術(shù)。高新技術(shù)促進(jìn)了外表工程的開展，外表工程為高新技術(shù)的開展提供了工藝及材料支持。外表工程在制備功能材料方面具有特殊的優(yōu)勢。非晶態(tài)金屬或合金具有優(yōu)異的耐蝕性、耐磨性、高強(qiáng)度、低膨脹性以及特殊的電磁特性，可以采用溶液鍍，氣相沉積、激光束、等離子束高能密度等外表技術(shù)制備，既簡便，又經(jīng)濟(jì)。非晶硅薄膜具有優(yōu)良的光吸收能力，可作為太陽能轉(zhuǎn)換材料，且可以大面積涂敷，本錢也較低，是理想的光電轉(zhuǎn)換材料。非晶膜還可以用于磁屏蔽，用于變壓器的鐵芯等；在超導(dǎo)材料研究方面，日本已開發(fā)了用激光制備高性能超導(dǎo)材料的技術(shù)，可制成超導(dǎo)帶材料，也可以采用熱噴涂技術(shù)制備超導(dǎo)涂層；外表工程為電子通訊技術(shù)提供關(guān)鍵的薄膜材料及功能器件。如在大規(guī)模集成電路中以SiO2為基的絕緣襯底上生產(chǎn)Si的薄膜技術(shù)。制作超大規(guī)模集成電路中最理想的功能材料是采用CVD方法制備的金剛石薄膜，其具有極為優(yōu)異的導(dǎo)熱性，高介電性和半導(dǎo)體性能；在生物醫(yī)療方面已采用等離子噴涂技術(shù)在不銹鋼人工骨骼外表噴氧化物陶瓷涂層制造人工骨骼，解決了陶瓷層與人體肌肉生物相容性的難題。在Co-Cr-Mo合金上噴涂羥基磷灰石涂層制備人造關(guān)節(jié)，用等離子噴涂法制造人工齒根的技術(shù)也得到了應(yīng)用；日本的航空航天、核電站、大規(guī)模集成電路、電子計(jì)算機(jī)中大量使用了陶瓷、塑料電鍍及化學(xué)鍍技術(shù)，新加坡已開展了電磁屏蔽用的聚酸脂塑料電鍍，連續(xù)式電子束鍍膜技術(shù)在德國已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用?？傊?，外表工程技術(shù)在高新技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。3.6外表工程可于保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源外表工程在保護(hù)環(huán)境，保護(hù)資源方面正起著越來越重要的作用。無論是環(huán)境監(jiān)測和評估，還是環(huán)境控制、環(huán)境改善，都將用到外表工程所能提供的一切最新成就。節(jié)約能源，節(jié)約材料是外表工程最直接有效的傳統(tǒng)領(lǐng)域。各種外表工程技術(shù)大大降低了損失于大氣腐蝕、海水腐蝕的鋼鐵構(gòu)件、管道和設(shè)備的數(shù)量，延長了建筑物、船舶、橋梁和機(jī)器的使用壽命，維持其良好的工作狀態(tài)。在三峽建立工程中準(zhǔn)一級公路上的三座特大鋼管混凝土拱橋的鋼構(gòu)造上，**材料保護(hù)研究所運(yùn)用噴涂，封閉加面漆的綜合外表工程方案，滿足了二十年不維修的設(shè)計(jì)要求。這一技術(shù)現(xiàn)已在國內(nèi)其他幾十座大橋上應(yīng)用。我國外表工程技術(shù)工作者還為摩洛哥皇家體育場提供了解決看臺風(fēng)雨棚鋼構(gòu)造受熱帶海洋氣候嚴(yán)重腐蝕問題的復(fù)合防護(hù)涂層技術(shù)；解決了葛洲壩船閘構(gòu)件的耐沖擊、耐磨損的長效防護(hù)涂層；解決了**羊八井地?zé)岚l(fā)電工程含硫蒸汽對金屬構(gòu)件的腐蝕問題。[4]對于開發(fā)新能源來說，外表工程更是特別有用的手段，無論是太陽能轉(zhuǎn)換元件，核能抗輻射涂層，處處是外表工程十分活潑的領(lǐng)域。4、完畢語外表工程在各行業(yè)、各領(lǐng)域的應(yīng)用與開展方興末艾，前景廣闊。外表工程技術(shù)往往能解決依靠單項(xiàng)傳統(tǒng)技術(shù)無法解決的難題，給人以出乎意料的驚喜和柳暗花明的感覺。這在大規(guī)模集成電路，計(jì)算機(jī)磁盤技術(shù)，外表隱形技術(shù)等方面表現(xiàn)得很明顯。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速開展，外表工程技術(shù)生機(jī)勃勃，將伴隨著人類的文明和科學(xué)的進(jìn)步，發(fā)揮著越來越重要的作用。參考文獻(xiàn)1、T.貝爾，