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梳理：金屬材料表面處理技術(shù)及其應(yīng)用

2018-07-03 11:27:26 作者：劉小暢來源：材料人分享至：

【綜述】

19世紀(jì)工業(yè)革命以來，為了適應(yīng)耐磨耐高溫、耐酸堿腐蝕和高強度、高硬度等特殊要求，人們需要不斷開發(fā)各種特殊合金材料以滿足需求，然而這些合金材料往往成本高昂，而且多數(shù)情況下，難以同時滿足整體和表面的性能要求。金屬材料服役時不可避免的與環(huán)境相接處，而與環(huán)境真正接觸的是金屬表面，如各種機械零件和工程構(gòu)件，甚至體內(nèi)植入材料等。當(dāng)金屬表面發(fā)生破壞或失效，將嚴(yán)重影響其服役效果和使用壽命。1983年英格蘭伯明翰大學(xué)教授湯·貝爾首次提出表面工程的概念，利用極少量材料對金屬基體表面進行改性處理，使金屬表面得到保護和強化，解決單一材料無法解決的問題，從而大大提高產(chǎn)品的使用壽命和可靠性。

金屬表面處理是指通過機械加工、熱處理、化學(xué)或復(fù)合方法使金屬表面的組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和物理狀態(tài)等發(fā)生變化，從而使經(jīng)過處理后的金屬表面表現(xiàn)出與原基體不同的性能，來滿足對金屬材料耐蝕性、耐磨性、裝飾性或者其他功能性的要求。目前已有許多成熟的金屬表面處理技術(shù)，通常按照加工方式不同，可分為機械方法、物理方法和化學(xué)方法三類。為了便于理解，我們按照是否對金屬材料表面引入其他元素或物質(zhì)，將金屬表面處理技術(shù)分為兩大類，即表面組織強化方法和表面涂層方法。

【金屬表面組織強化】

表面組織強化方法是用機械、物理或化學(xué)等方法來改善材料表面的形貌、微觀組織結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)，目的是使原來基體表面層（0.3-3 μm深度）獲得如下強化組織的一種或幾種：1）增加表面晶體缺陷（如位錯密度等），2）獲得壓應(yīng)力狀態(tài)表層，3）表面形成硬化組織（如馬氏體等），4）表面晶粒細化或微晶化，5）表面非晶化。這種處理工藝主要包括切削、磨削、拋光、噴丸、噴砂、超音振蕩、感應(yīng)加熱、表面淬火、激光蝕刻等。另外還有部分化學(xué)處理過程也可歸為表面組織強化方法，比如酸、堿處理，過氧化氫處理以及電化學(xué)晶界腐蝕等。

機械拋光

依靠非常細小的拋光粉的磨削、滾壓作用，除去試樣磨面上的極薄一層金屬。

表面淬火

利用快速加熱使表層奧實體化，立即淬火使表層組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體以強化表面，心部組織基本不變。

感應(yīng)加熱

利用交變電流在表面感應(yīng)巨大渦流，使金屬表面迅速加熱形成氧化層。

【金屬表面涂層】

表面涂層方法是通過物理或化學(xué)的方法在基體材料表面制備一層與基體組織結(jié)構(gòu)和性能不同的鍍層或膜層。根據(jù)涂層作用原理不同，又可大致分為轉(zhuǎn)化膜層和沉積膜層兩類。

轉(zhuǎn)化膜層是通過金屬基體與環(huán)境相（通常為液體）發(fā)生某種特定的化學(xué)反應(yīng)而在基體表面原位生長的膜層，化學(xué)組成多為無機成分。由于原位生長的特殊性，轉(zhuǎn)化膜通常具有較高的膜基界面結(jié)合強度。目前形成轉(zhuǎn)化膜的方法主要包括鈍化（passivation）、陽極氧化（anodization）、微弧氧化（micro-arc oxidation）、離子注入（ion implantation）以及化學(xué)轉(zhuǎn)化（chemical conversion）等。

一、金屬表面轉(zhuǎn)化膜層的主要處理技術(shù)

微弧氧化

在高電壓下等離子體輔助陽極氧化的過程，金屬表面能夠生成附著力好并且電絕緣的多孔氧化膜。

化學(xué)轉(zhuǎn)化

通過金屬表面在特定溶液介質(zhì)中發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)而生成一層不溶性無機化合物膜層。

沉積膜層主要指依靠電能、動能或熱能，將成膜原子、分子或離子輸送至基體表面，進而發(fā)生凝聚形成的膜層。一般而言，形成的涂層化學(xué)成分多樣，可以根據(jù)需求和應(yīng)用不同選擇無機或有機成分甚至金屬涂層。由于加工方法的多樣性和差異性，形成的沉積膜層與基體的結(jié)合強度變化也很大。目前形成沉積膜層的方法主要包括噴涂（spraying）、氣相沉積（vapor deposition）、溶膠-凝膠法（sol-gel）以及仿生沉積（biomimetic）等。

二、金屬表面沉積膜層的主要處理技術(shù)

等離子噴涂

采用由直流電驅(qū)動的等離子電弧作為熱源，將陶瓷、合金、金屬等材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并以高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的工件表面而形成附著牢固的表面層。

化學(xué)氣相沉積

利用氣相中發(fā)生的物理、化學(xué)過程，在工件表面形成功能性或裝飾性的金屬、非金屬或化合物涂層。

溶膠-凝膠法

以適當(dāng)?shù)臒o機鹽或有機鹽溶液為原料，經(jīng)過水解與縮聚反應(yīng)在基體表面膠凝形成薄膜，最后經(jīng)干燥、煅燒和燒結(jié)獲得一定結(jié)構(gòu)的表面薄膜。

【金屬表面處理技術(shù)應(yīng)用】

金屬表面處理技術(shù)以其高度的實用性和顯著的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗等特點，在日常生活、機械制造、航天航海、交通能源、石油化工以及生物醫(yī)學(xué)等各個行業(yè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。金屬表面處理技術(shù)不僅是金屬材料產(chǎn)品的“美容術(shù)”，也是許多產(chǎn)品性能的改良技術(shù)，更是先進的產(chǎn)品制造技術(shù)。金屬表面處理技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

防護性

大部分表面處理技術(shù)都對金屬材料有一定的防護和強化作用，提高金屬在大氣、海水及化學(xué)介質(zhì)中的耐蝕性能，以及在服役期的抗疲勞性、耐磨性和潤滑性等。如生活和工程應(yīng)用中鋁合金陽極氧化、鍍鋅鋼絲、五金表面鍍鉻等。

裝飾性

金屬材料由于本身特性，會隨著時間、環(huán)境的變化產(chǎn)生銹蝕等變化，失去金屬本身的光澤。表面處理可賦予金屬材料表面一定的光亮度、色彩度和花紋圖案，對金屬表面起到美化效果。如激光雕刻、光化學(xué)腐蝕、金屬壓花以及各種表面噴涂等。甚至在一些特殊的金屬武器裝備表面可以應(yīng)用表面處理技術(shù)，使其表面有效消除反光或吸收光線以利于隱蔽。