金属材料表面工程的应用与发展
匡帅[1]王萌萌[2]范晓萌[3]
(1山东诚信工程建设监理有限公司济南250100；2山东英才学院济南
2501043山东诚信工程建设监理有限公司济南250100)
摘要：表面工程技术是21世纪的关键技术之一，从上世纪八十年代开始一直保持较快的发展速度，在科研和生产中得到广泛应用，收到了良好的效益。本文简要概述了金属材料表面工程技术中的表面改性处理、表面涂镀/层技术和堆焊表面改性技术的特点、应用范围和发展现状。
关键词：金属材料；表面工程；发展与应用
Abstract:Surface engineering technology is one of the key technologies in the 21st century, and it has been maintained a fast rate of development from the 1980s. This technology is used widely in scientific research and production,and received good benefits. This paper briefly summarizes the characteristics ,application and development of the surface modification processing, surface coating plating/layertechnology and the build-up welding technique in metal material surface engineering technologies.
Key Words:Metal material, Surface engineering, Application and development
中图分类号：F416.41文献标识码：A 文章编号：
引言
表面工程学是一门涉及材料科学、冶金技术、机械工程等众多领域的综合学科，包括表面科学理论、表面工程技术、表面工程技术设计、表面分析与检测技术、表面质量与工艺过程控制工程、表面工程管理与经济分析等几个方面[1]。其中表面工程技术是和生产实践联系最为密切的，同时也代表着生产技术水平的高低。科学技术的发展和进步对生产设备与仪器提出了更高的要求，复杂多变的工况考验着材料性能的优劣，必须在保证经济性前提下，综合运用各种高新技术提高和改善金属材料性能。
表面工程技术是利用科技手段对材料表面进行处理，通过改变材料表面和亚表面的成分、微观组织结构以此来改善和提高其性能，满足使用要求。金属零件在使用过程中的破坏往往是从表面开始的，或因接触介质的化学腐蚀，或高温
环境的氧化和熔化，或摩擦工况及磨料介质中的磨损，或复杂受力下的弯曲、扭转、拉压或剪切。因此，强化表面成为抵抗此类破坏的第一道防线。近年来，表面改性处理、表面涂镀/层技术和堆焊表面改性技术因其不同的优点在表面工程技术领域迅速发展。
1表面改性技术
表面改性技术包括以喷丸强化、辊压强化为代表的表面强化技术，以各种氧化、钝化成膜的化学转化膜技术，化学气相沉积技术（CVD ）与等离子束、激光束等高能束的表面处理技术。表面改性技术是借助外在介质改善材料的表面性能，不对原材料添加任何化学元素，改性后的材料表面不存在化学元素的增减，只是成分的比例和组织结构发生变化。因此，该技术相对于涂镀（层）技术和堆焊表面改性技术要工艺简单，只需控制好过程参数即可。不同的工况环境对材料的要求也不同，应根据具体的实际需求选择处理工艺。
1.1化学转化膜技术
该技术经过近些年的发展已经实现了不仅在金属材料表面成膜，而且可在陶瓷等非金属表面成膜，膜的厚度也在向着更优更薄的方向发展。如各种碳化钛超导陶瓷薄膜系多晶或外延单晶薄膜、抗高温大功率的半导体用金刚石薄膜以及各种光电子薄膜和集成光学薄膜。铝及其合金的表面改性技术大多采用的是表面成膜技术，在表面形成耐磨、耐蚀、多孔、结合性强的高性能薄膜。目前铝合金表面的改性技术主要有：电化学氧化法、化学转化法、微弧氧化技术、等离子注入表面改性、冷喷涂技术、稀土转化膜和激光处理等[2]。
1.2高能束表面改性技术
高能束表面改性技术是运用高能束热源，添加或不加化学元素，对材料表面及亚表面进行重熔或熔覆处理，形成满足使用要求的高性能表层。所谓的高能束（High Energy Density Beam------HEDB ）即高能量密度的束流，包括激光束、电子束、等离子束[3]，与传统热源相比较，高能束具有独特的优点：1、能量更加集中，因此热效率高；2、方向性更强；3、易于实现精确控制；4、属于绿色能源，不易造成浪费。高能束的诸多优点使得它在传统技术工业、聚合物、生物医用材料、制备纳米材料等各个领域得到广泛的应用[4]。激光重熔、等离子重熔、激光表面熔覆、激光表面合金化等高能束表面改性技术在各行业得到飞速发展。
高能束作为新型能源在表面改性技术中的应用，给表面工程学科带来了大发展，必将是倡导节约能源降低能耗的21世纪快速发展的能源之一。表面改性处理改善金属材料的使用性能与组织、硬度和耐磨性的改变有关，而各项改变的量和质决定于材质和高能束热源。不同材料在具体的过程中还受到诸如扫描速度、扫描间距、电流、电压等工艺条件选择的影响。通常，输入材料表面的高能束热量越大，材料的散热能力越强，则获得的性能改善层深度越大，材料表面组织与原始组织差别越大。具体行业领域中的应用还需根据实际情况选择高能束热源类型和实际生产中合适的工艺参数。
2表面涂镀/层技术
古典技术与现代技术相结合在材料表面形成一层或多层同质或异质层的技术称为表面涂镀/层技术。该技术包括在材料表面电镀耐磨、耐蚀、耐高温等优异性能的单层或复合表层、非晶态镀层的电镀技术；有机涂层技术、热喷涂技术、物理气相沉积技术等。
2.1热喷涂技术
热喷涂技术是一种重要的表面工程技术，通过在材料表面喷涂保护层、强化层和装饰层来实现抗磨、耐热、耐蚀、绝缘和导光等特性功能[5]。热喷涂技术作为一种表面强化和防护工艺如今已日渐成熟，从单一的表面强化层发展到及产品失效分析、表面预处理、喷涂材料、喷涂设备选择、喷涂工艺确定、涂层系统设计和喷涂层后期加工为一体的系统工程。该技术由条件要求极高的宇航工业开始，如今已深入发展到民用工业的各个行业[6]。
热喷涂技术包括火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等。电弧喷涂效率高、涂层结合力强、生产效率高且能适合各种复杂环境，因此在市场上的份额较大。喷涂材料离子的温度和速度对涂层的性能影响较大，由此而生的超音速等离子热喷涂技术近年来在国际上发展迅速。火焰喷涂根据涂层材料的种类不同分为线材火焰喷涂和丝材火焰喷涂技术。该技术是利用火焰将材料先熔化然后形成涂层，之后再用火焰加热涂层，可以使基层与涂层材料间达到冶金结合，对于高温下承受热冲击的高温磨具处理尤为重要[7]。
2.2物理气相沉积技术
物理气相沉积技术是利用真空蒸发、溅射、离子镀等方法在材料表面成膜。
表面膜可以是金属膜、合金膜、陶瓷膜亦或是金刚石膜等。此类沉积成膜技术已经在机械、航空等行业得到广泛应用。该技术在实际生产中操作灵活，可以根据需要调整成分和比例，从而改善材料的不同性能。
3堆焊表面改性技术
堆焊表面改性技术是利用焊接技术在基体表面堆焊一层或多层同质或异质的覆层材料，使其与基层间达到冶金结合，以此来改善或提高材料的表面抗磨、耐高温、耐蚀或承压等性能。几乎所有的焊接方法都可用于堆焊技术，所以该技术在表面工程技术中使用更为广泛，航空、机械、冶金等行业中都可见其应用，且更加多的应用于破旧零器件的修复。
根据焊接方法的不同，堆焊技术可以分为等离子弧堆焊、埋弧焊堆焊、CO 2保护自动堆焊、震动电弧自动堆焊等。其中埋弧堆焊技术因其堆焊覆层优质、生产效率高、易于控制等优点在生产制造业界应用最为广泛。表面堆焊技术的优缺点应该从质量、效率、经济性、焊材的稀释率等各个不同的方面来综合比较。材料的稀释率越高，质量相对越差，对企业来讲，经济性也就越差。等离子弧堆焊技术就属于高稀释率就属于此类低效率高稀释率的堆焊方法，但是近年来随着科技水平的不断提高，大功率的等离子弧粉末堆焊已经从实验室进入生产一线。堆焊材料有焊条、焊丝、焊剂之分，不同的形状焊材的生产效率、堆焊质量也各不相同。起初由于自动化程度不高，应用焊条的堆焊技术在各行业中份额比较大，随着自动化程度的不断提高，后两种焊材的应用范围逐渐扩大，使覆层合金化的药芯焊丝堆焊技术也得到日益推广。
材料表面的堆焊覆层也不在是单一的金属覆层，早在2002年清华大学的单际国等人就利用高能束在低碳钢表面生成陶瓷增强相的复合材料表层，并对陶瓷颗粒的粒度和加入量对表层性能的影响规律做了分析[8]。相信在日新月异的高科技发展下必将带动堆焊技术向着更系统、更完善、更高效的方向发展。4总结
表面工程是一涉及范围广泛、要求较高、效益良好、融合多种工艺与一体的技术门类。随着科技水平不断提高，新材料层出不穷，对零器件表面性能的要求越来越严格，必将促进表面工程技术的发展和创新，为未来相关各行业的发展带来活力。
参考文献
[1]李红. 表面工程学新进展[J],东莞理工学院学报,1997:75~81
[2]钱苗根. 材料表面技术及其应用手册[M],北京:机械工业出版社,1998:197-205
[3]牛二武, 邸英皓, 曹晓明. 高能束技术的应用与发展[J],天津冶金.2004,(2):35-49
[4]崔福斋, 郑传林. 等离子体表面工程新进展[J],中国表面工程.2003,(4):7-11
[5]徐滨士, 李长久. 热喷涂技术应用与发展[A],第八次全国焊接会议论文集[C].1997
[6]赵文轸, 等. 金属表面工程新技术的特点与应用[J],机械工程材料.1995(4):55-58
[7]周永强, 等. 表面工程技术的发展与应用[J],焊接技术.2001,30(4):5-8
[8]单际国, 等. 聚焦光束堆焊生成陶瓷颗粒增强的材料表面[J],机械工程材料.2002,26(7):15-19
金属材料表面工程的应用与发展作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：匡帅， 王萌萌， 范晓萌匡帅,范晓萌(山东诚信工程建设监理有限公司)， 王萌萌(山东英才学院)城市建设理论研究（电子版）ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu2012(19)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_csjsllyj2012192238.aspx
金属材料表面工程的应用与发展
匡帅[1]王萌萌[2]范晓萌[3]
(1山东诚信工程建设监理有限公司济南250100；2山东英才学院济南
2501043山东诚信工程建设监理有限公司济南250100)
摘要：表面工程技术是21世纪的关键技术之一，从上世纪八十年代开始一直保持较快的发展速度，在科研和生产中得到广泛应用，收到了良好的效益。本文简要概述了金属材料表面工程技术中的表面改性处理、表面涂镀/层技术和堆焊表面改性技术的特点、应用范围和发展现状。
关键词：金属材料；表面工程；发展与应用
Abstract:Surface engineering technology is one of the key technologies in the 21st century, and it has been maintained a fast rate of development from the 1980s. This technology is used widely in scientific research and production,and received good benefits. This paper briefly summarizes the characteristics ,application and development of the surface modification processing, surface coating plating/layertechnology and the build-up welding technique in metal material surface engineering technologies.
Key Words:Metal material, Surface engineering, Application and development
中图分类号：F416.41文献标识码：A 文章编号：
引言
表面工程学是一门涉及材料科学、冶金技术、机械工程等众多领域的综合学科，包括表面科学理论、表面工程技术、表面工程技术设计、表面分析与检测技术、表面质量与工艺过程控制工程、表面工程管理与经济分析等几个方面[1]。其中表面工程技术是和生产实践联系最为密切的，同时也代表着生产技术水平的高低。科学技术的发展和进步对生产设备与仪器提出了更高的要求，复杂多变的工况考验着材料性能的优劣，必须在保证经济性前提下，综合运用各种高新技术提高和改善金属材料性能。
表面工程技术是利用科技手段对材料表面进行处理，通过改变材料表面和亚表面的成分、微观组织结构以此来改善和提高其性能，满足使用要求。金属零件在使用过程中的破坏往往是从表面开始的，或因接触介质的化学腐蚀，或高温
环境的氧化和熔化，或摩擦工况及磨料介质中的磨损，或复杂受力下的弯曲、扭转、拉压或剪切。因此，强化表面成为抵抗此类破坏的第一道防线。近年来，表面改性处理、表面涂镀/层技术和堆焊表面改性技术因其不同的优点在表面工程技术领域迅速发展。
1表面改性技术
表面改性技术包括以喷丸强化、辊压强化为代表的表面强化技术，以各种氧化、钝化成膜的化学转化膜技术，化学气相沉积技术（CVD ）与等离子束、激光束等高能束的表面处理技术。表面改性技术是借助外在介质改善材料的表面性能，不对原材料添加任何化学元素，改性后的材料表面不存在化学元素的增减，只是成分的比例和组织结构发生变化。因此，该技术相对于涂镀（层）技术和堆焊表面改性技术要工艺简单，只需控制好过程参数即可。不同的工况环境对材料的要求也不同，应根据具体的实际需求选择处理工艺。
1.1化学转化膜技术
该技术经过近些年的发展已经实现了不仅在金属材料表面成膜，而且可在陶瓷等非金属表面成膜，膜的厚度也在向着更优更薄的方向发展。如各种碳化钛超导陶瓷薄膜系多晶或外延单晶薄膜、抗高温大功率的半导体用金刚石薄膜以及各种光电子薄膜和集成光学薄膜。铝及其合金的表面改性技术大多采用的是表面成膜技术，在表面形成耐磨、耐蚀、多孔、结合性强的高性能薄膜。目前铝合金表面的改性技术主要有：电化学氧化法、化学转化法、微弧氧化技术、等离子注入表面改性、冷喷涂技术、稀土转化膜和激光处理等[2]。
1.2高能束表面改性技术
高能束表面改性技术是运用高能束热源，添加或不加化学元素，对材料表面及亚表面进行重熔或熔覆处理，形成满足使用要求的高性能表层。所谓的高能束（High Energy Density Beam------HEDB ）即高能量密度的束流，包括激光束、电子束、等离子束[3]，与传统热源相比较，高能束具有独特的优点：1、能量更加集中，因此热效率高；2、方向性更强；3、易于实现精确控制；4、属于绿色能源，不易造成浪费。高能束的诸多优点使得它在传统技术工业、聚合物、生物医用材料、制备纳米材料等各个领域得到广泛的应用[4]。激光重熔、等离子重熔、激光表面熔覆、激光表面合金化等高能束表面改性技术在各行业得到飞速发展。
高能束作为新型能源在表面改性技术中的应用，给表面工程学科带来了大发展，必将是倡导节约能源降低能耗的21世纪快速发展的能源之一。表面改性处理改善金属材料的使用性能与组织、硬度和耐磨性的改变有关，而各项改变的量和质决定于材质和高能束热源。不同材料在具体的过程中还受到诸如扫描速度、扫描间距、电流、电压等工艺条件选择的影响。通常，输入材料表面的高能束热量越大，材料的散热能力越强，则获得的性能改善层深度越大，材料表面组织与原始组织差别越大。具体行业领域中的应用还需根据实际情况选择高能束热源类型和实际生产中合适的工艺参数。
2表面涂镀/层技术
古典技术与现代技术相结合在材料表面形成一层或多层同质或异质层的技术称为表面涂镀/层技术。该技术包括在材料表面电镀耐磨、耐蚀、耐高温等优异性能的单层或复合表层、非晶态镀层的电镀技术；有机涂层技术、热喷涂技术、物理气相沉积技术等。
2.1热喷涂技术
热喷涂技术是一种重要的表面工程技术，通过在材料表面喷涂保护层、强化层和装饰层来实现抗磨、耐热、耐蚀、绝缘和导光等特性功能[5]。热喷涂技术作为一种表面强化和防护工艺如今已日渐成熟，从单一的表面强化层发展到及产品失效分析、表面预处理、喷涂材料、喷涂设备选择、喷涂工艺确定、涂层系统设计和喷涂层后期加工为一体的系统工程。该技术由条件要求极高的宇航工业开始，如今已深入发展到民用工业的各个行业[6]。
热喷涂技术包括火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等。电弧喷涂效率高、涂层结合力强、生产效率高且能适合各种复杂环境，因此在市场上的份额较大。喷涂材料离子的温度和速度对涂层的性能影响较大，由此而生的超音速等离子热喷涂技术近年来在国际上发展迅速。火焰喷涂根据涂层材料的种类不同分为线材火焰喷涂和丝材火焰喷涂技术。该技术是利用火焰将材料先熔化然后形成涂层，之后再用火焰加热涂层，可以使基层与涂层材料间达到冶金结合，对于高温下承受热冲击的高温磨具处理尤为重要[7]。
2.2物理气相沉积技术
物理气相沉积技术是利用真空蒸发、溅射、离子镀等方法在材料表面成膜。
表面膜可以是金属膜、合金膜、陶瓷膜亦或是金刚石膜等。此类沉积成膜技术已经在机械、航空等行业得到广泛应用。该技术在实际生产中操作灵活，可以根据需要调整成分和比例，从而改善材料的不同性能。
3堆焊表面改性技术
堆焊表面改性技术是利用焊接技术在基体表面堆焊一层或多层同质或异质的覆层材料，使其与基层间达到冶金结合，以此来改善或提高材料的表面抗磨、耐高温、耐蚀或承压等性能。几乎所有的焊接方法都可用于堆焊技术，所以该技术在表面工程技术中使用更为广泛，航空、机械、冶金等行业中都可见其应用，且更加多的应用于破旧零器件的修复。
根据焊接方法的不同，堆焊技术可以分为等离子弧堆焊、埋弧焊堆焊、CO 2保护自动堆焊、震动电弧自动堆焊等。其中埋弧堆焊技术因其堆焊覆层优质、生产效率高、易于控制等优点在生产制造业界应用最为广泛。表面堆焊技术的优缺点应该从质量、效率、经济性、焊材的稀释率等各个不同的方面来综合比较。材料的稀释率越高，质量相对越差，对企业来讲，经济性也就越差。等离子弧堆焊技术就属于高稀释率就属于此类低效率高稀释率的堆焊方法，但是近年来随着科技水平的不断提高，大功率的等离子弧粉末堆焊已经从实验室进入生产一线。堆焊材料有焊条、焊丝、焊剂之分，不同的形状焊材的生产效率、堆焊质量也各不相同。起初由于自动化程度不高，应用焊条的堆焊技术在各行业中份额比较大，随着自动化程度的不断提高，后两种焊材的应用范围逐渐扩大，使覆层合金化的药芯焊丝堆焊技术也得到日益推广。
材料表面的堆焊覆层也不在是单一的金属覆层，早在2002年清华大学的单际国等人就利用高能束在低碳钢表面生成陶瓷增强相的复合材料表层，并对陶瓷颗粒的粒度和加入量对表层性能的影响规律做了分析[8]。相信在日新月异的高科技发展下必将带动堆焊技术向着更系统、更完善、更高效的方向发展。4总结
表面工程是一涉及范围广泛、要求较高、效益良好、融合多种工艺与一体的技术门类。随着科技水平不断提高，新材料层出不穷，对零器件表面性能的要求越来越严格，必将促进表面工程技术的发展和创新，为未来相关各行业的发展带来活力。
参考文献
[1]李红. 表面工程学新进展[J],东莞理工学院学报,1997:75~81
[2]钱苗根. 材料表面技术及其应用手册[M],北京:机械工业出版社,1998:197-205
[3]牛二武, 邸英皓, 曹晓明. 高能束技术的应用与发展[J],天津冶金.2004,(2):35-49
[4]崔福斋, 郑传林. 等离子体表面工程新进展[J],中国表面工程.2003,(4):7-11
[5]徐滨士, 李长久. 热喷涂技术应用与发展[A],第八次全国焊接会议论文集[C].1997
[6]赵文轸, 等. 金属表面工程新技术的特点与应用[J],机械工程材料.1995(4):55-58
[7]周永强, 等. 表面工程技术的发展与应用[J],焊接技术.2001,30(4):5-8
[8]单际国, 等. 聚焦光束堆焊生成陶瓷颗粒增强的材料表面[J],机械工程材料.2002,26(7):15-19
金属材料表面工程的应用与发展作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：匡帅， 王萌萌， 范晓萌匡帅,范晓萌(山东诚信工程建设监理有限公司)， 王萌萌(山东英才学院)城市建设理论研究（电子版）ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu2012(19)
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