表面處理

表面處理技術(Surface treatment)指的是通過對材料的表面進行改性或者塗覆一層其他材料實現對基底材料的保護。材料的損壞和失效大多是從表面破損開始的,因此針對材料的表面處理技術應運而生。

表面改性

表面改性技術不改變化學組成,有淬火、雷射表面強化、噴丸、滾壓、拉絲、拋光等。

雷射表面強化

雷射束經聚焦後,能在焦點處產生幾千乃至上萬攝氏度的溫度,而且這些輻射亮度是可以控制的。因此,可以按照需要進行材料表面固相相變硬化(淬火),也可以進行表面熔凝、熔覆、表面合金化、表面誘導沉積。

  • 表面相變是利用快速加熱與冷卻以及馬氏體微小相變的原理,提高耐磨性[1]。1974年,美國通用汽車公司採用雷射表面相變技術使汽車轉向器殼體內腔(可鍛鑄鐵)耐磨性提高10倍。
  • 雷射熔凝是採用比相變硬化能量更高的雷射能量(可高達105 W/cm²),使金屬表面快速熔化,雷射移開後熔化金屬快速凝固,表面獲得極細或超細化組織結構,可形成較厚的硬化層。
  • 雷射非晶化雷射上釉所用雷射能量約107~108 W/cm²,可獲得表面非靜態結構,提高耐磨蝕、抗氧化性能。[2]
  • 雷射表面合金化是首先用預沉積法或共沉積法在表面沉積一層所希望的元素,再經雷射處理,可形成一層與材料本身不同化學成分的新合金,可明顯提高耐磨、耐蝕、耐高溫等性能。
  • 雷射熔覆:採用在表面上預置塗層或處理時直接送粉的方法,在雷射照射下,可使表面形成一層新的雷射熔覆塗層,提高普通鋼、合金鋼、高速鋼、不鏽鋼、鋁合金性能。
  • 雷射誘導沉積,包括雷射化學氣相沉積(LCVD)和雷射物理氣相沉積(CPVD)。

表面合金化

在表面添加材料形成合金,典型工藝就是化學表面熱處理。該工藝是將工件置於特定介質中加熱保溫,使介質中活性原子滲入工件表層從而改變工件表層化學成分和組織。與表面淬火相比,化學表面熱處理不僅改變鋼的表層組織,還改變其化學成分。根據滲入的元素不同,化學熱處理可分為滲碳氮化[3]、多元共滲[4]、滲其他元素等。

表面轉化膜

表面轉化膜工藝中,添加材料與基體發生化學反應。

  • 發黑(也稱發藍)是把鋼材或鋼件在空氣-水蒸氣或化學藥物中加熱到適當溫度使其表面形成一層藍色或黑色氧化膜。[5]
  • 磷化是將工件(鋼鐵或鋁、鋅件)浸入磷化液(某些酸式磷酸鹽為主的溶液),在表面沉積形成一層不溶於水的結晶型磷酸鹽轉換膜。
  • 陽極氧化是將鋁或鋁合金製件浸沉於酸性電解液中,在外電流作用下作為陽極,在製件表面上形成與基體牢固結合的防蝕氧化膜層。[6]

表面覆膜

  • 電鍍在電解質溶液中,工件為陰極,在外電流作用下,使其表面形成鍍層。化學鍍在電解質溶液中,工件表面經催化處理,無外電流作用,在溶液中由於化學物質的還原作用,將某些物質沉積於工件表面而形成鍍層。化學鍍比電鍍成本高、效率低,溶液損失大。
  • 熱浸鍍是將金屬工件放入熔融金屬中,令其表面形成塗層的過程,如熱鍍鋅、熱鍍鋁等。
  • 熱噴塗是將金屬或非金屬材料加熱熔化,靠壓縮氣體連續吹噴到製件表面上,形成與基體牢固結合的塗層。[7]
  • 熱燙印是將金屬箔加溫、加壓覆蓋於工件表面上,形成塗覆層的過程,如熱燙印鋁箔等。
  • 真空鍍是在真空條件下,通過蒸餾或濺射等方式在金屬表面沉積各種金屬和非金屬薄膜的表面處理工藝。可以分為真空蒸鍍、真空濺射鍍、真空離子鍍。
  • 氣相沉積是將含有沉積元素的氣相物質,通過物理或化學的方法沉積在材料表面形成薄膜,分物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)兩大類。雷射化學氣相沉積(LCVD)可製備優質的金剛石膜;雷射物理氣相沉積(CPVD)可製備BN膜(立方氮化硼)、半導體膜、電介質膜、陶瓷膜等。
  • 塗裝是將塗料塗敷於工件表面形成塗層的過程,如噴漆、刷漆等。

參見

參考文獻

  1. ^ GB/T 18683-2002 鋼鐵件雷射表面淬火
  2. ^ 金海波 (編). 现代表面处理新工艺、新技术与新标准 (PDF). 當代中國音像出版社. : 14 [2020-07-23]. (原始內容存檔 (PDF)於2021-04-14). 
  3. ^ GB/T 18177-2008 鋼件的氣體滲氮
  4. ^ GB/T 22560-2008 鋼件的氣體碳氮共滲
  5. ^ GB/T 15519-2002 化學轉化膜 鋼鐵黑色氧化膜 規範和試驗方法
  6. ^ GB/T 19822-2005 鋁及鋁合金硬質陽極氧化膜規範
  7. ^ 中華人民共和國軍用標準《GJB/Z 594A-2000 金屬鍍覆層和化學覆蓋層選擇原則與厚度》

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