Transcript 表面工程发展现状与未来
厦门理工大学讲座专题 表面工程发展现状与未来 On Surface Engineering 陈祝平 Faculty of Mechanical Engineering Jimei University 主要内容 表面工程学的产生背景 表面工程的现实意义 表面工程中的新技术 表面工程的应用展望 最早的表面技术发明， 恐怕要追溯到远古人树叶加 身以抵御大自然风沙雨雪侵 前 言 蚀的创举。 这一发明一直被沿 人类很早就掌握了表面技术为 用至今，只不过现代布 自己的生存和发展服务。 料已经代替了远古树叶， 这就是文明。 没有我们祖先的这一 重大发明，可能至今 我们还得生活在树上, 或在山顶洞中。 在漫长的文明发 展历史长河中，中国 人为发展表面技术作 出了卓越的贡献。典 型的例子有： 他们发明的意义不仅仅是宝剑 本身，而是用生命谱写了一曲 壮丽的表面渗碳的赞歌，因而 受到后人的敬仰！ 现代，中国神舟5 号宇宙飞船的发射成 功，也标志着中国的 表面工程技术走向太 空层次。 因为，没有抗高温 涂层技术，载人飞船不 可能穿过大气层安全还 航；没有抗辐射薄膜技 术，太阳能电池不可能 在太空正常工作。 可见，从古代文明到现代文明，人 类离不开表面工程。 一. 表面工程学的产生背景 20世纪80年代，电子、信 息、海洋、航天、先进制造等 高科技的急剧发展和对传统工 业改造的迫切需要，英国抢先 提出表面工程概念。 1983年英国伯明翰大学成立国际上的第 一个表面工程研究所—沃尔森表面工程研 究所； 1985年国际刊物《表面工程》发行；， 同年召开第一次国际表面工程会议； 1986年国际热处理联合会改名为国际热 处理与表面工程联合会。 在短短的时间内，表面工程学 就在国际上得到巨大的反响。 我国对表面工程学的兴起作出了快 速反应，1987年中国机械工程学会表面 工程研究所在北京成立。 1988年全国首届表面工程现状与未来 发展研讨会召开，同年创办了《中国表面 工程》杂志。 根据统计，从第六个国家五 年计划以来，通过在机械制造和 维修领域推广应用表面工程，取 得的经济效益达几百亿元。 专家预测，表面工程将成为主导 表面工程已被我国列为2010年 21世纪工业发展的关键技术。 长远发展规划项目。 二. 表面工程的现实意义 材料表面失效是零件失效主要原因，带 来惊人的破坏和损失。例如仅腐蚀一项 年损失就超过水灾、火灾、地震和台风 飓风加上恐怖分子所造成损失的总和。 表面工程是抗磨损,抗腐蚀的最积极手段, 通过表面强化,防护来提高零件的使用寿命,减 少维护费用和资源耗散. •随着经济和科技的迅速发展，对产 品抵御环境的能力和可靠性提出更高 的要求。许多产品的性能取决于表面 特性和状态。 应用表面技术，可以降低经济成本 生产优质产品，也可在更宽广的领 域生产新材料和新器件。 三. 表面工程中的新技术 表面技术是表面工程的核 心与基础，其应用对促进国 民经济发展有直接的关系， 其水平侧面反映一个国家或 地区的经济扩展能力。 表面技术的内涵 表面改性技术：指通过改变表面成分和组织达到所 需的功能。如离子注入、表面渗碳、辉光氮化、感 应淬火等。 表面沉积技术：指通过原子层面的堆积过程形成薄 膜。如PVD、CVD、PEP、电沉积等。 表面涂敷技术：指通过宏观堆积过程形成涂层。如 热喷涂、堆焊、涂料涂装等。 表面硬化技术：指通过塑性变形达到强硬化。如表 面喷丸、爆炸强化等。 典型表面新技术及其应用简介 1. 流镀技术 2. 涂层重熔新技术 3. 离子束溅射与注入 4. 等离子电镀 3.1 流 镀, flow plating • 流镀在国外称为机械化或自动化 电镀。法国达立克公司和美国赛来创 公司约在1985年开发。 • 80年代末我国也开始研究与应用。 2-3年内技术进展到非晶态流镀、复合 流镀、珩磨流镀，达到国际先进水平， 应邀在美国、波兰、日本等国际会议 作学术交流。 流镀工艺原理 阴 极 工件 直流电源 电解液 电解槽 流镀机工作原理 流镀头 工件 盛液槽 封闭罩 流镀技术特点 电极/电解液界面达紊流状态，提高了极限 电流密度，因而可开大电流作业，电流密 度是传统电镀的几十到几百倍，生产率大 大提高； 流镀作业环境封闭，电解液不含对环境有 严重毒害的物质，且循环使用，废液量微， 清洁作业，开始走向绿色电镀； 机械化作业，电解液和电极切换方便，奠 定了数控电镀和柔性电镀自动化的基础。 柔性与刚性电镀自动化的区别 刚性电镀自动化 柔性电镀自动化 以工件为中心，自动、 以镀槽为中心，难以 迅速切换电解液与电 自动、迅速切换电解 极容易； 液与电极； 适应变品种、小批量 适应少品种、大批量 的现代生产模式。 的传统生产模式。 流镀单体液压支柱曾在福建永安矿务局批 量工业试验，以九龙溪水取代乳化液，投 井服役2年仍完好，而原采取镀硬铬+镀青 铜的单体柱即使在乳化液介质下的寿命一 般也只半年左右。 这一成果的意义不仅是延长了机械零 部件寿命和维修工作量，以水代乳化 液也在进一步降低使用成本的同时促 进环保，减轻乳化液排放对水源和土 壤的污染与破坏。 流镀泥浆泵缸套在 北京13陵蓄能水电 站工程施工中进行 工业性试验。实验 结果表明，流镀缸 套的使用寿命是未 流镀缸套的2倍。 workpiece powder coating 3.2 涂层重熔新技术 flame 工程上，喷涂层的重熔往往是个技 Spraying gun 术难题。习用氧乙炔火焰重熔对大 工件、大面积很为难。等离子弧重 熔对淬透性强、易变形零件也不大 适用。 涂层重熔新技术 感应重熔技术，包括高频、超音频和中频 激光重熔技术，包括以涂敷代替喷涂，以铁 基合金代替镍基合金 多阴极等离子渗熔技术 硬质合金球齿 感应重熔技术 HRC60-65/90 HRC30 排渣槽 国家八五关键技术重点攻关项目要求 钎体 液压凿岩机用钎头达到世界先进水平。 A向 冲水孔 在技术攻关上采取了的关键措施之一是钎焊强化-热处理三合一新工艺，在感应钎焊硬质 自磨锐结构示意 合金球齿的同时实现头部侧壁涂层感应重熔 与裤体贝氏体钢等温处理。 激光重熔 Laser refusing 将铁基合金涂料涂敷在钢铁表面， 然后以CO2激光器快速熔敷，与母 材形成冶金结合，达到表面强化目 的。 主要优点： 1）工件表面薄层内快速加热冷却，工件总体 不受热，热影响区很小，变形倾向低。 2）涂敷方式可大大降低喷涂飞溅造成的损耗， 铁基合金成本比镍基低得多。 多阴极等离子渗熔技术 阳极 真空室 阴极 工件 抽空 通反应气 涂层 3.3 离子束溅射镀与注入 常规磁控溅射与离子镀主要缺点： 离化度低；粒子能量不高;镀膜纯 度不理想。 阳极 阴极 引出电极 对阴极 磁场线圈 潘宁离子源示意 中和器 高压栅 阳极 磁铁 阴极 。。 考夫曼离子枪示意 进气口 离子束合成类金刚石薄膜 • 类金刚石薄膜，DLC，性能在金刚石 和石墨之间可以根据技术需要进行 裁剪。例如硬度可在20-70GPa变动。 可以用于机械零件表面强化，减摩。 同时是新一代电子薄膜器件的重要 材料。 单离子束合成DLC原理 石墨靶 离子束 工件 考夫曼离子枪 抽空 通反应气 离子注入 ion implantation 质量筛选 磁场 离子加速器 弗里曼 离子源 离化分子束注入合成含N类金刚石薄膜 真空室 3.4 等离子电镀, plasma electroplating ⊖ ⊕ V R A 低压气体放电的直流二极模型 典型放电特性曲线 ⊖ ⊕ V R A V 液相放电的直流二极模型 震荡区 弧光放电 欧母区 辉光放电 I 1.表面工程在先进制造中的应用 四. 表面工程技术的应用展望 模具强化、涂层刀具、RPM技术、工 程机械零部件强化与防护应用、新产 品开发等。 2.大型钢铁结构的长效防护 厦门地处海滨，属海洋性气候，大型钢 铁结构，例如灯塔、浮标、船只、油水 罐、桥梁、输电架、升降架、天桥等的 腐蚀十分严重。 如果采用表面长效防护技术，根据美 国、英国、日本经验，可以在二、三 十年内达到少维护或零维护。 3.海防的巩固 以厦门守备部队岛屿给养运输舰 艇为例,每1-2年就得拉上岸维护一 次……。如果直接在海底进行除 锈和防护? 地处海防前线,面对台独分子分裂祖国 的阴谋,表面工程在海防建设中发挥积极作 用显得日益重要. 五. 结 论 表面工程对于加快经济 建设具有鲜明的科学技 术意义和促进作用. 建议加大对表面工程研 发的支持与经费投入. Thank you ！