给材料穿上铠甲.doc

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1、给材料穿上铠甲1．表面工程古代的武将在作战时，常穿着一身铠甲，这样战斗时就能刀箭不入，所向披靡。现代工程中有时材料的工作条件极为苛刻，或者缺乏某种特殊性能，单靠材料本身已不能满足要求，于是人们便想到了给材料表面穿上一层或数层“铠甲”，以抵挡形形色色的恶劣工作条件或改变某种性能。这种“穿铠甲”的手段，称为“表面强化”或“表面改性”。其方法多种多样，统称为“表面技术”或“表面工程”。表面技术在基体上形成的各种保护层，称为“表面层”或“表面改性层”。表面改性层可使其既保持原有基体材料的优良特征，又改善其某些不足，使基体材料和表面层的多种优点集于一体，取长

2、补短，相得益彰。例如陶瓷具有坚硬、耐磨、耐蚀、耐高温等优点，但它具有脆性、不抗热震（即快速加热时易破裂），加工性能差等缺点；而钢铁或合金等金属材料则正好具有高强度、刚度、韧性，良好的加工性等这些长处，而缺乏陶瓷的上述优点。若钢铁表面加上一层陶瓷，两者的优点就结合起来了。其实表面改性也算是一项古老的技术了，古代人们为了保护金属或木制器具，常在表面刷上一层油漆，使其不受环境侵蚀和保持表面光亮美观，这就是一种表面技术。早先制造油漆的主要原料──桐油，就是我国的特产，西方国家当时没有。据说抗日战争时期，有一次蒋介石向美国借了一大笔钱，其条件就是用我国特产桐

3、油偿还，说明这方面我国以前是优于西方的。镏金也是我国古代发明的一项表面技术，已有二千多年的历史了，它是将黄金溶解在水银中，制成汞齐，然后涂到金属表面，加热使水银蒸发后就在金属表面形成了一层镀金层。这种方法也可以产生其它金属镀层，如银、锌、锡等。当然，传统的表面技术已完全不能满足现代工程的需要，于是科学家们发明多种多样的表面强化技术，以满足各种特殊工况要求。表面层按应用分：有耐磨层、增摩层（增加摩擦，用于刹车）、减摩层（减少摩擦，减少运动阻力）、耐蚀层、耐热层、隔热层、导电层、绝缘层、装饰层等等；以及这些应用中的两种或两种以上功能的综合。按表面层产生

4、的工艺分：大致有镀层；渗层和涂层三大类；而每一类又可细分为多种。镀层：古老的汞齐法产生镀层的工艺虽然现代仍未淘汰，但因水银的毒性，限制了它的应用。现代用得最多的是电镀，也就是4在电解槽中，使镀质材料通过直流电的作用，不断向接于负极的工件运动，并沉积在工件表面，形成镀层。其可镀材料和应用范围都十分广泛，工艺不断出新，如从仅能镀金属到也能镀非金属，从仅能镀单一材料，到能进行两种或两种以上材料“复合镀”。金属研究所是开展复合镀较早的单位，已成功应用于多种工程实际，如油田的密封阀门等。上世纪七十年代中期我所又开展非电镀镍研究，即用化学的方法产生镍镀层，它是

5、利用镍盐溶液在强还原剂作用下，使镍还原成金属镍并沉积在表面被催化的工件上，称为“化学镀”。开始主要是镀镍，现在已能镀多种材料。化学镀从八十年代以来已普遍推广，其应用范围不断扩大，成为一种工业化最快的新工艺，很多情况下取代了电镀。上世纪七十年代后期金属研究所又开展了“离子镀”研究，并取得技术突破。采用物理气相沉积方法，即PVD(PhysicalVaporDeposition)。它是在一真空室中，将工件和将蒸发的材料（阴极）之间接上高电压。工件为阳极，在高电压下，阴极材料表面产生弧光放电，使该材料蒸发并部分离化，这时输入气体（如氮），使之与蒸发物发生反

6、应后在电场作用下，沉积于阳极基体上，形成一种化合物镀层。这项工艺在金属所早已取得多项应用，如离子镀氮化钛，因其有和黄金相同的颜色且耐磨耐蚀，而广泛用于装饰和表面保护。在手表壳体上镀一层氮化钛，成本只几角钱，就成了“金表”。这种镀层极硬，所以很耐磨，被称为“超金氮化钛”。可镀于机械加工刀具的刃口和磨具工作面，以增加其寿命。已成功应用于铣刀、车刀、钻头等刀具上。离子镀在国内发展迅速，现在离子镀的工艺和镀层种类都有多种，其质量不断堤高，应用也愈来愈广泛。电镀层的厚度范围较宽，从微米级至1毫米以上，但大多数情况下，在亚毫米级；而离子镀的厚度只能在微米级，称

7、为“离子镀膜”。渗层：渗层工艺是将基体材料放入专门的渗剂中，在一定温度下渗入基体至一定深度，并与基体发生反应，形成一既不同于原基体也不同于渗剂的具有特殊性能的强化层，此时基体和渗层已成为一体，所以结合得特别牢固。基体材料和渗入材料两者都可以是金属或非金属。而渗剂可以是固态、液态或气态，由被渗材料和工件而定。渗层的厚度可以在0．1至几毫米之间，与渗入方法和工况要求有关，气体渗一般渗层较薄，固体渗则较厚。金属研究所在渗层工艺研究方面，也是国内开展得较早的单位之一。如石墨渗硅，在表面生成一层耐磨、耐蚀又耐高温的碳化硅(SiC)渗层，有时在渗层表面再增加涂

8、层，使其性能进一步提高。它们曾用于我国火箭材料等，为国防工程作过多种贡献。涂层：涂层主要指热喷涂和常温涂刷或喷射产生的表面