1、表面工程学的发展综述摘要：本文主要介绍了表面工程技术的发展现状和趋势，同时介绍了表面工程技术的特色以及它的应用，最后对表面工程学的发展提出了几点建议。关键词：现状； 趋势； 应用Abstract: This paper mainly describes the status and trends of development of surface engineering technology, the characteristics of the surface engineering technology and its applications. The last, few suggest
2、ions on the development of surface engineering are proposed.Keywords: Present ； trends ；application引言表面工程形成一门独立的学科虽然只是近 20 年的事， 但其发展之快、 涉及范围之广、 对人们生产生活影响之大是当初大多数人所始料未及的 。以 1983 年表面工程的概念被首次提出、1986 年国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联合会、1987 年中国机械工程学会表面工程研究所成立 、1988 年 表面工程 杂志创刊为标志， 表面工程在我国迅速发展 ，表面工程已经发展成为横跨材料学、 摩擦
3、学、 物理学 、化学界面力学和表面力学、 材料失效与防护 、金属热处理学 、焊接学、腐蚀与防护学、光电子学等学科的边缘性、 综合性、 复合型学科 。表面工程具有学科的综合性， 手段的多样性 ，广泛的功能性 、潜在的创新性、环境的保护性、 很强的实用性和巨大的增效性，因而受到各行各业的重视。 其产生的经济效益更是令人瞩目。目前，我国技术门类齐全，部分表面技术的设备、材料和工艺已达到了国际先进水平。 据不完全统计， 仅我国自第 6 个五年计划以来， 通过表面工程在设备维修领域和制造领域推广应用已取得了几百亿元的经济效益。 但是这一数字同样也反映出我国表面工程发展的总体现状与先进国家相比仍然存在较大
4、的差距。正视差距并积极采取措施弥补，是中国表面工程领域所有研究人员及从业人员的责任。专家们预言， 表面工程将成为 21 世纪工业发展的关键技术之一。 回顾表面工程自兴起以来的成长历程 ，大约可以从 12 个方面来概括其轨迹。 而表面工程在 21 世纪的发展 ，以及它将对 21 世纪科学技术总体水平和经济发展所起的促进作用， 也应该从这条轨迹向前延伸。 一、表面工程技术现状及发展趋势从日本目前研究和应用情况看,表面工程技术的研究主要是围绕材料表面涂层和表面改性两个方面进行。其研究侧重于表面工程技术理论和工艺理论 ,投入的人力多,经费多,研究面宽而深,理论水平高;从表面工程的应用看 ,重点是用于产
5、品的制造,同时也有少量大型、贵重设备的维修;日本在表面工程的实验检测手,段方面聚集了世界先进水平的设备及配套分析仪,设备多集中,如在大阪设有离子工程研究中心 。我国表面工程技术研究的主要内容与日本差不多,某些 单项研究的水平也不低,但我国研究相对分散,显得力量薄弱;检测设备落后且不配套,虽然在大连理工大学设有三束 (电子束、离子束、原子束)国家重点实验室 ,但其研究力量和设备相对 日本是太弱太差 。我 国虽 然在产品制造 中也有 表面工程的应用 ,但面较窄,主要是在设备维修中广泛应用。当前由于能源消耗环境污染等世界性的问题日趋严重 ,要求表面技术既要提高强化和防护的功能 ,又要同防止污染 、降
6、低能源和资源消耗等联系起来。为此美 国 8 0 年代文试验 成功等离子体湮没离子注入;加拿大 V o r t k 工业公司新近开发了一种大功率弧光灯 以代替激光、电子束作为表面硬化的新能源。由于微 电子技术 光通讯技术和航 天技术及新产业的兴起,对表面技术向微、精细的方向发展提出了更高的要求屯高温、高速和高负荷条件下的表面防护技术是当今国内外发展功能龟镀与涂覆技术的主攻方向。随着科学技术的发展 ,高新技术领域对材料性能要求越来越 高,为此出现了表面复合技术,如超音速等离子喷涂制备 高温 (8 0 C-l0 0 0 C ) 自润滑涂层用于航天飞机人造卫星和 空间实验站等机构上的轴承润滑 ;激光
7、电化学沉积制造 微电子器件及线路等,所 以表面复合技术将是表面工程今后的主要发展方向。随着人们对现代表面 工程技 术的不断认识和提高,将有越来越多的产品制造会利用这一先进技术。二、表面工程的技术特色表面工程的重要技术特色是由多种表面技术的复合所形成的新型复合表面工程技术.由于其固有的局限性, 应用单一的表面技术所获得的材料表面性能往往不能满足日益苛刻的工况条件的要求. 随着科学技术的进步,国际上发展了综合运用两种或多种表面技术的复合表面工程技术, 并称为第二代的表面工程技术 4实践证明, 这种复合表面工程技术通过最佳协同效应解决了一系列高新技术发展中特殊的工程技术问题.常用的表面工程技术有:
8、堆焊技术、 熔结技术( 低真空熔结、激光熔敷等)、 电镀、 电刷镀及化学镀技术、非金属镀技术、热喷涂技术(火焰喷涂、电弧喷涂、等离子弧喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂、低压等离子弧喷涂等)、塑料喷涂技术、粘涂技术、涂装技术、物理与化学气相沉积( 真空蒸镀、离子溅射、离子镀等)、摩擦化学膜、化学热处理、激光相变硬化、激光重熔、激光非晶化、激光合金化、电子束相变硬化、离子注入等.目前,复合表面工程技术的研究和应用已取得了重大进展,如热喷涂与激光重熔的复合、热喷涂与刷镀的复合、化学热处理与电镀的复合、表面强化与固体润滑膜的复合、多层薄膜技术的复合、金属材料基体与非金属材料涂层的复合等等,复合表面工程技术使
9、本体材料的表面薄层具有了更加卓越的性能. 三、表面工程技术的应用表面工程在生产和实践中得到了广泛的应用,下面简单介绍一下表面工程技术在设备维修和改造, 节能、节材、降耗及高新技术方面的应用.（一）表面工程技术在设备维修和改造中发挥了重大的作用随着先进制造技术及设备工程学的不断发展,制造与维修将越来越趋于统一. “维修”已被赋予了更广泛的含义, 1984 年美国“技术评论”提倡旧品翻新或再生, 并称为“重新制造” 5.重新制造所需能源约为制造新品的 20% 60% ,价格只有新品的 40% 60% 6. 许多采用表面技术处理过的旧零部件, 其性能要优于新品.中国设备管理协会技术委员会应用电弧喷涂
10、技术成功地修复了长江三峡工程中挖泥船的发动机曲轴, 当时如从日本购买新轴,加上运费和进口关税等需人民币 120 多万元, 而采用电弧喷涂技术修复, 总费用仅 315 万元,不足曲轴价格的 3% , 其经济效益是十分明显的 71994 1995 年期间,铁道部大桥工程局承建的汕头海湾大桥和西陵长江大桥的悬索鞍座位于桥两端近百米高的桥墩上,架设主缆后,为调整力的平衡, 必须多次推移承受上万吨正压力的鞍座.国外的办法是在鞍座摩擦副中安装数千枚滚针,这对几十吨重的鞍座支撑板、 鞍座及数千枚滚针的制造精度、 热处理工艺、 加工质量要求极高, 而我国的制造工艺还达不到要求. 因此, 减小重载下摩擦副的摩擦
11、系数及解决施工工艺是建桥的关键. 为此,全军装备维修表面工程研究中心提出了复合减摩涂层设计及相应的现场施工方案,采用复合减摩技术使摩擦系数降低 1 倍以上 ,施工费减小 10 倍以上, 使鞍座顺利推移到位 , 该技术达到了国际先进水平 8.北京邮票厂从瑞士进口的七色机是高速轮转印邮票机, 一个辊筒原来只能打 50 150万张,之后,孔的质量严重下降,不能继续使用.近年来,七色机主要由于打孔器辊筒质量的原因,每年只能完成 1000 万张左右, 而且还需要经常更换辊筒,距完全发挥七色机的应有效率相差很远,直接影响邮票的发行量.清华大学和北京机电研究院利用高能密度的激光对邮票打孔器的辊筒的表层辐照,
12、 其表层被迅速加热至奥氏体化温度以上, 并在激光停止辐射后快速自淬火得到马氏体组织, 实现了固态相变硬化,即激光淬火,孔刃部硬度可达 Rc60 以上, 经处理后, 一个辊筒就可以打 1000 万张, 而且仍可继续使用. 每年直接经济效益为 250 500 万元。（二）表面工程在高新技术上的应用表面工程是随着高新技术的出现而发展起来的一项工程技术, 不仅被用于一般设备零部件的防护、 强化和修复, 而且还为高新技术的发展提供了工艺及材料支持. 在电子信息技术中, 表面工程可为其提供关键的薄膜材料及功能器件, 如利用真空溅射镀膜的方法, 通过荷能离子束轰击 Si 靶材, 使靶材表面的原子飞逸出来,
13、然后在大规模集成电路中以SiO2 为基的绝缘衬底上生长 Si 的薄膜技术已得到应用 13. 金刚石薄膜具有极为优异的导热性、 高介电性和半导体性能,是制作超大规模集成电路中最理想的功能材料,它主要是采用化学气相沉积的方法制备 14。 表面工程在制备新型材料方面具有特殊的效应.非晶态金属或合金具有优异的耐蚀性、 耐磨性、 高导磁性、 高强韧性、 低膨胀性等.采用气相沉积、 电镀、 刷镀、 激光等表面技术都可以获得非晶态薄膜或特种性能涂层.例如,应用离子镀膜、 溅射镀膜、 化学气相沉积、 离子束辐助沉积等方法制备的 TiN、 T iC、 T iNC、 ZrN、 CrN 等硬质或超硬质涂层, 这些涂
14、层已广泛应用于刀具、 模具等的强化 15. 在超导材料研究方面, 日本已开发了用激光制备高性能超导材料的技术,可制成超导带材料.另外还有采用热喷涂技术制备超导涂层的报道. 离子注入 , 是把某种元素的原子电离成离子,并使其在几十到几百千伏电压下进行加速,在获得较高速度后射入放在真空靶室中的工件表面的一种离子束加工技术. 离子注入技术可以改善材料表面质量,使一些金属生物材料、 陶瓷等表面质量具有优异的性能. 通过在人造生物器官中注入钛等离子可以大大提高器官的适应性,解决了人造器官与人体肌肉生物相容性的难题.现在,人造骨、 关节、 牙齿、 皮肤、 血管等人造生物材料已经开发成功 16.用等离子弧加
15、热法喷涂制造人工齿根的技术也已得到应用.四、开拓表面工程, 迎接新世纪的挑战目前,许多发达国家都在努力研究和应用各种提高零件表面性能的新技术、 新工艺,使得诸多表面工程技术不仅成为了先进制造技术中的重要工艺方法, 而且在设备的技术改造和维修方面发挥了重要作用. 我国的表面工程在过去的十几年中,已获得了重大发展,在国民经济中发挥了重要作用.在研究水平与规模方面,可与国际水平相比,并有自己的独创和特色,在重大工程中的部分应用已达到国际先进水平.为了发展表面工程,支持先进制造技术发展,现提出如下建议:( 1)加强表面工程学科的建设,深入开展表面工程基础理论的研究 , 全面了解表面( 界面)层的显微结
16、构与其性能的关系,为逐步建立表面科学的体系奠定基础;( 2)加强产学研的联合,承担对国民经济建设具有重大影响的关系全局的重点工程项目和关键技术的攻关, 对关键项目进行系统的表面工程技术设计;( 3) 深入研究和发展各种表面工程技术和复合表面工程技术、 表面材料,充分发挥各种表面工程技术和材料的综合优势;( 4)逐步建立和健全表面工程技术设计, 全面、 优化、 综合、 系统地应用各种表面工程技术;( 5)大力开展维修表面工程技术或重新制造技术的应用及研究, 为表面工程技术在设计新设备和制造新产品过程中应用新技术、 新材料积累经验, 建立相应的维修表面工程技术中心,面向全社会服务;( 6)加强表面
17、工程设备的研制工作,注重应用微电子等技术对设备进行改造, 逐步实现各种表面工程技术装备的机械化、 自动化、 系列化、 标准化、 配套化, 不断提高表面工程的装备水平;( 7)大力推广应用节能、 节材、 有利于环境的量大面广、 成熟配套的表面工程新技术、 新材料;( 8)加强表面工程技术在设备制造和新产品制造过程中的研究与应用, 以国民经济建设中关键装备的重要零部件及关键机电产品的表面质量的提高为目标, 尽快为机电行业等门提供一批实用、 成熟、 先进的表面工程技术;( 9)办好 5 中国表面工程 6 杂志,跟踪国际科技前沿,积极开拓国际交流与合作.表面工程在制造业中的应用及发展方兴未艾、 前景广
18、阔.相信在我国表面工程专家及工程技术人员的共同努力下, 随着表面工程学科和技术的发展及其向现实生产力的转化,各种表面工程技术将促进我国先进制造技术的发展,并有力地推动产品制造和设备维修技术的进步, 从而全面提高我国经济增长质量和我国产品在国际市场上的竞争能力, 并建立起具有我国特色的表面工程学科体系.参考文献1徐滨士.表面工程的应用与展望J. 中国科技前沿(中国工程院版), 2000 年 6：337 -357.2 徐滨士, 马世宁. 见: 全国第二届表面工程学术讨论会论文集 1 )3马世宁,毕志夫,王保田.表面工程, 1994 年 4: 710.4李金桂. 表面工程学研究J.表面技术, 1996：3-7.5李金桂. 表面工程学及发展J.材料保护, 1996 年 29( 6)1-3.7 Keith Legg. Surface Engineering in the UK Impact s Global Manufacturing J . R&D Magazine, 1989, 9:23-27.
