摩擦學(xué)與表面工程

　　摩擦學(xué)與表面工程 

　　摩擦學(xué)對(duì)表面工程的要求主要是實(shí)現(xiàn)摩擦副功能，減少或增加摩擦和磨損。從摩擦學(xué)的角度出發(fā)，要盡力避免力將摩擦副偶件孤立起來(lái)進(jìn)行表面處理技術(shù)研究，即在研究和選擇表面處理技術(shù)時(shí)，必須從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，充分考慮配副性問(wèn)題。表面工程摩擦學(xué)領(lǐng)域所獲得的大量研究成果，不僅促進(jìn)和豐富了摩擦學(xué)的基礎(chǔ)研究 而且為開(kāi)發(fā)工業(yè)和高新技術(shù)發(fā)展所必需的具有高強(qiáng)度 高耐磨性和 高抗蝕性的摩擦學(xué)材料提供了重要的指南。表面工程是極具活力的實(shí)用技術(shù)與之結(jié)合，將摩擦學(xué)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用表面間的摩擦、潤(rùn)滑和磨損，以及三者間相互關(guān)系的基礎(chǔ)理論和實(shí)踐，表面工程是表面經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，通過(guò)表面涂覆、表面改性或多種表面技術(shù)復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀況，以獲得表面所需性能的系統(tǒng)工程。  一    表面工程的分類(lèi) 

　　根據(jù)表面工程技術(shù) 涂層和表面處理 發(fā)展歷程把表面工程分為兩代，第一代主要采用單一技術(shù) 包括電鍍 化學(xué)鍍 熱噴涂 熱化學(xué)處理 沉積以及載能束改性等表面工程技多年來(lái) 該類(lèi)表面工程及其摩擦學(xué)的研究取得了巨大進(jìn)展 許多研究成果已獲得了應(yīng)用  隨著新型工藝如和等的采用 具有低摩擦高抗磨性的新型涂層如等應(yīng)運(yùn)而生 但是只有采用第二代表面工程即復(fù)合表面工程才有可能從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上不斷滿(mǎn)足高性能新材料的要求  

　　按表面技術(shù)分類(lèi)如下。  

1. 表面熱處理及化學(xué)熱處理。 2. 堆焊及熱噴涂 3. 電鍍及電沉積 4. 氣相沉積 5. 高能密度處理 6. 膠粘非金屬涂層  

二． 表面工程常用方法  

1、表面化學(xué)法預(yù)處理：溶劑清洗，堿洗，堿蝕，酸洗，酸蝕，乳化液清洗，

化學(xué)拋光，電解拋光，電解清洗等。目的是滿(mǎn)足清潔表面（去油、銹、氧化皮）使表面光亮、粗化或滿(mǎn)足其他要求，使表面均一。 

2、表面機(jī)械法精整：噴砂、噴丸、磨光、拋光、刷光、滾光等目的是清理表

面雜質(zhì)；表面均一及粗化；表面強(qiáng)化（噴丸硬化） 

3、 熱加工相變硬化：火焰加熱硬化、激光淬火、電子束硬化等。目的是提

高表面硬度與耐磨性（不改變基體表面化學(xué)成份） 

4、熱化學(xué)（擴(kuò)散）表面改性：滲碳、碳氮共滲，滲氮、滲硫與多元共滲，滲

硼及多元共滲，滲金屬及復(fù)合滲，激光表面合金化，熱浸鋅、鋁等。目的是提高耐蝕、耐熱、耐磨及抗疲勞性能

5、化學(xué)法鍍覆：化學(xué)鍍，溶膠一凝膠法，磷酸鹽處理，（磷化）鉻酸鹽處理

（鉻酸鹽鈍化）草酸鹽處理，鋼鐵氧化等。目的是防護(hù)裝飾；改善耐磨性能；冷變形加工潤(rùn)滑 

6、 電鍍：常規(guī)單金屬鍍，復(fù)合電鍍，合金電鍍，脈沖電鍍，高速電鍍，激

光電鍍，刷鍍等。目的是防護(hù)裝飾；提高減摩耐磨性能；制備特殊功能金屬鍍層（光、電、磁、可焊性等） 

7、 電鑄：電鑄鎳，電鑄銅等復(fù)制金屬制品尺寸修復(fù) 

8、 陽(yáng)極氧化：鋁及鋁合金陽(yáng)極氧化，鎂及鎂合金陽(yáng)極氧化，鈦及鈦合金陽(yáng)

極氧化等目的是防護(hù)裝飾；提高喊摩耐磨性能；制備特殊功能膜（耐熱、絕緣、太陽(yáng)能吸收等）  

9、 有機(jī)涂裝：浸涂，淋涂，幕簾淋涂，輥涂，電泳涂裝，自泳涂裝，靜電

涂裝，噴涂，流化床涂覆等目的是防護(hù)裝飾；耐腐蝕；制備特種功能有機(jī)涂層（隔音、減震、隔熱、耐油、防火、電絕緣、防污等） 

10、 梯度功能表面技術(shù)：正機(jī)械梯度意味著摩擦表面材料的剪切屈服應(yīng)力 

〔或硬度)小于非摩擦表面基體材料的剪切屈服應(yīng)力，即從摩擦表面到基體內(nèi)，材料的屈服應(yīng)力逐漸增大;反之為負(fù)機(jī)械梯度。正機(jī)械梯度摩擦面的剪切強(qiáng)度低于比 基體的低， 剪切發(fā)生在摩擦接觸面上，表現(xiàn)為外摩擦;負(fù)機(jī)械梯度因摩擦面的剪切強(qiáng)度高于基體的，剪切發(fā)生在摩擦件基體內(nèi)，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦。機(jī)械梯度功能表面是目前梯度功能表面技術(shù)的一部分，它很好地體現(xiàn)了摩擦學(xué)關(guān)于摩擦表面機(jī)械梯度的理論。 

11、 熱噴涂：火焰噴涂，電弧噴涂，等離子噴涂，爆炸噴涂，粉末等離子堆

焊等目的是制備耐蝕，耐磨，減摩，隔熱，導(dǎo)電，絕緣，可磨耗封嚴(yán)等多種功能涂層 

12、 物理氣相沉積（PVD）：蒸發(fā)鍍，濺射鍍，離子鍍等目的是制備裝飾性，

耐磨，耐蝕及光，電，磁等功能薄膜 13、 化學(xué)氣相沉積（CVD）：常壓化學(xué)氣相沉積，低壓化學(xué)氣相沉積，激光化

學(xué)氣相沉積，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積，等離子體化學(xué)氣相沉積等目的是制備耐磨，抗氧化，抗腐蝕固態(tài)薄膜，適用于復(fù)雜零件及難熔金屬、石墨、陶瓷等基體材料零件處理，可沉積難熔金屬  14、 離子注入表面改性：氮離子注入（單一氣體注入），等離子源離子注入，

離子輔助鍍膜等。目的是制備金屬成形刀具、模具耐磨硬質(zhì)涂層 15、 緩蝕材料防銹（封存防銹）：水劑防銹，油脂防銹，氣相防銹，可剝性塑

料防銹，防銹切削液等。目的是整機(jī)設(shè)備及機(jī)械基礎(chǔ)件（包括原材料，毛坯件）在運(yùn)輸、儲(chǔ)存及加工工序間周轉(zhuǎn)過(guò)程中防銹 

16、 其 他：包覆、襯里、搪瓷涂覆、離心澆注、料漿噴涂、機(jī)械鍍等目的是

制備耐化工腐蝕厚覆層及耐蝕鍍層（機(jī)械鍍） 三． 表面工程的應(yīng)用 

1. 在改善和美化人們生活中的應(yīng)用  2. 在保護(hù)、優(yōu)化環(huán)境中的應(yīng)用   3. 在結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用  

表面工程技術(shù)在耐腐蝕性和裝飾性方面起著重要作用，同時(shí)在強(qiáng)化、耐磨、裝飾等方面也起著重要作用。  

  (1)表面防護(hù) 表面防護(hù)主要是指材料表面防止化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕

等的能力。采用表面工程技術(shù)能顯著提高結(jié)構(gòu)件的防護(hù)能力。

(2)耐磨性 耐磨性是指材料在一定摩擦力條件下抵抗磨損的能力。它與

材料特性以及載荷、速度、溫度等磨損條件有關(guān)。利用熱噴涂、堆焊、電刷鍍和電鍍等表面技術(shù)，在材料表面形成Ni基、Co基、Fe基、金屬陶瓷等覆層，可有效地提高材料或制件的耐磨性。  

  (3)表面強(qiáng)化 主要指通過(guò)各種表面強(qiáng)化處理來(lái)提高材料表面抵御除腐

蝕和磨損之外的環(huán)境作用的能力。  

  (4)表面裝飾 具有光亮、色澤、花紋和仿照等功能。合理地選擇電鍍、

化學(xué)鍍、氧化等表面技術(shù)，可以獲得鏡面鍍層、全光亮鍍層、亞光鍍層、緞狀鍍層，不同色彩的鍍層，各種平面、立體花紋鍍層、仿貴金屬、仿古和仿大理石鍍層等。  

  4.在功能材料和元器件中的應(yīng)用  

  功能材料主要指具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和生物等功能，以及一些聲、電、光、磁等互相轉(zhuǎn)換功能，而被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料，常用來(lái)制造各種裝備中具有獨(dú)特性能的核心部件。材料的功能特性與其表面成分、組織結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。  

  (1)電學(xué)特性 利用電鍍、化學(xué)鍍、氣相沉積、離子注入等技術(shù)可制備具

有電學(xué)特性的功能薄膜及其元器件。  

  (2)磁學(xué)特性 通過(guò)氣相沉積技術(shù)和涂裝等表面技術(shù)制備出磁記錄介質(zhì)、

磁帶、磁泡材料、電學(xué)屏蔽材料、薄膜磁阻元件等。  

  (3)光學(xué)特性 利用電鍍、化學(xué)鍍、轉(zhuǎn)化膜、涂裝、氣相沉積等方法，能

夠獲得具有反光、光選擇吸收、增透性、光致發(fā)光、感光等特性的薄膜材料。  

  (4)聲學(xué)特性 利用涂裝、氣相沉積等表面技術(shù)，可以制備摻雜Mn-Zn鐵

氧體復(fù)合聚苯胺款頻段的吸波涂層、紅外隱身涂層、降低雷達(dá)波反射系數(shù)的納米復(fù)合雷達(dá)隱身涂層，聲反射和聲吸收涂層以及聲表面波器件等。  

  (5)熱血特性 采用磁控濺射，涂裝等方法制備。  

  (6)生物學(xué)特性 具有一定的生物相容性和物理化學(xué)性質(zhì)的生物醫(yī)學(xué)材

料，利用等離子噴涂、氣相沉積、等離子注入等方法形成的一用涂層，可在保持基體材料特性的基礎(chǔ)上，提高基體表面的生物學(xué)性質(zhì)、耐磨性、耐蝕性和絕緣性等，阻隔基體材料離子向周?chē)M織溶出擴(kuò)散，起到改善同人體機(jī)能的作用。在金屬材料上制備生物陶瓷涂層，提高材料的生物活性，用作人造關(guān)節(jié)、人造牙等醫(yī)學(xué)植入體。將磁性涂層涂覆在人體的一定穴位上，有治療疼痛、高血壓等功能。  

  (7)各種轉(zhuǎn)換功能 采用表面工程技術(shù)可獲得進(jìn)行光-電，熱-電，光-熱，

力-熱，磁-光等轉(zhuǎn)換功能的器件。  

  5.在再制造工程中的應(yīng)用  

  (1)再制造工程的內(nèi)涵 再制造工程是在維修工程和表面工程的基礎(chǔ)上

發(fā)展起來(lái)的新興科學(xué)，是以產(chǎn)品全壽命周期論為指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)廢舊產(chǎn)品的性能提升為指標(biāo)，以?xún)?yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材和環(huán)保為準(zhǔn)則，以先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)化為手段，來(lái)修復(fù)、改造廢舊產(chǎn)品的一系列技術(shù)措施或工程活動(dòng)的總稱(chēng)。簡(jiǎn)而言之為是廢舊產(chǎn)品高技術(shù)修復(fù)、改造的產(chǎn)業(yè)。其重要特征是，再制造以后的產(chǎn)品質(zhì)量和性能達(dá)到或超過(guò)新品，成本只是產(chǎn)品的50%，可節(jié)能60%，節(jié)材70%，對(duì)環(huán)境的不良影響顯著降低，可有力的促進(jìn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)。  

  (2) 再制造工程的效益和特色 效益體現(xiàn)在：廢舊產(chǎn)品的零部件因被直

　　接用作再制造的毛坯而不是回爐冶煉獲得鋼墊，避免了回爐時(shí)對(duì)能量的消耗和對(duì)環(huán)境造成的二次污染；避免了由鋼錠到新零件的二次制造時(shí)對(duì)能源的再次消耗和對(duì)環(huán)境的再度污染。一方面提高了產(chǎn)品的綠色度，另一方面避免了成為固體垃圾而造成的環(huán)境污染。