最新表面處理技術(shù)概述及其發(fā)展趨勢

qaz_3000000 · 發(fā)表于 2007-4-19 15:26:56

一、技術(shù)概述
    新型表面功能覆層技術(shù),，包括低溫化學(xué)表面涂層技術(shù)及超深層表面改性技術(shù),，它運(yùn)用物理、化學(xué)或物理化學(xué)等技術(shù)手段來改變“材料及其制件表面成份和組織結(jié)構(gòu)”,，其特點(diǎn)是保持基體材料固有的特征,，又賦予表面化所要求的各種性能，從而適應(yīng)各種技術(shù)和服役環(huán)境對材料的特殊要求,，因而它是制造和材料學(xué)科最為活躍的技術(shù)領(lǐng)域,，又是涉及表面處理與涂層技術(shù)的交叉學(xué)科。其最大的優(yōu)勢在于能以極少的材料和能源消耗制備出基體材料難以甚至無法獲得的性能優(yōu)異的表面薄層,，從而獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益,，它是一種優(yōu)質(zhì)高效的表面改性與涂層技術(shù)。優(yōu)質(zhì),、高效的表面改性與涂層技術(shù)其范圍廣闊：如熱化學(xué)表面技術(shù),；物理氣相沉積；化學(xué)氣相沉積,；物理化學(xué)氣相沉積技術(shù),；高能等離體表面涂層技術(shù)；金剛石薄膜涂層,；多元多層復(fù)合涂層技術(shù),；表面改性及涂層性能預(yù)測及剪栽技術(shù)；性能測試與壽命評估等等,。

    新型低溫化學(xué)氣相沉積技術(shù)引入等離子體增強(qiáng)技術(shù),，使其溫度降至600度以下，獲得硬質(zhì)耐磨涂層新工藝,，所生產(chǎn)的高強(qiáng)度,、高性能的涂層工藝，在高速、重負(fù)荷,、難加工領(lǐng)域中有其特殊的作用,。超深層表面改性技術(shù)可應(yīng)用于絕大多數(shù)熱處理件和表面處理件,，可替代高頻淬火,，碳氮共滲，離子滲氮等工藝,，得到更深的滲層,，更高的耐磨性，產(chǎn)品壽命劇增,，可產(chǎn)生突破性的功能變化,。

二、現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢
    隨著基礎(chǔ)工業(yè)及高新技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展,，對優(yōu)質(zhì),、高效表面改性及涂層技術(shù)的需求向縱深延伸，國內(nèi)外在該領(lǐng)域與相關(guān)學(xué)科相互促進(jìn)的局勢下,，在諸如“熱化學(xué)表面改性”,、“高能等離子體表面涂層”、“金剛石薄膜涂層技術(shù)”以及“表面改性與涂層工藝模擬和性能預(yù)測”等方面都有著突破的進(jìn)展,。

    1.熱化學(xué)表面改性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
    國外近年來重視對“可控氣氛條件和真空條件下的滲碳,，碳氮共滲等技術(shù)的研究，并已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化,。而在我國應(yīng)用很少,，相關(guān)的技術(shù)研究工作亦不夠�,？煽貧夥諠B碳和真空滲碳技術(shù)是顯著縮短生產(chǎn)周期,，節(jié)能、省時(shí),，同時(shí)可提高工件質(zhì)量,，不氧化、不脫碳,，保證零件表面耐腐蝕和抗疲勞性,，并減少熱處理后機(jī)加工余量及清理工時(shí)。
    目前國際上碳勢控制和監(jiān)測,，滲層布型控制等方面的研究成果已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn),，并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)控制。

    2.PVD,、CVD,、PCVD技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
    各種氣相沉積是當(dāng)前世界上著名研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)競相開展的具有挑戰(zhàn)的性的研究課題。目前該技術(shù)在信息、計(jì)算機(jī),、半導(dǎo)體,、光學(xué)儀器等產(chǎn)業(yè)及電子元器件、光電子器件,、太陽能電池,、傳感器件等制造中應(yīng)用十分廣泛，在機(jī)械工業(yè)中,，制作硬質(zhì)耐磨鍍層,、耐腐蝕鍍層、熱障鍍層及固體潤滑鍍層等方面也有較多的研究和應(yīng)用,，其中TiN等鍍膜刀具的普及已引起切削領(lǐng)域中的一場革命,，金剛石薄膜、立方氮化硼薄膜的研究也十分火熱,，并已向?qū)嵱没矫嫱七M(jìn),。

   在不同PVD、CVD工藝的基礎(chǔ)上,，通過發(fā)展和復(fù)合很多新的工藝和設(shè)備,，如IBAD、PCVD與空心陰極多弧復(fù)合離子鍍膜裝置,、離子注入與油濺射鍍或蒸鍍的復(fù)合裝置,、等離子體浸沒式離子注裝置等不斷將該類技術(shù)推向新的高度。與國外的發(fā)展相比,，我國在上述方面雖研究較多,，但水平有較大差異，在實(shí)用化方面差距更大,。

3.高能等離子體表面涂層技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
    該技術(shù)是增加表面物理化學(xué)反應(yīng),，獲取特殊性能覆蓋層。其核心是更有效地增強(qiáng)和控制陰極電弧等離子體的產(chǎn)生和作用,，美國,、日本、德國大力發(fā)展該技術(shù),。等離子體增強(qiáng)電化學(xué)表面改性技術(shù),，是目前國際上較活躍的開發(fā)研究領(lǐng)域，對于鋁,、鈦等材料,，通過等離子體調(diào)光放電手段，增強(qiáng)電化學(xué)處理效果,，在金屬表面上生成致密氧化鋁和其它氧化物陶瓷膜層,，可使基體具有極高性能表面,，是先進(jìn)制造工藝的前沿技術(shù)，在機(jī)加工用刀具和模具行業(yè)也有很了的應(yīng)用前景,。

    4.金剛石薄膜涂層技術(shù)
    金剛石具有極好的物理性能,，在形狀復(fù)雜的刀具、模具,、鉆頭等工件表面沉積上一層很薄的金剛石薄膜,，可提高工件的使用性能，并滿足一些特殊條件的需求,。近年來,，由于金剛石薄膜的優(yōu)異性能以及廣泛的應(yīng)用前景,，日本,、美國、西歐均進(jìn)行大量的研究工作,，并開發(fā)了多種金剛石涂層工藝技術(shù),，已在國內(nèi)外掀起金剛石涂層研究的熱潮。尤其是在提高金剛石涂層和基體結(jié)合強(qiáng)度,，大面積快速沉積金剛石涂層技術(shù),，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)涂層金剛石薄膜設(shè)備系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)方面國外已取得突破性進(jìn)展，美國,、瑞典等國已推出金剛石金屬切削工具供應(yīng)市場,，而我國該技術(shù)還沒有達(dá)到實(shí)用水平，急待開發(fā)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,。

    5.多元多層復(fù)合涂層技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
    單一的表面涂層不能滿足表面工程設(shè)計(jì)中苛刻的工況條件,，任何表面處理均有其不同的優(yōu)缺點(diǎn)，因?yàn)槔貌煌繉硬牧系男阅軆?yōu)點(diǎn),，在基體表面形成多元多層復(fù)合涂層（含萬分漸變的梯度層）具有重大的意義,。國外已開展單層涂層厚度為納米級，層數(shù)在100層以上的多元多層復(fù)合涂層技術(shù)的研究,，所制備的涂層具有較高的耐腐性,、韌性和強(qiáng)度，和基體的結(jié)合強(qiáng)度也好,，表面粗糙度低,，這對直精高速工削機(jī)械加工十人有利。國外已列入主要發(fā)展方面,，予計(jì)在納米級精細(xì)涂層材料研究和應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)有新的突破,。因?yàn)閺?fù)合涂層技術(shù)具有抗磨損、抗高溫氧化腐蝕,、隔熱等功能,，能擴(kuò)大涂層制品使用范圍，延長使用壽命，是一項(xiàng)在下一世紀(jì)會(huì)得到迅速發(fā)展的技術(shù),。我國目前已開始研究,，并取得初步成果，但還存在一些問題有待于解決,。

    6.表面改性與涂層工藝模擬和性能預(yù)測的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
    表面改性與涂層技術(shù)作為表面工程的重要組成部分,，已經(jīng)滲透到傳統(tǒng)工業(yè)與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)部門，根據(jù)應(yīng)用的要求反過來又促進(jìn)表面功能覆層技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,。根據(jù)使用要求,，對材料表面進(jìn)行設(shè)計(jì)、對表面性能參數(shù)進(jìn)行剪裁,，使之符合特定要求,，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對表面覆蓋層的組織結(jié)構(gòu)和性能和預(yù)測等，已成為該領(lǐng)域重要研究方向,。國外已對CVD,、PVD以及其它表面改性方法開展計(jì)算機(jī)模擬研究，針對CVD過程進(jìn)行模擬,，采用宏觀和微觀多層次模型,，對工藝和涂層各種性能和基體的結(jié)合力進(jìn)行模擬和預(yù)測；對滲碳,，滲氮工件滲層性能應(yīng)力等進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬等等,，人們可以更好地控制和優(yōu)化工藝過程。我國這方面的研究剛處地超步階段,。

    三,、“十五”目標(biāo)及主要研究內(nèi)容
    1.目標(biāo)
    根據(jù)國內(nèi)外表面功能覆層技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合機(jī)械工業(yè)的需求與現(xiàn)狀,，為國家重大工程,、重大技術(shù)裝備研究開發(fā)一批先進(jìn)適用的表面功能覆層關(guān)鍵技術(shù)。
2.主要研究內(nèi)容：
   （1）新型低溫氣相沉積技術(shù)及裝備研究
    研制新型磁控濺射,、離子鍍膜,、PCVD設(shè)備及其復(fù)合裝備，并實(shí)現(xiàn)工藝過程的自動(dòng)控制,。加強(qiáng)成膜,、膜基結(jié)合機(jī)理的研究，降低制膜溫度,，優(yōu)化反應(yīng)過程及工藝參數(shù),，合成各種耐磨、抗蝕的新優(yōu)質(zhì)鍍層,。重點(diǎn)解決國家安全及支柱產(chǎn)業(yè)急需解決的表面工程技術(shù)難題,，力爭形成創(chuàng)新性科技成果,，促進(jìn)通用機(jī)械、閥門,、冷作模具,、高溫模具等行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

   （2）納米級多無多層復(fù)合涂層材料及工藝技術(shù)研究
    跟蹤國際先進(jìn)水平,，研究50層以上納米級復(fù)合涂層技術(shù)及材料,，包括納米級多層多元復(fù)合涂層材料重組、結(jié)構(gòu),、厚度,、層數(shù)的綜合設(shè)計(jì)，以及涂層材料的微觀組織結(jié)構(gòu)及制備工藝技術(shù)研究,。

   （3）表面涂層工藝及質(zhì)量的數(shù)值模擬及優(yōu)化控制的研究與開發(fā),，著重對熱化學(xué)表面改性過程以及PVD和CVD沉積技術(shù)進(jìn)行工藝模擬及優(yōu)化研究。建立數(shù)學(xué)模型和算法,，開發(fā)出相應(yīng)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)來指導(dǎo)和分析表面改性和涂層工藝過程的設(shè)計(jì),，并預(yù)測表面性能和服役壽命,。

   （4）金剛石薄膜涂層技術(shù)
    開展大面積,、快速、高質(zhì)量金剛石薄膜涂層工藝技術(shù)及涂層刀具產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究,，以涂層質(zhì)量好,，均勻一致性能穩(wěn)定可靠為研究重點(diǎn)，提高金剛石涂層沉積速率,，完成相應(yīng)設(shè)備的設(shè)計(jì),、制造，同時(shí)開發(fā)金剛石薄膜涂層刀片,、硬質(zhì)合金鉆頭等刀具,，使壽命提高10倍，并用于汽車等工業(yè),。