| 1．概述 機(jī)械零部件、工程構(gòu)件發(fā)生的失效破壞，所導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失非常巨大，而磨損、腐蝕和斷裂是機(jī)械構(gòu)件的三大主要破壞形式。這些破壞絕大部分都產(chǎn)生于構(gòu)件表面。因此提高表面質(zhì)量和采用表面防護(hù)措施延緩和控制表面的破壞，成為解決上述問(wèn)題的有效方法，這樣就促進(jìn)了表面工程科學(xué)和表面技術(shù)的形成與發(fā)展。 表面工程技術(shù)將會(huì)成為二十一世紀(jì)在材料學(xué)科中一個(gè)非常重要的領(lǐng)域。技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)試驗(yàn)和分析，理化分析一直在表面工程技術(shù)分析中起著重要的作用，表面層的狀況和質(zhì)量都需要通過(guò)理化分析來(lái)檢驗(yàn)和判定。理化分析作為一個(gè)傳統(tǒng)的分析領(lǐng)域，其分析的重點(diǎn)也將隨著新技術(shù)發(fā)展而轉(zhuǎn)變，分析技術(shù)也在不斷的發(fā)展提高，表面工程技術(shù)不斷的發(fā)展，領(lǐng)域不斷的擴(kuò)展，也將使理化分析領(lǐng)域不斷的擴(kuò)展和發(fā)展。 2．表面工程技術(shù)簡(jiǎn)述 隨著工程應(yīng)用發(fā)展的需要，表面工程技術(shù)已成為目前重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，并且已形成了一門新興學(xué)科——表面工程學(xué)。 2.1傳統(tǒng)表面技術(shù)及發(fā)展 傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化技術(shù)如表面淬火、表面滲碳、氮化等屬于熱處理工藝的一部分，是比較古老的表面強(qiáng)化工藝。但是這些工藝仍在發(fā)展。如表面化學(xué)熱處理從液體法發(fā)展到氣體法，目前又發(fā)展了真空化學(xué)熱處理和離子轟擊化學(xué)熱處理；表面淬火由傳統(tǒng)的中頻淬火、高頻淬火又發(fā)展了激光加熱表面淬火；傳統(tǒng)電鍍工藝與近代激光技術(shù)結(jié)合形成了激光電鍍等等。 2.2表面工程技術(shù)分類 通常將表面工程技術(shù)分為表面涂鍍技術(shù)、表面擴(kuò)滲技術(shù)和表面熱處理三個(gè)領(lǐng)域。表面涂鍍技術(shù)是將液態(tài)涂料敷在材料表面，或者是將鍍料原子沉積在材料表面，從而獲得晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和性能有益于基體材料的涂層或鍍層。此類技術(shù)有有機(jī)涂裝、熱浸鍍、熱噴涂、電鍍、化學(xué)鍍和氣相沉積等：表面擴(kuò)滲技術(shù)是將原子滲入(或離子注入)基體材料的表面，改變基體表面的化學(xué)成分，從而達(dá)到改變其性能的目的，它主要包括化學(xué)處理、陽(yáng)極氧化、表面合金化和離子注入等。表面熱處理技術(shù)是通過(guò)加熱或機(jī)械處理，在不改變材料表層化學(xué)成分的情況下，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變其性能。常用的表面處理技術(shù)包括表面淬火、激光重熔和噴丸等。 2.3一些新興發(fā)展的表面工程技術(shù) 2.3.1熱噴涂技術(shù) 熱噴涂是采用專用設(shè)備利用熱源將金屬或非金屬材料加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，用高速氣流將其吹成微小顆粒并噴射到機(jī)件表面，形成覆蓋層。最初發(fā)展的是線材噴涂，而后出現(xiàn)了火焰粉末噴涂技術(shù)，火焰噴焊工藝：20世紀(jì)50年代發(fā)展了爆炸噴涂和等離子噴涂，近年又有了超音速噴涂和激光噴涂。目前各種熱噴涂技術(shù)均已成熟，不僅能噴涂金屬、復(fù)合陶瓷與金屬陶瓷，還能噴涂塑料及復(fù)合材料，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。加熱噴涂技術(shù)是一個(gè)涉及金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子化學(xué)、表面物理、表面化學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、等離子物理等學(xué)科的交叉邊緣科學(xué)。 2.3.2氣相沉積 氣相沉積按機(jī)理分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)。物理氣相沉積是利用真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍等方法沉積成膜；化學(xué)氣相沉積是利用鍍層材料的揮發(fā)性使化合物氣體分解或化合反應(yīng)后沉積成膜。其中真空蒸鍍是在真空環(huán)境中把材料加熱熔化后蒸發(fā)，使其大量原子、分子、原子團(tuán)離開(kāi)熔體表面，凝結(jié)在被鍍件表面上形成鍍膜；濺射鍍膜是用高能粒子(通常是由電場(chǎng)加速的正離子)沖擊固體表面時(shí)使固體表面的原子、分子飛濺出來(lái)沉積凝聚在被鍍件表面形成薄膜：離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)離子化，在氣體離子或被蒸發(fā)物離子轟擊作用的同時(shí)，把蒸汽物或其反應(yīng)物蒸鍍?cè)诨w上。此外，還有等離子輔助化學(xué)氣相沉積(PACVD)和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PCVD)。 2.3.3激光技術(shù) 激光表面處理是近二十年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，主要有：激光涂鍍，包括激光蒸鍍、化學(xué)熱處理、噴涂、電鍍等；激光熱處理；激光熔融等。利用激光可獲得極高的加熱和冷卻速度，從而可制成微晶、非晶及其它一些奇特的、平衡相圖上不存在的亞穩(wěn)態(tài)合金，從而賦予材料表面以特殊的性能。 2.3.4離子注入 離子于注入是把工件放在離子注入機(jī)的真空靶室中，在幾十至幾百伏的電壓下，把所需元素的離子注入到工件表面的一種工藝。金屬經(jīng)離子注入后，在其零點(diǎn)幾微米的表面層增加注入元素和輻照損傷，從而使物理、化學(xué)性能發(fā)生顯著的變化。離子注入有如下特征：a.原則上任何元素都可以注入任何基體金屬中；b.注入一般是在常溫真空中進(jìn)行，表面無(wú)變形、無(wú)氧化，能保持原有尺寸精度和表面粗糙度，c.注入原子與基體金屬之間沒(méi)有界面，因而注入層不會(huì)有剝落問(wèn)題。 2.3.5 復(fù)合技術(shù) 在各種表面技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，相互滲透、揚(yáng)長(zhǎng)避短，出現(xiàn)了一批復(fù)合技術(shù)。在金屬材料領(lǐng)域中，復(fù)合技術(shù)大多是為涂鍍耐磨層而開(kāi)發(fā)的。例如有滲碳+液體滲鉻、滲釩、滲硼等；液體滲硼+液體滲鉻加化學(xué)氣相沉積氮化鈦：電鍍鉻牛離子注入氮：熱噴涂牛激光重熔，電鍍+熱噴涂：熱噴涂+電鍍等等。 3．理化分析在金屬表面分析的應(yīng)用實(shí)踐 3.1機(jī)加工表現(xiàn)狀況檢驗(yàn)與研究 對(duì)于各種機(jī)械加工，如：車、銑、刨、磨、鉆等方法產(chǎn)生的表面研究在生產(chǎn)實(shí)踐中主要是對(duì)表面完整性狀況判定，經(jīng)過(guò)加工的金屬零件表面宏觀上似乎很平整、光滑，但在顯微鏡下觀察就可發(fā)現(xiàn)很粗糙，呈現(xiàn)凸凹不平的波峰和波谷，同時(shí)加工后表面金屬有一定損傷，如組織發(fā)生變形、晶格發(fā)生畸變。表面完整性主要是對(duì)加工后表面的損傷情況如表面凸凹度、晶格畸變程度進(jìn)行判定，這些檢查通常以金相剖面檢查為主，通常是取樣件試樣進(jìn)行鑲嵌后在500倍光學(xué)顯微鏡下檢查。 這些檢查在國(guó)內(nèi)尚未普遍開(kāi)展，但在國(guó)外一些重要零件如發(fā)動(dòng)機(jī)盤、葉片、軸類等關(guān)鍵零件中已普遍應(yīng)用在機(jī)加工工藝參數(shù)確定中，已做為一種主要的判定依據(jù)。并且在越來(lái)越多的零件表面質(zhì)量判定中已成為一種主要檢驗(yàn)方法。這些研究方法為我們理化分析人員提出了新的思路，拓展了我們的研究范同。 這些研究也使我們對(duì)一些產(chǎn)品壽命長(zhǎng)短的判定，有了新的思路，在失效分析判定更增加一些分析的思路和方法。 3.2各種電加工層的表面檢驗(yàn) 隨著工業(yè)的發(fā)展，各種電加工工藝也在不斷發(fā)展，目前主要的電加廠方法有：電解加工、電火花加工、電子束加工和激光束加工等，這些方法廣泛應(yīng)用于各種具有型面要求的零件、零件的內(nèi)腔、有各類小孔洞的零件等，這些加工方法是使金屬有一個(gè)快速熔化的或電力的過(guò)程。這些非機(jī)械加工所形成表面的質(zhì)量狀況，通常是通過(guò)對(duì)樣件的金相檢查確定，這些檢查已成為工藝參數(shù)確定、工藝定型的重要依據(jù)。金相檢查是將樣件剖面鑲嵌后在顯微鏡下檢查其表面有無(wú)缺陷和缺陷程度，主要有表面重熔層厚度、重熔層裂紋、電弧燒傷、晶間腐蝕、基體金屬腐蝕、基體金屬裂紋，表面不規(guī)則性、熱影響區(qū)深度等項(xiàng)目。 3.3各種涂層 大家熟知的滲層如滲碳層、滲氮層的檢驗(yàn)已有很多標(biāo)準(zhǔn)方法，如金相法、硬度法、斷口法等等，在此不再敘述。有很多新種類的滲層如滲鉻層、滲鋁層、滲鋁-磚層、滲鋁-鈦層、滲氧層、滲硼層等等。通常檢查滲層的深度、均勻性及滲層擴(kuò)散后的狀況。最常用的檢驗(yàn)方法是金相方法。 由于滲層元素的特殊性，金相樣品制備和腐蝕的很多細(xì)節(jié)必須嚴(yán)格控制，否則有的滲層將無(wú)法顯現(xiàn)。滲層的硬度也是需要檢驗(yàn)的，這類滲層通常較薄，硬度檢驗(yàn)以顯微硬度和努氏硬度為主。 對(duì)于滲層元素變化情況，常用方法是電子探針、能譜儀、俄歇電子等儀器測(cè)定。近年來(lái)發(fā)展的輝光光譜儀在滲層檢驗(yàn)中有很好的應(yīng)用，例如用輝光光譜儀測(cè)定滲鉻層。 3.4熱噴涂涂層 熱噴涂涂層是一種發(fā)展迅速的涂層技術(shù)，其應(yīng)用范圍主要有滑動(dòng)碰撞磨損涂層，微振磨損涂層、磨蝕涂層、隔熱涂層、尺寸修變涂層等等。由于涂層的特殊性，涂層金相檢驗(yàn)己發(fā)展成專門的一類檢驗(yàn)學(xué)科一熱噴涂涂層金相學(xué)。熱噴涂涂層在金相過(guò)程中的變化是相當(dāng)敏感的，因此了解噴涂涂層的特性對(duì)于得到一種真實(shí)的涂層顯微結(jié)構(gòu)是非常重要的。我們通常接觸的金屬材料是由晶粒構(gòu)成的，是均勻的。而形成涂層的材料(特別是等離子涂層)是由粉末構(gòu)成的。大的顆粒與小的顆粒不同，圓的顆粒與長(zhǎng)的或不規(guī)則的顆粒不同。涂層組成的實(shí)質(zhì)是每個(gè)顆粒的混合體。由于涂層是由熔化和半熔化顆粒組成的特性，在熱過(guò)程中顆粒表面產(chǎn)生金屬氧化物和氮化物，同時(shí)顆粒也有一些空隙產(chǎn)生。 在涂層樣品制備中每一步驟的選擇和應(yīng)用都必須有嚴(yán)格的工藝控制程序。如切割涂層試樣時(shí)要考慮切割不會(huì)使表面涂層結(jié)構(gòu)受到損傷，要選擇合適的切割方法，要確定切割工具尺寸的薄厚和切割材料的選用。在鑲嵌試樣時(shí)要有確定方法、確定的鑲樣料、磨光和拋光時(shí)設(shè)備必須有固定的程序，并要求是唯一性的。對(duì)每一種涂層都要求有各自相適應(yīng)的過(guò)程程序。 不同涂罷有不同的檢驗(yàn)要求和評(píng)定規(guī)則。評(píng)定項(xiàng)目較多，要求評(píng)定細(xì)節(jié)很嚴(yán)格。我們通過(guò)一兩個(gè)例子來(lái)說(shuō)明：如WC／Co涂層，這種涂層要評(píng)定WC顆粒的百分比和分布的均勻程度、涂層與基體界面的結(jié)合情況、孔隙的人小和數(shù)量、油污裂紋和分層情況等，同時(shí)在評(píng)定時(shí)還要分辨在制備試樣過(guò)程中碳化物被拔出造成孔隙增加的假象情況。 再如，Ni——AL／氧化鋁涂層，其中Ni——AL層是做為一種粘接底層，是一種較軟的涂層，而氧化鋁是一種較硬的陶瓷涂層，兩層涂層不僅要評(píng)定各自涂層結(jié)構(gòu)還要評(píng)定兩者的結(jié)合情況。評(píng)定項(xiàng)目主要有分層裂紋和拔出情況、孔隙率、界面污染情況，氧化物分布和形態(tài)以及末熔顆粒的大小和數(shù)量等。 3.5氣相沉積 氣相沉積的檢驗(yàn)常見(jiàn)的是金相顯微分析和硬度檢驗(yàn)。從圖片可以得到各層表面的深度、分布的均勻性及擴(kuò)散的情況。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的輝光光譜儀也越來(lái)越多地應(yīng)用在沉積層的分析中。輝光光譜儀可以對(duì)沉積層進(jìn)行逐層剝層分析，分析精度高，準(zhǔn)確性好，可以自動(dòng)建立完整的深度-成分曲線。 4結(jié)束語(yǔ)： 表面工程技術(shù)做為一門涉及多學(xué)科的邊緣學(xué)科技術(shù)已成為材料科學(xué)領(lǐng)域中最具有廣泛發(fā)展前景的學(xué)科，在制造行業(yè)中所處的地位也將越來(lái)越重要。新技術(shù)的發(fā)展將促進(jìn)理化分析檢驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展：同時(shí)完備的理化試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，是新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和重要的依據(jù)。新技術(shù)發(fā)展為理化分析提供了廣泛的應(yīng)用前景，要求理化檢測(cè)人員不僅要更好地學(xué)習(xí)掌握更多的理化分析技術(shù)，還要了解各種新工藝方法。只有這樣才能緊跟新技術(shù)、新工藝的發(fā)展步伐，提高理化分析檢測(cè)的作用。 |
