摘要：介绍了表面处理技术的内容，现代材料表面处理技术与传统表面处理技术的区别，重点介绍了表面处理技术在模具上的应用和发展，最后针对材料表面处理技术研究和应用所存在的问题，提出了自己的看法。
关键词：表面处理技术 区别 模具 问题。
一、表面处理技术的内容
材料表面处理技术与工程,是80年代以来世界十大关键之一的新兴技术,现已迅速发展成跨学科的、综合性强的新兴的先进工程技术,涉及到材料、物理、化学、真空技术及微电子学等许多学科,应用领域非常广。
表面处理技术包括：表面覆盖技术、表面改性技术和复合表面处理技术。
1)表面覆盖技术
这项技术的种类很多,目前主要有下列24类:1电镀；2电刷镀；3化学镀；4涂装；5粘结；6堆焊；7熔结；8热喷涂；9塑料粉末涂敷；10电火花涂敷；11热浸镀；12搪瓷涂敷；13陶瓷涂敷；14真空蒸镀；5溅射镀；16离子镀；17普通化学气相沉积；18等离子体化学气相沉积；19金属有机物气相沉积；20分子束外延；21离子束合成薄膜技术；22化学转化膜；23热烫印；24暂时性覆盖处理。上述每类表面覆盖技术又可分为许多种技术。例如电镀按镀层可分为单金属电镀和合金电镀。单金属镀层有锌、镉、铜、镍等数10种,合金镀层有锌铜、镍铁、锌-镍-铁等100多种。按电镀方式,可分为挂镀、吊镀、滚镀和刷镀等。某些分类有重叠情况,例如塑料粉末涂敷可归入涂装一类,但由于其特殊性,故单独列为一类。又如陶瓷涂敷,其中不少内容可归入热喷涂一类,但考虑其完整性,也单独列为一类。有些技术,尤其是一些新技术,根据其特点和发展情况,在需要时可单独列为一类。例如片状锌基铬盐防护涂层(又称达克罗等),是由细小片状锌、片状铝、铬酸盐、水和有机溶剂构成涂料,经涂敷和300℃左右加热保温除去水和有机溶剂后形成涂层,因具有涂层薄、防蚀性能优良、无氢脆、耐热性好、附着性高以及无环境污染等优点,所以发展迅速,可考虑从涂装中单独列出。
2)表面改性技术
目前大致可分为以下几类:喷丸强化；表面热处理；化学热处理；等离子扩渗处理；激光表面处理；电子束表面处理；高密度太阳能表面处理；离子注入表面改性。
实际上“表面改性”是一个具有较为广泛涵义的技术名词,它可泛指“经过特殊表面处理以得到某种特殊性能的技术”。因此,有许多表面覆盖技术也可看作表面改性技术。为了使这些覆盖技术归类完整起见,我们说的表面改性技术是指“表面覆盖”以外的,通过用机械、物理、化学等方法,改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态,来获得某种特殊性能的表面处理技术。
3)复合表面处理技术
表面技术种类繁杂,今后还会有一系列新技术涌现出来。表面技术的另一个重要趋向是综合运用两种或更多种表面技术的复合表面处理将获得迅速发展。随着材料使用要求的不断提高,单一的表面技术因有一定的局限性而往往不能满足需要。目前已开发的一些复合表面处理如等离子喷涂与激光辐照复合、热喷涂与喷丸复合、化学热处理与电镀复合、激光淬火与化学热处理复合、化学热处理与气相沉积复合等,已经取得良好效果,有的还收到意想不到的效果。
二、现代材料表面处理技术与传统表面处理技术的区别
传统的表面处理技术主要为了解决材料的耐磨和耐腐蚀问题,而现代表面处理技术除了解决上述问题外,更赋予材料以新的功能。它以经济有效的方法改善材料表面及近表面区的形态、化学成分及组织结构,并赋予新的复合性能,可获得许多新构思、新材料、新器件和新应用。现代表面技术的内容有三个方面:厚膜涂层技术、薄膜涂层技术及表面改性技术。厚膜涂层技术是以喷涂技术为代表;薄膜技术主要包括物理气相沉积、化学气相沉积、化学镀膜等;表面改性技术以电子束、离子束及激光束表面改性为主。
三、表面处理技术在模具上的应用和发展
1)表面处理技术在模具上的应用
模具表面处理主要是指运用表面技术对模具表面进行改性或涂覆镀层。目前使用的表面处理技术方法多达几十种，主要可以归纳为物理表面处理法、化学表面处理法和表面覆层处理法。
物理表面处理法即对材料进行表面强化处理，以使模具整个或部分表面获得较高的力学性能和物理性能，如硬度、耐磨性、耐疲劳性能以及耐蚀性能等，而芯部或其他部分仍具有良的综合性能。主要包括高频淬火、火焰表面淬火、激光表面淬火、喷丸强化等，这种工艺方法具有设备简单、成本低等优点，但生产率低，模具表面存在不同程度的过热，质量控制比较困难，主要适用于单件、小批量和质量要求不高的模具表面处理。
化学表面处理法是将模具置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种介质渗入模具表面，改变模具表面的化学成分和组织，以改进表面性能和满足技术要求。化学表面处理能有效提高模具表面的耐磨性、疲劳强度、耐蚀性和抗氧化性能，按照表面渗入元素的不同，化学表面处理法可以分渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。渗碳是使模具表面形成一层1～2mm的高含碳量渗层，经过适当淬火与回火处理，可提高模具表面的硬度、耐磨性及疲劳强度，使模具芯部仍保持良好的韧性和塑性。与渗碳相比，渗氮的温度较低（500 600℃），模具渗氮后变形小，渗氮处理后的表面耐磨性、抗疲劳作用、抗热、抗蚀、硬度和抗咬合性能都比渗碳处理后优越;但渗氮工艺复杂、时间长、成本高，般用于耐磨性和精度或抗热都要求较高的模具。碳氮共渗就是同时向零件表面渗入碳和氮的化学处理工艺，也称氰化，由于碳氮共渗污染环境、劳动条件差，已很少应用。渗硼方法有固体渗硼、气体渗硼、盐浴渗硼等，国内外应用较多的是盐浴渗硼和固体渗硼，日本发展了以硼砂溶盐为主的液体渗硼及其他元素的TD法（也称液体渗金属法），提高模具寿命4 20倍表面覆层处理即通过一定的工艺方法在模具工作面上沉积薄层金属或合金，以达到提高模具表面性能的效果，常用的有表面镀层、热喷涂、气相沉积、离子注入等。电镀和化学镀是模具表面处理技术中的传统技术，电镀操作温度低，模具变形较小，镀层的摩擦系数低，可以大大提高模具的耐磨性，但是由于对环境的影响较大，因此应用受到了很大的;刷镀是依靠一个与阳极接触的垫或刷提供电镀需要的电解液，电镀时，垫或刷与被镀的阴极作相对运动而获得镀层的电镀方法，其工艺简单，沉积速度快，操作方便，镀层质量和性能较好，易于现场操作，不受模具大小和形状的，用在报废模具和大模具的修复上经济效益明显。采用热喷涂金属陶瓷涂层对模具表面进行强化，可提高其硬度、抗黏着、抗冲击、耐磨和抗冷热疲劳等性能，如不锈钢制品拉深模表面采用高速火焰喷涂工艺制备30 50μm厚的WC-Co涂层后，寿命可以提高3 8倍，而且制品质量也得到改善。
气相沉积是利用物理或化学方法在固体表面生成固态沉积物，使工件具有高硬度、高耐磨性以及高的抗蚀性等优异性能，如用于汽车零件加工的深孔模和精压模，经过CVD法沉积TiC后，使用寿命比镀硬铬分别提高20倍和14倍。离子注入是把气体或金属元素蒸气，通入电离室电离形成正离子，经高压电场加速，使离子获得很高速度后打入圈体中的物理过程，可以改善模具工作零件的表面力学性能，包括提高表面硬度、降低表面摩擦系数、提高抗磨损能力和增强抗疲劳强度，极大地改变了工件的使用性能，已在模具表面处理上取得了突出效果。另外，随着纳米材料研究的进一步深入，纳米表面处理技术也获得了一定发展，采用纳米复合涂层能有效地提高涂层与基体之间的结合强度，改善涂层内应力的分布及裂纹的扩展方向。
表面处理技术在模具表面中的应用，在相当程度上弥补了模具材料的性能缺陷，可达到以下效果:(1)提高模具表面硬度、耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性能，大幅度提高模具的使用寿命；(2)提高模具表面抗擦伤能力和脱模能力，提高生产率；(3)采用碳素工具钢或低合金钢材生产的模具，经表面强化处理后，其表面性能可达到或超过高合金化模具材料，甚至达到硬质合金的性能指标，不仅大幅度降低材料成本，而且简化模具制造加工工艺和热处理工艺，降低生产成本；(4)可用于模具的修复，如电刷镀技术可在不拆卸模具的条件下，完成对模具表面的修复，且能保证修复后的模具表面质量。
对于传统的表面技术，应该进一步改进和提高处理效果，降低其能源消耗和环境污染。扩展传统表面技术和现代表面处理技术之间的复合形式，把纳米技术和模具表面技术结合起来。( 1)制作纳米复合镀层: 在传统的电镀液中加入零维或一维纳米级粉体材料可形成纳米复合镀层。用于模具的纳米复合镀层, 可使模具精度持久不变、寿命延长, 且长时间使用后的镀层仍光滑无裂纹。纳米材料还可用于耐高温的耐磨复合镀层。( 2)制作纳米涂层: 热喷涂技术是制作纳米涂层的一种极有竞争力的方法。与其它技术相比, 它工艺简单、涂层和基体选择范围广, 涂层厚度变化范围大、沉积速率快, 容易形成复合涂层等等。与传统热喷涂涂层相比, 纳米材料涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲劳等方面都有显著改善, 且一种涂层可同时具有上述多种性能。经纳米材料表面处理后的金属材料表面具有较高的硬度、良好的自润性、良好的耐磨性及耐蚀性, 因而纳米技术是模具表面处理中一种很有前途的工艺。
2)模具表面处理技术发展展望
表面处理技术已经大量地应用于模具的处理,镀膜技术、等离子体技术、激光技术、纳米技术等均取得了良好的效果。在提高模具耐磨性、寿命和提高产品质量上已有显著的进步, 取得了巨大的经济效益。但是先进表面技术的应用和发展与国外相比还有一定的差距。复合处理技术和纳米技术在模具上的应用还有待进一步的研究和提高。对于传统的表面技术应该继续改进和提高处理效果, 降低能耗和环境污染。扩展传统表面技术和现代表面处理技术之间的复合形式, 把纳米技术和模具表面技术结合起来, 研究开发出适用于精密、大型模具的表面处理技术是发展模具表面技术的重点和难点。中国的模具产量仅次于日本、美国, 居世界第三位, 是世界模具生产大国, 但不是模具强国。还存在热处理技术不精, 高质量模具材粒需要进口等。现在热处理的业内人士都在研究美国热处理技术发展线路图。美国热处理2020年设想的目标是: 能源消耗减少80%; 工艺周期缩短50%; 生产成本降低75%; 热处理畸变为零; 热处理质量分散度为零; 热处理加热炉寿命提高10 倍; 热处理炉价格降低50%; 热处理对环境的污染为零等。
今后我国模具材料的质量和品种会有一个大发展。同时, 模具表面强化技术会更加完善和提高, 并得到推广和应用, 使我国模具质量水平有一个更大的提高。充分应用表面处理技术是提高模具寿命的一种重要的经济和高效的手段, 也是发展现代模具的必经之路。
四、材料表面处理技术的应用及产业化
我国现代表面处理技术的研究起步较晚,工业应用就更滞后。但经过近20年的研究,在某些方面我们已达到或接近国际先进水平。就厚膜涂层而言,广州有色金属研究院经过多年的研究和开发,于1985年建成了我国具有国际先进水平的大型低压等离子喷涂装置。该装置配有机器人持的LPPS系统,可对不同大小、不同形状的部件喷涂高温易氧化材料、超合金材料及成分控制严格的涂层材料。随着研究的深入和应用领域的扩大,该技术已成功地解决了舰艇螺旋浆的耐磨、耐空蚀问题,发电厂燃气涡轮发动机及航空发动机叶片的抗高温腐蚀问题,精锻机芯棒涂层及汽车薄板连续生产线中“卡博”辊的防积瘤难题,取得了较好的经济效益,展现出广泛的工业应用前景。
331厂用自行研制的LPPS装置,共同成功研制出Ni-Co-Cr-Al-Y-Ta超合金涂层叶片,并开始装备我国新型直升飞机。在薄膜涂层技术的应用方面也取得了可喜的进展。采用等离子射流源以及磁场的辅助效应,可在较低功率(20 kW)下,大面积( Φ 70 mm)、高速度(120μm/h)沉积高质量的金刚石膜。采用真空阴极电弧方法沉积类金刚石膜,研制类金刚石/钛复合球顶高保真扬声器振膜,其频响达到30 kHz,已达到国际同类产品的先进水平。在机械、电子行业中,金刚石涂层硬质合金刀具得到应用,如镀金刚石薄膜的刀具用于切割高硅(w(Si)=22%)铝合金,刀的使用寿命提高50倍。在电子线路板的制作中,镀金刚石膜的钻头的寿命提高10倍以上,孔的光洁度达到9级以上。
五、国内表面处理技术的研究和应用所存在的问题及建议
我国的材料表面处理新技术研究和应用得到了很大发展，但要想大规模走向实用化、产业化，还有相当距离。虽然国家投入了相当数量的经费，但比起发达国家，投资依然不足，装备也不如发达国家先进，使材料表面处理的研究和应用受到一定。
我国表面处理技术的研究与应用目前主要存在以下问题:
1)设备稳定性问题。国产设备普遍稳定性不好,加之外部条件,如电网电压不稳,导致设备难以稳定运行,工艺条件难以控制,从而影响产品质量。这一点我国与国际的差距较大。
2)在技术上还存在一些亟待解决的问题,如电子工业中集成模板的钻孔钻头销量较大,而在 Φ0.7mm达到9级以上,目前在技术上还没有突破。
3)市场问题。高科技产品一般来讲都有较高投入,但从国内的市场来看,高科技产品卖不起价,不到应有的回报,从而制约着高新技术产业的发展。
个人对国内表面处理技术今后发展建议：
1)加强资金投人，加快推进实用化和产业化进程期望国家能通过不同渠道，加
强投资，把多年来的成果、技术、经验和力量集中起来，以各种方式加快推进材料表面处理新技术的实用化和产业化进程。从实际应用角度看.材料表面处理必须实现低成本、全方位、连续性处理，才能为企业界接受，才会有市场。因而，继续发展MEVVA源、高功率脉冲强流离子注入技术、等离子体源离子注入、滚带式离子束，并使它们尽快投入工业应用，创造巨大的经济效益和社会效益，才会显示出材料表面处理的强大生命力。
2)加强基础研究，要有新的突破，使材料表面处理学科本身得到更大的发展。
荷能束与物质的相互作用是材料表面处理的基础。经典的理论局限于荷能束与固体靶的相互关系，所取得的成果与规律，己经不能完全适用于今天的发展。如今，炮弹已从单一离子扩展到分子离子、团簇和等离子体，靶子已发展到生物体、多分子材料、绝缘体、生物医学材料、复合材料等。离子、分子、团簇及等离子体等与这些材料的相互作用规律，需要进行新的深人研究。要突破旧的理论，创造新的模型，用以指导材料表面处理实践。
参考文献：
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1999年3月。下载本文
