表面工程

表面工程是表面經過預處理後，通過表面塗覆、表面改性或多種表面技術複合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態、化學成分、組織結構和應力狀況，以獲得表面所需性能的系統工程。表面工程技術是表面工程的核心和實質。

基本介紹

• 中文名：表面工程
• 第一條：定義
• 第二條：分類
• 第三條：套用

分類

表面工程技術分類：表面改性、表面處理、表面塗覆、複合表面工程、納米表面工程技術。表面工程與人們的生產、生活息息相關。

按學科特點分類

	定義	常見手段
表面塗鍍技術	將液態塗料塗覆在材料表面或將鍍料原子沉積在材料表面形成塗層或鍍層	熱噴塗、堆焊、電鍍、化學鍍、氣相沉積和塗裝技術
表面改性技術	利用熱處理、機械處理、離子處理和化學處理等方法，改變材料表面的成分及性能的技術	熱擴滲、轉化膜、表面合金化、離子注入和噴丸強化
薄膜技術	採用各種方法在工件表面上沉積厚度為100nm至1um或數微米薄膜的技術	氣相沉積技術

按工藝特點分類

工藝	實現手段
電鍍	合金電鍍、複合電鍍、電刷鍍、非晶態電鍍和非金屬電鍍
塗裝	特殊用途、特殊類型的新塗料和塗裝工藝
堆焊	埋弧自動堆焊、振動電弧堆焊、CO2保護自動堆焊和等離子堆焊
熱噴塗	火焰噴塗、電弧噴塗、等離子噴塗和爆炸噴塗
熱擴滲	固體滲、液體滲、氣體滲和等離子滲
化學轉化膜	化學氧化、陽極氧化、磷酸鹽膜和鉻酸鹽膜
彩色金屬	整體著色、吸附著色及電解著色
氣相沉積	化學氣相沉積和物理氣相沉積
三束改性	雷射束改性、電子束改性和離子束改性

套用

1. 在改善和美化人們生活中的套用

2. 在保護、最佳化環境中的套用

(1)淨化大氣 採用化學氣相沉積和溶膠-凝膠等技術製成的催化劑載體，可有效地治理被污染的大氣。

(2)淨化水質 過濾膜可採用化學氣相沉積、陽極氧化和溶膠-凝膠等表面工程技術來製備。

(3)吸附雜質 採用表面技術製成的吸附劑，可使空氣、水、溶液中的有害成分被吸附，還可去濕、除臭。

(4)活化功能 遠紅外具有活化空氣和水的功能。

(5)綠色能源 表面工程技術是開發綠色能源的基礎技術之一，許多綠色能源裝置都套用了氣相沉積鍍膜和塗覆技術。

3.在結構材料中的套用

表面工程技術在耐腐蝕性和裝飾性方面起著重要作用，同時在強化、耐磨、裝飾等方面也起著重要作用。

(1)表面防護 表面防護主要是指材料表面防止化學腐蝕和電化學腐蝕等的能力。採用表面工程技術能顯著提高結構件的防護能力。

(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。利用熱噴塗、堆焊、電刷鍍和電鍍等表面技術，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製件的耐磨性。

(3)表面強化 主要指通過各種表面強化處理來提高材料表面抵禦除腐蝕和磨損之外的環境作用的能力。

(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、化學鍍、氧化等表面技術，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套用

功能材料主要指具有優良的物理、化學和生物等功能，以及一些聲、電、光、磁等互相轉換功能，而被用於非結構目的的高技術材料，常用來製造各種裝備中具有獨特性能的核心部件。材料的功能特性與其表面成分、組織結構等密切相關。

(1)電學特性 利用電鍍、化學鍍、氣相沉積、離子注入等技術可製備具有電學特性的功能薄膜及其元器件。

(2)磁學特性 通過氣相沉積技術和塗裝等表面技術製備出磁記錄介質、磁帶、磁泡材料、電學禁止材料、薄膜磁阻元件等。

(3)光學特性 利用電鍍、化學鍍、轉化膜、塗裝、氣相沉積等方法，能夠獲得具有反光、光選擇吸收、增透性、光致發光、感光等特性的薄膜材料。

(4)聲學特性 利用塗裝、氣相沉積等表面技術，可以製備摻雜Mn-Zn鐵氧體複合聚苯胺款頻段的吸波塗層、紅外隱身塗層、降低雷達波反射係數的納米複合雷達隱身塗層，聲反射和聲吸收塗層以及聲表面波器件等。

(5)熱血特性 採用磁控濺射，塗裝等方法製備。

(6)生物學特性 具有一定的生物相容性和物理化學性質的生物醫學材料，利用等離子噴塗、氣相沉積、等離子注入等方法形成的一用塗層，可在保持基體材料特性的基礎上，提高基體表面的生物學性質、耐磨性、耐蝕性和絕緣性等，阻隔基體材料離子向周圍組織溶出擴散，起到改善同人體機能的作用。在金屬材料上製備生物陶瓷塗層，提高材料的生物活性，用作人造關節、人造牙等醫學植入體。將磁性塗層塗覆在人體的一定穴位上，有治療疼痛、高血壓等功能。

(7)各種轉換功能 採用表面工程技術可獲得進行光-電，熱-電，光-熱，力-熱，磁-光等轉換功能的器件。

5.在再製造工程中的套用

(1)再製造工程的內涵 再製造工程是在維修工程和表面工程的基礎上發展起來的新興科學，是以產品全壽命周期論為指導，以實現廢舊產品的性能提升為指標，以優質、高效、節能、節材和環保為準則，以先進生產技術和產業最佳化為手段，來修復、改造廢舊產品的一系列技術措施或工程活動的總稱。簡而言之為是廢舊產品高技術修復、改造的產業。其重要特徵是，再製造以後的產品質量和性能達到或超過新品，成本只是產品的50%，可節能60%，節材70%，對環境的不良影響顯著降低，可有力的促進資源節約型、環境友好型社會的建設。

(2) 再製造工程的效益和特色 效益體現在：廢舊產品的零部件因被直接用作再製造的毛坯而不是回爐冶煉獲得鋼墊，避免了回爐時對能量的消耗和對環境造成的二次污染；避免了由鋼錠到新零件的二次製造時對能源的再次消耗和對環境的再度污染。一方面提高了產品的綠色度，另一方面避免了成為固體垃圾而造成的環境污染。

表面工程技術的作用就是製備出由於本體材料性能的表面覆蓋層，賦予工件表面耐蝕性、耐磨性即獲得電、磁、光、聲、熱等功能。

特點

表面工程技術最突出的技術特點是無需改變整體材質，就能獲得本體材料所不具備的某些特殊性能。表面技術多獲得的表面覆蓋層厚度一般從幾十微米到幾毫米。

意義

1. 表面工程技術是保證產品質量的基礎工藝藝術，滿足不同工況服役與裝飾外觀的要求，顯著提高產品的使用壽命、可靠性與市場競爭能力。

2. 表面工程技術是節能、節材和挽回經濟損失的有效手段。採用有效的表面防護手段，至少可減少腐蝕損失15~35%，減少磨損損失33%左右。

3. 表面工程技術在製備新型材料方面具有特殊的優勢

4. 表面工程技術是微電子技術發展的基礎技術。以化學氣相沉積、物理氣相沉積、光刻技術和離子注入為代表的表面薄膜沉積技術和表面微細加工技術是製作大規模積體電路、光導纖維和集成光路、太陽能薄膜電池等元器件的基礎。

表面工程的歷史

· 1983年首次由Prof. T.Bell提出。英Birmingham大學成立澳福森表面工程研究所
· 1985年發行表面工程(Surface Engineering)雜誌
· 1986年在布達佩斯國際熱處理聯合會更名為國際熱處理與表面工程聯合會
· 1987年在英國，1988年在日本召開ICSE
· 1987年12月在京成立中國機械工程學會表面工程研究所。88年創刊《表面工程》雜誌。11月召開首屆表工程 研討會。1998年表面工程雜誌更名為《中國表面工程》(CSE)

發展趨勢

1.傳統表面工程技術的創新

2.複合表面工程技術的研究

3. 納米表面工程

納米表面工程是指充分利用納米材料的優異特性提升和改善傳統的表面工程，通過特定方法使材料表面納米化、納米結構或功能化，從而使材料表面性能提高或賦予其全新功能的系統工程。關鍵技術主要包括：納米熱噴塗技術、納米電刷鍍技術、納米減摩自修復添加劑技術、金屬材料表面自身納米化、納米表面粘結技術、納米塗裝、納米薄膜氣相沉積技術等。

4.大力發展綠色再製造工程

5.研究開發新型功能材料

6.向自動化、智慧型化的方向邁進

7.追求環保零排放

功能

1、提高耐磨性、耐腐蝕、耐疲勞、耐氧化、防輻射性能；

2、提高表面自潤滑性；

3、實現表面的自修復性（自適應、自補償和自癒合）；

4、實現表面的生物相容性；

5、改善表面的傳熱性或隔熱性；

6、改善表面的導電性或絕緣性；

7、改善表面的導磁性、刺激一星或禁止性；

8、改善表面的增光性、反光性或吸波性；

9、改善表面的濕潤性或憎水性；

10、改善表面的黏著性或不黏性；

11、改善表面的吸油性或乾磨性；

12、改善表面的摩擦因數（提高或降低）；

13、改善表面的裝飾性或仿古作舊性等

14、還有諸如減震、密封、催化等。

表面改性--鏡面滾壓

鏡面滾壓原理：它是一種壓力光整加工，是利用金屬在常溫狀態的冷塑性特點，利用滾壓工具對工件表面施加一定的壓力，使工件表層金屬產生塑性流動，填入到原始殘留的低凹波谷中，而達到工件表面粗糙值降低。由於被滾壓的表層金屬塑性變形，使表層組織冷硬化和晶粒變細，形成緻密的纖維狀，並形成殘餘應力層，硬度和強度提高，從而改善了工件表面的耐磨性、耐蝕性和配合性。表面滾壓能在表面產生約5mm深的殘餘壓應力區，因此能較大幅度地改善材料表面的疲勞壽命、抗應力腐蝕能力，特別適合晶體結構為面心立方的金屬與合金的表面改性。

滾壓原理

簡介

無論用何種金屬加工方法加工，在零件表面總會留下微細的凸凹不平的刀痕，出現交錯起伏的峰谷現象，粗加工後的表面用肉眼就能看到，精加工後的表面用放大鏡或顯微鏡仍能觀察到。這就是零件加工後的表面粗糙度，過去稱為表面光潔度。國家規定表面粗糙度的參數由高度參數、間距參數和綜合參數組成。 這是滾壓（無切削加工方式）加工的基礎條件。

滾壓加工是一種無切屑加工，在常溫下利用金屬的塑性變形，使工件表面的微觀不平度輾平從而達到改變表層結構、機械特性、形狀和尺寸的目的。因此這種方法可同時達到光整加工及強化兩種目的，是磨削、車削等機械加工無法做到的。

滾壓是一種無切削的塑性加工方法。

優點

無切削加工技術安全、方便，能精確控制精度，幾大優點：

1、提高表面粗糙度，粗糙度基本能達到Ra≤0.08µm左右。

2、修正圓度，橢圓度可≤0.01mm。

3、提高表面硬度，使受力變形消除，硬度提高HV≥40°

4、加工後有殘餘應力層,提高疲勞強度提高30%。

5、提高配合質量，減少磨損，延長零件使用壽命，但零件的加工費用反而降低。

冷態塑性變形引起的殘餘應力：1、表層金屬產生殘餘壓應力。2、裡層產生殘餘拉應力。

滾壓不是去除材料方式的加工，滾壓後的表層金屬纖維完整 。

加工後工件最高可達表面粗糙度Ra≤0.05µm，橢圓度≤0.01mm ，硬度的提高，鐵類可提高Hv40左右，不鏽鋼可提高Hv100左右，疲勞強度提高30%。使工件表面受力塑性變形消除，尺寸精度相對長期保持穩定，極大提高了零部件的使用壽命。

套用優勢

高效

——幾秒就可將表面加工至需要的表面精度，效率是

磨削的5-20倍、車削的10-50倍以上。

優質

——一次進給實現Ra0.05-0.1um的鏡面精度；並使表

面得到擠壓硬化，耐磨性、疲勞強度提高；消除

了表面受力塑性變形，尺寸精度能相對長期保持 穩定。

經濟

——無需大型設備的資金、占地、耗電、廢渣處理等

投入；無需專業的技工投入。

方便

——可裝夾在任何旋轉與進給設備上，無需專業培訓

就可加工出鏡面精度。

環保

——沒有切屑（保護環境）、低能耗。

安全

——無切削滾壓刀具沒有刀刃。

滾壓刀

柄部圖

螺紋柄、BT柄、十字柄等，柄部的不同只是為了適應加工的工具機使用，如：鑽床、銑床、車床、鏜床、加工中心、攻鑽專機（如圖）等。

滾壓刀套用

而滾壓刀的內部結構沒有其它變化，為適應加工工件的不同，有不同的尺寸要求，滾壓刀基本是根據工件的需要定製，要擴大滾壓刀具的加工範圍，就必須考慮工件的尺寸範圍，並確定滾壓刀的加工與調節範圍，以擴大使用範圍，從而降低刀具的採購成本。