材料表面改性技术原理简析

根据热喷涂使用的热源不同和喷
涂材料状态的不同，可以把热喷涂简 单地分为三大类八种方法。
热喷涂技术能够成为一项有前途 的实用性工程技术是基于以下几个方 面： ３．１ 热喷涂技术通过表面强化提高机 件的表面性能，而不必整个零件改换 材质，这无疑大量节省了材料。 ３．２ 热喷涂技术可以在机件表面上得 到制作整体机件无法得到的特殊组织、 组分和结构。如多层结构、在金属表 面形成非金属层等，这些特殊的组织、 结构的性能绝非一般材料可比。 ３．３ 由于喷涂层比较薄，用料甚少， 这样为提高表面性能，可以大胆地选 用贵重材料和稀有材料，使其易于得 到理想的表面工程特性。 ３．４ 热喷涂技术是旧件修复的理想途 径，特别有助于进口设备机件的国产 化。
以通过化学或电化学的手段来实现， 以使金属表面形成稳定的化合物膜层。 由于在金属表面形成了这一稳定的化 合物膜层，并且它是电绝缘性的，因 而这一转化膜就具有了防锈、耐磨以 及绝缘的功能，同时还可用它来作为 涂装的底层。形成化学转化膜的方法 很多，主要包括：氧化膜或发蓝技术、 磷酸盐膜技术、铬酸盐膜技术、草酸 膜技术以及阳极氧化膜技术等。 １．４ 金属表面着色技术
［摘要］ 本文通过对各种材料表面改性技术的原理分析，简要介绍了常用的材料表面改性技术的特点、应用场合 以及现状，并对其发展趋势进行了展望。
［关键词］ 表面改性；技术原理；现状；趋势
现代材料表面改性技术是跨学科、 跨行业、跨世纪的新兴领域，包含了 表面物理、固体物理、等离子物理、 表面化学、有机及无机化学、电化学、 冶金学、金属材料学、高分子材料学、 硅酸盐材料学以及物质的传输、热的 传递等多门学科的边缘学科技术。各 门学科之间互相弥补、互相渗透、互 相交融，取长补短，日益完善，逐渐 形成一门别具特色和有着自己模式的 新兴学科。表面改性技术通过对基体 材料表面采用化学的、物理的方法改 变材料或工件表面的化学成分或组织 结构以提高机器零件或材料性能。它 包括化学热处理（渗氮、渗碳、渗金 属等）、表面涂层（低压等离子喷涂、 低压电弧喷涂）、激光重熔复合等薄 膜镀层（物理气相沉积、化学气相沉 积等）和非金属涂层技术等。这些用 以强化零件或材料表面的技术，赋予 零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲 劳、防辐射、导电、导磁等各种新的 特性，使原来在高速、高温、高压、 重载、腐蚀介质环境下工作的零件，
金属表面着色，顾名思义就是给 金属表面“涂”上颜色，改变其单一、 冰冷的金属色泽，代之以五颜六色， 满足不同行业的不同需求。这是近年 来表面科学技术研究与应用最活跃的 领域之一。上世纪７０年代以来，我国 也开展了许多研究工作，并且已投入 了工业化生产，但与日本等工业发达 国家相比还有较大差距。
给金属着色后一般都增加了防腐 能力，有的还增加了抗磨能力。但表 面彩色技术主要的应用还在装饰领域， 即用来美化生活，美化社会。
现在常用的金属表面着色技术有 电解发色法、化学染色法和电解着色 法。电解发色是阳极氧化和着色过程 在同一溶液中完成，在金属上直接形 成彩色的氧化膜。因此，电解发色法 也称为电极着色一步法。发色体在多 孔层的夹壁中或发色体的胶体粒子分 布在多孔层的夹壁中。化学染色法是 将待着色金属浸入无机或有机染料中， 使金属与着色剂发生化学反应进行浸 渍着色。最适合于染色的氧化膜，是 经硫酸阳极氧化而得到的氧化膜。被 浸渍着色的膜厚应为１０￣１５μｍ。用于 日用零件的装饰或防护时，在化学或
的历史。其应用范围遍及工业、农业、 军事、航空、化工和轻工业等领域。 电镀技术除了广泛用作制取防护与装 饰性镀层外，还用于制备多种功能性 镀层，如导电镀层、磁性镀层、耐温 镀层和润滑镀层等。我国电镀工程发 展十分迅速，目前全国拥有５０００多家 厂点、２０多万职工，其规模、产量及 产值都进入世界电镀大国行列。电镀 工艺对工件表面有一定的要求，首先 要对工件表面进行整平、脱脂、酸洗 （除锈）、浸蚀等处理，然后才能采 用合适的电镀液进行电镀。现在单金 属电镀中镀镍、镀铬、镀锌、镀铜、 镀锡等这些材料的电镀工艺相对比较 成熟，各自都具有其自身应用特点， 在工业中已经得到广泛应用。随着科 学技术与现代工业的发展，各个领域
化学复合镀是化学镀和复合电镀 的结合，即在化学镀中加入非水溶性 固体微粒，当这些悬浮在镀液中的微 粒与金属共沉积，就形成化学复合镀 层。化学复合镀综合了化学镀和复合 电镀的优点，随着固体微粒的不同， 可以获得耐磨、润滑、耐腐蚀、耐高 温等不同性能的化学复合镀层。 １．３ 化学转化膜技术
转化膜是指由金属的外层原子和 选配介质的阴离子反应而在金属表面 上生产的膜。转化膜的形成过程是人 工诱导并加以控制的腐蚀过程，它可
渗氮处理是在工件表面形成氮化 相，使渗层具有高的硬度、高的耐磨 性、高抗“咬住”性能、高的疲劳性 能及一定的抗腐蚀性能。但是，渗氮 过程主要是通过氮与钢中的合金元素 作用形成高弥散度的氮化物进而起到 强化作用，所以氮化处理只能在某些 特定成分的钢种上进行。此外，由于 渗氮处理温度低，时间长，所以氮化 过程是一种周期长、效率低的工艺。
虽然渗硼处理后可以使工件表面 具有很高的硬度、良好的抗蚀性、红 硬性和抗氧化性等，使其产品性能得 到显著的提高，应用比较广泛，但是， 渗硼层也存在脆性高等缺点。为了降 低渗硼层的脆性，进一步提高渗硼层 的耐磨性、耐热性和耐蚀性，进而发 展出硼和其他元素共渗的工艺，可以 使渗层表面性能得到显著改善。
为了增加工件表层的含碳量，将 工件放入渗碳介质中加热并保温，使 碳原子渗入表层的扩散渗入处理工艺
电化学抛光后产生的膜（３￣５μｍ）也 能进行着色处理。在电解着色过程中， 金属要经过阳极氧化后，浸入更贵的 金属盐溶液粒里，通过使用交流电进 行阳极极化或用直流电进行阴极极化 来进行着色。在电场作用下，使金属 离子在氧化膜孔隙的底部被还原沉积， 结果使金属着色。所以，金属发色体 一般都沉积在多孔层的孔隙底部。
化学气相沉积（ＣＶＤ）是利用气 态物质在固体表面发生化学反应，生 成固态沉积物的过程。化学气相沉积 的过程可以在常压下进行，也可以在 低压下进行。ＣＶＤ技术是当前获得固 态薄膜的方法之一。
对材料不断提出新的需求。同时，节 约原材料、节约能源和环境保护的要 求越来越高。因而，促进电镀在单金 属镀层的基础上有了很大发展，产生 了许多新型电镀工艺。如从一种溶液 中在阴极上同时析出两种或两种以上 的金属制取合金镀层的合金电镀；使 第二相（常为非水溶性固体）颗粒与 金属共沉积制取复合镀层的复合电镀； 制取非晶态合金镀层的非晶态电镀； 不用镀槽而用镀笔进行快速电镀的电 刷镀；在非金属材料上制取镀层的非 金属电镀；不用电流，利用适当还原 剂使金属沉积在有催化能力的材料表 面的化学镀（也叫无电解镀）；还有 化学转化膜技术以及金属着色技术等。 由上述新工艺的交叉融合或结合某种 新技术手段或设备，又产生了一些新 型工艺，如非晶态复合镀、复合化学 镀、非金属化学镀、非金属刷镀、摩擦 电喷镀、脉冲电镀、超声波电镀、超 声波化学镀、激光处理非晶态复合镀 等。 １．２ 化学镀
热喷涂技术发展了几十年，各项 技术也日益完善。由于这项技术的优 越性，因此国内外都对这项工艺非常 重视，从而推动了此项技术的不断发 展，如等离子喷涂技术、线丝材火焰 喷涂、粉末火焰喷涂等。
４ 新型表面改性技术
４．１ 物理气相沉积 物理气相沉积，是利用热蒸发或
辉光放电、弧光放电等物理过程，在 基材表面沉积所需涂层的技术。它包 括真空蒸发镀膜、离子镀膜和溅射镀 膜。与其他镀膜或表面处理方法相比， 物理气相沉积具有以下特点：镀层材 料广泛，可镀各种金属、合金、氧化 物、氮化物、碳化物等化合物镀层， 也能镀制金属、化合物的多层或复合
化学镀也称为无电解镀，是一种 不使用外电源，而利用还原剂使溶液
现代焊接 ２００８年第８期 总第６８期ｇ
MODERN WELDING TECHNOLOGY
中的金属离子在基体表面还原沉积的 化学处理方法。化学镀本身是一个自 催化的还原过程，也就是基体表面及 在其上析出的金属都具有自催化能力， 使镀层能够不断增厚。
Ｍｏｄｅｒｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ 现代焊接
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材料表面改性技术原理简析
Brief analysis of
the principle of material surface modification technology
沈阳工业大学材料科学与工程学院 刘政军 冯丽峰 成明华 苏允海
作者简介：刘政军（１９６２－），男，教授，博士生导师，主 要从事焊接冶金、特种焊接材料及末明强化方向的研究，先 后获奖３次，发表论文６０余篇。
提高了可靠性、延长了使用寿命，具 有很大的经济意义和推广价值。这里 介绍几种常见的表面处理技术。
１ 电镀、化学镀、化学转化膜 及表面着色技术
１．１ 电镀 电镀作为表面处理手段有着悠久
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成为渗碳。低碳钢渗碳后，经淬火和 低温回火，使表面层具有较高的硬度、 耐磨性、抗疲劳性，而内部仍能保持 足够的强度和良好的韧性。此工艺与 高频表面淬火工艺相比，渗碳后表面 硬度、耐磨性高，内部强韧综合性能 好，不受工件形状复杂程度和批量大 小的局限；与氮化相比，渗碳工艺渗 入速度快，虽然渗碳层硬度稍低，但 脆性小，渗碳层厚度大，可承受更大 的挤压应力，内部强度较高，有较大 的承载能力。
２ 表面扩散渗入处理技术
表面扩散渗入处理是将工件放入 一定的活性介质中，使金属元素或非 金属元素扩散到工件表层中，改变表 层化学成分，从而获得所需的组织和 性能。与电镀等表面处理工艺相比， 表面扩散渗入处理有其显著的特点， 这一工艺是通过表层渗入元素向金属 基体的扩散来完成的，所以渗层与金 属基体的结合是冶金结合，它们之间 无明显的分界面，它们的成分、组织 和性能是逐渐变化的。而在电镀等表 面处理过程中，没有明显的原子扩散 的冶金过程，表层与金属基体在化学 成分、组织和性能方面有着明显的分 界面，在外力作用下易于脱落。