第14章納米表面工地進(jìn)程技術(shù)設(shè)計(jì)(劉世參)(存儲(chǔ)版)
【正文】 表1412 納米功能薄膜的材料體系薄膜名稱體 系晶粒尺寸/膜層厚度（nm）應(yīng) 用電學(xué)寬帶隙薄膜金剛石，cBN，DLC，AlN，SiC非晶態(tài)—微米晶場發(fā)射器件鐵電薄膜BaTiO3(BTO)，Pb(Zr,Ti)O3(PZT)，SrTiO3(STO)，(Ba, Sr)TiO3(BST),(Pb,La)(Zr,Ti)O3(BLZT)，ZnO，AlN，ZnO/AlN2070nm電容器，薄膜傳感器，微型壓電電機(jī)，鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器，光波導(dǎo)，熱釋電紅外探測器鐵電/超導(dǎo)多層膜BaTiO3(BTO)/YBa2Cu3O7δ（YBCO），PZT/YBCO50230nm微波器件，超導(dǎo)場效應(yīng)晶體管光學(xué)光電發(fā)射薄膜AgCe2O，AgBaO580nm光電轉(zhuǎn)換發(fā)光薄膜Ge，Si/Ge，Si/ SiO2,Ge/SiO2， Si/ SixGe1x ，ZnO210nm發(fā)光器件，激光器件磁學(xué)巨磁電阻膜Co/Cu，F(xiàn)e/Ag，F(xiàn)e/Mo， Co/Mn/Co，CoNi/Cu，CoxAg1x/Ag，Co/Al，NixFe1x/Mo高密度磁頭，磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器，磁電阻傳感器龐磁電阻膜Pr1xSrxMnO320300nm半導(dǎo)體、超導(dǎo)磁光效應(yīng)膜TbFeCo，GdTbFeCo，Pt/Co，MnBiAl，磁光盤信息存儲(chǔ)稀土鐵基硬磁膜Nd2Fe14B，Sm2Fe17Nix，Sm2Fe17Cx，（Sm2Fe17）x（1x）Cy，硬磁薄膜聲學(xué)聲表面波薄膜Al2(Nb2O6)3，硅酸鋁，金剛石100nm濾波器件，緩時(shí)器件熱學(xué)納米太陽能吸熱膜SnxAlyNzOw1080nm太陽能換熱器 復(fù)合表面技術(shù)的運(yùn)用在單一表面技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，綜合運(yùn)用兩種或多種表面技術(shù)的復(fù)合表面技術(shù)（也稱第二代表面技術(shù)）有了迅速的發(fā)展。該技術(shù)在材料表面改性方面取得了巨大的成功。在此機(jī)理的作用下，還發(fā)現(xiàn)鉻、鋁在納米化層中的擴(kuò)散速度亦明顯增強(qiáng)，并可使擴(kuò)散處理溫度大幅度降低。在多種聯(lián)想對(duì)比中，通過吸納、移植、改造，為自己產(chǎn)品的表面設(shè)計(jì)提供更多的佐證。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和制備實(shí)車考核試驗(yàn)零件時(shí)，除了注意收集表面涂覆層性能方面的數(shù)據(jù)，還要注意收集經(jīng)濟(jì)性方面的數(shù)據(jù)，為比較準(zhǔn)確地計(jì)算成本創(chuàng)造條件。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)于重要的零部件通常應(yīng)安排實(shí)車考核試驗(yàn)。表面工程已廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，學(xué)習(xí)其它行業(yè)的應(yīng)用情況，了解工況條件相近的零件表面失效情況及防治措施對(duì)正確選擇表面技術(shù)和表面材料有重要的參考價(jià)值。這一成果是滲氮處理技術(shù)的重大創(chuàng)新，其意義是減小了滲氮處理對(duì)零件整體性能的熱影響、提高了生產(chǎn)效率、節(jié)省了能源。為了克服功能膜層比較薄的缺點(diǎn)，學(xué)者們將蒸鍍、濺射鍍膜技術(shù)與束線離子注入技術(shù)相結(jié)合發(fā)展了離子輔助鍍膜（IAC）或離子束輔助沉積（IBAD）技術(shù)，既克服了一般鍍膜技術(shù)中膜基結(jié)合不良的缺點(diǎn)。對(duì)于等離子噴涂和高速氣流噴涂還要進(jìn)行造粒，即將納米顆粒制成適合于噴涂的“喂料”，高速電弧噴涂需要制成含納米顆粒的粉芯絲材。由于金屬納米化加工是在零件本身基材上制備出表面納米結(jié)構(gòu)層，因而可以適用于軋輥表面，而且可使軋輥的使用壽命成倍提高。在氣相沉積和電沉積技術(shù)中，十分強(qiáng)調(diào)鍍層與基體材料的晶格類型。本書又將薄膜、厚膜統(tǒng)稱為涂覆層。不同的表面技術(shù)制備出的涂覆層及改性層的厚度見表147。（3）機(jī)械影響機(jī)械影響主要與表面預(yù)處理的方法有關(guān)。由于各種電沉積元素的析出電位和鍍液介質(zhì)不同，析氫量或者說對(duì)鋼質(zhì)零件的“氫脆”影響亦不同，按“氫脆”的影響程度排序：鍍鋅＞鍍鎘＞鍍鎳。表面技術(shù)的種類很多，許多功用又相近，結(jié)合具體的零件和工況條件選擇出優(yōu)化的表面技術(shù)必須關(guān)注以下4個(gè)方面。納米熱噴涂提高噴涂層的強(qiáng)度和韌性，制備抗磨、抗熱疲勞和隔熱涂層，恢復(fù)尺寸。精加工時(shí)加工性能好，流線性好，要去除硬的非金屬夾雜物，表面無微裂紋4腐蝕磨損無鈍化作用時(shí)，要提高其抗腐蝕介質(zhì)能力，兼有抗腐蝕和抗磨損性能表143 各類磨損對(duì)表面材料性能的要求 腐蝕失效按其腐蝕形態(tài)可分為全面（或均勻）腐蝕或局部腐蝕，導(dǎo)致腐蝕失效的主要是后者。 表面技術(shù)設(shè)計(jì)的基本程序表面技術(shù)設(shè)計(jì)的基本程序見圖141分析工況條件分析失效形式提出表面層的性能要求選擇表面處理技術(shù)選擇表面處理材料進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析確定表面處理方案編制表面處理工藝圖141 表面技術(shù)設(shè)計(jì)程序框圖 分析零件表面的工況條件和失效形式 零件表面的工況條件零件表面工況條件主要包括：載荷大小及類別、與摩擦副之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、工作環(huán)境溫度與壓力、工作介質(zhì)、潤滑情況等。分析性能/價(jià)格比一般遵循以下三條準(zhǔn)則：（1） 延壽準(zhǔn)則，即： CT/CH≤TT／TH （14－1）式中 CT－經(jīng)表面強(qiáng)化處理的零件成本CH－未經(jīng)表面強(qiáng)化的零件成本TT－經(jīng)表面強(qiáng)化的零件使用壽命TH－未經(jīng)表面強(qiáng)化零件使用壽命如果CT/CH越小，TT/TH越大，則說明該表面處理技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性越好。另外從維修體制來分析，根據(jù)維修的難易程度可分為基層級(jí)－中繼級(jí)－基地級(jí)，每種維修級(jí)別都對(duì)應(yīng)相應(yīng)的維修間隔期，零件表面的服役壽命以達(dá)到基地級(jí)維修的間隔時(shí)限為最佳。 滿足零件表面服役的性能要求零件表面的服役性能包括力學(xué)性能、物理／化學(xué)性能和環(huán)保性能。在整個(gè)機(jī)械產(chǎn)品的失效中，零件表面失效占有極其重要的份額。據(jù)文獻(xiàn)介紹，世界鋼產(chǎn)量的1/10由于腐蝕而損失，機(jī)電產(chǎn)品提前失效的原因70%屬于表面腐蝕和磨損。環(huán)保性能是指從表面涂覆層制備到使用再到零件退役的全周期都要有利于環(huán)境保護(hù)零件表面服役性能是表面功能與表面壽命的綜合性指標(biāo)。（5）、 可再制造性循環(huán)壽命—零件表面出現(xiàn)失效是不可避免的，只是失效期長或短的問題，在零件表面技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，既要滿足一定期限的性能要求，又要考慮為下一次的修理或再制造創(chuàng)造有利條件，使零件工作表面不斷更新，而零
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