第14章納米表面工地進程技術(shù)設(shè)計(劉世參)-wenkub.com
2025-01-10 16:08 本頁面
【正文】 納米表面工程技術(shù)設(shè)計是一個嶄新的課題，需要在納米表面工程的研發(fā)與實踐中不斷補充、豐富和發(fā)展。實驗室試驗的主要內(nèi)容是測量涂覆層與基體的結(jié)合強度、測量涂覆層的硬度（平面和斷面）、分析涂覆層的金相組織及納米顆粒的分布情況、對要求耐磨的表面進行磨損試驗、對要求耐腐蝕的表面進行腐蝕試驗、對抗疲勞損傷的表面進行疲勞試驗等。當前摩擦學技術(shù)設(shè)計和腐蝕學技術(shù)設(shè)計已有較大進展，并已經(jīng)開發(fā)出一些行業(yè)性的表面技術(shù)設(shè)計專家系統(tǒng)軟件，這些成果在納米表面技術(shù)設(shè)計中都可以借鑒。還可以聯(lián)想對比同類和不同類的機械表面處理效果。這一實例展現(xiàn)了納米復合表面技術(shù)廣闊的前景。盧柯等學者對經(jīng)過表面納米化加工的純鐵進行滲氮處理試驗，發(fā)現(xiàn)和傳統(tǒng)滲氮處理工藝相比，滲氮處理溫度由原來的500℃下降到300℃，處理的時間由原來的24h縮短到9h。而沿著束線離子注入技術(shù)路線發(fā)展起來的MeVVA等離子體源，可以向金屬表面注入金屬離子，并在航空航天零部件的抗高溫腐蝕方面取得了令人滿意的效果。以離子注入為例：在用于半導體材料摻雜的離子注入基礎(chǔ)上發(fā)展起來的束線離子注入技術(shù)可大大改善零件表面的耐磨性、耐疲勞性和光、電、磁性能。復合表面技術(shù)通過最佳協(xié)同效應使工件材料表面體系在技術(shù)指標、可靠性、壽命、質(zhì)量和經(jīng)濟性等方面獲得最佳的效果，克服了單一表面技術(shù)存在的局限性，解決了一系列工業(yè)關(guān)鍵技術(shù)和高新技術(shù)發(fā)展中特殊的技術(shù)問題。在納米復合鍍和粘涂、涂裝技術(shù)中，首先要將納米顆粒進行干分散處理，然后添加在鍍液或膠中調(diào)勻。表149 幾種納米表面技術(shù)的生產(chǎn)率表面技術(shù)與生產(chǎn)率相關(guān)的因素沉積速率自動化生產(chǎn)與批量生產(chǎn)能力現(xiàn)場作業(yè)的適應性備注電刷鍍鎳基鍍液單件生產(chǎn)、手工作業(yè)適合等離子噴涂1～10㎏/h單件生產(chǎn)、半自動化或手工作業(yè)不適合沉積速率與噴涂材料及工藝規(guī)范有關(guān)超音速火焰噴涂不適合高速電弧噴涂適合化學氣相沉積1～2μm/h小件可批量生產(chǎn)、半自動化作業(yè)不適合還需考慮真空釜的抽氣時間及緩冷開釜時間；沉積速率與沉積的元素有關(guān)物理氣相沉積4～50μm/h粘涂單件生產(chǎn)、手工作業(yè)適合取決于涂膠時間和固化時間金屬納米化加工50μm/60min可小批量生產(chǎn)、半自動化作業(yè)不適合 選擇表面處理材料選擇表面技術(shù)是解決制備涂覆層的手段問題，選擇表面處理材料則是解決涂覆層的表面性能問題。閥門上工具鋼類材質(zhì)的涂覆層的接觸壓力上限規(guī)定為140MPa，大約是其強度極限的4％～6％。涂覆層與基體的結(jié)合強度雖然是選擇和論證表面技術(shù)時的一項重要指標，但不應追求結(jié)合強度越高越好，主要是看能否滿足工作要求。為了解決這一問題，通常采用附加過渡層的辦法解決，對于大多數(shù)零件采用先制備底層，再制備工作層的方法，對于重要零件或線脹系數(shù)差別很大的零件，可采用逐步改變涂層成份的方法（通常稱為梯度涂覆層）來保證結(jié)合性能。表148 涂覆層與基體金屬的結(jié)合強度表面技術(shù)涂覆層與基體的結(jié)合強度納米復合電刷鍍沖擊法60㎏納米等離子噴涂30～80MPa納米超音速火焰噴涂40～90MPa納米電弧噴涂20～40MPa物理氣相沉積高速鋼上離子鍍TiN,膜厚2μm～3μm，對應結(jié)合力為220～285MPa級納米粘涂熱粘20～40MPa；冷粘10～20MPa涂覆層與基體的結(jié)合強度，與涂覆層的制備工藝有重要的關(guān)聯(lián)，前面列舉的結(jié)合強度數(shù)值，是在嚴格執(zhí)行預處理規(guī)范和嚴格執(zhí)行涂覆層制配工藝的條件下獲得的。筆者支持按功能進行分類的提法，即把各種保護性膜稱厚膜（如耐磨層、耐腐蝕層、抗氧化層、隔熱層等），而把各種功能膜稱為薄膜（如光學膜、微電子膜、信息儲存膜等）。對于要求厚度較大的場合，可以采用設(shè)置“夾心層”的辦法制備出復合式的涂覆層，以降低涂覆層內(nèi)應力。并可據(jù)此提出有涂覆層零件的預加工量和涂覆層形成后的光整加工余量。如果采用在表面車螺紋或電火花拉毛的方法，則會對零件的強度尤其抗疲勞強度造成影響。在選用納米電刷鍍鍍積高強鋼零件時，建議按相關(guān)標準先進行氫脆試驗。其次與零件的工作溫度有關(guān)，工作溫度增高，氫脆敏感性增強。例如在鋼鐵零件表面槽鍍鎳的過程中，沒有光亮劑的鍍鎳溶液零件滲氫量約為60～100cm3/100g，有光亮劑的鍍鎳溶液零件滲氫量比沒有光亮劑的高1倍。（1）熱影響進行表面技術(shù)處理時，零件的溫度見表145。 納米表面技術(shù)的選用合理地選擇能滿足零件整體性能和表面服役要求的表面技術(shù)，是表面技術(shù)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。納米涂料改善涂料的工藝性、耐候性和耐劃傷性，制備抗紫外線涂層、熱障涂層、隱身涂層、磁屏蔽涂層、抗靜電涂層、抗菌防污涂層、防霧透明涂層、阻燃涂層等。(詳細內(nèi)容見本書有關(guān)章節(jié)) 表144 實用納米表面技術(shù)及功用納米表面技術(shù)功 用納米復合電刷鍍提高鍍層的強度和抗疲勞性能，制備常溫和高溫耐磨鍍層，制備低摩擦系數(shù)鍍層，恢復尺寸。應力腐蝕斷裂是在拉應力和腐蝕環(huán)境共同作用下所引起的部件失效；腐蝕疲勞是金屬在循環(huán)交變應力作用下產(chǎn)生破裂； 磨蝕是由于腐蝕流體以及金屬和流體間的相對運動而共同引起的金屬破壞； 氣泡腐蝕是由于真空泡的形成和破裂所產(chǎn)生的氣化作用所導致的金屬表面的局部破壞；圖142 主要腐蝕形態(tài)示意圖微動腐蝕或摩擦氧化是在兩種材料界面承受輕微的相對運動或滑動時所發(fā)生的腐蝕，典型的相對運動是振動；氫損傷是一種非常特殊的腐蝕動形式，要在非常特殊的條件下才能發(fā)生。 在工作表面溫度下，抗熱氧化能力好，表面能低2磨料磨損有比磨料更硬的表面，較高的加工硬化能力3疲勞磨損高硬度，高韌性。判斷這四類磨損的常用方法是觀察磨損表面的外觀，這四類磨損的外觀特征見表141。在表面工程技術(shù)設(shè)計中，堅持有利于環(huán)境保護的原則，就是在滿足性能要求、經(jīng)濟又合理的多種表面處理方案中，盡量選用耗能、耗水少和污染小的方案，并在表面處理工藝中制訂完善的安全防護措施。（3）、可靠性準則，即： KT≥KH
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