1、第八章 复合表面处理和高分子表面金属技术处理 过去的过去的1010多年中，在表面工程的研究领域取得了长多年中，在表面工程的研究领域取得了长足的进展，主要表现在以下几个方面：足的进展，主要表现在以下几个方面：（1 1）传统工艺的优化）传统工艺的优化 （比如，电镀及化学镀、表面堆（比如，电镀及化学镀、表面堆焊、热喷涂及化学热处理）；焊、热喷涂及化学热处理）；（2 2）现代技术的工业化应用（比如，）现代技术的工业化应用（比如，CVDCVD及及PVDPVD、等离子、等离子化学热处理、等离子喷涂及离子注入）；化学热处理、等离子喷涂及离子注入）；（3 3）新型混合工艺的出现（比如，等离子浸没离子注入）新型
2、混合工艺的出现（比如，等离子浸没离子注入及等离子源离子注入）；及等离子源离子注入）；（4 4）新型表面涂层材料的涌现（比如，金刚石及类金刚）新型表面涂层材料的涌现（比如，金刚石及类金刚石涂层）。石涂层）。单一的表面处理工艺尽管能够改善工件的耐磨性、耐腐单一的表面处理工艺尽管能够改善工件的耐磨性、耐腐蚀性及疲劳强度；但每一种表面处理工艺均具有自身的蚀性及疲劳强度；但每一种表面处理工艺均具有自身的优点及一定的局限性，现代机械设备的发展对零、部件优点及一定的局限性，现代机械设备的发展对零、部件的使用性能提出了越来越高的要求，应用单一的表面处的使用性能提出了越来越高的要求，应用单一的表面处理工艺已难以
3、满足这些要求，在这种背景之下，第二代理工艺已难以满足这些要求，在这种背景之下，第二代表面处理工艺或称复合表面处理工艺就应运而生了。表面处理工艺或称复合表面处理工艺就应运而生了。复合表面处理就是同时使用两种或两种以上的表面复合表面处理就是同时使用两种或两种以上的表面处理工艺以达到进一步强化表面性能的目的。处理工艺以达到进一步强化表面性能的目的。目前已开发的一些复合表面处理如等离子喷涂与激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合、激光淬火与化学热处理
4、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积复合等，已经取得良好效果，有的还收到意想不到的效果。如对渗硼层进行激光微熔处理，不仅能细化硼化效果。如对渗硼层进行激光微熔处理，不仅能细化硼化物，获得细小的共晶，而且使表层组织致密，较大幅度物，获得细小的共晶，而且使表层组织致密，较大幅度提高韧性和耐磨性。提高韧性和耐磨性。复合表面处理技术的主要作用是：复合表面处理技术的主要作用是：1.1.改善摩擦学性能改善摩擦学性能 使极小磨损率与较厚耐磨层并存，增强复杂应力条件下使极小磨损率与较厚耐磨层并存，增强复杂应力条件下的摩擦学性能，从而提高材料的使用性能。的摩擦学性能，从而提
5、高材料的使用性能。2.2.提高防腐蚀性能提高防腐蚀性能 提高材料表面的正电位，减少疏松或孔隙，覆盖住材料提高材料表面的正电位，减少疏松或孔隙，覆盖住材料表面的微观粗糙度，避免表面与基体之间产生类柱状晶表面的微观粗糙度，避免表面与基体之间产生类柱状晶组织，使膜层厚度与耐蚀性之间达到最佳组成，从而大组织，使膜层厚度与耐蚀性之间达到最佳组成，从而大幅度提高耐蚀性。幅度提高耐蚀性。3.3.增加表面装饰性增加表面装饰性 材料耐磨性和耐蚀性的有机结合增加了材料表面层的持材料耐磨性和耐蚀性的有机结合增加了材料表面层的持久性和多色泽的组合，达到理想的装饰性效果。久性和多色泽的组合，达到理想的装饰性效果。4.4
6、.改进施工工艺性改进施工工艺性 用作塑料金属化处理（表面导电性处理）、印刷电路板用作塑料金属化处理（表面导电性处理）、印刷电路板制作，油漆底层等，增强表面处理层的附着性和工艺效制作，油漆底层等，增强表面处理层的附着性和工艺效果（如导电性好，结合强度高，油漆表面光泽，漆膜耐果（如导电性好，结合强度高，油漆表面光泽，漆膜耐蚀性强等）。蚀性强等）。根据两种单一工艺之间的相互作用以及其对复合涂层综根据两种单一工艺之间的相互作用以及其对复合涂层综合性能的相对贡献，复合表面处理工艺大致可以分为两合性能的相对贡献，复合表面处理工艺大致可以分为两类：类：（1 1）两种单一工艺互补，综合性能由两者共同产生；）两
7、种单一工艺互补，综合性能由两者共同产生；（2 2）一种工艺递补或增强另一种工艺，即作为前处理或）一种工艺递补或增强另一种工艺，即作为前处理或后处理工艺，其综合性能主要与其中一种工艺有关。渗后处理工艺，其综合性能主要与其中一种工艺有关。渗氮钢的氮钢的PVDPVD处理是第一类工艺的典型代表；而喷涂涂层的处理是第一类工艺的典型代表；而喷涂涂层的电子束表面重熔则是第二类工艺的典型代表。电子束表面重熔则是第二类工艺的典型代表。一、复合表面化学热处理一、复合表面化学热处理（1 1）例如渗钛与离子渗氮的复合热处理方法性能明显高）例如渗钛与离子渗氮的复合热处理方法性能明显高于单一渗钛层和单一的渗氮层。于单一渗
8、钛层和单一的渗氮层。（2 2）渗碳、渗氮、碳氮共渗对强度和硬度有明显效果，）渗碳、渗氮、碳氮共渗对强度和硬度有明显效果，但是如何同时进行渗硫处理，可以显著提高表面粘着能力。但是如何同时进行渗硫处理，可以显著提高表面粘着能力。二、表面热处理与表面化学热处理的复合强二、表面热处理与表面化学热处理的复合强 化处理化处理 表面热处理与表面化学热处理的复合强表面热处理与表面化学热处理的复合强 化处理在工化处理在工业上的应用实例较多：业上的应用实例较多：（1 1）液体碳氮共渗与高频感应加热表面淬火的复合强化）液体碳氮共渗与高频感应加热表面淬火的复合强化.（2 2）渗碳与高频感应加热表面淬火的复合强化）渗碳
9、与高频感应加热表面淬火的复合强化.（3 3）氧化处理与渗氮化学热处理的附复合处理工艺）氧化处理与渗氮化学热处理的附复合处理工艺（4 4）激光与离子渗氮复合处理）激光与离子渗氮复合处理化学热处理通过向工件表面渗入所需原子并通过一定热处理化学热处理通过向工件表面渗入所需原子并通过一定热处理方法来改变材料表面的化学成份及性能，而其它热处理只改方法来改变材料表面的化学成份及性能，而其它热处理只改变其组织状态来达到一定性能。变其组织状态来达到一定性能。三、热处理与表面形变强化的复合处理工艺三、热处理与表面形变强化的复合处理工艺（1 1）普通淬火与喷丸强化复合处理普通淬火与喷丸强化复合处理.（2 2）复合
10、表面热处理与喷丸处理的复合工艺）复合表面热处理与喷丸处理的复合工艺.（3 3）表面形变处理与热处理强化工艺）表面形变处理与热处理强化工艺.四、镀覆层与热处理的复合处理工艺四、镀覆层与热处理的复合处理工艺 镀覆后的工件在经过适当的热处理，是镀覆层原子向基体扩镀覆后的工件在经过适当的热处理，是镀覆层原子向基体扩散，不仅增强镀覆层与基体的结合强度，同时也能改变表面镀散，不仅增强镀覆层与基体的结合强度，同时也能改变表面镀层本身的成分，防止镀层脱落并获得较高的强韧性，可提高表层本身的成分，防止镀层脱落并获得较高的强韧性，可提高表面的抗擦伤和耐腐蚀能力。面的抗擦伤和耐腐蚀能力。五、覆盖层与表面冶金化得复合
11、处理工艺五、覆盖层与表面冶金化得复合处理工艺 利用各种工艺方法现在工件的表面形成所需要的的合金元利用各种工艺方法现在工件的表面形成所需要的的合金元素的镀层、涂层、沉淀层或者薄膜，然后利用激光，电子束、素的镀层、涂层、沉淀层或者薄膜，然后利用激光，电子束、电弧或者其他热处理方法使其快速熔化，形成一个符合要就的、电弧或者其他热处理方法使其快速熔化，形成一个符合要就的、经过改性的表面层。经过改性的表面层。六、离子辅助涂覆（六、离子辅助涂覆（IACIAC）将离子镀和贱射沉淀所应用的等离子体和气相反应物相结合，将离子镀和贱射沉淀所应用的等离子体和气相反应物相结合，产生一种称为等离子辅助化学气相沉淀技术，
12、若用离子束代替产生一种称为等离子辅助化学气相沉淀技术，若用离子束代替离子体来完成类似的效应称为离子辅助涂覆（离子体来完成类似的效应称为离子辅助涂覆（IACIAC）。）。七、激光、电子束复合气相沉淀和复合涂镀层七、激光、电子束复合气相沉淀和复合涂镀层1.1.激光表面陶瓷化激光表面陶瓷化2.2.激光增强电镀和气沉淀激光增强电镀和气沉淀 激光增强电沉淀，可迅速提高沉淀速度而不发生遮蔽效应，激光增强电沉淀，可迅速提高沉淀速度而不发生遮蔽效应，能改善电镀层的微观结构能改善电镀层的微观结构八、离子注入与气相沉积复合表面改性八、离子注入与气相沉积复合表面改性化学热处理薄膜复合工艺化学热处理薄膜复合工艺 在表
13、面复合处理技术中，化学热处理工艺主要是对在表面复合处理技术中，化学热处理工艺主要是对工件进行气体氮化、离子氮化及氮碳共渗。工件进行气体氮化、离子氮化及氮碳共渗。1 1氮化薄膜复合工艺氮化薄膜复合工艺 将氮化与薄膜技术结合起来对钢作表面处理，可进将氮化与薄膜技术结合起来对钢作表面处理，可进一步改善材料的摩擦学性能，从而提高其承载能力。一步改善材料的摩擦学性能，从而提高其承载能力。由于氮化后的钢表面有较深的硬化层（由于氮化后的钢表面有较深的硬化层（0.3mm0.3mm），具有），具有一定的硬度、耐磨性和残余压应力，构成了一定的硬度、耐磨性和残余压应力，构成了TiNTiN、CrNCrN等等超硬薄膜的
14、理想支承体，其承载能力远远超过单一超硬超硬薄膜的理想支承体，其承载能力远远超过单一超硬薄膜或氮化物层。薄膜或氮化物层。同时，因为增加了硬化层的总厚度，减少了从同时，因为增加了硬化层的总厚度，减少了从TiNTiN、CrNCrN表面到钢基体之间的硬度梯度，使得材料表面的耐腐蚀表面到钢基体之间的硬度梯度，使得材料表面的耐腐蚀性、耐磨性、滚动接触疲劳强度和性、耐磨性、滚动接触疲劳强度和TiNTiN、CrNCrN层的附着性层的附着性能都大为提高。能都大为提高。化学热处理薄膜复合工艺化学热处理薄膜复合工艺2.2.氮碳共渗氧化氮碳共渗氧化/抛光抛光/氧化复合工艺氧化复合工艺 氮碳共渗氧化氮碳共渗氧化/抛光抛
15、光/氧化复合工艺的处理过程包括五个氧化复合工艺的处理过程包括五个步骤：步骤：（1 1）工件在）工件在350350左右预热，保温时间视工件而定。左右预热，保温时间视工件而定。（2 2）在）在570570进行氮碳共渗，保温时间一般在进行氮碳共渗，保温时间一般在3030120120分分钟。钟。（3 3）氮碳共渗后将工件立即移至）氮碳共渗后将工件立即移至380380左右的氧化性盐浴左右的氧化性盐浴中直接保温中直接保温2020分钟左右。分钟左右。（4 4）工件轻度机械抛光获得要求的表面粗糙度。）工件轻度机械抛光获得要求的表面粗糙度。（5 5）再次在氧化性盐浴中浸渍）再次在氧化性盐浴中浸渍2020分钟左右
16、。分钟左右。氮碳共渗可使钢制零件表面形成一层氮碳共渗可使钢制零件表面形成一层151520m20m的的相化合相化合物层；物层；随后的氧化能够在试样表面形成一层随后的氧化能够在试样表面形成一层Fe3O4Fe3O4氧化膜，同时氧化膜，同时增加工件的尺寸稳定性；增加工件的尺寸稳定性；抛光的目的是为了降低因氮碳共渗及氧化而产生的表面抛光的目的是为了降低因氮碳共渗及氧化而产生的表面粗糙度的增加；粗糙度的增加；但抛光往往会使耐蚀性下降，因而最后再进行一次氧化但抛光往往会使耐蚀性下降，因而最后再进行一次氧化处理，以便在工件表面形成一层均匀、致密、坚实的处理，以便在工件表面形成一层均匀、致密、坚实的Fe3O4F
17、e3O4薄膜。薄膜。03060901201501802102400100200300400500600700800WatercoolingPost-Salt bathAirSalt bath380Salt bathWater coolingOxidationPolish 380oxidation(c)570350NitrocarburizingPreheatTemperature()Treating time(min.)(a)570 nitrocarburized+water cooled0100200300400500600Surface hardness HV0.1 N1 N2 N3 N4
18、Treatment techniques4812 16 20 24 28 32 36 40 44 48200250300350400450500550 N2 N3 N4Hardness profiles HV0.1 Distance from surface(10-2mm)试验还表明，复合处理的试验还表明，复合处理的4545钢耐磨性也远远超过镀钢耐磨性也远远超过镀硬铬、镀锌及化学镀镍。其中镀硬铬件及镀锌件在磨损硬铬、镀锌及化学镀镍。其中镀硬铬件及镀锌件在磨损试验过程中很短时间内便出现剥落，因此磨损十分严重。试验过程中很短时间内便出现剥落，因此磨损十分严重。复合工艺处理后的工件具有氮化及氧化二层
19、抗蚀性复合工艺处理后的工件具有氮化及氧化二层抗蚀性很好的渗层，因此该工艺具有很好的耐蚀性。很好的渗层，因此该工艺具有很好的耐蚀性。氮碳共渗氧化氮碳共渗氧化/氧化氧化/抛光复合工艺可以对各种结构钢、抛光复合工艺可以对各种结构钢、工具钢、纯铁、铸铁、不锈钢及粉末冶金件进行表面处工具钢、纯铁、铸铁、不锈钢及粉末冶金件进行表面处理，用于替代渗碳淬火、高频淬火、镀硬铬、镀锌、化理，用于替代渗碳淬火、高频淬火、镀硬铬、镀锌、化学镀镍、镀锌磷化涂学镀镍、镀锌磷化涂MoS2MoS2等处理工艺，可广泛应等处理工艺，可广泛应用于汽车、轻纺、石油、化工、农机、煤矿、工程等机用于汽车、轻纺、石油、化工、农机、煤矿、工
20、程等机械以及工、模具等各种耐磨、抗蚀、耐疲劳等零件。械以及工、模具等各种耐磨、抗蚀、耐疲劳等零件。热喷涂与其它表面技术的复合工艺热喷涂与其它表面技术的复合工艺1.1.等离子喷涂重熔处理等离子喷涂重熔处理 等离子喷涂得到的覆盖层（涂层）的物理机械性等离子喷涂得到的覆盖层（涂层）的物理机械性能虽然高于其它喷涂方法，但却远低于堆焊所得到的机能虽然高于其它喷涂方法，但却远低于堆焊所得到的机械性能。为了改善涂层的性质，将喷涂工艺与涂层的重械性能。为了改善涂层的性质，将喷涂工艺与涂层的重熔处理相结合是一种十分有效的复合表面处理工艺。熔处理相结合是一种十分有效的复合表面处理工艺。涂层的重熔可以用等离子射流或
21、激光束进行，这样涂层的重熔可以用等离子射流或激光束进行，这样既保证了局部加热，又不影响整个零件的处理。既保证了局部加热，又不影响整个零件的处理。热喷涂与其它表面技术的复合工艺热喷涂与其它表面技术的复合工艺1.1.等离子喷涂重熔处理等离子喷涂重熔处理在涂层重熔时，熔化的一般只是其合金中最易熔化的成在涂层重熔时，熔化的一般只是其合金中最易熔化的成分，由于液相有助于扩散过程，熔化的结果大大提高了分，由于液相有助于扩散过程，熔化的结果大大提高了涂层和基体的结合强度，消除了孔隙，增加了机械强度。涂层和基体的结合强度，消除了孔隙，增加了机械强度。例如，例如，4545钢基体上镍基合金重熔涂层的显微硬度可钢基
22、体上镍基合金重熔涂层的显微硬度可高达淬火硬度的高达淬火硬度的5 51010倍，因而耐磨性得以显著提高。重倍，因而耐磨性得以显著提高。重熔后涂层和基体表面的结合强度可提高熔后涂层和基体表面的结合强度可提高8 81010倍；由于涂倍；由于涂层的硬度提高，其疲劳强度提高层的硬度提高，其疲劳强度提高202025%25%。热喷涂与其它表面技术的复合工艺热喷涂与其它表面技术的复合工艺1.1.等离子喷涂重熔处理等离子喷涂重熔处理这种工艺可以用来修复在大交变载荷和接触应力条件下这种工艺可以用来修复在大交变载荷和接触应力条件下工作的零件，如凸轮轴、曲轴等。工作的零件，如凸轮轴、曲轴等。第二节第二节 高分子表面金
23、属化技术高分子表面金属化技术高分子表面金属化是利用物理或化学手段使高分子表面性质发高分子表面金属化是利用物理或化学手段使高分子表面性质发生改变，呈现出金属的某些性质，如导电性，磁性，有关泽性生改变，呈现出金属的某些性质，如导电性，磁性，有关泽性主要主用是赋予高分子材料适合环境要求的特有性质，如电磁，主要主用是赋予高分子材料适合环境要求的特有性质，如电磁，光学，光电子学，热学和美学等于表层相关的功能特性光学，光电子学，热学和美学等于表层相关的功能特性.一、高分子表面金属化新技术的主要工艺特点一、高分子表面金属化新技术的主要工艺特点1 1、基本原理和工艺过程、基本原理和工艺过程 将一般的高分子材料
24、如聚乙烯醇，聚丙烯腈等位主要原料，将一般的高分子材料如聚乙烯醇，聚丙烯腈等位主要原料，溶于适当的溶剂中，加入无机盐，搅拌后成共混溶液，再用流溶于适当的溶剂中，加入无机盐，搅拌后成共混溶液，再用流延法浇铸在玻璃或者塑料板上，经加热后得到金属络合物的聚延法浇铸在玻璃或者塑料板上，经加热后得到金属络合物的聚合物，这种聚合物经化学还原后表面的金属离子变成金属，从合物，这种聚合物经化学还原后表面的金属离子变成金属，从而在聚合物表面形成结构致密的金属层。而在聚合物表面形成结构致密的金属层。2 2、高分子表面金属化的新技术特点、高分子表面金属化的新技术特点（1 1）操作简单操作简单（2 2）耐久性好，不易脱落）耐久性好，不易脱落（3 3）获得不同的高分子表面金属层）获得不同的高分子表面金属层（4 4）不受高分子材料尺寸的影响）不受高分子材料尺寸的影响二、应用与前景二、应用与前景1.1.导电性高分子导电性高分子2.2.表面金属化纤维表面金属化纤维3.3.磁性材料磁性材料4.4.在电子，航空，计算机和日常生活方面的应用在电子，航空，计算机和日常生活方面的应用
