梳理：金属材料表面处理技术及其应用
2018-07-03 11:27:26
作者： 刘小畅 来源：材料人
【综述】
19世纪工业革命以来，为了适应耐磨耐高温、耐酸碱腐蚀和高强度、高硬度等特殊要求，人们需要不断开发各种特殊合金材料以满足需求，然而这些合金材料往往成本高昂，而且多数情况下，难以同时满足整体和表面的性能要求。金属材料服役时不可避免的与环境相接处，而与环境真正接触的是金属表面，如各种机械零件和工程构件，甚至体内植入材料等。当金属表面发生破坏或失效，将严重影响其服役效果和使用寿命。1983年英格兰伯明翰大学教授汤·贝尔首次提出表面工程的概念，利用极少量材料对金属基体表面进行改性处理，使金属表面得到保护和强化，解决单一材料无法解决的问题，从而大大提高产品的使用寿命和可靠性。
金属表面处理是指通过机械加工、热处理、化学或复合方法使金属表面的组织结构、化学成分和物理状态等发生变化，从而使经过处理后的金属表面表现出与原基体不同的性能，来满足对金属材料耐蚀性、耐磨性、装饰性或者其他功能性的要求。目前已有许多成熟的金属表面处理技术，通常按照加工方式不同，可分为机械方法、物理方法和化学方法三类。为了便于理解，我们按照是否对金属材料表面引入其他元素或物质，将金属表面处理技术分为两大类，即表面组织强化方法和表面涂层方法。
【金属表面组织强化】
表面组织强化方法是用机械、物理或化学等方法来改善材料表面的形貌、微观组织结构、缺陷状态或应力状态，目的是使原来基体表面层（0.3-3 μm深度）获得如下强化组织的一种或几种：1）增加表面晶体缺陷（如位错密度等），2）获得压应力状态表层，3）表面形成硬化组织（如马氏体等），4）表面晶粒细化或微晶化，5）表面非晶化。这种处理工艺主要包括切削、磨削、抛光、喷丸、喷砂、超音振荡、感应加热、表面淬火、激光蚀刻等。另外还有部分化学处理过程也可归为表面组织强化方法，比如酸、碱处理，过氧化氢处理以及电化学晶界腐蚀等。
机械抛光
依靠非常细小的抛光粉的磨削、滚压作用，除去试样磨面上的极薄一层金属。
表面淬火
利用快速加热使表层奥实体化，立即淬火使表层组织转变为马氏体以强化表面，心部组织基本不变。
感应加热
利用交变电流在表面感应巨大涡流，使金属表面迅速加热形成氧化层。
【金属表面涂层】
表面涂层方法是通过物理或化学的方法在基体材料表面制备一层与基体组织结构和性能不同的镀层或膜层。根据涂层作用原理不同，又可大致分为转化膜层和沉积膜层两类。
转化膜层是通过金属基体与环境相（通常为液体）发生某种特定的化学反应而在基体表面原位生长的膜层，化学组成多为无机成分。由于原位生长的特殊性，转化膜通常具有较高的膜基界面结合强度。目前形成转化膜的方法主要包括钝化（passivation）、阳极氧化（anodization）、微弧氧化（micro-arc oxidation）、离子注入（ion implantation）以及化学转化（chemical conversion）等。
一、金属表面转化膜层的主要处理技术
微弧氧化
在高电压下等离子体辅助阳极氧化的过程，金属表面能够生成附着力好并且电绝缘的多孔氧化膜。
化学转化
通过金属表面在特定溶液介质中发生化学和电化学反应而生成一层不溶性无机化合物膜层。
沉积膜层主要指依靠电能、动能或热能，将成膜原子、分子或离子输送至基体表面，进而发生凝聚形成的膜层。一般而言，形成的涂层化学成分多样，可以根据需求和应用不同选择无机或有机成分甚至金属涂层。由于加工方法的多样性和差异性，形成的沉积膜层与基体的结合强度变化也很大。目前形成沉积膜层的方法主要包括喷涂（spraying）、气相沉积（vapor deposition）、溶胶-凝胶法（sol-gel）以及仿生沉积（biomimetic）等。
二、金属表面沉积膜层的主要处理技术
等离子喷涂
采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层。
化学气相沉积
利用气相中发生的物理、化学过程，在工件表面形成功能性或装饰性的金属、非金属或化合物涂层。
溶胶-凝胶法
以适当的无机盐或有机盐溶液为原料，经过水解与缩聚反应在基体表面胶凝形成薄膜，最后经干燥、煅烧和烧结获得一定结构的表面薄膜。
【金属表面处理技术应用】
金属表面处理技术以其高度的实用性和显着的优质、高效、低耗等特点，在日常生活、机械制造、航天航海、交通能源、石油化工以及生物医学等各个行业领域得到了越来越广泛的应用。金属表面处理技术不仅是金属材料产品的“美容术”，也是许多产品性能的改良技术，更是先进的产品制造技术。金属表面处理技术的应用主要体现在以下几个方面：
防护性
大部分表面处理技术都对金属材料有一定的防护和强化作用，提高金属在大气、海水及化学介质中的耐蚀性能，以及在服役期的抗疲劳性、耐磨性和润滑性等。如生活和工程应用中铝合金阳极氧化、镀锌钢丝、五金表面镀铬等。
装饰性
金属材料由于本身特性，会随着时间、环境的变化产生锈蚀等变化，失去金属本身的光泽。表面处理可赋予金属材料表面一定的光亮度、色彩度和花纹图案，对金属表面起到美化效果。如激光雕刻、光化学腐蚀、金属压花以及各种表面喷涂等。甚至在一些特殊的金属武器装备表面可以应用表面处理技术，使其表面有效消除反光或吸收光线以利于隐蔽。
功能性
在某些特殊应用中，表面处理技术还可以赋予金属表面某种特殊功能性，使金属材料的应用更加广泛，如绝缘性能、反射隔热性能、亲疏水性能、生物相容性等。
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