第14章 纳米表面工程技术设计刘世参文档格式.docx
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CT/CH≤TT／TH（14－1）
式中CT－经表面强化处理的零件成本
CH－未经表面强化的零件成本
TT－经表面强化的零件使用寿命
TH－未经表面强化零件使用寿命
如果CT/CH越小，TT/TH越大，则说明该表面处理技术的经济性越好。
（2）省钱准则，即：
CST≤CPH（14-2）
式中CST－对零件表面强化处理的成本
CPH-设备在一定检修期内，未经表面处理的零件因表面失效发生的全部维修费用
CPH比CST越大，说明性能价格比越好。
在运用式14-2分析经济性时，应进行多个检修期的性能价格评比，例如，对设备小修期、中修期、大修期分阶段进行费效分析，期望检修期越长，对应的性能价格比越优异。
（3）、可靠性准则，即：
KT≥KH（14-3）
式中KT－对零件经表面强化处理后的表面功能可靠性
KH－零件未经表面强化处理的表面功能可靠性
对于地面设备、民用设备，可用式14-1或14-2两条准则进行比较。
但对于航空航天器、军用装备及民用重要设备还应从可靠性准则进行比较，如果这些设备（装备）在运行的关键时刻发生表面失效，则造成的经济损失、战斗损伤及社会影响是巨大的。
14.2.3有利于环境保护
表面工程的本身是一种有利于保护环境、节能、节材的绿色科技，但是各种具体的技术或多或少地对环境或对操作者的安全存在一定的负面影响。
人类进入21世纪之后，保护环境、节约资源的任务更加迫切，坚持可持续发展战略的意义更加重大，加强对操作者的安全防护又是贯彻以人为本的重要体现。
在表面工程技术设计中，坚持有利于环境保护的原则，就是在满足性能要求、经济又合理的多种表面处理方案中，尽量选用耗能、耗水少和污染小的方案，并在表面处理工艺中制订完善的安全防护措施。
14.3表面技术设计的基本程序
表面技术设计的基本程序见图14-1
图14-1表面技术设计程序框图
14.4分析零件表面的工况条件和失效形式
14.4.1零件表面的工况条件
零件表面工况条件主要包括：
载荷大小及类别、与摩擦副之间的相对运动速度
、工作环境温度与压力、工作介质、润滑情况等。
14.4.2零件表面的失效
磨损和腐蚀是零件表面失效的两种主要形式。
14.4.2.1磨损失效
零件表面磨损失效按磨损机理可分为四类，即粘附磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损。
判断这四类磨损的常用方法是观察磨损表面的外观，这四类磨损的外观特征见表14-1。
表14-1磨损类别与外观特征
磨损类别
表面外观特征
粘附磨损
磨粒磨损
疲劳磨损
腐蚀磨损
锥刺、鳞尾、麻点
擦伤、沟纹、条痕
裂纹、麻点
反应产物、点蚀
实际的磨损过程不可能仅是一种磨损机理形态，而往往是多种磨损机理形态的复合。
表14-2列出了在不同摩擦学体系中，各类磨损所占的比例。
表14-2各类磨损在不同摩擦学体系中的比例
相互作用组元
相对运动类型
磨损形式
各种磨损机理所占比例
粘附
磨损
磨粒
疲劳
腐蚀
固体对固体
（有或无润滑）
滑动
滚动
旋动
撞击、冲击
振动
凿削
刻划
滑动磨损
滚动磨损
自旋磨损
冲击磨损
微动磨损
凿削磨损
划伤磨损
25％
12.5％
0％
75％
87.5％
62.5％
固体对固体加颗粒
碾磨
磨粒滑动磨损
磨粒滚动磨损
高应力碾碎性磨损
固体对液体加颗粒
流动
磨粒侵蚀
固体对气体加颗粒
平行喷射
斜向喷射
垂直喷射
磨粒侵蚀加冲击侵蚀
冲击侵蚀
43.75％
固体对液体
撞击
液滴冲击侵蚀
液体侵蚀
气蚀
固体对气体
烧蚀
各类磨损对表面材料性能的要求见表14-3
序号
磨损类型
要求材料具备的性能
1
互相接触的相配材料溶解度应较低。
在工作表面温度下，抗热氧化能力好，表面能低
2
磨料磨损
有比磨料更硬的表面，较高的加工硬化能力
3
高硬度，高韧性。
精加工时加工性能好，流线性好，要去除硬的非金属夹杂物，表面无微裂纹
4
无钝化作用时，要提高其抗腐蚀介质能力，兼有抗腐蚀和抗磨损性能
表14-3各类磨损对表面材料性能的要求
14.4.2.2腐蚀失效
按其腐蚀形态可分为全面（或均匀）腐蚀或局部腐蚀，导致腐蚀失效的主要是后者。
局部腐蚀又可分为点腐蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、磨损腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳、氢损伤等。
图14-2示出主要腐蚀形态示意图。
应力腐蚀断裂是在拉应力和腐蚀环境共同作用下所引起的部件失效；
腐蚀疲劳是金属在循环交变应力作用下产生破裂；
磨蚀是由于腐蚀流体以及金属和流体间的相对运动而共同引起的金属破坏；
气泡腐蚀是由于真空泡的形成和破裂所产生的气化作用所导致的金属表面的局部破坏；
图14-2主要腐蚀形态示意图
微动腐蚀或摩擦氧化是在两种材料界面承受轻微的相对运动或滑动时所发生的腐蚀，典型的相对运动是振动；
氢损伤是一种非常特殊的腐蚀动形式，要在非常特殊的条件下才能发生。
氢损伤是由于金属表面生成的原子态氢所引起的。
在一般情况下，局部腐蚀比全面腐蚀的危险性大得多，常常造成失效甚至灾难性事故，因而引起了广泛的注意并促使人们从不同角度进行深入地研究。
14.5纳米表面技术的分类及功用
现阶段可以实用的纳米表面技术及其主要功用见表14-4。
（详细内容见本书有关章节）
表14-4实用纳米表面技术及功用
纳米表面技术
功用
纳米复合电刷镀
提高镀层的强度和抗疲劳性能，制备常温和高温耐磨镀层，制备低摩擦系数镀层，恢复尺寸。
纳米热喷涂
提高喷涂层的强度和韧性，制备抗磨、抗热疲劳和隔热涂层，恢复尺寸。
气相沉积
纳米薄膜
制备高性能的光、电、热、声、磁功能薄膜及硬膜、超硬膜。
纳米固体润滑
提高固体润滑膜的强度和韧性，制备高性能减摩抗磨固体润滑膜。
纳米涂料
改善涂料的工艺性、耐候性和耐划伤性，制备抗紫外线涂层、热障涂层、隐身涂层、磁屏蔽涂层、抗静电涂层、抗菌防污涂层、防雾透明涂层、阻燃涂层等。
纳米粘涂
提高粘涂层的强度，制备抗磨损、抗腐蚀、抗气蚀涂层，恢复尺寸，用于密封、堵漏。
纳米自修
复润滑剂
降低摩擦系数，提高表面光滑度和耐磨性并能在机件运行中自行修补尺寸磨耗。
金属纳米化加工
提高表面硬度和屈服强度，提高表面化学元素的渗入浓度和深度，形成金属表面纳米化。
14.6纳米表面技术的选用
合理地选择能满足零件整体性能和表面服役要求的表面技术，是表面技术设计中的重要环节。
表面技术的种类很多，许多功用又相近，结合具体的零件和工况条件选择出优化的表面技术必须关注以下4个方面。
14.6.1表面技术对零件整体性能的影响
表面技术对零件整体性能的影响主要有热影响、氢脆影响和机械影响。
不同的表面技术及不同的预处理方法对零件整体性能有不同的影响。
（1）热影响
进行表面技术处理时，零件的温度见表14-5。
在选择表面技术时要分析温度对零件变形、对原来热处理性质以及对零件表面氧化的影响。
热影响在选择表面技术时是占有权重较大的因素，往往据此能很快划分出可供选择的技术范围。
表14-5表面处理时的零件温度
表面技术
零件的温度（℃）
备注
常温
常温或预热100～150℃
化学气相沉积CVD
800～1200℃
温度与沉积的
元素有关
金属有机化合物气相沉积MOCVD
500～800℃
物理气相沉积PVD
200～400℃
纳米涂装
金属表面纳米化加工
（2）氢脆影响
在电镀时，镀液中的氢离子会还原成氢原子，一部分氢原子会成为氢气逸出，一部分渗入到镀层中使镀层产生氢应力，还有一部分氢原子渗入到零件中而使零件“氢脆”。
例如在钢铁零件表面槽镀镍的过程中，没有光亮剂的镀镍溶液零件渗氢量约为60～100cm3/100g，有光亮剂的镀镍溶液零件渗氢量比没有光亮剂的高1倍。
由于各种电沉积元素的析出电位和镀液介质不同，析氢量或者说对钢质零件的“氢脆”影响亦不同，按“氢脆”的影响程度排序：
镀锌＞镀镉＞镀镍。
另外钢质零件外表面如果有阳极保护镀层，则在零件工作过程中，钢质基材表面也会析氢，氢渗入基体后与承载应力的共同作用，可能导致高强钢发生“氢脆断裂”，这种由于表面镀层腐蚀而导致的环境“氢脆”称为“后脆”。
“氢脆”或“后脆”对钢质零件的影响程度主要与钢质零件的抗拉强度有关，强度越高，对氢脆越敏感。
其次与零件的工作温度有关，工作温度增高，氢脆敏感性增强。
几种槽镀镀层对钢质零件的强度和零件工作温度的限用条件见表14-6
表14-6几种镀层的限用条件
镀种
钢质零件的抗拉强度
零件的使用温度
镀锌
不得大于1240MPa
不得大于250℃
镀镉
不得大于230℃
镀镍
不得大于250～300℃
电刷镀的镀积速度比槽镀快4～6倍，在操作过程中又是通过镀笔与工件往复运动不断沉积出镀层，因而，电刷镀对零件的氢脆影响低于槽镀。
在电刷镀技术中，还专门配制有低氢脆镀液，并制定有减少氢脆的工艺措施，如电净电压定在8～12V、采用反向电流、镀积底层和工作层时相对提高工作电压、尽量提高镀积速度等。
有了这些措施，电刷镀已允许应用到飞机着陆装置和飞机上其它的高强钢零件。
在选用纳米电刷镀镀积高强钢零件时，建议按相关标准先进行氢脆试验。
（3）机械影响
机械影响主要与表面预处理的方法有关。
对于有偶件配合的表面，为了制备一定厚度的涂覆层，需事前对待处理表面磨削掉一部分金属，结果会使轴颈稍微变细、孔壁稍微变薄，在选择表面技术时需要评估这种预加工对零件的强（刚）度的影响是否允许。
为了提高热喷涂涂层与基体金属的结合强度，需对表面进行粗糙化处理。
如果采用在表面车螺纹或电火花拉毛的方法，则会对零件的强度尤其抗疲劳强度造成影响。
如果采用喷砂预处理则对基体没有负面影响。
14.6.2涂覆层及表面改性层的尺寸
涂覆层及表面改性层的尺寸问题，一是出于工作要求，即在零件服役的寿命周期内耐磨层应有多大，防腐层应具备多厚，功能薄膜及纳米化层工作厚度应是多少等；
二是出于工艺可达性，即纳米表面技术在制配涂覆层及改性层时，工艺上能达到的最佳厚度及最大厚度。
在表面技术设计时，应找出工作要求厚度与可实现厚度之间的结合点，从而确定出涂覆层或改性层的厚度尺寸。
并可据此提出有涂覆层零件的预加工量和涂覆层形成后的光整加工余量。
不同的表面技术制备出的涂覆层及改性层的厚度见表14-7。
表14-7当前纳米表面技术制备出的涂覆层及改性层厚度
涂覆层及改性层的厚度（mm）
最佳厚度
最大厚度
纳米电刷镀镍镀层
0.15
0.2
0.2～0.5
10
0.001～0.003
0.1
纳米化结构表层0.02～0.1
一般的规律是，随着涂覆层厚度的增加，涂覆层的内应力加大，从而影响涂覆层自身的机械性能以及涂覆层与基体之间的结合强度。
所谓最佳厚度是指工艺上容易实现、应用场合较多、综合机械性能又没有明显下降时的厚度。
对于要求厚度较大的场合，可以采用设置“夹心层”的办法制备出复合式的涂覆层，以降低涂覆层内应力。
在表面工程的术语中，有无膜、薄膜与厚膜之分。
无膜是指通过金属表面纳米化加工或离子注入或热渗扩等技术只改变表面的成分、组织结构，从而改变了表面的性能，零件表面没有尺寸变化，这类表面技术可称为表面改性技术。
关于薄膜与厚膜有两种划分方法，一种是以膜的厚度来界定，如有的学者提出：
小于25m的膜称为薄膜，大于25m的膜称为厚膜。
笔者支持按功能进行分类的提法，即把各种保护性膜称厚膜（如耐磨层、耐腐蚀层、抗氧化层、隔热层等），而把各种功能膜称为薄膜（如光学膜、微电子膜、信息储存膜等）。
本书又将薄膜、厚膜统称为涂覆层。
14.6.3涂覆层与基体的结合强度
在选择表面技术时，必须考虑涂覆层与基体的结合是否牢靠，是否满足工作条件需要。
涂覆层与基体金属的结合强度见表14-8。
表14-8涂覆层与基体金属的结合强度
涂覆层与基体的结合强度
冲击法60㎏
纳米等离子喷涂
30～80MPa
纳米超音速火焰喷涂
40～90MPa
纳米电弧喷涂
20～40MPa
物理气相沉积
高速钢上离子镀TiN,膜厚2μm～3μm，对应结合力为220～285MPa级
热粘20～40MPa；
冷粘10～20MPa
涂覆层与基体的结合强度，与涂覆层的制备工艺有重要的关联，前面列举的结合强度数值，是在严格执行预处理规范和严格执行涂覆层制配工艺的条件下获得的。
不执行预处理规范和不正当的操作工艺就难获得理想的结合性能。
涂覆层与基体的结合强度，还和零件材质的线胀系数、涂覆层材质的线胀系数之间的差异相关联。
如果二者的线胀系数差别较大，则结合强度下降。
为了解决这一问题，通常采用附加过渡层的办法解决，对于大多数零件采用先制备底层，再制备工作层的方法，对于重要零件或线胀系数差别很大的零件，可采用逐步改变涂层成份的方法（通常称为梯度涂覆层）来保证结合性能。
在气相沉积和电沉积技术中，十分强调镀层与基体材料的晶格类型。
共格界面的结合强度最好，部分共格界面的结合强度次之，无相互作用的晶格界面结合强度最差。
这一规律同样适用于多层、多相的复合涂覆层体系。
涂覆层与基体的结合强度虽然是选择和论证表面技术时的一项重要指标，但不应追求结合强度越高越好，主要是看能否满足工作要求。
定性地说，对于有润滑的动配合表面，有微动磨损的静配合表面，摩擦副为金属或橡胶的密封面、气体或液体的冲刷面，上述纳米热喷涂技术、纳米复合电刷镀技术、纳米气相沉积技术以及纳米粘涂技术所制备的涂覆层，其结合性能都能满足工况要求，但是不能用于高接触应力交变负荷的齿轮齿面、轧钢机轧辊表面以及挖掘机铲齿、铲刃表面等。
从定量上分析，一是涂覆层与基体之间的剪切强度应小于工作时表面受到的剪切力，二是为防止涂覆层在工作时变形，应计算出涂覆层在工作时的接触压力。
例如青铜涂覆层的接触压力上限定为1.7MPa,大约是青铜屈服强度的1％～4％。
阀门上工具钢类材质的涂覆层的接触压力上限规定为140MPa，大约是其强度极限的4％～6％。
由于金属纳米化加工是在零件本身基材上制备出表面纳米结构层，因而可以适用于轧辊表面，而且可使轧辊的使用寿命成倍提高。
14.6.4常用纳米表面技术的生产效率
生产效率是影响生产成本的重要因素，在运用纳米表面技术在现场进行应急抢修时也是一个重要的时间因素。
表14-9列出了纳米表面技术与生产率有关的数据。
表14-9几种纳米表面技术的生产率
与生产率相关的因素
沉积速率
自动化生产与
批量生产能力
现场作业
的适应性
备注
电刷镀镍基镀液
12.7μm/min
单件生产、手工作业
适合
等离子喷涂
1～10㎏/h
单件生产、半自动化或手工作业
不适合
沉积速率与喷涂材料及工艺规范有关
超音速火焰喷涂
高速电弧喷涂
化学气相沉积
1～2μm/h
小件可批量生产、半自动化作业
还需考虑真空釜的抽气时间及缓冷开釜时间；
沉积速率与沉积的元素有关
4～50μm/h
粘涂
取决于涂胶时间和固化时间
50μm/60min
可小批量生产、半自动化作业
14.7选择表面处理材料
选择表面技术是解决制备涂覆层的手段问题，选择表面处理材料则是解决涂覆层的表面性能问题。
当前纳米表面工程技术比较成熟和应用得最多的技术途径是在涂覆层中添加纳米颗粒，以改善涂覆层的性能。
因此表面处理材料由两部分组成，一是涂覆层主体材料，或称基料，二是纳米颗粒的材料种类及添加量。
两种材料之间有时还存在相容性问题。
在纳米复合镀和粘涂、涂装技术中，首先要将纳米颗粒进行干分散处理，然后添加在镀液或胶中调匀。
对于等离子喷涂和高速气流喷涂还要进行造粒，即将纳米颗粒制成适合于喷涂的“喂料”，高速电弧喷涂需要制成含纳米颗粒的粉芯丝材。
纳米颗粒复合电刷镀材料体系及性能见表14-10，纳米等离子喷涂材料体系及性能见表14-11，纳米复合硬膜材料体系及性能见本书表5-1，纳米功能薄膜材料体系见表14-12。
表14-10纳米颗粒复合电刷镀材料体系及性能
涂覆层材料体系
镀液中纳米颗粒添加量g/L
纳米颗粒粒度nm
镀层
硬度
HV
相对耐磨性
耐疲劳周次
×
106
（300㎏f/㎜2下）
镀层适应工作温度
Ni
400～450
1.20
200℃以下
n-Al2O3/Ni
20～30
30～80
660～700
2.2～2.5
1.98
400℃以下
n-TiO2/Ni
580～640
1.9～2.2
1.47
n-SiO2/Ni
650～690
2.0～2.4
1.48
n-ZrO2/Ni
630～680
1.5～2.0
1.55
n-SiC/Ni
600～640
1.6～2.0
n-Dia/Ni
610～650
1.4～1.8
表14-11纳米等离子喷涂材料体系及性能
喷涂
种类
材料
纳米颗粒尺寸/nm
喂料尺寸
/μm
涂层与基体结合强度/MPa
涂层硬度/
升级会员 