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國內新型表麵處理技術概述及其發展趨勢

2019-11-15 04:57   评论:66 点击:969

一、技術概述

新型表麵功能覆層技術,包括低溫化學表麵塗層技術及超深層表麵改性技術,它應用物理、化學或物理化學等技術手段來改變“材料及其製件表麵成份和組織結構”,其特點是保持基體材料固有的特征,又賦予表麵化所要求的各種性能,從而適應各種技術和服役環境對材料的特殊要求,因此它是製造和材料學科最為活躍的技術領域,又是涉及表麵處理與塗層技術的交叉學科。其最大的上風在於能以極少的材料和能源消耗製備出基體材料難以甚至無法獲得的性能優良的表麵薄層,從而獲得最大的經濟效益,它是一種優良高效的表麵改性與塗層技術。優良、高效的表麵改性與塗層技術其範圍廣闊 :如熱化學表麵技術;物理氣相沉積;化學氣相沉積;物理化學氣相沉積技術;高能等離體表麵塗層技術;金剛石薄膜塗層;多元多層複合塗層技術;表麵改性及塗層性能展看及剪栽技術;性能測試與壽命評估等等。

新型低溫化學氣相沉積技術引進等離子體加強技術,使其溫度降至600度以下,獲得硬質耐磨塗層新工藝,所生產的高強度、高性能的塗層工藝,在高速、重負荷、難加工領域中有其特殊的感化。超深層表麵改性技術可利用於盡大多數熱處理件和表麵處理件,可替換高頻淬火,碳氮共滲,離子滲氮等工藝,得到更深的滲層,更高的耐磨性,產品壽命劇增,可產生突破性的功能變化。

二、現狀及國內外發展趨勢

隨著基礎產業及高新技術產品的發展,對優良 、高效表麵改性及塗層技術的需求向縱深延伸,國內外在該領域與相關學科相互促進的局勢下,在諸如“熱化學表麵改性”、“高能等離子體表麵塗層”、“金剛石薄膜塗層技術”和“表麵改性與塗層工藝模擬和性能展看”等方麵都有著突破的進展。

1.熱化學表麵改性技術現狀及發展趨勢

國外近年來重視對“可控氣氛條件和真空條件下的滲碳,碳氮共滲等技術的研究,並已實現產業化。而在我國利用很少,相關的技術研究工作亦不夠。可控氣氛滲碳和真空滲碳技術是明顯縮短生產周期,節能 、省時,同時可進步工件質量,不氧化 、不脫碳,保證零件表麵耐腐蝕和抗疲憊性,並減少熱處理後機加工餘量及清理工時。

目前國際上碳勢控製和監測,滲層布型控製等方麵的研究成果已利用於實際生產,並用計算機進行在線動態控製。

2.PVD 、CVD、PCVD技術現狀及發展趨勢

各種氣相沉積是當前世界上著名研究機構和大學競相開展的具有挑戰的性的研究課題。目前該技術在信息、計算機、半導體 、光學儀器等產業及電子元器件、光電子器件、太陽能電池 、傳感器件等製造中利用十分廣泛,在機械產業中,建造硬質耐磨鍍層、耐腐蝕鍍層、熱障鍍層及固體潤滑鍍層等方麵也有較多的研究和利用,其中TiN等鍍膜刀具的普及已引發切削領域中的一場革命,金剛石薄膜、立方氮化硼薄膜的研究也十分火熱,並已向實用化方麵推進。在不同PVD、CVD工藝的基礎上,通過發展和複合很多新的工藝和設備,如IBAD、PCVD與空心陰極多弧複合離子鍍膜裝配、離子注進與油濺射鍍或蒸鍍的複合裝配、等離子體浸沒式離子注裝配等不斷將該類技術推向新的高度。與國外的發展相比,我國在上述方麵雖研究較多,但水平有較大差異,在實用化方麵差距更大。

3.高能等離子體表麵塗層技術現狀及發展趨勢

該技術是增加表麵物理化學反應,獲取特殊性能覆蓋層。其核心是更有效地加強和控製陰極電弧等離子體的產生和感化,美國、日本、德國大力發展該技術。等離子體加強電化學表麵改性技術,是目前國際上較活躍的開發研究領域,對於鋁、鈦等材料,通過等離子體調光放電手段,加強電化學處理效果,在金屬表麵上天生致密氧化鋁和其它氧化物陶瓷膜層,可使基體具有極高性能表麵,是先進製造工藝的前沿技術,在機加工用刀具和模具行業也有很了的利用遠景。

4.金剛石薄膜塗層技術

金剛石具有極好的物理性能,在外形複雜的刀具、模具、鑽頭等工件表麵沉積上一層很薄的金剛石薄膜,可進步工件的使用性能,並滿足一些特殊條件的需求。近年來,由於金剛石薄膜的優良性能和廣泛的利用遠景,日本、美國、西歐均進行大量的研究工作,並開發了多種金剛石塗層工藝技術,已在國內外掀起金剛石塗層研究的***。特別是在進步金剛石塗層和基體結合強度,大麵積快速沉積金剛石塗層技術,產業化生產塗層金剛石薄膜設備係統等關鍵技術方麵國外已取得突破性進展,美國、瑞典等國已推出金剛石金屬切削工具供給市場,而我國該技術還沒有達到實用水平,急待開發並實現產業化。

5.多元多層複合塗層技術的現狀及發展趨勢

單一的表麵塗層不能滿足表麵工程設計中苛刻的工況條件,任何表麵處理均有其不同的優缺點,由於利用不同塗層材料的性能優點,在基體表麵形成多元多層複合塗層(含萬分漸變的梯度層)具有重大的意義。國外已開展單層塗層厚度為納米級,層數在100層以上的多元多層複合塗層技術的研究,所製備的塗層具有較高的耐腐性、韌性和強度,和基體的結合強度也好,表麵粗糙度低,這對直精高速工削機械加工十人有益。國外已列進首要發展方麵,予計在納米級精細塗層材料研究和利用領域會有新的突破。由於複合塗層技術具有抗磨損、抗高溫氧化腐蝕、隔熱等功能,能擴大塗層成品使用範圍,延長使用壽命,是一項鄙人一世紀會得到迅速發展的技術。我國目前已開始研究,並取得初步成果,但還存在一些題目有待於解決。

6.表麵改性與塗層工藝模擬和性能展看的現狀及發展趨勢

表麵改性與塗層技術作為表麵工程的首要構成部分,已滲透到傳統產業與高新技術產業部分,根據利用的要求反過來又促進表麵功能覆層技術的進一步發展。根據使用要求,對材料表麵進行設計、對表麵性能參數進行剪裁,使之符合特定要求,並進一步實現對表麵覆蓋層的組織結構和性能和展看等,已成為該領域首要研究方向。國外已對CVD、PVD和其它表麵改性方法開展計算機模擬研究,針對CVD過程進行模擬,采用宏觀和微觀多層次模型,對工藝和塗層各種性能和基體的結協力進行模擬和展看;對滲碳,滲氮工件滲層性能應力等進行計算機模擬等等,人們可以更好地控製和優化工藝過程。我國這方麵的研究剛處地超步階段 。

三、“十五”目標及首要研究內容

1.目標

根據國內外表麵功能覆層技術的發展,結合機械產業的需求與現狀,為國家重大工程、重大技術設備研究開發一批先進適用的表麵功能覆層關鍵技術。

2.首要研究內容:

(1)新型低溫氣相沉積技術及設備研究

研製新型磁控濺射、離子鍍膜、PCVD設備及其複合設備,並實現工藝過程的主動控製。加強成膜 、膜基結合機理的研究,降低製膜溫度,優化反應過程及工藝參數,合成各種耐磨、抗蝕的新優良鍍層。重點解決***及支柱產業急需解決的表麵工程技術困難,力爭形成創新性科技成果,促進通用機械、閥門、冷作模具、高溫模具等行業的技術進步。

(2)納米級多無多層複合塗層材料及工藝技術研究

跟蹤國際先進水平,研究50層以上納米級複合塗層技術及材料,包括納米級多層多元複合塗層材料重組、結構、厚度、層數的綜合設計,和塗層材料的微觀組織結構及製備工藝技術研究。

(3)表麵塗層工藝及質量的數值模擬及優化控製的研究與開發,側重對熱化學表麵改性過程和PVD和CVD沉積技術進行工藝模擬及優化研究。建立數學模型和算法,開發出相應計算機軟件係統來指導和分析表麵改性和塗層工藝過程的設計,並展看表麵性能和服役壽命。

(4)金剛石薄膜塗層技術

開展大麵積、快速、高質量金剛石薄膜塗層工藝技術及塗層刀具產業化技術研究,以塗層質量好,均勻一致性能穩定可靠為研究重點,進步金剛石塗層沉積速率,完成相應設備的設計 、製造,同時開發金剛石薄膜塗層刀片、硬質合金鑽頭等刀具,使壽命進步10倍,並用於汽車等產業 。

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