金属表面改性技术的研究与发展

等离子体表面改性技术

……吴师妹整理

I前沿

材料表面处理技术是U前材料科学的前沿领域，利用它在一些表面性能差 和价格便宜的基材表面形成合金层，取代昂贵的整体合金，节约贵金属和战略 材料，从而大幅度降低成本。科学技术和现代工业的发展，对摩擦、磨损、腐 蚀和光学性能优异的先进材料的需要日益增长，这导致了整个材料表面改性技 术的发展与进步，其中等离子体表面改性技术发挥了重要作用。等离子表面处 理因其性能的优势和低廉的成本已成为材料科学领域最活跃的研究方向之一。

2等离子体表面改性的原理

等离子体是一种物质能量较拓的聚集状态，它的能量范用比气态、液态、 固态物质都高，被称为物质的笫四态，存在具有一定能量分布的电子、离子和 中性粒子，在与材料表面的撞击时会将自己的能量传递给材料表面的分子和原 子，产生一系列物理和化序过程。一些粒子还会注入到材料表面引起碰撞.散 射、激发、重排、异构、缺陷、晶化及非晶化，从而改变材料的表面性能。

3等离子体表面改性技术的种类

根据温度不同，等离子体可分为拓温等离子体和低温等离子体（包括热等离 子体和冷等离子体）。高温等离子体的温度高达10&K〜10吆，在太阳表面、核 聚变和激光聚变中获得。. 丘/体一般为稠 离子体，冷等离子体一般为 稀薄等离子体。在材料表面改性技术中，溅射、离子镀、离子注入、等离子化 学热处理丄艺应用的是在低压条件下放电产生的低压（冷）等离子体，而等离r 喷涂、等离r淬火及多元共渗相 •化、等离子熔覆 価冶金等工艺中应用 的是低温等离子体中的稠密热等离子体，通常指压缩电弧等离子束流。

3.1低压（冷）等离子体表面处理技术

近年来，低压等离子体在表面镀膜、表面改性及表面聚合方面发挥着越来 越重要的作用。

3.1.1溅射和离子镀

溅射镀膜是基于离子轰击靶材时的溅射效应，采用的最简单装置是直流二 极溅射，其它类型的溅射设备有射频溅射磁控溅射、离子束溅射等，其中磁控 溅射山于沉积速率高，是U前工业生产应用最多的一种。磁控溅射的基本原理 是:辉光放电加热工件，源极的合金元素在离子轰击下被溅射出来，高速飞向工 件（阴极）表面，被工件表面吸附，借助于扩散过程进入工件表面，从而形成渗 入元素的合金层。该工艺的优点是：①渗速快。等离子体向工件表面持续提供 高浓度的渗入金属元素，而高能粒子的轰击，使金属表面出现高密度位错区， 导致渗入原子既沿晶界乂向晶内扩散，特别是沿位错沟扩散，极大地提高了渗 入元素的扩散速度。②渗层组织容易控制。通过调整渗入金属源及工艺参数， 很容易按要求控制渗层组织。③不需去钝处理。阴极溅射效应可有效去除表面 氧化物，且工件乂是在真空中进行处理，不会再生氧化膜。④渗入元素是固体合 金元素，且材料利用率高。⑤无公害，工作环境好。离子镀是在真空条件下利用 气体放电使蒸发物质部分离化，并在离子轰击作用的同时把蒸发物或其反应物 沉积在工件表面,具有附着力強、绕射性好、可镀材料广泛等优点。离子镀在 近年发展很快，山电子束离子镀、空心阴极放电离子镀、激励射频法离子镀到 电弧放电真空离子镀及多弧真空离子镀，镀膜效率显著提高。口前离子镀最广 泛的应用是在刀具上涂镀TiN、TiC等超硬膜层。利用俄制Bulat6多弧离子镀 膜机对摩托车车架冷弯芯模（SKD11钢）进行TiN涂层处理后，使用6000余次 表面仍光洁，而未经镀膜的模具使用50余次后表面即被拉毛。等离子体增强磁 控溅射离子镀（PEMSIP）是在磁控溅射离子镀基础上研发的一种新型PVD技 术。PEMSIP中的电子发射源和活化源使电子数量和动能增加，电子与中性粒子 的碰撞儿率随之增加，因此增加了等离子体的密度，使进入基片阴极鞘层和沉积 到基片表面上的正离子数量增加，在阴极鞘层中被加速的二次电子的有效碰撞进 一步提高离化率,强化了离子镀效应。利用该技术沉积的TiN涂层，膜基之间存 在50nm厚的过渡层，膜基之间的结合力强,膜层硬度高。

金属表面处理技术的研究和发展

金属表面处理技术是实现金属制品表面改性的重要手段，它通过一系列加工和涂覆等过程，可以提高金属制品的耐腐蚀、耐磨损、抗氧化、导电性和光泽度等性能，从而满足不同客户的需求。该技术的广泛应用推动了金属制品产业的快速发展，促进了工业现代化进程。本文旨在介绍几种常见的金属表面处理技术及其发展趋势，以期为相关领域研究人员提供参考。

1. 电化学成型技术

电化学成型技术是一种利用电化学作用使金属表面形成一定形状和尺寸的工艺。电化学成型工艺具有无切削加工，制作工艺简单，原理易于理解，成本低等优点。经过多年研究和发展，该技术已被广泛应用于航空航天、汽车、机械、船舶等领域。目前，电化学成型技术已经发展出许多新型工艺，如电化学制孔、三维电化学成型等，这些新技术为金属表面处理的开发提供了更广阔的空间。

2. 金属表面光化学处理技术

金属表面光化学处理技术是指利用光化学反应对金属表面进行处理的工艺。经过该技术处理后的金属表面，可以有效地提高金属的光学性能和电化学性能，使其更具有抗氧化性和耐腐蚀性。该技术的发展主要是针对耐蚀、美观等要求提出的，推动了无铬替代复合镀层、无溶剂皮膜修饰等新技术的发展。然而，该技术在实际生产中的应用还存在一些问题，如处理效果不稳定、处理过程中产生大量废液等。因此，未来的研究需要在解决这些问题的基础上，寻求更好的应用。

3. 电镀技术

电镀技术是在金属表面形成一层金属或金属合金的薄层，以达到防腐、美观或实现其他特殊功能的工艺。在哪些行业中，需要金属制品较高的装饰性、保护性、功能性时，往往是通过电镀来实现的。因此，电镀工艺是金属表面处理技术中最为重要的一种技术。随着现代科技的不断发展，国内外的电镀技术不断引入新的技术和设备，不断发展电镀液的配方，以适应不同领域的需求。同时，零排放、节能等要求也在推动电镀技术的改进和创新。例如，探索"零废水"技术，如电解水、离子液体电镀等，使得电镀技术得以更加环保和可持续。

金属表面处理的新技术

金属表面处理是在金属表面形成一层新的物理或化学特性，使其具有耐腐蚀、耐磨损、防止腐蚀、增加硬度、改变颜色等多种功能。由于在各个行业中，金属在结构材料中占有重要的位置，而金属表面的处理对其质量、寿命及美观度都有着重要的影响，因此，对新技术进行探索和研究至关重要。

近年来，金属表面处理的新技术不断涌现，其中最受欢迎的三种是激光技术、等离子热喷涂技术和等离子电解处理技术。

激光技术是一种将激光束聚焦在金属表面上，使其产生高温、高压、高速等条件下的熔化、汽化、固态化等作用，从而改变金属表面特性的方法。其优点在于处理速度快，加工错误率低，表面质量好，且可以实现任意形状的表面处理。

等离子热喷涂技术是一种将等离子炉中的金属颗粒加热至熔点，再利用高速气体将其喷射到金属表面上，形成一层新的表面特性的方法。该技术的优点在于涂层厚度可控，具有良好的附着力和耐腐蚀性能，特别适用于复杂形状的表面处理。

等离子电解处理技术则是一种利用等离子体与电化学方法结合进行金属表面处理的方法。在电极负极放置金属样品，电极正极位于等离子板中，加上适当的电压后生成等离子体。由于等离子体的物理和化学性质强，其能够对金属表面进行化学反应和物理作用，从而产生表面改变。

除了上述三种技术，金属表面处理还有其他新技术，如杂化等离子体处理技术、离子束抛光技术、离子注入技术等。这些新技术的优点在于具有处理宽广、表面质量好、原始材料消耗少等特点，以及单步完成多效果和无须后处理等显著优势。

当然，这些新技术也存在着缺点和不足，如涉及专业技术的限制、较高的投资成本、设备的复杂性等。但是，金属表面处理的新技术不断创新和发展，这些问题也在逐步得到解决，为更广泛的应用提供了无限可能。

总的来说，随着科技的不断发展和进步，新技术层出不穷，金属表面处理的新技术不仅可以满足不断变化的市场需求，也可以提高金属结构材料的质量，并增加其使用寿命。未来，这些新技术还将继续推进，为各个领域的金属表面处理提供更多的选择和可能。

金属材料表面处理技术在热处理中的应用研究

金属材料是一种重要的制造材料，它广泛应用于航空、航天、汽车等工程领域。金属材料的表面处理技术在热处理工艺中发挥着至关重要的作用，可以提高材料的机械性能、耐腐蚀性能和磨损性能，从而改善材料的使用寿命和可靠性。

一、金属材料的表面处理方式

金属材料的表面处理方式多种多样，常见的有机械加工、光学加工、化学处理、热处理等方法。其中，热处理是一种常用的表面处理方式，可以通过对金属材料进行加热、冷却等操作，使其物理和化学性质发生改变，从而达到改善材料性能的目的。

二、金属材料的热处理方式

金属材料的热处理方式包括淬火、回火、正火、等温淬火、油淬火等多种方法。这些方法的原理基本相同，即通过控制加热温度、保温时间和冷却速率等参数，使材料的组织和性能发生改变，从而达到强化材料的目的。

三、金属材料表面处理技术的应用

金属材料表面处理技术在热处理中的应用广泛，其中尤以电解磨削技术浸泡前后热处理的表现显著。它通过电解磨削对金属表面进行微小的加工和磨砂处理，从而能够在热处理过程中更好地控制材料的织构和晶间组织，提高了材料的强度和塑性。

此外，金属材料表面处理技术在热处理中的应用也包括表面改性技术、气氛热处理技术等。表面改性技术通过在金属表面形成一层化学反应层，可改变其表面性能；气氛热处理技术则通过在热处理过程中加入一定形式的气体，使材料表面形成一定的化学反应，从而改善其性能和寿命。

四、金属材料表面处理技术的未来研究方向

金属材料表面处理技术在热处理中的应用虽然已经取得了一定的成果，但仍有许多待解决的问题。未来的研究重点应放在开发更加高效、低成本、环保的表面处理技术上。同时还要加强材料性能表征技术和表面结构分析技术的研究，以更好地理解表面处理技术对材料性能的影响机理。

总之，金属材料表面处理技术在热处理中的应用已经成为金属材料加工的重要手段，对提高材料性能和改善产品质量起着关键作用。随着研究的不断深入，未来将会有更多的创新和发展。