【綜述】

 

19世紀工業革命以來，為了適應耐磨耐高溫、耐酸堿腐蝕和高強度、高硬度等特殊要求，人們需要不斷開發各種特殊合金材料以滿足需求，然而這些合金材料往往成本高昂，而且多數情況下，難以同時滿足整體和表面的性能要求。金屬材料服役時不可避免的與環境相接處，而與環境真正接觸的是金屬表面，如各種機械零件和工程構件，甚至體內植入材料等。當金屬表面發生破壞或失效，將嚴重影響其服役效果和使用壽命。1983年英格蘭伯明翰大學教授湯·貝爾首次提出表面工程的概念，利用極少量材料對金屬基體表面進行改性處理，使金屬表面得到保護和強化，解決單一材料無法解決的問題，從而大大提高產品的使用壽命和可靠性。

 

金屬表面處理是指通過機械加工、熱處理、化學或復合方法使金屬表面的組織結構、化學成分和物理狀態等發生變化，從而使經過處理后的金屬表面表現出與原基體不同的性能，來滿足對金屬材料耐蝕性、耐磨性、裝飾性或者其他功能性的要求。目前已有許多成熟的金屬表面處理技術，通常按照加工方式不同，可分為機械方法、物理方法和化學方法三類。為了便于理解，我們按照是否對金屬材料表面引入其他元素或物質，將金屬表面處理技術分為兩大類，即表面組織強化方法和表面涂層方法。

 

【金屬表面組織強化】

 

表面組織強化方法是用機械、物理或化學等方法來改善材料表面的形貌、微觀組織結構、缺陷狀態或應力狀態，目的是使原來基體表面層（0.3-3 μm深度）獲得如下強化組織的一種或幾種：1）增加表面晶體缺陷（如位錯密度等），2）獲得壓應力狀態表層，3）表面形成硬化組織（如馬氏體等），4）表面晶粒細化或微晶化，5）表面非晶化。這種處理工藝主要包括切削、磨削、拋光、噴丸、噴砂、超音振蕩、感應加熱、表面淬火、激光蝕刻等。另外還有部分化學處理過程也可歸為表面組織強化方法，比如酸、堿處理，過氧化氫處理以及電化學晶界腐蝕等。

 

機械拋光

依靠非常細小的拋光粉的磨削、滾壓作用，除去試樣磨面上的極薄一層金屬。

 

 

表面淬火

利用快速加熱使表層奧實體化，立即淬火使表層組織轉變為馬氏體以強化表面，心部組織基本不變。

 

感應加熱

利用交變電流在表面感應巨大渦流，使金屬表面迅速加熱形成氧化層。

 

 

【金屬表面涂層】

 

表面涂層方法是通過物理或化學的方法在基體材料表面制備一層與基體組織結構和性能不同的鍍層或膜層。根據涂層作用原理不同，又可大致分為轉化膜層和沉積膜層兩類。

 

轉化膜層是通過金屬基體與環境相（通常為液體）發生某種特定的化學反應而在基體表面原位生長的膜層，化學組成多為無機成分。由于原位生長的特殊性，轉化膜通常具有較高的膜基界面結合強度。目前形成轉化膜的方法主要包括鈍化（passivation）、陽極氧化（anodization）、微弧氧化（micro-arc oxidation）、離子注入（ion implantation）以及化學轉化（chemical conversion）等。

 

一、金屬表面轉化膜層的主要處理技術

 

 

微弧氧化

在高電壓下等離子體輔助陽極氧化的過程，金屬表面能夠生成附著力好并且電絕緣的多孔氧化膜。

 

 

化學轉化

通過金屬表面在特定溶液介質中發生化學和電化學反應而生成一層不溶性無機化合物膜層。

 

 

沉積膜層主要指依靠電能、動能或熱能，將成膜原子、分子或離子輸送至基體表面，進而發生凝聚形成的膜層。一般而言，形成的涂層化學成分多樣，可以根據需求和應用不同選擇無機或有機成分甚至金屬涂層。由于加工方法的多樣性和差異性，形成的沉積膜層與基體的結合強度變化也很大。目前形成沉積膜層的方法主要包括噴涂（spraying）、氣相沉積（vapor deposition）、溶膠-凝膠法（sol-gel）以及仿生沉積（biomimetic）等。

 

二、金屬表面沉積膜層的主要處理技術

 

 

等離子噴涂

采用由直流電驅動的等離子電弧作為熱源，將陶瓷、合金、金屬等材料加熱到熔融或半熔融狀態，并以高速噴向經過預處理的工件表面而形成附著牢固的表面層。

 

 

化學氣相沉積

利用氣相中發生的物理、化學過程，在工件表面形成功能性或裝飾性的金屬、非金屬或化合物涂層。

 

 

溶膠-凝膠法

以適當的無機鹽或有機鹽溶液為原料，經過水解與縮聚反應在基體表面膠凝形成薄膜，最后經干燥、煅燒和燒結獲得一定結構的表面薄膜。

 

 

【金屬表面處理技術應用】

 

金屬表面處理技術以其高度的實用性和顯著的優質、高效、低耗等特點，在日常生活、機械制造、航天航海、交通能源、石油化工以及生物醫學等各個行業領域得到了越來越廣泛的應用。金屬表面處理技術不僅是金屬材料產品的“美容術”，也是許多產品性能的改良技術，更是先進的產品制造技術。金屬表面處理技術的應用主要體現在以下幾個方面：

 

防護性

大部分表面處理技術都對金屬材料有一定的防護和強化作用，提高金屬在大氣、海水及化學介質中的耐蝕性能，以及在服役期的抗疲勞性、耐磨性和潤滑性等。如生活和工程應用中鋁合金陽極氧化、鍍鋅鋼絲、五金表面鍍鉻等。

 

 

裝飾性

金屬材料由于本身特性，會隨著時間、環境的變化產生銹蝕等變化，失去金屬本身的光澤。表面處理可賦予金屬材料表面一定的光亮度、色彩度和花紋圖案，對金屬表面起到美化效果。如激光雕刻、光化學腐蝕、金屬壓花以及各種表面噴涂等。甚至在一些特殊的金屬武器裝備表面可以應用表面處理技術，使其表面有效消除反光或吸收光線以利于隱蔽。

 

 

功能性

在某些特殊應用中，表面處理技術還可以賦予金屬表面某種特殊功能性，使金屬材料的應用更加廣泛，如絕緣性能、反射隔熱性能、親疏水性能、生物相容性等。