金屬材料表面強化技術應用現狀與展望

江佩澤

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，福建 福州 350000）

在對金屬原材料進行加工期間，最為多見的技術方式有筑造、焊接和壓力三種，然后在針對初步成型的材料采用相應的檢驗手段，檢驗其結構和性能是否存在問題，接下來對不合格的部分進行后續處理，最終達成性能上的標準和應用上的要求。

1 金屬材料表面強化必要性

隨著社會生產力和工業科技的不斷發展，我國很多行業的發展都依賴于金屬材料，由此可見，金屬材料的質量是促進相關產業健康、穩定發展的基礎和重要因素。高質量的金屬材料不僅能夠減少意外損失造成的成本負擔，還能夠高效的解決工作需求。而低質量的金屬材料很容易發生工作意外，影響正常的工作計劃、進度，在造成時間、成本損失的同時，還會激發企業矛盾，影響企業正常運轉。表面疲勞磨損的磨損失效是循序漸進的過程，由于過度疲勞，金屬表面會產生發熱、細微破損等現象，受外在物理作業的壓迫，磨損范圍逐漸增大，金屬材料嚴重損耗，導致相關設備無法正常運行，嚴重者會造成設備報廢，對整個生產過程產生重要影響。

2 金屬材料表面強化技術應用現狀

（1）激光熔覆技術。目前，在激光熔覆層中重點使用的材料包含：陶瓷粉末、自溶性的合金粉末和符合粉末三種。而自溶性粉末中又包含了：Fe基自熔合金、Ni基自熔合金以及Co基自熔合金；在陶瓷粉末中重點包含了氧化鋯系列與氧化鋁系列；而其中的復合粉末則重點是指質地比較堅硬的各種熔點較高的化合物材料和金屬粘結相經過融合構成的合金粉末物質。該工藝重點是在基材表面采用添加度不同的鐵基粉末制作成耐磨度較高的涂層，最終制作而成的涂層擁有極高的密度、不含淚痕并且沒有氣孔等問題，對于WC的使用可以顯著提升涂層的耐磨度。在將該技術運用到發動機氣缸蓋的表面上時，對氧化鋯陶瓷粉末進行了有效的熔覆，進而制作出了具有實用價值的保護涂層，在很大程度上提升了汽缸蓋的使用性能，同時也有效增加了汽缸蓋的應用年限。

（2）機械合金化。機械合金化重點指的是利用高能球磨機來實施粉末覆蓋工作，在魔球間的互相碰撞下，利用顆粒以及熱量之間的相互摩擦作用和微量塑性變形將粉末材料冷焊到金屬表面，將其轉化為非晶或者合金的形式。該技術最早是Benjimin提出的，主要用在粉末的制作上，在二十世紀七十年代初期，運用該技術促使粒子對金屬構件構成彌散強化；在二十世紀九十年代中由Hashimoto為首的一隊人利用高能球磨來制作涂層；齊寶森和王成國等人利用該技術實現了鋼機體表層Cr，Al，Zn，Cr-Al涂層的制作；在2006年，Romankov，Sergev等一隊人將過去的機械合金化技術作為基礎，利用UMCA技術在AI板構件上制作成了金屬化合物涂層。對于該技術的運用在操作上比較簡便、資金投入不高、可改動的空間比較大，目前已經被廣泛使用和做進一步研究。

（3）面光整加工技術。對零部件表層進行處理的方式是比較多的，通常會按照其應用的標準與運用的場所來選取適宜的處理方式，但不論何種處理方式均需要在實現相應形態和尺寸的情況下達到相應的表層強度。當前，在確保零部件表層強度的基礎上，各類處理方式的核心點均有所差異，有的是比較注重其外觀上的質量，例如形狀的精準度、表層的精細度，需要降低外觀上的缺陷；有的是比較重視優化其運用的范圍，例如，對其力學、物理和化學性能進行改變，以提升其穩固性與整體上的強度，均可收到良好的成效。在提升表層光滑精細度時，通常運用的是研磨、磨削以及拋光等光整處理方式；如果側重的是零部件表層性能的提升，通常會運用無屑加工方式，例如：將金剛石壓光、滾壓等當作表層最后的一道加工程序，利用以上方式不但能夠幫助零件達到外觀上的標準，還能夠提升零件的輕度、硬度、耐磨度和使用年限。

3 金屬材料表面強化技術應用展望

（1）激光熔覆技術的發展及前景。激光熔覆屬于是應用價值極高、應用范圍廣泛、并且經濟性和實用性均非常高的工藝，但是利用其加工出的表層仍然存在裂痕、氣孔等一系列的缺憾，在熔覆層中出現裂痕的重點因素為，在覆層中存有各類殘余應力，例如：組織應力以及熱應力等等。另外，如果各種技術參數和材料應用不合理，都容易使得熔覆層出現裂痕。因為激光熔覆工藝投入使用的時間并不久，即使已經將此工藝廣泛運用到了工業生產當中，當前依然有很多問題有待排除。今后需要在以下幾方面著手進行更深層次的探究：第一，需要在理論上進行更深層次的探究，探究裂痕構成的原理，在根源上排除出現裂痕和氣孔的因素；第二，創建有關的技術參數和探究成果數據庫；第三，對熔覆層材料體系進行創新性的研發，提升基材和覆材間的適用度，提升資源使用上的優質性。

（2）超聲噴丸的發展及前景。超聲噴丸技術和以上所講的表層加工技術是完全不同的，超聲噴丸技術自帶的功率就非常大，可以把超聲當成驅動力，利用變幅器和超聲換能器的震蕩，促使金屬部件處在運行的狀態中。利用機械功能對部件的表層進行處理，和之前用氣進行磨合的方式不同，超聲噴丸提升技術性能的依據為超聲振動，所以是不用事先對空間進行壓縮的，不但能夠提升工作的安全性，還能夠降低能量的損耗實現循環應用。另外在對超聲噴丸技術進行應用期間，可以進行良好的調控，尤其是可以進行認為的控制，能夠制定出特殊的工業產品，根據應用準則，對技術參數進行預先設置，利用超聲噴丸技術提升適用度、方便度和快捷性。其重點是對機器的超聲波頻率和振幅進行應用。但是在樣品較大的情況下，就算是利用超聲噴丸強化技術對部件進行表層進行處理，也還是會產生很多剩余能量，特點為部件的表層會更為平滑。所以，在對超聲噴丸強化技術技術進行推廣和運用的過程中，通常會利用超聲噴丸的強化技術對超聲變幅的振動頻率進行調節，進而對部件的表層進行直接性的處理。在當前研究人員的深度探索中的核心點為對納米化材料表層的處理上，并得到了較大突破，可利用的空間也是十分寬廣的。因為在超聲噴丸強化技術中所含的優點非常多，所以在引入使用以后得到了良好效果。但是在對其進行應用期間也存在較多的限制，尤其是對部件的規格上要求十分嚴格，否則就沒辦法達成預計的效果。對部件進行過納米化技術加工以后其所具有的抗疲勞性會更強。雖說此技術的處理效果會遭受很多因素的限制，但是納米技術則能夠更好的提升材料表層的堅實度，在部件的抗疲勞性上進行深度鞏固。在處理期間容易遭遇各種問題的干擾，必須根據原理的詳細內容進行細致分析，不斷完善以提高部件的質量。

（3）化學鍍的發展及前景。在科學技術不斷發展的過程中，對于工藝技術的標準也逐漸變得復雜，單調化的二元化學鍍已無法達到工業生產上的需要。因此，工業科技促使化學鍍技術得到了更大的進步，進而逐漸達成了三元化學鍍、多元化學鍍和復合化學鍍，比如，化學鍍Ni-P/SiC、Ni-Mo-P、Ni-Co-P、Ni-P/PTFE、Ni-Si-P、Ni-W-P以及Ni-Fe-P等等，已經實現了鍍層的各種應用性能。在二十世紀八十年代初期，是我們國家最初引入化學鍍技術的時期，同時在1992年中出臺了化學鍍的使用標準（GB/T13913-1992），另外將自催化鎳-磷鍍層當作了化學鍍鍍層的名稱。后來將化學鍍技術逐漸運用到了食品行業、汽車制造業、印刷行業、紡織行業、石油化工業、機械電子領域、軍事領域、航空航天以及電子通信等各種領域中，這促使化學鍍技術將我國的市場進行了深入開拓。在工業制造的過程中對生態環境造成破壞是不可避免的，字2000年之后我國為了優化生態境況，在工業污染的治理工作上提升了強度，而化學鍍方式自身就帶有污染排放低的特性，更在一定程度上促進了這一技術的發展。化學鍍在我國開始運用的較晚，但是依靠性能上的優勢、進步的速度和研發工作的促進，使其在各個方面的指標均不比歐美產品差。在各種優點的協助中，其未來的發展空間不可估量。

（4）高分子材料的發展及前景。在對高分子材料表層改性工藝進行運用期間，會用到各種類別的改性方式。第一種方式為直接涂覆技術，這也是最多見的方式，這種技術將有機物直接涂覆在高分子材料表層，來實現基材互為結合的目的，不僅能夠保有材料的基礎性能，還能擁有官能團的性能，因此可以達到材料表層的特別需要，例如對于親水材料的處置。盡管如此，在此技術中仍然存有一定的問題，也就是耐久性較差，能夠工作的時長不久；表層氧化處理技術會利用表層氧化來完成聚合物表層匯合的治理技術。例如，火焰處理技術重點是利用高溫瞬間氧化的原理對表層進行處理，其中的油墨印刷工藝是最具代表性的。另外電暈放電工藝重點是利用薄膜表層的電場來實現等離子的效果，從而達到自由基的優化工作。在表層中添加氧原子可以直接完成表層改性的工作。而酸處理工藝就是利用熱鉻酸溶液作用的手段對表層的官能團進行優化，重點利用將整個集團帶進基材的手段來完成表層改性工作；最后就是等離子體處理和紫外輻射工藝。等離子處理方式重點也是利用等離子放電的手段來完成處理效果。其中紫外輻射就是利用紫外光輻射對下基材表層進行改性處理，進而完成表層的處理工作，因為資金投放較低，另外還不會干擾到材料自身的特性，因此這一技術得到了快速的發展和應用，擁有極為寬廣的發展空間。

4 結語

在今后對金屬材料表層實施增固處理期間，不單單會使用一種工藝，而會將各種工藝進行整合利用，其為今后金屬表層增固技術的核心發展方向。另外，還需要提升對于金屬材料表層增固機理的探究，研究基材和覆材構造、成分的融合度和有關技術參數的完善。同時，對于對應工藝所必需的機械設施的制造也應該達到相應的匹配度，這對于優化表層增固理論內容和創建全新的理論內容是極為關鍵的。總得來講，研發出經紀且環保的金屬表層增固工藝，提升金屬材料的整體性能，從而達到具體的運用標準是這一行業最為關鍵的發展目標。