表面(复合表面)技术设计选择的一般原则

表面技术种类很多，特点各异，但使用某些不同表面技术却能达到同一目的，因此，对于具体的工件，如何在众多可用的表面技术中选择一种或加以复合的几种，对工件表面进行处理，获得最佳的技术经济效果，是设计首先要解决的问题。

原则

内  容  要  求

明确工件特点和设计要求

工件的特点和技术要求

工件形状、尺寸大小、厚薄、长短，是否有薄壁或细长件等易变形件，材料热处理状态，表面成分、组织、硬度、加工精度、相应位置精度、表面粗糙度等要求，以及受热的适应程度

工件的工作条件

载荷性质和大小、相对运动速度、润滑条件、工作温度、压力、湿度以及介质等情况

工件的失效情况

失效形式、损坏部位、程度及范围，如磨损量大小，磨损面积、深度，裂纹形式及尺寸，断裂性质及断口形貌，腐蚀部位、尺寸、形貌，表面层状态及腐蚀产物等

工件的制造(或修复)工艺过程

当使用表面技术只是作为工件制造(或修复)工艺流程中的一个或一组工序时，要明确它在其中所处的位置、与前后工序衔接的要求及应采用的工艺措施

工件涂层设计要求

根据涂层受力状态如冲击、振动、滑动及其载荷大小，摩擦与润滑状态，工作介质如氧化气氛，腐蚀介质的成分、含量、温度及其变化状况，可能发生的失效类型等，设计涂层(表面)应具有的耐磨、耐蚀、耐氧化、绝热、绝缘或其他性能，同时设计选择涂层厚度、结合强度、尺寸精度、表面粗糙度等参数

熟悉表面技术相关资料

①表面技术的原理和工艺过程；②采用的材料及所获得的涂层性能(包括耐磨、耐蚀、耐高温、抗疲劳等使用性能以及硬度、应力状态、孔隙率、涂层缺陷等)；③涂层与工件的结合形式及结合强度；④工艺对工件的热影响程度；⑤能制备的涂层的厚度范围；⑥对前后处理(加工)的要求与影响

涂覆(改性)工艺和涂层与工件应有良好的适应性

涂层与工件材料

二者的热膨胀系数、热处理状态等物理、化学性能应有良好的匹配性

涂层与工件表面的结合力

涂层与工件表面要有足够的结合力、不起皱、不鼓泡、不剥离；不加速相互间的腐蚀和磨损；不同表面技术中，离子注入层和表面合金元素扩散层没有明显界面；各种堆焊层、熔接层、激光熔覆层和激光合金化涂层、电火花强化层具有较高的结合强度；热喷涂层和黏结涂层结合强度相对较低。参见表涂覆层界面结合的类型、原理和特点

涂层厚度

不同表面技术获得的涂层(或改性层)厚度差别很大，而厚度将影响其使用寿命、结合力及工件和涂层的性能，因此涂层厚度应适应工件及表面技术工艺的要求与可能。例如，离子注入虽然能显著改善表面的耐磨、耐蚀等性能，但在应用中往往嫌其厚度不足，一些重防腐表面多要求具有一定厚度，单一电镀层常显得不够；对于修复还要考虑恢复到所要求的尺寸的可能性，单独使用薄膜技术一般难以满足恢复尺寸的要求。选择可参见表电镀、化学镀不同金属镀层厚度系列和应用范围、表常用转化膜层的厚度系列和应用范围

表面技术工艺影响

所选表面技术的工艺对工件尺寸、性能等影响应不超过允许范围。如采用一些高温工艺，如堆焊、熔接(1000℃左右)、CVD(800～1200℃)等，会因受热过高引起工件变形(对细长、薄壁件尤甚)、工件组织或热处理性能改变；一些电镀工艺会降低材料的疲劳性能或产生氢脆性；镀镉需防止产生镉脆

工艺实施的可行性

考虑表面技术工艺的实施可行性，如工件过大，设备是否配套；与镀膜相关的前后处理工序实施的可能性等

涂层与工作条件、基材、环境的匹配性

1.适应工作条件

1)处于摩擦状态的表面，必须考虑与对偶件的匹配性。多种材料表面与不同对偶组成摩擦副时，呈现出的摩擦学特性和润滑效果是不同的，如匹配不当，摩擦因数会很大，耐磨性会很差，并将发生黏着磨损等现象。在对偶摩擦表面的黏着性倾向方面，经验表明，塑性材料比脆性材料大；单相金属比多相金属大；互溶性大的材料(相同的金属或晶格类型和电化学性能接近)比互溶性小的材料大；金属中单相固溶体比化合物大；金属-金属组成的摩擦副比金属-非金属摩擦副大

2)在与滚珠、滚柱直接接触的轴颈表面，属于具有较高接触应力的工作表面，就不宜采用热喷涂层(一般不适宜在较高接触应力下使用)，而应采用适宜在高接触应力下工作的表面热处理层、表面化学热处理层及合金化熔覆层

3)要求高耐磨、高耐蚀及高温等条件下工作的表面或具有高综合性能的表面，由于单一表面技术的局限性往往就需设计或选用适宜的复合表面技术。如在海水全浸或海水飞溅条件下的钢结构表面，采用喷铝+封闭+涂装方法进行保护可获得10年以上的寿命

4)不同涂层的致密程度有较大差别，如粉末火焰喷涂层的孔隙率约为5%～20%，因其具有储油性，可用作一般油润滑摩擦面，但用作要求致密度高的表面必须进行后续处理

2.涂层与基材匹配

在延展性较好的基材表面涂敷耐磨、减摩涂层时，涂层与基材在弹性模量、热膨胀系数、化学和结构上的合理匹配，不仅能使镀层内和界面区的应力减小，而且会增大涂层与基体的结合强度

当涂(膜)层-基体受外力作用时，膜-基体系在弹性模量上的差异将导致其界面应力的不连续。若涂层的弹性模量比基材大，涂层内将会产生较大的应力，如高速钢基材的弹性模量比TiC镀层的小，在加载时会产生较大的应力，而WC基材的弹性模量比TiC涂层的大，故在加载时涂层中产生的应力小

涂层的热膨胀系数应稍大于基材，使其在温度升高时不造成太大的张应力。若基材的热膨胀系数比涂层大，张应力会随温度的升高而增大；相反，则随着温度的升高，压应力会增大

涂层与基材在结构和化学上的合理匹配，能得到较低的界面能和较高的结合强度。理论上分析，涂层与基材的结合强度是两者的内聚能与界面能之差。两者的内聚能越大，结合强度越高。如果涂层与基材在结构上的一致性好，化学结合力大，则两者结构匹配、界面能低、结合强度高。如TiC与WC可以生成无限固溶体，因而TiC镀层与WC基材间有很强的结合力。TiC和Al₂O₃的化学亲和性也很强，所以通常用TiC作为Al₂O₃镀层与WC基材的中间层

复合表面技术中的梯度涂层、多层涂层和复合涂层能有效改善单一涂层的硬度与韧性的矛盾，以及膜-基结合强度不高等缺陷。为解决匹配性差的问题，可选用有互溶性的材料相结合，如TiN、TiC及Al₂O₃。亦可用具有结合界面而使层间得到足够强度的键合的材料相组合，如TiC或TiN和TiB₂。在多层涂层中最内层应与基材结合良好，中间层应有足够的硬度和强度，表层则起到耐磨和减摩的作用。在复合镀层中存在大量的低能界面，因而其结合强度、韧性和耐磨性均比单相镀层好

3.性能组合原则

运用复合镀、热喷镀、表面粘涂等方法可制备各种功能的复合材料。复合材料具有优异的综合性能。例如碳纤维与树脂通过复合，不仅可以获得比铝合金和普通钢高得多的比强度和比弹性模量，而且保持了碳和树脂的耐蚀、减摩、耐磨和自润滑特性。按强化相存在的形态，复合材料分为纤维复合材料、层叠复合材料、细粒复合材料和骨架状复合材料等。按不同方向的性能差异程度可分为多向同性和多向异性复合材料。多种材料的科学组合将同时影响磨损、腐蚀机理及其相应性能

高聚物复合材料通常是硬相分布于软塑料基体中，各组成相的性能及摩擦的工况条件对复合材料的磨损机理起着决定性作用。当硬相对塑料基体的犁沟和切削作用不大时，复合材料的耐磨性与硬度符合混合规律。其体积磨损率，满足以下公式：

＝Kσ/(H_αf_α+H_βf_β)

式中，σ为正应力；H_α、H_β分别为α、β相的硬度值；f_α、f_β分别为α、β相占有的体积分数；K为磨损系数，通常受塑性变形、犁沟和切削作用、微裂纹成核传播等因素的影响

当硬相为网状脆性组织时，硬相对基体起着支撑作用，能阻止软相的变形和犁沟与被切削，可使复合材料的耐磨性接近硬相的水平。当硬相为弥散粒子时，正应力小于临界断裂应力，在犁沟宽度小于粒子尺寸时，也会有好的耐磨性

强化相中纤维强化的耐磨性优于颗粒强化，长纤维(纤维纵向尺寸与横向尺寸之比大于20～100)强化的耐磨性优于短纤维，此时复合材料的耐磨性与组织结构的各相异性有密切关系。对耐磨性好的基体组元，强化相的作用不大，而对易磨损的基体组元(如PTFE等)，强化相可使磨损率大大降低

金属基复合材料通常也是硬相分布于软基体中，但耐磨性却不一定符合混合规律。其原因有内部存在残余应力，强化相与基体界面上存在着相互作用，强化相尺寸、形貌等不一致。由于磨损机理主要是薄层的塑性变形和断裂，所以影响其耐磨性的主要因素往往不是材料的硬度(有时硬度过高反而会降低材料的耐磨性)，而是硬颗粒与基体界面的结合强度。金属基纤维增强复合材料的磨损和摩擦因数也有明显的方向性。纤维轴向与滑动方向一致时的摩擦因数最小，垂直时最大，如B纤维强化的Pb基复合材料。复合材料的致密性对磨损也有影响，如在研究TiB₂纤维强化的Fe基复合材料时发现，在磨料磨损的条件下，含5%孔隙率的材料的磨损为无孔隙的2.7倍

金属基复合材料的摩擦学特性和物理、化学、力学性能受强化相与基体界面作用的影响十分明显。例如化学镀Ni-P合金的结构与P含量有关，晶态的低P合金具有较高的耐磨性，而非晶态的高P合金的耐磨性差。这是因为非晶态结构原子间的结合力小。如果将化学沉积Ni-P合金镀层在低于或(和)高于390℃的温度下加热处理到相同的硬度，发现低于390℃处理后的磨损体积明显大于390℃以上处理的磨损体积。低P的Ni-P合金镀层在加热时，晶态固溶体硬度增加，耐磨性也随之变好，至390℃时耐磨性为最好；高P镀层加热时除了固溶体外，还有化合物Ni��3P析出，成为机械混合物。在390℃以下加热时，硬度虽然降低，但由于Ni₃P相的尺寸变大，耐磨性却有所提高。实践证明，Ni₃P相的尺寸较大的组织具有较好的耐磨性。在相同硬度下两相机械混合物组织的耐磨性比单相固溶体好

4.协同效应

单质固体润滑剂中加入另一种(或几种)固体润滑剂，甚至加入非润滑剂物质后，能明显改善其摩擦学性能，这种增强了的润滑效果称为协同效应

例如当石墨与MoS₂的质量比为5∶1时，其体系的磨损率最低。如果再加入ZnS和CaF₂，则磨损率更低。LaF₃与MoS₂间同样存在协同效应，这是由于LaF₃具有抑制MoS₂氧化的作用，可以形成MoS₂·nLaF₃结构，夺去了MoS₂与氧和水键合的机会，但又不破坏MoS₂的层状结构。二正丁基磷酸铈(BuC)与MoS₂、石墨间也存在协同效应，BuC可阻止空气与MoS₂的作用，同时也使石墨与被BuC钝化的金属表面的电化学作用受到了抑制，从而可大大改善润滑膜的摩擦学性能和耐蚀性能。在PTFE中加30%的极性石墨可使其磨损率下降到纯PTFE的1/100～1/80，但摩擦因数增大了；在Pb-石墨体系中加入少量的强氧化剂KMnO₄，该体系便具有良好的润滑性能；在石墨系润滑剂中加入NaF能使其在高温下具有良好的耐磨性。一些氧化物与氟化物复合具有协同效应，如NiO-CaF₂和ZrO₂-CaF₂的等离子喷涂涂层在500～930℃的范围内都具有良好的摩擦学性能

耐久性原

则(指使

用寿命)

使用寿命随其使用目的不同，有不同的度量方法。除断裂、变形等工件本体失效外，因磨损、疲劳、腐蚀、高温氧化等表面失效而导致的寿命终结也各有其本身的评价和度量方法：①因磨损失效的机器零件，常用相对耐磨性来评价表面技术的使用效果，即对比其耐久性；②因腐蚀失效的零件，常用其在使用环境下的腐蚀速率来比较其耐久性；③因高温氧化失效的零件常用高温氧化速率来度量其耐高温氧化性能。这些度量与评价方法可参考专门资料。在不同环境下经表面强化的零件的使用寿命的有关资料有待进一步丰富和完善

经济性

原则

分析技术经济性时要综合考虑表面涂敷或改性处理成本和采用表面技术所产生的经济效益与环境效益，即要按照绿色设计与绿色制造的要求，考虑零部件的可再制造性，在材料和工艺上为其多次修复与表面强化创造条件，当其报废时，要便于回收和进行资源化处理