1、可应用于节能减排的表面工程技术方法与实例分析-绿色表面工程技术及应用摘要：随着社会可持续发展战略的实施和人们环境意识的增强,表面工程技术和方法日益得到人们的重视和应用。本文结合国内有关表面工程技术方面的研究论文，阐述了绿色表面工程技术的含义和特点，以及表面工程技术的研究现状和发展趋势，并重点介绍了热喷涂、绿色镀膜、电刷镀、堆焊等在节能减排应用方面具有显著效果的表面工程技术和方法及其应用。关键词：表面工程 表面工程技术 热喷涂 绿色镀膜技术 真空蒸发镀膜 真空离子镀膜 电刷度 堆焊 应用一、引言随着社会可持续发展战略的实施和人们环境意识的增强,表面工程技术和方法日益得到人们的重视和应用。表面工程
2、是经表面预处理后, 通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理,改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态, 以最经济和最有效的方法获得所需要的表面性能的系统工程1。现在，表面工程已经发展成为横跨材料学、摩擦学、物理学、化学、界面力学和表面力学、材料失效与防护、金属热处理学、焊接学、腐蚀与防护学、光电子学等学科的边缘性综合性复合型学科，各种表面工程技术和方法也已广泛应用于耐蚀、耐磨、修复、强化、装饰以及节能减排等各个领域。表面工程与人们的生产生活息息相关。据估算，我国主要支柱产业部门每年因机器磨损失效所造成的损失在400亿元人民币以上，而通过表面技术改善润滑，降低磨
3、损可能带来的经济效益约占国民经济总产值的2%以上。三峡工程中起挡水作用的各种钢铁闸门，占大坝全长的72%，不仅要能够防止酸雨和海蜊子等水中微生物的侵蚀，还要能够抵抗泥沙的冲刷，在闸门表面使用长效复合涂层等先进技术可确保工程的使用寿命达到20年以上2。因此，研究和开发绿色表面工程技术具有非常重要的科学意义和巨大的社会经济效益，目前表面工程技术的研发和应用已经成为科学和生产研究领域的热点和重点。二、绿色表面工程技术概述绿色表面工程技术是指以产品全寿命周期理论为指导，以优质、高效、节能、节材、环境保护为原则，以先进技术为手段，在满足产品、材料表面基本使用功能、寿命、成本等条件下，具有节材、节能且无(
4、少)污染的先进工艺和经自然环境适应性评价较佳的表面工程技术3-4。表面工程技术是通过在基体材料表面镀上一层涂层或薄膜，或通过表面改性赋予材料许多特殊性能，使材料的表面性能大大优于基体材料性能，它不仅可以大大延伸基体材料的应用领域，赋予材料和器件特殊的物理和化学性能，还可以解决许多领域中材料无法满足环境条件要求的问题，有效改善和提高材料和产品的表面性能，确保产品使用的可靠性和安全性，延长使用寿命，节约资源和能源，提高生产率，减少环境污染。表面工程技术按其作用原理可分为四种基本类型：(1)原子沉积：指通过形成原子分散状态的物质来沉积所需表面层或薄膜的技术，包括液相沉积和气相沉积两类，例如电镀、化学
5、镀、物理气相沉积( PVD )、化学气相沉积(CVD)等。(2)颗粒沉积：指利用宏观颗粒状态的物质沉积所需薄膜的方法，例如热喷涂、陶瓷和搪瓷涂覆等。(3)整体复盖：指利用连续介质状态的物质形成所需薄膜的方法，例如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。(4)表面改性：指通过对基体表面施加力学、物理和化学作用直接形成所需特性的表面层，例如表面处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理、离子注入等。表面工程技术以其高度的实用性和显著的优质、高效、低耗的特点在先进制造技术、设备仪器维修、电子通讯技术、高新技术以及节约资源、保护环境等各个领域得到了越来越广泛的应用，主要包括：（1）通过电沉积工艺在金属（
6、后发展到在塑料、陶瓷等非金属材料）基体表面制造多种金属或合金涂层；（2）在钢铁或其他基材表面涂刷涂料来获得漆膜；（3）通过涂刷油、蜡、脂在材料表面得到各类防锈润滑作用的涂膜；（4）通过化学气相沉积、物理气相沉积、磁控（电控）溅射等获得多种性能或用途的薄膜5-7。三、表面工程技术的应用表面工程技术和方法很多，包括电镀、电刷镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、热喷涂、热浸镀、真空蒸镀、溅射镀、离子镀、化学气相沉积、表面热处理、离子注入表面改性、高能束表面处理等。在各种表面工程技术和方法中，对机体表面防护、表面强化以及旧件修复上最具实际意义且效果好、效益高、节能环保、方便使用的要属热喷涂、绿色镀膜、电刷镀
7、、堆焊等。 1.热喷涂技术及其应用1,8-9热喷涂技术是通过火焰、电弧或等离子体等热源，将某种线状和粉末状的材料加热至熔融或半融融状态，并将加速形成的熔滴高速喷向基体，形成牢固的涂层。经热喷涂的工件具有耐磨、耐蚀、耐热等优良性能。热喷涂技术是表面工程的重要组成部分，是实现零件再制造的主要技术手段，通过分析、研究、设计强化涂层，可最大限度的提高零部件的使用寿命，充分有效、合理利用资源，在汽车、电力、冶金、石油和机械等工业领域中发挥着节约资源、节能减排的重要作用。 在汽车应用方面，采用自动化高速电弧喷涂技术再制造发动机曲轴箱轴承座，涂层厚度0.6mm，单件喷涂时间由手工操作1.5h缩短为20 mi
8、n，耗材小于箱体电量的0.5%，费用小于箱体价格的1/10，假设修复的零部件能继承旧产品附加值的70%，磨损补偿仅需本体材料的1%-2%，修复的零部件质量和性能就能达到或超过原型新品，总体成本不超过新品50%，可节能60%、节材70%以上，这对节约资源和保护环境具有非常显著地作用10-12。在电力应用方面，采用热喷涂技术对锅炉“四管”表面进行强化处理，能够延长抗磨寿命2-4倍，有效提高其运行的可靠性和经济性。假设以目前我国电厂大型锅炉1万台、小型锅炉10万台的保有量计算，如果每年有15%的锅炉“四管”报废并且用于表面热喷涂修复再制造，则年均锅炉“四管”表面热喷涂面积约为540万平方米，产值近1
9、50亿元，年均节约钢材13万t，年均节电23 *108 kW h，年均减少CO2排放1.1万t13-14。因此，采用先进的热喷涂表面强化和修复技术对失效的电站设备进行绿色再制造很很大的经济效益和环境效益。在石油化工应用方面，采用电弧喷涂3Cr13涂层或等离子喷涂陶瓷涂层对石油钻机等设备中的曲轴等进行磨损修复，既能显著降低成本又能延长设备使用寿命。燕山石化公司化工一厂、炼油厂的进口和国产透平式压缩机壳体，由于高温蒸汽冲刷和厚加工精度差，造成泄漏，不能正常运行，仅化工一厂停产一天，即损失400万元，92年采用等离子喷涂合金复层，解决了泄漏，使关键设备恢复正常生产，挽回经济损失26。 在钢铁冶金应用
10、方面，采用热喷涂技术，可以使钢铁冶金设备表面具备高的机械强度、良好的导热性以及较好的耐磨、耐腐蚀性能，延长其寿命和报废期限，降低新产品制造过程中造成的能源消耗和环境污染，减少废弃产品对环境的污染以及处理工业固体垃圾的费用，从而达到节能节材、降低污染，提高生产效率的目的。例如鞍钢，在91年成立表面技术修复中心，利用热喷涂技术对高炉渣口预喷涂陶瓷粉末，延长使用寿命倍多，每年可降低消费270多万元26；日本钢铁企业应用超音速火焰喷涂修复退火炉底辊，修复率从20世纪80年代中期的30%上升到90年代后期的8000，而带钢因结瘤等引起的次品率则由85%下降到零9。2.绿色镀膜技术及其应用绿色镀膜技术，就
11、是采用真空复合镀膜集成技术替代或者部分替代传统的化学电镀技术，包括真空离子镀膜、磁控溅射镀膜、蒸发镀膜、离子注入、离子清洁等一系列单项技术及其多项复合技术的集成，涉及真空、机械、控制、光电子、材料改性、表面工程、信息等光机电控一体化多学科领域15。绿色镀膜技术工艺流程简单，不需要消耗铜、镍、镉等贵金属，不使用强酸、强碱和氰化物、铬酐等有毒有害化学品，污染物（特别是重金属、氰化物）排放少，水耗较低，只需少量循环冷却用水。同时，还可提高镀制产品的质量，增加镀膜品种，达到保护环境、节能减排、降耗增效、根除电镀三废污染的目的，解决可持续发展与环境的矛盾。绿色镀膜技术相对于传统化学电镀在节能减排方面具有
12、绝对的优势，以年镀30万只17英寸铝合金汽车轮毂生产线为例，采用绿色镀膜技术可节水90万吨，节电760万千瓦时，减少污水排放110万吨，减少铜、镍等重金属消耗近200吨，价值3000万元，镀膜成本只是电镀的1/316。（1）真空蒸发镀膜及其应用真空蒸发镀膜是在真空环境下将镀膜材料加热熔化后蒸发，使其大量原子、分子离开镀膜材料表面，凝结在被镀件基体表面形成膜层的过程。真空蒸发镀膜具有设备简单，价格便宜，工艺容易掌握，可进行大规模生产等优点。我国已在超大容积室体的高真空动态快速获得、镀膜过程组态控制和复合镀制高性能保护膜、复杂曲面结构的均匀镀膜、生产过程的计算机全自动控制等方面取得突破，该技术成功
13、应用于高中档轿车车灯上（图1-3）17。 图1 ZDL2051型镀膜设备 图2 复杂曲面结构灯具图3 高档汽车复杂曲面结构的镀膜车灯（2）真空离子镀膜及其应用18-20真空离子镀膜是将工件放入真空室，利用气体放电原理将部分气体和蒸发源（镀膜材料）逸出的气相粒子电离，在离子轰击工件的同时，把蒸发物或其反应产物沉积在工件表面成膜。常用的方法有空心阴极放电离子镀、阴极电弧离子镀、热电子增强电子束离子镀。真空离子镀膜设备和技术生产效率高，节材，成本低，操作简便，无污染，应用领域广阔，已在功能性和装饰性涂层领域发挥着无可替代的作用。工具镀：在切削刀具上镀制2-5m的TiN膜层，可使刀具寿命提高2-10倍
14、，切削速度提高30%,进给量提高20%-100%，工件光滑度也会显著提高。装饰镀：离子镀膜可制备多种色泽的膜层，由浅到深的金黄色，黑色，蓝色以及彩色和复合色等，例如金属钛可在特定的环境下（压力，温度等）与各种气体（氮气，氩气，氧气及乙炔气等）产生综合作用形成等离子体，经过加速后，等离子体涌向被镀工件表面，形成牢固的膜层，且膜层细密均匀，结合力强，硬度高，防腐耐磨，具有良好的导电性能和自润滑性能，色泽丰富多样，不仅能提高材料的使用性能，而且具有很高的装饰性能和附加价值，已被广泛运用钟表、首饰、灯具、厨具及各种装饰性材料的加工（图4 各种接受镀膜后的工件）。3.电刷度及其应用电刷镀是电镀的一种特殊
15、方法，其设备主要是由电源、刷镀工具（镀笔）和辅助设备（泵、旋转设备等）组成（图6），是在阳极表面裹上棉花或涤纶棉絮等吸水材料，使其吸饱镀液，然后在作为阴极的零件上往复运动，使镀层牢固沉积在工件表面上。图6电刷镀工作原理图211.注射管2.刷镀液3.棉花涤棉套4.工件5.阳极6.电刷液回收盘7.刷镀笔8.直流电源电刷镀设备简单、工艺灵活、修复费用低，能够镀性能各异的单金属镀层、合金镀层和复合镀层，溶液使用量小，镀液性能稳定、无毒，污染小，节省能源，在再制造和修复失效的模具中具有很重要的经济价值和环保意义22。某汽车制造厂某车型中立柱外板拉伸模具，模具材料为T10A 钢，单面磨损大，有崩刃现象发生
16、，使成形的制件尺寸达不到要求，且表面有拉裂现象。该厂采用电刷镀技术对刃口表面强化修复，降低了模具表面粗糙度值和磨损系数，提高了抗氧化能力，使该模具的寿命从原来的3000 件提高到5000 件左右，寿命提高80%21。在自动化专机上应用电刷镀技术再制造发动机连杆，镀层厚度0.15mm，一次刷镀4-6件。耗材是零件本体重量的2%，费用是该零件新品价格的1/1011。4.堆焊及其应用堆焊是在金属零件表面或边缘用电焊或气焊熔焊上耐磨、耐蚀或特殊性能的金属层，修复外形不合格的金属零件及产品，或用于制造双金属零部件，堆焊在提高零件使用寿命、降低生产成本以及节能、节材等方面有着非常重要的意义。堆焊最显著的特
17、点是堆焊层与母体材料冶金结合，高温、重载服役条件下剥落倾向小，而且可根据服役性能和生产条件在很宽的范围内选择堆焊方法和堆焊材料，目前堆焊已广泛用于模具、刀具、挖掘机、轧辊等需高耐磨性和承受强载荷工件的修复和制造，其中轧辊堆焊占相当大的比重，堆焊修复费用仅为新辊价格的1/4-1/2，而且经修复后寿命与新辊相差无几，其经济效益和社会效益十分显著23-25。图5 堆焊技术修复辊类零件23 辊压机挤压辊辊面剥落及磨损 堆捍修复后的辊压机挤压辊辊面 立磨磨辊辊面堆焊修复现场 堆焊修复后的立磨磨辊四、表面工程技术研究现状近十年来，表面工程技术的研究发展可简要归纳为四个方面：a.传统表面处理技术的优化（如电
18、镀、无电解电镀、喷焊表面处理、热喷涂、化学热处理等工艺的优化）；b.现代技术的实用商业化（CVD、PVD、等离子化学热处理、等离子喷涂、离子注入等）；c.等离子湮没离子注入和等离子源离子注入等新型混合技术的研究与开发；d.第二代表面工程技术（如双里处理和多层涂层技术）和新的涂层材料（如金刚石和类金刚石膜）的研制27。 随着科学技术的进步和发展，表面工程技术也在不断创新和发展。在电弧喷涂方面，发明了高速电弧喷涂，使喷涂质量大大提高；在等离子喷涂方面，发明了射频感应藕合式等离子喷涂、反应等离子喷涂、三阴极枪等离子喷枪喷涂及微等离子喷涂；在电刷镀方面，发明了摩擦电喷镀及复合电刷镀技术；在涂装技术方面
19、，发明了粉末涂料技术；在粘结技术方面，发明了高性能环保型粘结技术、纳米胶粘结技术、微胶囊技术；在高能束应用方面，发明了激光或电子束表面熔覆、表面淬火、表面合金化、表面熔凝等技术；在离子注入方面，发明了强流氮离子注入技术、强流金属离子注入技术和金属等离子体浸没注入技术28。目前，表面工程技术发展的前沿领域有：离子镀高性能耐磨涂层；燃气轮机叶片先进防护涂层；特种薄膜材料的合成；微/纳信息功能薄膜、器件和线路；远离平衡态镀膜技术29。五、表面工程技术发展趋势随着社会可持续发展战略的实施和人们环境意识的增强以及对材料使用要求的不断提高，表面工程技术及其应用领域在不断的创新和拓展，表面工程基础理论和测试
20、方法不断深化，表面工程技术设计体系不断完善。在单一表面工程技术和传统表面工程技术发展的同时，复合表面工程技术、纳米表面工程技术、高能束堆焊技术等正在形成和发展，并向自动化、智能化的方向迈进。表面工程技术将在生物工程应用，多功能涂层开发，新型涂层材料研发，促进绿色再制造工程发展，节约能源、资源，保护和改善环境方面发挥重要作用。六、结语表面工程技术是表面处理技术、表面涂镀层技术及表面改性技术的总称，突出特点是无需整体改变材质而获得原基体所不具备的某些特殊性能。开展表面工程学的研究，对于改善材料的表面性能、提高零件的使用寿命和可靠性、改善机械设备的性能和质量、推动高新技术的发展，对于节约资源、节能减
21、排、美化人类生活、减少环境污染等方面都具有重要意义。表面工程技术广泛应用在科研、生产中，取得了良好的经济效益和社会效益，已成为21世纪主导技术之一。参考文献1徐滨士,李长久,刘世参,马世宁. 表面工程与热喷涂技术及其发展J. 中国表面工程,1998,(1).2雪原. 将改变21世纪人类生活的表面工程技术N. 科学时报,2001-05-29(B02). 3安桂华. 面向机电产品的绿色表面工程D. 合肥工业大学:合肥工业大学,2005.4徐滨士,马世宁,梁秀兵.绿色表面工程的进展A.第四届全国表面工程学术交流会论文集C.2001.5庞建超,李世杰,曹晓明. 现代表面工程技术的发展及应用J. 天津冶
22、金,2005,(1). 6李金桂. 现代表面工程技术的新进展J. 航空工程与维修,1999,(2). 7曾寿金,江吉彬,高诚辉. 表面工程技术在绿色再制造工程中的应用J. 福建工程学院学报,2007,(1).8陈辉,周友龙,胡久富,刘宪军,刘捍卫. 热喷涂技术及其在铁路行业中的应用J. 电焊机,2002,(9).9任先京,章德铭,方波. 热喷涂技术在循环经济中的作用J. 有色金属(冶炼部分),2008,(S1).10邢忠,姜爱良,谢建军,冯义成. 汽车发动机再制造效益分析及表面工程技术的应用J. 中国表面工程,2004,(4).11梁秀兵. 表面工程应用实例J. 中国表面工程,2008,(1)
23、.12表面工程技术在汽车零部件生产中的应用J. 机械工程师,2009,(4).13沈亚郯,洪伟,安云岐. 电弧喷涂技术在电厂中的应用J. 有色金属(冶炼部分),2006,(S1).14郭立峰,魏彦筱,郄彦明,刘保康. 绿色维修与电站装备绿色再制造J. 中国表面工程,2006,(S1).15国家绿色镀膜技术与装备工程技术研究中心J. 中国表面工程,2009,(6). 16国家发展改革委环资司. 加快推广绿色镀膜技术 促进电镀行业节能减排J. 中国经贸导刊,2008,(16).17范多旺. 表面工程应用实例 例8 真空蒸发镀膜技术在高端汽车灯具上的应用J. 中国表面工程,2009,(1).18雷光
24、先. 真空离子镀技术与钟表面处理J. 钟表,1999,(1).19王文毅. 真空离子镀膜技术的发展与现状J. 钟表,1996,(1).20游本章. 离子镀膜技术的发展和应用J. 电工电能新技术,1989,(4).21王昌福. 电刷镀技术在模具修复中的应用J. 科技信息,2008,(36).22张小芬,何庆. 废旧机床的绿色再制造及表面工程技术J. 制造技术与机床,2008,(10).23黄智泉.表面工程应用实例例7堆焊技术修复辊类零件J.中国表面工程,2008,21(6).24孟晓霞. 表面工程应用实例 例11药芯焊丝埋弧堆焊用于冶金连铸辊制造与再制造J. 中国表面工程,2009,(4).25吕德隆.表面工程技术的发展与应用J.国外金属热处理,2002,23(5).26孔繁珠. 表面工程技术简介J. 能源研究与利用,1994,(4).27 堆焊与表面工程专业委员会.表面工程领域的最新进展和发展趋势A.第十次全国焊接会议论文集(第1册)C.2001.28张津,梁锡昌,喻奇. 英国表面工程研究现状及发展趋势J. 材料导报,2000,(3). 29闻立时,黄荣芳. 先进表面工程技术发展前沿J. 真空,2004,(5).
