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表面技术改性在汽车中的应用张豪志
表面技术改性在汽车中的应用
单位:
马关县民族职业高级中学
姓名:
张豪志
时间:
2015年12月
目录
摘要I
AbstractII
前言1
第一章材料表面改性技术的概念及发展现状2
1.1表面技术2
1.2材料表面改性技术的发展现状3
1.2.1表面改性技术的概述3
1.2.2现状及国内外发展趋势4
第二章材料表面改性技术的分类及特点7
2.1电化学方法7
2.1.1电镀7
2.1.2阳极氧化8
2.2化学方法9
2.2.1化学转化膜处理9
2.2.2化学镀10
2.3热加工方法11
2.3.1热浸镀11
2.3.2热喷涂12
2.3.3热烫印12
2.3.4堆焊13
2.4真空法13
2.4.1物理气相沉积(PVD)14
2.4.2化学气相沉积(CVD)14
2.5其它方法16
2.5.1涂装16
2.5.2激光表面处理17
2.5.3电泳及静电喷涂19
第三章表面改性技术在汽车工业中的应用21
3.1汽车零件的真空热处理技术21
3.2应用在汽车领域的离子氮化技术22
3.2.1离子氮化及优点23
3.2.2零件离子氮化处理后的常见缺陷24
3.2.3离子氮化后零件的肿胀现象及防治对策25
3.2.4离子氮化脉冲电源的优点26
3.2.5离子氮化前预先热处理工艺的制订原则27
3.3汽车典型零件的表面改性技术29
第四章最新表面技术的应用31
4.1制造行业31
4.1.1机械行业31
4.1.2铸造工业32
4.2加工行业32
4.3其他行业33
4.3.1航空、航天行业33
4.3.2电力行业33
4.3.3汽车与机车的制造与维修行业34
第五章表面改性技术在汽车工业中应用的发展趋势35
5.1DLC在汽车中的应用35
5.1.1DLC膜的本身特性和优异性能35
5.1.2DLC膜在机械功能领域上的应用37
5.2阳极氧化技术在汽车中的应用38
5.3激光处理技术在汽车中的应用39
第六章结论41
总结与体会42
参考文献:
44
摘要
表面改性技术(SurfaceModifiedTechnique)是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构,以提高机器零件或材料性能的一类表面改进技术。
本论文以表面技术的分类及其特点和具体的方法为方向,重点总结表面技术如何在汽车领域中应用。
分析了电化学、化学、热加工法、真空法、离子氮化技术、激光表面处理和DLC膜等表面技术在汽车中的应用,归纳了国内外表面技术的发展现状及其发展趋势,最终总结出DLC膜、阳极氧化技术和激光表面处理等表面技术应该在汽车行业中广泛应用,有利于提高汽车零件耐磨性等,以便于延长汽车的使用寿命。
关键字:
表面改性技术,汽车,阳极氧化,离子氮化技术,DLC膜。
Abstract
Surfacemodificationtechnology(SurfaceModifiedTechnique)istheuseofchemical,physicalmethodtochangethematerialortheworkpiecesurfacechemicalcompositionorstructure,toimprovethemachinepartsormaterialpropertiesofasurfacemodifiedtechnology.Inthispapertheclassificationandcharacteristicsofsurfacetechnologyandspecificmethodforthedirection,focusonsummingupthesurfacehowtechnologyapplicationinautomobilemanufacturingindustry.Analysisoftheelectrochemical,chemical,thermalprocessingmethod,vacuummethod,ionnitridingtechnology,lasersurfacetreatmentandDLCfilmsurfacetechnologyapplicationinautomobile,summedupthedomesticandinternationalsurfacetechnologydevelopmentstatusandtrendofdevelopment,thensummarizestheDLCfilm,anodicoxidationtechnologyandlasersurfacetreatment,surfacetechnologyshouldbeinthecarwidelyusedinindustry,ishelpfultoimprovethecarpartssuchaswearresistance,soastoprolongtheservicelifeofautomobile.
Keywords:
SurfaceModificationtechnology,Car,Anodicoxidation,Ionnitridingtechnology,DLCfilm.
前言
表面改性技术(SurfaceModifiedTechnique)是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能的一类表面强化技术。
表面技术在当今社会中无处不在,在各行各业中都有表面技术的应用。
表面技术虽然不能说是什么新兴技术了,但是它的发展还没到顶峰,还有广阔的发展空间。
所以我们要来研究它,继续的开发它,让表面技术在我们这一代更进一步。
材料表面技术在各个领域中都有应用,本论文主要是研究它在汽车工业中的应用,其实表面技术并没有想象的那么神秘。
当然不同的部件需要用不同的表面技术来处理。
例如,给自己的爱车贴防爆膜就是一种表面技术,还有烤漆等等。
这些是很常见的,只是过于平凡所以没有注意而已。
当然这是在汽车行业中的,还有很多都是生活中常见的,只要留心,就会发现,其实表面技术没什么神秘的。
本论文通过对表面技术的概念以及其现在的发展现状,还有表面技术的分类,以及用什么方法来实现表面改性做了新的诠释,以及在各行各业中的应用进行了总结,还有研究讨论它如何应用在我们的汽车行业中的,以及它的发展现状和发展趋势。
掌握表面改性技术对提高汽车关键部件的使用寿命意义重大,还有对我国汽车行业发挥的作用。
通过对材料表面改性技术在汽车工业中应用的总结研究,可为其更好的应用到现实生产中打下良好的理论基础。
希望对我国汽车行业有帮助,让表面技术能够在这个行业中得到充分应用。
第1章材料表面改性技术的概念及发展现状
表面改性技术是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构,以提高机器零件或材料性能的一类表面强化技术。
它包括化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属等);表面涂层(低压等离子喷涂、低压电弧喷涂)、激光重熔复合等;薄膜镀层(物理气相沉积、化学气相沉积等)和非金属涂层技术等。
1.1表面技术
表面技术是表面处理、表面涂(镀)层及表面改性的总称,是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程,来改变基材表面状态、化学成分、组织结构或形成特殊覆层,使基体表面具有某种特殊性能(耐高温性、耐磨性、抗高压性等等),从而达到特定使用要求的方法。
现在表面技术的应用已经十分广泛,在各行各业中都有表面技术的应用。
表面技术提高了材料抵御环境作用的能力,赋予材料表面某种功能特性(如光、电、磁、热、声、吸附、分离等各种物理和化学性能),制造特殊构件、零部件和元器件等。
表面技术主要通过两种途径来实现:
(1)施加各种覆盖层。
采用各种涂层技术,包括电镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、物理气相沉积、化学气相沉积、分子束外延制膜和离子束合成薄膜技术等实现。
(2)用机械、物理、化学等方法,改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态,主要有喷丸强化、表面热处理、化学热处理、等离子扩渗处理、激光表面处理、电子束表面处理和离子注入表面改性等方法。
表面改性就是指在保持材料或制品原性能的前提下,赋予其表面新的性能,如亲水性、生物相容性、抗静电性能、染色性能等。
表面改性的方法有很多,大体上可以归结为:
表面化学反应法、表面接枝法、表面复合化法等。
现代材料表面改性技术是跨学科、跨行业、跨世纪的新兴领域,包含了表面物理、固体物理、等离子物理、表面化学、有机及无机化学、电化学、冶金学、金属材料学、高分子材料学、硅酸盐材料学以及物质的传输、热的传递等多门学科的边缘学科技术。
各门学科之间互相弥补、互相渗透、互相交融,取长补短,日益完善,逐渐形成一门别具特色和有着自己模式的新兴学科。
表面改性技术通过对基体材料表面采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能。
它包括化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属等)、表面涂层(低压等离子喷涂、低压电弧喷涂)、激光重熔复合等薄膜镀层(物理气相积、化学气相沉积等)和非金属涂层技术等。
这些用以强化零件或材料表面的技术,赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性,使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件,提高了可靠性、延长了使用寿命,具有很大的经济意义和推广价值。
1.2材料表面改性技术的发展现状
1.2.1表面改性技术的概述
新型表面功能覆层技术,包括低温化学表面涂层技术及超深层表面改性技术,它运用物理、化学或物理化学相结合等技术手段来改变“材料及其制件表面成份和组织结构”,其特点是保持基体材料固有的特征,又赋予表面化所要求的各种性能,从而适应各种技术和服役环境对材料的特殊要求,因而它是制造和材料学科最为活跃的技术领域,又是涉及表面处理与涂层技术的交叉学科。
其最大的优势在于能以极少的材料和能源消耗制备出基体材料难以甚至无法获得的性能优异的表面薄层,从而获得最大的经济效益,它是一种优质高效的表面改性与涂层技术。
优质、高效的表面改性与涂层技术其范围广阔:
如热化学表面技术;物理气相沉积;化学气相沉积;物理化学气相沉积技术;高能等离体表面涂层技术;金刚石薄膜涂层;多元多层复合涂层技术;表面改性及涂层性能预测及剪栽技术;性能测试与寿命评估等等。
新型低温化学气相沉积技术引入等离子体增强技术,图1-1所示为其工作过程及其装置,使其温度降至600℃以下,获得硬质耐磨涂层新工艺,所生产的高强度、高性能的涂层工艺,在高速、重负荷、难加工领域中有其特殊的作用。
超深层表面改性技术可应用于绝大多数热处理件和表面处理件,可替代高频淬火,碳氮共渗,离子渗氮等工艺,得到更深的渗层,更高的耐磨性,产品寿命剧增,可产生突破性的功能变化。
图1-1新型低温气相沉积装置及工作过程
1.2.2现状及国内外发展趋势
随着基础工业及高新技术产品的发展,对优质、高效表面改性及涂层技术的需求向纵深延伸,国内外在该领域与相关学科相互促进的局势下,在诸如“热化学表面改性”、“高能等离子体表面涂层”、“金刚石薄膜涂层技术”以及“表面改性与涂层工艺模拟和性能预测”等方面都有着突破的进展。
(1)热化学表面改性技术现状及发展趋势
国外近年来重视对“可控气氛”条件和真空条件下的渗碳,碳氮共渗等技术的研究,并已实现工业化。
而在我国应用很少,相关的技术研究工作亦不够。
可控气氛渗碳和真空渗碳技术是显著缩短生产周期,节能、省时,同时可提高工件质量,不氧化、不脱碳,保证零件表面耐腐蚀和抗疲劳性,并减少热处理后机加工余量及清理工时。
目前国际上碳势控制和监测,渗层布型控制等方面的研究成果已应用于实际生产,并用计算机进行在线动态控制。
(2)PVD、CVD技术现状及发展趋势
各种气相沉积是当前世界上著名研究机构和大学竞相开展的具有挑战的性的研究课题。
目前该技术在信息、计算机、半导体、光学仪器等产业及电子元器件、光电子器件、太阳能电池、传感器件等制造中应用十分广泛,在机械工业中,制作硬质耐磨镀层、耐腐蚀镀层、热障镀层及固体润滑镀层等方面也有较多的研究和应用,其中TiN等镀膜刀具的普及已引起切削领域中的一场革命,金刚石薄膜、立方氮化硼薄膜的研究也十分火热,并已向实用化方面推进。
在不同PVD(物理气相沉积)、CVD(化学气体沉积)工艺的基础上,通过发展和复合很多新的工艺和设备,如IBAD(离子束辅助沉积)、PCVD(等离子化学气体沉积)与空心阴极多弧复合离子镀膜装置、离子注入与油溅射镀或蒸镀的复合装置、等离子体浸没式离子注装置等不断将该类技术推向新的高度。
与国外的发展相比,我国在上述方面虽研究较多,但水平有较大差异,在实用化方面差距更大。
(3)高能等离子体表面涂层技术现状及发展趋势
该技术是增加表面物理化学反应,获取特殊性能覆盖层。
其核心是更有效地增强和控制阴极电弧等离子体的产生和作用,美国、日本、德国大力发展该技术。
等离子体增强电化学表面改性技术,是目前国际上较活跃的开发研究领域,对于铝、钛等材料,通过等离子体调光放电手段,增强电化学处理效果,在金属表面上生成致密氧化铝和其它氧化物陶瓷膜层,可使基体具有极高性能表面,是先进制造工艺的前沿技术,在机加工用刀具和模具行业也有很了的应用前景。
(4)金刚石薄膜涂层技术
薄的金刚石薄膜,可提高工件的使用性能,并满足一些特殊条件的需求。
近年来,由于金刚石薄膜的优异性能以及广泛的应用前景,日本、美国、西欧均进行大量的研究工作,并开发了多种金刚石涂层工艺技术,已在国内外掀起金刚石涂层研究的热潮。
尤其是在提高金刚石涂层和基体结合强度,大面积快速沉积金刚石涂层技术,产业化生产涂层金刚石薄膜设备系统等关键技术方面国外已取得突破性进展,美国、瑞典等国已推出金刚石金属切削工具供应市场,而我国该技术还没有达到实用水平,急待开发并实现产业化。
(5)多元多层复合涂层技术的现状及发展趋势
单一的表面涂层不能满足表面工程设计中苛刻的工况条件,任何表面处理均有其不同的优缺点,因为利用不同涂层材料的性能优点,在基体表面形成多元多层复合涂层(含万分渐变的梯度层)具有重大的意义,如图1-2所示为多层涂层,不同颜色的代表不同的涂层。
国外已开展单层涂层厚度为纳米级,层数在100层以上的多元多层复合涂层技术的研究,所制备的涂层具有较高的耐腐性、韧性和强度,和基体的结合强度也好,表面粗糙度低,这对直精高速工削机械加工十人有利。
国外已列入主要发展方面,予计在纳米级精细涂层材料研究和应用领域会有新的突破。
因为复合涂层技术具有抗磨损、抗高温氧化腐蚀、隔热等功能,能扩大涂层制品使用范围,延长使用寿命,是一项在下一世纪会得到迅速发展的技术。
我国目前已开始研究,并取得初步成果,但还存在一些问题有待于解决。
图1-2多元多层复合涂层
(6)表面改性与涂层工艺模拟和性能预测的现状及发展趋势
表面改性与涂层技术作为表面工程的重要组成部分,已经渗透到传统工业与高新技术产业部门,根据应用的要求反过来又促进表面功能覆层技术的进一步发展。
根据使用要求,对材料表面进行设计、对表面性能参数进行剪裁,使之符合特定要求,并进一步实现对表面覆盖层的组织结构和性能和预测等,已成为该领域重要研究方向。
国外已对PVD、CVD以及其它表面改性方法开展计算机模拟研究,针对CVD过程进行模拟,采用宏观和微观多层次模型,对工艺和涂层各种性能和基体的结合力进行模拟和预测;对渗碳,渗氮工件渗层性能应力等进行计算机模拟等等,人们可以更好地控制和优化工艺过程。
我国这方面的研究刚处地起步阶段。
第二章材料表面改性技术的分类及特点
表面技术有着十分广泛的内容,仅从一个角度进行分类难于概括全面,目前也没有统一的分类方法。
不能简单的从物理或者化学两方面来给它分类,在不同材料中要用不同的方法,有的是单纯的物理的方法,有的是单纯的化学的方法,有的是物理和化学共用的。
2.1电化学方法
这种方法是利用电极反应,在工件表面形成镀层。
其中主要的方法有:
电镀、阳极氧化等。
2.1.1电镀
利用电解作用在机械制品上沉积出附着良好的、但性能和基体材料不同的金属覆层的技术。
电镀层比热浸层均匀,一般都较薄,从几个微米到几十微米不等。
通过电镀,可以在机械制品上获得装饰保护性和各种功能性的表面层,还可以修复磨损和加工失误的工件。
镀层大多是单一金属或合金,如锌、镉、金或黄铜、青铜等;也有弥散层,如镍-碳化硅、镍-氟化石墨等;还有覆合层,如钢上的铜-镍-铬层、钢上的银铟层等。
电镀的基体材料除铁基的铸铁、钢和不锈钢外,还有非铁金属,如ABS塑料、聚丙烯、聚砜和酚醛塑料,但塑料电镀前,必须经过特殊的活化和敏化处理。
电镀分为挂镀、滚镀、连续镀和刷镀等方式,主要与待镀件的尺寸和批量有关。
挂镀适用于一般尺寸的制品,如汽车的保险杠,自行车的车把等。
滚镀适用于小件,如紧固件、垫圈、销子等。
连续镀适用于成批生产的线材和带材。
刷镀适用于局部镀或修复。
电镀液有酸性的、碱性的和加有铬合剂的酸性及中性溶液,无论采用何种镀覆方式,与待镀制品和镀液接触的镀槽、吊挂具等应具有一定程度的通用性。
(1)镀层分类
镀层分为装饰保护性镀层和功能性镀层两类。
装饰保护性镀层:
主要是在铁金属、非铁金属及塑料上的镀铬层,特别是钢的铜-镍-铬层,锌及钢上的镍-铬层。
为了节约镍,人们已能在钢上镀铜-镍/铁-高硫镍-镍/铁-低固分镍-铬层。
与镀铬层相似的锡/镍镀层,可用于分析天平、化学泵、阀和流量测量仪表上。
(2)功能性镀层:
这种镀层种类很多,如:
①提高与轴颈的相容性和嵌入性的滑动轴承罩镀层,铅-锡,铅-铜-锡,铅-铟等复合镀层;②用于耐磨的中、高速柴油机活塞环上的硬铬镀层,这种镀层也可用在塑料模具上,具有不粘模具和使用寿命长的特点;③在大型人字齿轮的滑动面上镀铜,可防止滑动面早期拉毛;④用于防止钢铁基体遭受大气腐蚀的镀锌;⑤防止渗氮的铜锡镀层;⑥用于收音机、电视机制造中钎焊并防止钢与铝间的原电池腐蚀的锡-锌镀层。
适用于修复和制造的工程镀层,有铬、银、铜等,它们的厚度都比较大,硬铬层可以厚达300μm。
2.1.2阳极氧化
阳极氧化(Anodicoxidation):
金属或合金的电化学氧化。
铝及其合金在相应的电解液和特定的工艺条件下,由于外加电流的作用下,在铝制品(阳极)上形成一层氧化膜的过程.阳极氧化如果没有特别指明,通常是指硫酸阳极氧。
如图2-1所示,将金属或合金的制件作为阳极,采用电解的方法使其表面形成氧化物薄膜。
金属氧化物薄膜改变了表面状态和性能,如表面着色,提高耐腐蚀性、增强耐磨性及硬度,保护金属表面等。
例如铝阳极氧化,将铝及其合金置于相应电解液(如硫酸、铬酸、草酸等)中作为阳极,在特定条件和外加电流作用下,进行电解。
阳极的铝或其合金氧化,表面上形成氧化铝薄层,其厚度为5~20μm,硬质阳极氧化膜可达60~200μm。
阳极氧化后的铝或其合金,提高了其硬度和耐磨性,可达250~500kg/mm2,良好的耐热性,硬质阳极氧化膜熔点高达2320K,优良的绝缘性,耐击穿电压高达2000V,增强了抗腐蚀性能,在ω=0.03NaCl盐雾中经几千小时不腐蚀。
氧化膜薄层中具有大量的微孔,可吸附各种润滑剂,适合制造发动机气缸或其他耐磨零件;膜微孔吸附能力强可着色成各种美观艳丽的色彩。
有色金属或其合金(如铝、镁及其合金等)都可进行阳极氧化处理,这种方法广泛用于机械零件,飞机汽车部件,精密仪器及无线电器材,日用品和建筑装饰等方面。
功用:
防护性、装饰性、绝缘性、提高与有机图层的结合力、提高与无机覆盖层的结合力。
图2-1金属阳极氧化
2.2化学方法
这种方法是无电流作用,利用化学物质相互作用,在工件表面形成镀覆层。
其中主要的方法是:
化学转化膜处理、化学镀等。
2.2.1化学转化膜处理
在电解质溶液中,金属工件在无外电流作用,由溶液中化学物质与工件相互作用从而在其表面形成镀层的过程,称为化学转化膜处理。
(1)化学转化膜的分类
按基材分:
铝材、锌材、钢材、镁材、钛材和铜材转化膜;
按工艺分:
阳极氧化膜、磷化膜、钝化膜、着色膜、化学氧化膜等;
按用途分:
装饰性膜、防护性膜、减摩性膜、耐摩性膜、绝缘性膜、打底膜等。
(2)化学转化膜的方法
化学转化膜常用的处理方法有:
浸渍法、电解法、喷涂法、刷涂法等。
①电解法:
以阳极氧化为主,即工件与直流电源(或交流电源)的正极相连,广泛应用于铝、镁、钛为基材的各种单金属或合金的氧化处理;
②浸渍法:
即直接浸入药液中,在相应的温度下进行处理。
由于没有电解法所存在的电流分布问题,其广泛应用于处理形状复杂的、不同材质的表面转化处理,如钢材的化学氧化(发蓝、发黑)、铝的化学氧化、锌的钝化、多种材料的磷化等等;
③喷淋法:
其原理与浸渍法相似,也属于化学处理法。
主要用于形状复杂、表面府蚀较轻的零件,适用于批量生产或自动化作业;
④刷涂法:
即直接在工件上进行刷涂,其成本低,但质量不易保证,主要用于局部处理。
2.2.2化学镀
化学镀就是在不通电的情况下,利用氧化还原反应在具有催化表面的镀件上,获得金属合金的方法。
它是新近发展起来的一门新技术。
美、英、日、德等国,其工业产值正以每年15%的速度递增。
它广泛地应用于机械、电子、塑料、模具、冶金、石油化工、陶瓷、水力、航空航天等工业部门,是一项很有发展前途的高新技术之一。
其特点如下:
(1)表面硬度高,耐磨性能好:
其表面硬度可在Hv0.1=550-1100kg/mm2(相当于HRc=55-72)的范围内任意控制选择。
处理后的机械部件,耐磨性能好,使用寿命长,一般可提高3-4倍,有的可达8倍以上。
(2)硬化层的厚度极其均匀,处理部件不受形状限制,不变形。
特别适用于形状复杂、深盲孔及精度要求高的细小及大型部件的表面强化处理。
(3)有优良的抗腐蚀性能:
它在许多酸、碱、盐、氨和海水中具有很好的耐蚀性,其耐蚀性比不锈钢要优越得多,如表2-2所示。
表2-2Ni-12P合金镀层在下列介质中的腐蚀速率
腐蚀介质
温度℃
腐蚀速率(mm/年)
Ni-12P合金锈钢
不锈钢Cr18Ni9Ti
42%NaOH
沸腾
<0.048
>1.5
45%NaOH
20℃
没有
0.5
37%HCl
30℃
0.14
1.5-1.8
10%H2SO4
30℃
0.031
>1.5
10%H2SO4
70℃
0.048
>1.5
水(海水)3.5%盐
95℃
没有
0.5-1.4
40%HF
30℃
0.0141
>1.5
(4)处理后的部件,表面光洁度高,表面光亮,不需重新机械加工和抛光,即可直接装机使用。
(5)镀层与基体的结合力高,不易剥落,其结合力比电镀硬铬和离子镀要高。
(6)可处理的基体材料:
理材料有各种模具合金钢、不锈钢、铜、铝、锌、钛、塑料、尼龙、玻璃、橡胶、粉末、木头等。
2.
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