1．概述  
    機(jī)械零部件、工程構(gòu)件發(fā)生的失效破壞，所導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失非常巨大，而磨損、腐蝕和斷裂是機(jī)械構(gòu)件的三大主要破壞形式。這些破壞絕大部分都產(chǎn)生于構(gòu)件表面。因此提高表面質(zhì)量和采用表面防護(hù)措施延緩和控制表面的破壞，成為解決上述問題的有效方法，這樣就促進(jìn)了表面工程科學(xué)和表面技術(shù)的形成與發(fā)展。  
    表面工程技術(shù)將會(huì)成為二十一世紀(jì)在材料學(xué)科中一個(gè)非常重要的領(lǐng)域。技術(shù)的發(fā)展離不開試驗(yàn)和分析，理化分析一直在表面工程技術(shù)分析中起著重要的作用，表面層的狀況和質(zhì)量都需要通過理化分析來檢驗(yàn)和判定。理化分析作為一個(gè)傳統(tǒng)的分析領(lǐng)域，其分析的重點(diǎn)也將隨著新技術(shù)發(fā)展而轉(zhuǎn)變，分析技術(shù)也在不斷的發(fā)展提高，表面工程技術(shù)不斷的發(fā)展，領(lǐng)域不斷的擴(kuò)展，也將使理化分析領(lǐng)域不斷的擴(kuò)展和發(fā)展。  
2．表面工程技術(shù)簡述  
    隨著工程應(yīng)用發(fā)展的需要，表面工程技術(shù)已成為目前重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，并且已形成了一門新興學(xué)科——表面工程學(xué)。      
    2.1傳統(tǒng)表面技術(shù)及發(fā)展  
    傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化技術(shù)如表面淬火、表面滲碳、氮化等屬于熱處理工藝的一部分，是比較古老的表面強(qiáng)化工藝。但是這些工藝仍在發(fā)展。如表面化學(xué)熱處理從液體法發(fā)展到氣體法，目前又發(fā)展了真空化學(xué)熱處理和離子轟擊化學(xué)熱處理；表面淬火由傳統(tǒng)的中頻淬火、高頻淬火又發(fā)展了激光加熱表面淬火；傳統(tǒng)電鍍工藝與近代激光技術(shù)結(jié)合形成了激光電鍍等等。  
    2.2表面工程技術(shù)分類  
    通常將表面工程技術(shù)分為表面涂鍍技術(shù)、表面擴(kuò)滲技術(shù)和表面熱處理三個(gè)領(lǐng)域。表面涂鍍技術(shù)是將液態(tài)涂料敷在材料表面，或者是將鍍料原子沉積在材料表面，從而獲得晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和性能有益于基體材料的涂層或鍍層。此類技術(shù)有有機(jī)涂裝、熱浸鍍、熱噴涂、電鍍、化學(xué)鍍和氣相沉積等：表面擴(kuò)滲技術(shù)是將原子滲入(或離子注入)基體材料的表面，改變基體表面的化學(xué)成分，從而達(dá)到改變其性能的目的，它主要包括化學(xué)處理、陽極氧化、表面合金化和離子注入等。表面熱處理技術(shù)是通過加熱或機(jī)械處理，在不改變材料表層化學(xué)成分的情況下，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變其性能。常用的表面處理技術(shù)包括表面淬火、激光重熔和噴丸等。  
    2.3一些新興發(fā)展的表面工程技術(shù)  
    2.3.1熱噴涂技術(shù)  
    熱噴涂是采用專用設(shè)備利用熱源將金屬或非金屬材料加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，用高速氣流將其吹成微小顆粒并噴射到機(jī)件表面，形成覆蓋層。最初發(fā)展的是線材噴涂，而后出現(xiàn)了火焰粉末噴涂技術(shù)，火焰噴焊工藝：20世紀(jì)50年代發(fā)展了爆炸噴涂和等離子噴涂，近年又有了超音速噴涂和激光噴涂。目前各種熱噴涂技術(shù)均已成熟，不僅能噴涂金屬、復(fù)合陶瓷與金屬陶瓷，還能噴涂塑料及復(fù)合材料，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。加熱噴涂技術(shù)是一個(gè)涉及金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子化學(xué)、表面物理、表面化學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、等離子物理等學(xué)科的交叉邊緣科學(xué)。  
    2.3.2氣相沉積  
    氣相沉積按機(jī)理分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)。物理氣相沉積是利用真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍等方法沉積成膜；化學(xué)氣相沉積是利用鍍層材料的揮發(fā)性使化合物氣體分解或化合反應(yīng)后沉積成膜。其中真空蒸鍍是在真空環(huán)境中把材料加熱熔化后蒸發(fā)，使其大量原子、分子、原子團(tuán)離開熔體表面，凝結(jié)在被鍍件表面上形成鍍膜；濺射鍍膜是用高能粒子(通常是由電場加速的正離子)沖擊固體表面時(shí)使固體表面的原子、分子飛濺出來沉積凝聚在被鍍件表面形成薄膜：離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)離子化，在氣體離子或被蒸發(fā)物離子轟擊作用的同時(shí)，把蒸汽物或其反應(yīng)物蒸鍍在基體上。此外，還有等離子輔助化學(xué)氣相沉積(PACVD)和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PCVD)。   #p#分頁標(biāo)題#e#
    2.3.3激光技術(shù)  
    激光表面處理是近二十年發(fā)展起來的新技術(shù)，主要有：激光涂鍍，包括激光蒸鍍、化學(xué)熱處理、噴涂、電鍍等；激光熱處理；激光熔融等。利用激光可獲得極高的加熱和冷卻速度，從而可制成微晶、非晶及其它一些奇特的、平衡相圖上不存在的亞穩(wěn)態(tài)合金，從而賦予材料表面以特殊的性能。  
    2.3.4離子注入  
   離子于注入是把工件放在離子注入機(jī)的真空靶室中，在幾十至幾百伏的電壓下，把所需元素的離子注入到工件表面的一種工藝。金屬經(jīng)離子注入后，在其零點(diǎn)幾微米的表面層增加注入元素和輻照損傷，從而使物理、化學(xué)性能發(fā)生顯著的變化。離子注入有如下特征：a.原則上任何元素都可以注入任何基體金屬中；b.注入一般是在常溫真空中進(jìn)行，表面無變形、無氧化，能保持原有尺寸精度和表面粗糙度，c.注入原子與基體金屬之間沒有界面，因而注入層不會(huì)有剝落問題。  
    2.3.5  復(fù)合技術(shù)     
    在各種表面技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，相互滲透、揚(yáng)長避短，出現(xiàn)了一批復(fù)合技術(shù)。在金屬材料領(lǐng)域中，復(fù)合技術(shù)大多是為涂鍍耐磨層而開發(fā)的。例如有滲碳+液體滲鉻、滲釩、滲硼等；液體滲硼+液體滲鉻加化學(xué)氣相沉積氮化鈦：電鍍鉻牛離子注入氮：熱噴涂牛激光重熔，電鍍+熱噴涂：熱噴涂+電鍍等等。  
3．理化分析在金屬表面分析的應(yīng)用實(shí)踐  
    3.1機(jī)加工表現(xiàn)狀況檢驗(yàn)與研究  
    對于各種機(jī)械加工，如：車、銑、刨、磨、鉆等方法產(chǎn)生的表面研究在生產(chǎn)實(shí)踐中主要是對表面完整性狀況判定，經(jīng)過加工的金屬零件表面宏觀上似乎很平整、光滑，但在顯微鏡下觀察就可發(fā)現(xiàn)很粗糙，呈現(xiàn)凸凹不平的波峰和波谷，同時(shí)加工后表面金屬有一定損傷，如組織發(fā)生變形、晶格發(fā)生畸變。表面完整性主要是對加工后表面的損傷情況如表面凸凹度、晶格畸變程度進(jìn)行判定，這些檢查通常以金相剖面檢查為主，通常是取樣件試樣進(jìn)行鑲嵌后在500倍光學(xué)顯微鏡下檢查。  
    這些檢查在國內(nèi)尚未普遍開展，但在國外一些重要零件如發(fā)動(dòng)機(jī)盤、葉片、軸類等關(guān)鍵零件中已普遍應(yīng)用在機(jī)加工工藝參數(shù)確定中，已做為一種主要的判定依據(jù)。并且在越來越多的零件表面質(zhì)量判定中已成為一種主要檢驗(yàn)方法。這些研究方法為我們理化分析人員提出了新的思路，拓展了我們的研究范同。  
    這些研究也使我們對一些產(chǎn)品壽命長短的判定，有了新的思路，在失效分析判定更增加一些分析的思路和方法。  
    3.2各種電加工層的表面檢驗(yàn)  
    隨著工業(yè)的發(fā)展，各種電加工工藝也在不斷發(fā)展，目前主要的電加廠方法有：電解加工、電火花加工、電子束加工和激光束加工等，這些方法廣泛應(yīng)用于各種具有型面要求的零件、零件的內(nèi)腔、有各類小孔洞的零件等，這些加工方法是使金屬有一個(gè)快速熔化的或電力的過程。這些非機(jī)械加工所形成表面的質(zhì)量狀況，通常是通過對樣件的金相檢查確定，這些檢查已成為工藝參數(shù)確定、工藝定型的重要依據(jù)。金相檢查是將樣件剖面鑲嵌后在顯微鏡下檢查其表面有無缺陷和缺陷程度，主要有表面重熔層厚度、重熔層裂紋、電弧燒傷、晶間腐蝕、基體金屬腐蝕、基體金屬裂紋，表面不規(guī)則性、熱影響區(qū)深度等項(xiàng)目。  
    3.3各種涂層  
    大家熟知的滲層如滲碳層、滲氮層的檢驗(yàn)已有很多標(biāo)準(zhǔn)方法，如金相法、硬度法、斷口法等等，在此不再敘述。有很多新種類的滲層如滲鉻層、滲鋁層、滲鋁-磚層、滲鋁-鈦層、滲氧層、滲硼層等等。通常檢查滲層的深度、均勻性及滲層擴(kuò)散后的狀況。最常用的檢驗(yàn)方法是金相方法。   #p#分頁標(biāo)題#e#
    由于滲層元素的特殊性，金相樣品制備和腐蝕的很多細(xì)節(jié)必須嚴(yán)格控制，否則有的滲層將無法顯現(xiàn)。滲層的硬度也是需要檢驗(yàn)的，這類滲層通常較薄，硬度檢驗(yàn)以顯微硬度和努氏硬度為主。  
    對于滲層元素變化情況，常用方法是電子探針、能譜儀、俄歇電子等儀器測定。近年來發(fā)展的輝光光譜儀在滲層檢驗(yàn)中有很好的應(yīng)用，例如用輝光光譜儀測定滲鉻層。    
    3.4熱噴涂涂層      
    熱噴涂涂層是一種發(fā)展迅速的涂層技術(shù)，其應(yīng)用范圍主要有滑動(dòng)碰撞磨損涂層，微振磨損涂層、磨蝕涂層、隔熱涂層、尺寸修變涂層等等。由于涂層的特殊性，涂層金相檢驗(yàn)己發(fā)展成專門的一類檢驗(yàn)學(xué)科一熱噴涂涂層金相學(xué)。熱噴涂涂層在金相過程中的變化是相當(dāng)敏感的，因此了解噴涂涂層的特性對于得到一種真實(shí)的涂層顯微結(jié)構(gòu)是非常重要的。我們通常接觸的金屬材料是由晶粒構(gòu)成的，是均勻的。而形成涂層的材料(特別是等離子涂層)是由粉末構(gòu)成的。大的顆粒與小的顆粒不同，圓的顆粒與長的或不規(guī)則的顆粒不同。涂層組成的實(shí)質(zhì)是每個(gè)顆粒的混合體。由于涂層是由熔化和半熔化顆粒組成的特性，在熱過程中顆粒表面產(chǎn)生金屬氧化物和氮化物，同時(shí)顆粒也有一些空隙產(chǎn)生。  
    在涂層樣品制備中每一步驟的選擇和應(yīng)用都必須有嚴(yán)格的工藝控制程序。如切割涂層試樣時(shí)要考慮切割不會(huì)使表面涂層結(jié)構(gòu)受到損傷，要選擇合適的切割方法，要確定切割工具尺寸的薄厚和切割材料的選用。在鑲嵌試樣時(shí)要有確定方法、確定的鑲樣料、磨光和拋光時(shí)設(shè)備必須有固定的程序，并要求是唯一性的。對每一種涂層都要求有各自相適應(yīng)的過程程序。  
    不同涂罷有不同的檢驗(yàn)要求和評定規(guī)則。評定項(xiàng)目較多，要求評定細(xì)節(jié)很嚴(yán)格。我們通過一兩個(gè)例子來說明：如WC／Co涂層，這種涂層要評定WC顆粒的百分比和分布的均勻程度、涂層與基體界面的結(jié)合情況、孔隙的人小和數(shù)量、油污裂紋和分層情況等，同時(shí)在評定時(shí)還要分辨在制備試樣過程中碳化物被拔出造成孔隙增加的假象情況。  
    再如，Ni——AL／氧化鋁涂層，其中Ni——AL層是做為一種粘接底層，是一種較軟的涂層，而氧化鋁是一種較硬的陶瓷涂層，兩層涂層不僅要評定各自涂層結(jié)構(gòu)還要評定兩者的結(jié)合情況。評定項(xiàng)目主要有分層裂紋和拔出情況、孔隙率、界面污染情況，氧化物分布和形態(tài)以及末熔顆粒的大小和數(shù)量等。  
    3.5氣相沉積  
    氣相沉積的檢驗(yàn)常見的是金相顯微分析和硬度檢驗(yàn)。從圖片可以得到各層表面的深度、分布的均勻性及擴(kuò)散的情況。近年來發(fā)展起來的輝光光譜儀也越來越多地應(yīng)用在沉積層的分析中。輝光光譜儀可以對沉積層進(jìn)行逐層剝層分析，分析精度高，準(zhǔn)確性好，可以自動(dòng)建立完整的深度-成分曲線。  4結(jié)束語：  
    表面工程技術(shù)做為一門涉及多學(xué)科的邊緣學(xué)科技術(shù)已成為材料科學(xué)領(lǐng)域中最具有廣泛發(fā)展前景的學(xué)科，在制造行業(yè)中所處的地位也將越來越重要。新技術(shù)的發(fā)展將促進(jìn)理化分析檢驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展：同時(shí)完備的理化試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，是新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和重要的依據(jù)。新技術(shù)發(fā)展為理化分析提供了廣泛的應(yīng)用前景，要求理化檢測人員不僅要更好地學(xué)習(xí)掌握更多的理化分析技術(shù)，還要了解各種新工藝方法。只有這樣才能緊跟新技術(shù)、新工藝的發(fā)展步伐，提高理化分析檢測的作用。