复合表面技术在设备维修中的应用
复合表面技术是指将两种或多种表面技术以适当的顺序和方法加以组合运用，或以某种表面技术为基础制造复合涂层或改性层的技术。复合表面技术能够发挥不同种表面技术或不同种涂层材料的各自优势，取长补短，有机配合，以得到最优的表面性能和最佳的使用效果。复合表面技术又称做第二代表面技术，是发展一系列高新技术的重要保障，是当前表面工程的重要研究方向。
1、增强耐磨性的复台表面技术
（1）电镀、化学镀复合材料
复合材料是由两种或多种均匀相结合在一起而构成的多相混合物。它经常具有各个单相 所不能获得的独特性能。采用电镀或化学镀的方法，使金属和不溶性固体微粒共沉积，可以 获得各种微粒弥散金属基复合镀层。
以镍、镍基合金、铬、钻、铁等为基质金属，以碳化硅、碳化钨、三氧化二铝等为硬质分散相的复合镀层具有高的硬度和耐磨性。如氨基磺酸盐镀镍溶液加入1－3μm的SiC微粒，获得的Ni—SiC[2．3％。4．0％(重量)]复合镀层，用于发动机汽缸内壁，缸壁的磨损量为普通铁套汽缸的60％；电镀Ni—Sic复合镀层的耐磨性比普通镀镍层提高70％；coCr3C2复合镀层在800℃以下仍能保持高的耐磨性，在400—600℃时其耐磨性远优于镍基复合镀层。经热处理后的化学镀Ni—P—SiC镀层的耐磨性比经热处理的化学镀镍层高15－20倍。
将TNT/RDX(50／50)混合炸药在容器中爆炸，可制成含金刚石(27％－30％)、石墨和无定形碳的纳米级金刚石粉。其颗粒大小为3－15nm，用混合酸处理后可得到纯度为90％以上的金刚石粉。将不同含量的金刚石粉与快速镍溶液混合后，用电刷镀方法制备了不同含量的纳米金刚石复合镀层。对镀层的测试和分析得出：该复合镀层具有极好的耐磨减摩性能，在镀液中金刚石粉含量为5—50g／L范围内，其耐磨减摩性能随纳米金刚石粉含量的增加而提高。在含量为50g／L时，镀层耐磨性比纯镍镀层提高了两倍，摩擦系数降低了40％。金刚石粉的加人使镀层呈非晶化趋势。
用电沉积方法还可以制备含有连续的细丝或非连续纤维的纤维增强金属复合材料。该复 合材料所用的纤维可以是金属的和非金属的。已经采用的有钨、硼、石墨、钢、碳化硅、晶须(如Al203，SiC)、玻璃，使纤维的强度和刚度与金属的强度结合起来。
（2）功能梯度涂层
在通常情况下，涂层与基体不属同一材料，突变界面的涂层与基体间由于各自膨胀系数 不同等性能差异，存在较大的应力。结果导致涂层与基体结合不牢，涂层厚度也受到限制。功能梯度涂层可使基体到涂层的成分逐渐变化，能形成一个缓和应力的过渡层。这样既保证了涂层与基体的结合，又保证了涂层在使用环境中的特殊性能。
可用多种方法制备功能梯度涂层。如用热喷涂法，通过多次逐层喷涂并随之变化其成分 即可得到一定的梯度涂层。用IBAD法，在反应气分压一定时，通过变化蒸发速率或溅射速率也可方便地获得梯度涂层。
有的厂家用多次喷涂加激光重熔的方法制备了Ni—WC梯度涂层。涂层内WC颗粒含量从基体到表面逐渐增多。梯度涂层从基体到表面硬度缓慢上升，有一明显的过渡区，这种内韧外硬的涂层比普通激光重熔涂层的耐磨性高很多。
Ta—W合金是目前解决高初速、高射速火炮内膛表面耐烧蚀问题的较理想涂层。为了增加涂层与基体的结合强度，某研究所进行了用磁控溅射法制备梯度过渡层的试验研究。分析证明过渡区内各元素变化形式与理论设计基本相符，过渡层与外层组织均为纤维状结构，且界面不明显，结合良好。
（3）多层复合涂层
合理地设计和制备多层复合涂层可以使其获得高的膜基结合强度、高耐磨性、高耐蚀性、高的综合塑性和强度等特殊性能。有些单相涂层，如已广泛应用的TiC、TiN和TiCN涂层，尽管超硬、摩擦系数低、耐磨抗蚀性能好，但难以同时具备高的硬度和良好的韧性、高的膜基结合强度和弱的表面反应性等综合性能，因而制备多层复合涂层是一个重要的发展方向。
设计多层复合涂层时应注意以下几点：
(1)涂层与基体、涂层与涂层在结构上的合理匹配能得到低的界面能和高的结合强度。因此，应尽量使涂层间的晶体结构相同或相近，晶格常数相近。
(2)涂层与基体元素亲和力好，在制膜工艺条件下如能相互扩散形成间隙或无限固溶体，可大大提高结合强度；涂层间如具有优良的互溶性，能使涂层问没有明显的分界面，则层间结合力高。
(3)涂层与基体(或涂层)的热膨胀系数值应相近。
(4)对重载工况下的涂层，要求基体有足够的支承强度、足够高的硬度和韧性。如TiC涂层变形量达2％时即发生破裂，其基体材料的硬度应在50HRC以上，含碳量应≥0．5％。硬质合金和高碳高合金钢是制作冷作模具和刀具涂层的良好基体材料。
在气相沉积中，TiC、TiN、TiCN和o—A1203都是面心立方晶格，具有相近的热膨胀系数、良好的互溶性和化学稳定性，可以作为复合涂层的子涂层。在CVD中，TiC与基体元素在高温下能发生强烈相互扩散，可得到很高的结合强度，很适宜做复合涂层的底层；TiN具有良好的化学稳定性和抗粘着磨损的能力，又呈美丽的金黄色，是最适宜的一种外表层；而TiCN的性能介于两者之间，故设计多层复合涂层时，常以TiC做底层，TiN为表层，TiCN做过渡层。
一种用在YG8硬质合金拉丝膜上的TiC—TiCN—TiN涂层，在CVD装置上获得。经测定复合涂层硬度为22000—22500MPa；经分析，过渡层TiCxNl—x中x为0．3左右。这种复合涂层拉丝模，经300多个模具批量生产试验表明：单位磨损(孔径扩大0．01mm)生产量提高1-4倍，使用寿命长，断丝几率小，抗粘着性好，拉出的钢丝表面质量好。
（4）复合表面热处理
表面热处理大致可以分为硬化、强化、润滑化三类。表面硬化热处理的典型方法有渗碳(气体、真空、离子)、氮化(气体、离子)等化学表面硬化法和高频淬火、火焰淬火、激光淬火等物理表面硬化法。表面强化处理有软氮化(盐浴、气体)等。表面润滑化有渗硫(高温、低温)等。复合表面热处理一般包含以下几方面的工序组合。
(1)表面热处理与一般热处理的复合，如氮化与整体淬火、等温淬火加氮化等。
(2)表面热处理的相互复合，如氮化与高频淬火、氮化加氧化。
(3)电镀与热处理的复合，如电镀后热处理、锌浴淬火等。
复合表面热处理应是其组成工序的有机组合，它应使各道组成工序的性能优点都能充分保留，避免后道工序对前道工序有抵消作用。
目前应用和开发中的复合表面热处理技术如表8—1所示。与氮化有关的复合表面热处理中，调质加氮化可以使工件具有高强韧性的基体和高硬度、高耐磨性、高疲劳强度的表层；氮化后加淬火，可使工件得到更有效的强化，硬度、强度、旋转弯曲疲劳强度普遍提高。
与渗碳和碳氮共渗有关复合表面热处理中，渗碳加渗硼，可在较厚的渗碳层表面覆盖一层0．1mm左右的渗硼层，得到一种具有强塑支承基体的硬度极高的表面，适合在重载下工作且要求有很高耐磨性的工件。渗碳加熔盐浸镀(TD法)可在工件上涂覆一层5—50μm厚的NbC，VC，Cr—C等碳化物，这些与金属基体紧密结合的碳化物硬度高达1300－4000HV，具有极高的耐磨、抗蚀、抗咬合、耐热冲击等性能。渗碳加碳氮共渗、加工硬化(压延、喷丸等)是在渗碳后加碳氮共渗工序，以期在随后的淬火中在表层形成大量的残留奥氏体，然后通过压延等使残留奥氏体的表面进一步硬化。这种复合处理能形成极硬而又富有韧性的表层，提高了使用寿命，并能获得极高的疲劳强度。渗碳加氰化，能在表面形成0．015－0．02mm的富碳氮层，具有很高的抗咬合、抗擦伤等能力。
金属复合共渗后再加以适当的热处理可进一步提高其性能。例如5XHM钢模具在铬钒共渗加氮化、退火处理后，硬度、抗氧化性显著提高；日本还发明了钢渗镍、铬和渗氮的工艺。经上述工艺复合处理的钢具有优良的耐磨性和耐高温腐蚀性能，适用于做锅炉、热交换器、加热炉等承受高温腐蚀的部位。
（5）与激光处理有关的复合表面技术
高密度能源的激光束在表面改性和强化方面的开发与应用愈来愈广。这里再介绍几个与其有关的复合表面技术的实例。
沙漠汽车风冷发动机缸套极易磨损，一种利用激光熔敷陶瓷涂层来提高缸套耐磨性的研究取得了明显效果。该研究选择Ni－Cr—B—Si为基础合金，加入50％左右的镍包碳化钨陶瓷作为硬质相，通过热喷涂加激光重熔的工艺对灰铸铁缸套进行熔敷。测试表明，热喷涂＋激光重熔后的形貌结构可分为熔覆层、淬硬区和铸铁基体三个区域。熔覆层是在软基体上分布着WC颗粒，熔覆层与基体为冶金结合。涂层组分比较均匀，无缺陷，无裂纹，其耐磨性有显著提高，达6倍以上。
含粗颗粒WC的陶瓷涂层在冶金、矿山、煤炭、石油等工业部门承受严重磨粒磨损的零件中得到了成功的应用。在常规堆焊工艺中，因WC颗粒发生烧损导致其硬度大幅度下降。某单位研究了激光熔敷粗颗粒WC复合涂层的干砂磨粒磨损性能，并与氢原子堆焊粗颗粒WC管状焊条、氧乙炔堆焊粗颗粒WC实心复合焊条所得到的复合涂层的耐磨性进行了对比。试验所用的WC颗粒尺寸为450－900μm，含量60％(重量)，粘结金属为Ni60等镍基合金，基材选用20Ni4Mo钢。用上述三种方法制得的陶瓷涂层试样均在同一条件下进行后续的渗碳淬火。在干砂磨损试验机的试验及金相分析表明，激光熔覆粗颗粒WC复合涂层的耐磨性明显优于氢原子焊层与氧乙炔焊层，其关键因素是前者WC颗粒的烧损程度低和硬度高。
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