對提高金屬材料抗?jié)B碳性能的表面處理技術(shù)的探析

張永軍

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207）

在目前我國的工業(yè)制造相關(guān)行業(yè)中，各種設(shè)備都需要使用到金屬材料，它對于整個(gè)行業(yè)的幫助作用是無處不在的，因此如何將金屬材料的性能進(jìn)一步優(yōu)化，尤其是耐用性方面進(jìn)行提高成為了相關(guān)研究人員持續(xù)研究的課題。針對目前的金屬零部件在實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域所發(fā)生的損耗情況，對于金屬材料抗?jié)B碳性能提高的研究更是非常迫切。

1 抗?jié)B碳技術(shù)研究的重要性

在對當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域所運(yùn)用的金屬表面處理技術(shù)的相關(guān)情況進(jìn)行分析過后發(fā)現(xiàn)金屬的相關(guān)表面處理技術(shù)在實(shí)際工業(yè)過程中發(fā)揮了很大的作用，使得金屬的使用壽命普遍變長，而且金屬材料在工作過程中受碳滲透影響的情況也減少了很多[1]。

經(jīng)過相關(guān)技術(shù)研究人員長期的研究，目前在與其他領(lǐng)域進(jìn)行結(jié)合的實(shí)例中已經(jīng)出現(xiàn)了眾多工作效果良好的高新金屬材料表面處理技術(shù)，這其中表現(xiàn)優(yōu)秀的技術(shù)主要有氣相沉積、表層噴涂以及化學(xué)反應(yīng)覆蓋膜等金屬表面處理技術(shù)，這些相關(guān)技術(shù)都表現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)越性和廣闊的發(fā)展前景。而金屬材料的表面處理技術(shù)未來還會(huì)隨著我國工業(yè)化的推進(jìn)展現(xiàn)出更強(qiáng)大的生命力。

研究人員經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的金屬材料零部件在高溫的環(huán)境中長時(shí)間使用時(shí)，會(huì)與空氣中的一些化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，具體表現(xiàn)為如果空氣中碳含量較高而且溫度過高時(shí)，碳元素就會(huì)逐漸通過滲透作用經(jīng)過金屬表面進(jìn)入金屬元器件內(nèi)部中，這種情況就會(huì)很大程度上影響該零部件的工作性能以及總體使用時(shí)長，因此金屬零件在制造時(shí)就應(yīng)該對其表面進(jìn)行抗?jié)B碳的處理從而進(jìn)一步延長金屬材料制成的零部件的使用壽命[2]。目前提高金屬材料抗?jié)B碳性領(lǐng)域存在著很多技術(shù)，但經(jīng)過實(shí)際研究，對金屬使用一些表面處理技術(shù)是相對優(yōu)秀的一種方式，這種方式實(shí)際上就是利用一些表面處理技術(shù)使得金屬表面覆蓋上一層保護(hù)金屬不受碳元素侵蝕的保護(hù)膜從而提升金屬的防護(hù)能力，這種保護(hù)膜一般是氧化膜，氧化膜的內(nèi)部主要是由一些氧化物組成，這些氧化物由于其化學(xué)特性能夠表現(xiàn)出非常好的穩(wěn)定性和致密性?；谝陨线@些特點(diǎn)，在金屬表面進(jìn)行相關(guān)表面處理技術(shù)對于金屬零部件是非常重要的。

2 提高金屬抗?jié)B碳性的表面處理技術(shù)

目前常用的對金屬材料進(jìn)行抗?jié)B碳能力提高的方式有很多種，但大多都是基于在金屬材料的表面形成一層特殊物質(zhì)覆蓋的保護(hù)層從而防止空氣中的碳元素通過金屬制品表面滲透進(jìn)入金屬內(nèi)部，這樣可以最大程度減小碳元素對于金屬材料的影響，因此這些技術(shù)可以很好地提高金屬制品的耐用性，使金屬制品的使用壽命大大延長，以下分別對幾種優(yōu)秀的提高金屬材料抗?jié)B碳性的表面處理技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 化學(xué)處理技術(shù)

在對金屬材料的研究歷程進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)金屬的抗?jié)B碳能力的研究得益于滲鋁技術(shù)的突破，最開始是在油氣相關(guān)產(chǎn)業(yè)，由于其工作環(huán)境的特殊性，研究人員為了保護(hù)相關(guān)設(shè)備而逐漸發(fā)展了滲鋁技術(shù)，這種技術(shù)的特點(diǎn)就是能夠?qū)α蚧瘹溥@種油氣開采環(huán)境中最多的氣體進(jìn)行防護(hù)，與此同時(shí)對于一些具有強(qiáng)腐蝕作用酸性物質(zhì)比如二氧化硫也可以進(jìn)行有效防護(hù)，這是滲鋁技術(shù)相對于其他技術(shù)來說自身獨(dú)特的優(yōu)勢和特點(diǎn)。在不斷與其他工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行結(jié)合應(yīng)用的過程中，滲鋁技術(shù)已經(jīng)在逐漸成長為一種高效的表面處理技術(shù)，在當(dāng)前被應(yīng)用的一些表面處理技術(shù)中，滲鋁技術(shù)是一種能夠改善材料性能的優(yōu)秀技術(shù)而且擁有很廣闊的發(fā)展前景。此外經(jīng)過分析目前在各工業(yè)領(lǐng)域的一些應(yīng)用，可以知道目前在抗?jié)B碳的處理工藝上主要還是引進(jìn)滲鋁處理技術(shù)，在另一方面還可以使用滲鋁的相關(guān)新材料對金屬材料進(jìn)行熱處理從而更好地對表面達(dá)到防護(hù)效果，滲鋁技術(shù)目前的主要操作是首先將滲鋁轉(zhuǎn)化為粉末狀或者使用氣體擴(kuò)散相關(guān)技術(shù)對滲鋁先進(jìn)行處理然后通過熱處理讓粉末滲鋁進(jìn)行滲透處理從而在表面形成優(yōu)良防護(hù)層。

2.2 表層噴涂技術(shù)

表層噴涂技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛的表面處理技術(shù)，它不僅僅適用于工業(yè)領(lǐng)域，對于建筑、新材料等領(lǐng)域也有很重要的作用，比如建筑外墻或者玻璃的處理。這種表層噴涂技術(shù)的主要作用就是在需要進(jìn)行抗?jié)B保護(hù)的金屬材料的表面制造一層復(fù)合材料，這種復(fù)合材料有很多種目前主要是陶瓷以及玻璃的復(fù)合材料[3]。這種表層噴涂技術(shù)產(chǎn)生的表層使得處理過后的材料的防護(hù)性能有一個(gè)進(jìn)階式的提升從而使得材料具備抗?jié)B碳的能力也能進(jìn)一步地減小環(huán)境對于金屬材料壽命的不良影響。表層噴涂技術(shù)的操作流程主要是首先在待處理的金屬材料的表層覆蓋上一層粉末狀物質(zhì)，其主要由二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鉀、氧化鈉、氧化鈣、氧化鎂等等化學(xué)物質(zhì)組成，下一步就是將這些氧化物的混合粉末置于一定溫度下面進(jìn)行升溫操作從而幫助金屬材料進(jìn)行抗防護(hù)性能的加持，除此之外這種表層噴涂技術(shù)可以在金屬材料的表層覆蓋上一層優(yōu)良的以陶瓷和玻璃為混合主體的防護(hù)涂層從而使金屬表層在覆蓋上這一混合涂層后延伸出優(yōu)秀的連續(xù)性能以及便于吸附的附著性能，在另一方面對于容易出現(xiàn)開裂的金屬零部件能夠起到防止開裂的效果從而有效地避免零部件的金屬表面出現(xiàn)不良孔狀的情況[4]。針對這一表層噴涂技術(shù)，研究人員做出了非常多的針對性實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)表明由表層噴涂技術(shù)覆蓋在金屬材料表面的涂層是非常穩(wěn)定的，實(shí)驗(yàn)人員在實(shí)驗(yàn)過程中將溫度提升至一千攝氏度以上時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些表面涂層也依舊沒有從金屬表面脫落，這些實(shí)驗(yàn)都很好地表明了表層噴涂技術(shù)對于金屬材料抗?jié)B碳性的顯著提高。實(shí)驗(yàn)同時(shí)還將溫度調(diào)節(jié)至較低狀態(tài)觀察相關(guān)物質(zhì)的變化情況，比如二氧化硅在低溫情況下不會(huì)發(fā)生化學(xué)還原反應(yīng)進(jìn)一步被還原成碳化硅，但是在低溫情況下還是會(huì)出現(xiàn)一些問題，比如內(nèi)部的二氧化硅會(huì)因?yàn)橐恍╁i和鋁等化學(xué)元素而發(fā)生化學(xué)還原反應(yīng)從而在一定程度上使得對于碳滲透的防護(hù)能力變?nèi)酢?/p>

2.3 氣相沉積技術(shù)

氣相沉積技術(shù)是一種先進(jìn)的表面處理技術(shù)，它在眾多對金屬材料進(jìn)行抗?jié)B碳性處理的表面處理技術(shù)中都是最優(yōu)秀的技術(shù)之一，氣相沉積技術(shù)是一門包含很多具體分類的表面處理技術(shù)，技術(shù)人員從中發(fā)展出了物理、化學(xué)以及等離子等等沉積技術(shù)，這些不同的沉積技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，而如何選取適合的表面處理技術(shù)就需要技術(shù)人員首先對金屬材料的特性以及零部件的工作環(huán)境進(jìn)行分析然后進(jìn)行技術(shù)選取工作從而選擇與待處理金屬材料最符合的氣相沉積技術(shù)。以下對幾種應(yīng)用廣泛的氣相沉積技術(shù)進(jìn)行說明。一是化學(xué)沉積法，這是應(yīng)用相對廣泛的一種方法，常用CVD來表示，這項(xiàng)技術(shù)的基本應(yīng)用原理是通過首先對特殊物質(zhì)的進(jìn)行對應(yīng)的氣相熱解沉積然后利用沉積出的物質(zhì)在爐管表層覆蓋上一層氣相物質(zhì)從而形成保護(hù)層，保護(hù)層成功覆蓋金屬表面之后就可以產(chǎn)生防滲碳效果，不僅如此對于結(jié)焦的不良狀況也可以產(chǎn)生防護(hù)作用。但是這種技術(shù)也有自身的缺點(diǎn)存在，它的缺點(diǎn)是因?yàn)樵摷夹g(shù)產(chǎn)生的覆蓋層基本都是單一物質(zhì)保護(hù)層而不是其他技術(shù)產(chǎn)生的混合物質(zhì)保護(hù)層，所以這種單一物質(zhì)保護(hù)層在與金屬材料結(jié)合時(shí)的結(jié)合能力就會(huì)比較差，這就造成金屬材料與單一物質(zhì)保護(hù)層形成的整體比較不耐摩擦。另一種物理沉積技術(shù)也是比較通用的技術(shù)，它主要運(yùn)用磁力來控制氣體進(jìn)行濺射從而達(dá)到沉積的效果，此外如果將混合氣體中的各氣體的比例進(jìn)行調(diào)整，最終得到的保護(hù)層也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，這個(gè)變化主要發(fā)生在硅和氧之間，硅和氧占總物質(zhì)的比例不同，最終產(chǎn)生物質(zhì)的特性也會(huì)發(fā)生變化。在這個(gè)技術(shù)中，另一個(gè)因素就是溫度，一般來說整個(gè)處理過程中溫度會(huì)急速增高，在二至五小時(shí)的時(shí)間內(nèi)最高時(shí)會(huì)達(dá)到三百度以上，最終產(chǎn)生的物質(zhì)保護(hù)層的厚度經(jīng)過測量通常是十微米左右[5]。這個(gè)方法同樣有自己的缺點(diǎn)，這種技術(shù)所產(chǎn)生的硅和二氧化硅的混合物雖然可以在一定程度上提高金屬的房滲碳性，但是這項(xiàng)技術(shù)本身存在自己的不易操作性，這就使得實(shí)際的應(yīng)用時(shí)需要滿足很多操作條件，需要一定的操作門檻，而且對于成本方面也會(huì)有一個(gè)很大的影響。另外一個(gè)沉積技術(shù)就是等離子沉積技術(shù)，等離子沉積技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域就比較廣泛了它的原理是脫胎于CVD沉積，也就是化學(xué)沉積法，這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是它在操作過程中的環(huán)境溫度會(huì)逐漸增高，技術(shù)人員通過將等離子注入操作環(huán)境中，等離子進(jìn)行積高電子時(shí)產(chǎn)生的溫度就可以被用來進(jìn)行沉積，這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)生主要是幫助一些材料的沉積溫度發(fā)生變化從而保證在氧氣含量較高的情況下，硅的氧化物質(zhì)可以保持自身的穩(wěn)定性，另一方面對于操作過程中所用到的模具也會(huì)具備相應(yīng)的防滲碳能力。

3 結(jié)語

綜上所述，在金屬表面進(jìn)行一些技術(shù)處理使得金屬對于碳滲透的情況有一個(gè)很好的防護(hù)效果是非常有必要的，而相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該保持不斷學(xué)習(xí)的狀態(tài)，吸收國內(nèi)外眾多先進(jìn)的金屬表面處理經(jīng)驗(yàn)，鍛煉自身對金屬表面進(jìn)行防滲碳處理的技術(shù)，從而讓金屬制成的零部件在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮更好的作用，最終幫助我國工業(yè)發(fā)展水平進(jìn)一步提高。