Kỹ thuật vật liệu đã và đang phát triển mạnh mẽ và là một trong 3 mũi nhọn của nền kinh tế tri thức, có nhiệm vụ nghiên cứu cấu trúc và thiết kế những vật liệu mới đặc biệt là vật liệu composites. Tuy nhiên kỹ thuật vật liệu không nghiên cứu các vấn đề liên quan đến việc thay đổi và nâng cao tính chất của vật liệu ở vùng bề mặt. Khái niệm Kỹ thuật Bề mặt (KTBM) hay Surface Engineering lần đầu tiên được đưa ra ở nước Anh vào những năm 1970. Đầu tiên KTBM chỉ nghiên cứu các công nghệ về Hàn và Phun nhiệt (Thermal spraying) sau đó mở rộng đến công nghệ phun phủ nhiệt, phủ bay hơi CVD và PVD, nhiệt luyện bề mặt bằng laze hoặc chùm điện tử, thấm ion, hợp kim hoá bề mặt sử dụng plasma v.v... Việc sử dụng các biện pháp công nghệ mới, đặc biệt sẽ tạo nên các lớp bề mặt mới cho chi tiết máy. Tuy nhiên việc nghiên cứu các tính chất cũng như khả năng làm việc của các lớp này phối hợp với vật liệu nền để giảm ma sát và mòn ở vùng bề mặt được quan tâm nhiều nhất.
Vai trò kỹ thuật bề mặt trong quá trình sản xuất có thể mô tả như sau:
Phôi liệu + Năng lượng (điện, nhiệt) = Sản phẩm Sản phẩm + Kỹ thuật bề mặt = Sản phẩm có chất lượng cao.
Ban đầu KTBM được hiểu đơn giản là công nghệ để tạo nên các lớp bề mặt mà không quan tâm đến sự hình thành của các lớp bề mặt trong quá trình vận hành, đến việc nghiên cứu các tính chất hay mô hình của chúng trong các ứng dụng cụ thể.
Ngày nay KTBM là lĩnh vực nghiên cứu và hoạt động kỹ thuật tổng hợp bao gồm thiết kế, sản xuất, khảo sát, và sử dụng các lớp bề mặt trên cả khía cạnh kỹ thuật và kinh tế tạo nên các tính chất nổi trội hơn vật liệu nền như chống ăn mòn, chống mỏi, giảm ma sát, chống mòn, và trang trí
v.v... kiểm soát mòn, các tính chất nhiệt, điện, từ, chuẩn bị cho các quá trình công nghệ bề mặt tiếp theo.
Một điều quan trọng hơn khi nghiên cứu là phải xem xét sự tương thích với bề mặt đối tiếp khi lựa chọn biện pháp xử lý bề mặt. Hai lớp phủ cùng thành phần có thể có các tính chất tương đối khác nhau khi phủ lên vật liệu nền khác nhau. Vì thế xử lý bề mặt phải xem xét như một bộ phận của hệ vật liệu trong điều kiện làm việc cụ thể. Sự lựa chọn thích hợp vật liệu và các thông số của lớp phủ như chiều dày, độ cứng, độ nhám v.v... sẽ tạo nên kết quả tốt.
Quá trình ma sát, mòn, tổng thể ở chỗ tiếp xúc khi có chuyển động tương đối là rất phức tạp bởi vì nó liên quan đến nhiều cơ chế tác động đồng thời như ma sát, mòn cơ học xảy ra ở cả thang thô đại và tế vi cũng như ảnh hưởng của hoá học và dính vật liệu sang bề mặt đối tiếp (materials transfer). Lực ma sát phụ thuộc vào tải trọng ép các bề mặt ma sát với nhau, phụ thuộc vào loại ma sát, hệ số ma sát nhưng tất cả đều phụ thuộc vào tính chất thuộc tính của lớp bề mặt trong đôi ma sát cũng như của nền nằm dưới các bề mặt tiếp xúc. Hơn nữa, lực ma sát còn phụ thuộc vào vận tốc, nhiệt độ và thời gian và những biến đổi về tính chất của lớp bề mặt trong quá trình ma sát.
Nói chung, trên bề mặt kim loại sau gia công thường được bao phủ bởi các lớp rất mỏng ôxít và các khí hấp thụ ở thang μm nhưng các lớp này có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình dính và ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc. Sự tồn tại của các lớp này là nguyên nhân làm giảm đáng kể hệ số ma sát giữa kim loại với kim loại trong không khí so với trong chân không hay sau khi nung nóng. Khi này hệ số ma sát giữa 2 kim loại có thể đạt tới f = 1 - 1,5. Tiếp xúc trực tiếp kim loại - kim loại tạo ra liên kết vững chắc ở đỉnh nhấp nhô làm tăng hệ số ma sát, mòn và có thể dẫn tới hiện tượng kẹt (seizure).
Hiện tượng tương tự cũng được quan sát ở các vật liệu khác. Kim cương-kim cương có hệ số ma sát tĩnh trong không khí f = 0,05 nhưng trong chân không hệ số này tăng tới 0,5. Hệ số ma sát thấp của graphite với vật liệu khác không chỉ do cấu trúc lớp của graphite mà còn do tác
dụng của lớp hấp thụ bề mặt gồm khí và hơi nước. Khi độ ẩm của không khí thay đổi hệ số ma sát của graphite thay đổi từ 0,06 tới 1 hệ số ma sát của vật liệu trên băng chỉ khoảng 0,3 ở áp suất và nhiệt độ chuyển biến pha băng - nước. Nhưng ở nhiệt độ -40oC hệ số ma sát tăng đến 0,7 - 1,2.
Thực chất bôi trơn là một phương pháp chủ động tạo ra các lớp bề mặt mới nhằm giảm ma sát. Nói chung ma sát giữa hai bề mặt phụ thuộc nhiều vào sự tồn tại của các lớp bề mặt được sinh ra một cách tự nhiên hay thông qua công nghệ hiện đại.
Trong chuyển động tương đối giữa hai bề mặt, nhiệt sinh ra ở vùng bề mặt làm tăng nhiệt độ ở vùng này ngay cả khi tải trọng và vận tốc trượt tương đối thấp. Nhiệt do ma sát phân bố đều trên toàn vùng tiếp xúc nhưng lại tập trung ở các đỉnh nhấp nhô, ở đây nhiệt độ có thể đạt tới nhiệt độ nóng chảy của vật liệu gây ra sự thay đổi cấu trúc cục bộ, ứng suất dư, tại nên các mối hàn cục bộ có thể dẫn đến Seizure. Nhiệt độ bề mặt phụ thuộc vào tải trọng, vận tốc trượt, hệ số dẫn nhiệt, và hệ ma sát là một quá trình tự tăng tốc. Hiện tượng phát nhiệt do ma sát đôi khi có lợi vì nó giúp cho việc tạo ra một bề mặt có độ nhẵn cao như trong quá trình đánh bóng sử dụng hạt mài. Ngoài khả năng giảm ma sát và mòn các lớp bề mặt còn đóng vai trò tăng khả năng chống ăn mòn.
1.2. Khả năng chống ăn mòn của các lớp bề mặt
Trong nhiều trường hợp các lớp bề mặt phải có khả năng chống lại ăn mòn, trong các điều kiện cụ thể vì ăn mòn thúc đẩy các cơ chế mòn khác cũng như phá huỷ bề mặt do mỏi. Nói chung các lớp bề mặt phải có khả năng chống lại ăn mòn hoá và điện hoá bao gồm ăn mòn mỏi (kết hợp của môi trường ăn mòn và ứng suất thay đổi) ăn mòn ứng suất (kết hợp của môi trường ăn mòn và ứng suất tĩnh) và ăn mòn biên giới hạt (cộng thêm với tác dụng của ứng suất tĩnh và thay đổi).
Thành phần hoá học của lớp bề mặt có ảnh hưởng quyết định tới mức độ ăn mòn của thép. Các thành phần hợp kim như lưu huỳnh và phốt pho làm tăng, trong khi Cr, Ni, Mn, Cu, Mo, Al làm chậm tốc độ ăn mòn ở khí quyển.
Độ nhám bề mặt có ảnh hưởng quan trọng đến ăn mòn. Độ nhám bề
mặt càng thấp khả năng chống ăn mòn càng cao.
Cấu trúc lớp bề mặt cũng ảnh hưởng đến mức độ mòn do ăn mòn.
Mactensit có khả năng chống lại ăn mòn trong axit tốt hơn ferít và peclít. Cấu trúc vô định hình có khả năng chống ăn mòn tốt.
Biến cứng nguội làm giảm khả năng chống ăn mòn của vật liệu. Với thép 5% - 10% biến cứng là giá trị giới hạn và từ giá trị này khả năng chống ăn mòn giảm đáng kể.
Độ cứng không có ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn.
Ứng suất trong lớp bề mặt kể cả ứng suất dư có ảnh hưởng tới khả năng chống ăn mòn. Ứng suất dư nén không có hại thậm trí còn cải thiện chút ít khả năng chống ăn mòn. Ứng suất dư kéo và ứng suất kéo do ngoại lực giảm đáng kể khả năng chống ăn mòn. Ăn mòn do ứng suất làm cho kim loại bị nứt.
Tóm lại, lớp bề mặt đóng vai trò kỹ thuật thống trị để tăng tuổi thọ của các chi tiết máy, dụng cụ làm việc trong điều kiện tải trọng ma sát, mỏi, thậm trí trong các môi trường ăn mòn.
Sau đây một số biện pháp công nghệ bề mặt tiên tiến thường sử dụng trong công nghiệp nhằm giảm ma sát và mòn trong các cặp đôi ma sát sẽ được đề cập.