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1、金属表面改性方法- 离子注入技术( 材料加工 - 铸造一班訾凌君 11S009103) 摘要：系统介绍了金属表面改性用离子注入的机理和特点剖析了温度、注入剂量、离子种类等影响因子对改性层效果的影响，综述了该技术在提高强度和硬度、改善磨损性能、降低摩擦系数等方面的用途，展示了离子注入技术的开发方向和应用前景。关键词：表面改性；离子注入；应用；Abstract: mechanism and characteristic of ion implantation using for improvement of surface properties of metallic materials are
2、described systematically. Anatomy genes such as temperature, dosage and the kind of ion infection on improved layer, its applications such as enhancing hardness and strength。 improving wear resistance reducing friction modulus have been reviewed, so as to indicate the direction of development and wi
3、de range of its use. Keywords:ion implantation 。improvement of surface property of metallic materials application. 1、前言现代科技的高速发展，对金属材料表面性能( 抗磨损、抗腐蚀、抗疲劳等)的要求日益提高，特别是高负荷、高转速、高寿命、耐高温、低损耗金属零部件的迫切需求，广泛采用最近发展的金属表面处理技术及工艺( 抛光 、电刷镀、化学镀复合镀层、热喷涂、激光表面强化、气相沉积、等离子体渗氮、渗碳、渗硼及金属修补胶和薄膜性保护技术)虽然在各自领域发挥着重要作用,但都存在一定的缺点和
4、局限性，因而使得离子注人技术应运而生。离子注人早期研究的是对金属材料的磨擦和显微硬度的影响，后来转向对金属滑动性能的研究, 其结果都成功地实现了工业应用。近十几年来，离子注人在金属和半导体材料的研究和应用发展迅速，并且已扩展到绝缘材料和聚合物方面。离子注人金属表面改性，可以使金属材料表面陶瓷化和金刚石化，使其披上一层十分坚固的盔甲1。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 10 页常用注人原子2有: 碳、氮、氧、硼、氦、磷、铁、铝、锌、钴、锡 、镍等，注人原子原则上可以是元素周期表中的任何元素；被注人基体原则上可以是任何材料；离
5、子注人将引起金属表层的成分和结构的变化以及原子环境和电子组态等微观状态的扰动，因此导致金属各种物理、化学、机械性能的变化。主要包括 3 个方面3改善物理性能 : 例如改善材料表面的电磁学及光学性能，提高超导的转变温度等；(2) 改变化学性能：抗腐蚀、抗氧化性能； (3) 机械性能：表面的摩擦系数，提高表面硬度和抗磨损能力，改善材料的疲劳性能等。2、离子注入金属表面改性机理高速离子注入金属后，与金属中的原子、电子发生弹性碰撞( 离子能量较低) 、 非弹性碰撞 ( 离子能量较高 ) ，逐渐把离子的动能传递给反冲原子和电子，完成能量的传递和沉积；如果晶格原子从碰撞中获得足够的能量(大于移位阀功，即克
6、服断键能和克服势垒做功之和) ，则被撞击原子将越过势垒而离开晶格位置进入原子间隙成为间隙原子；如果反冲原子获得的反冲能量远远超过移位阀功，它会继续与晶格原子碰撞，产生新的反冲原子，发生“级联碰撞”。在级联碰撞中，金属原来的晶格位置上会出现许多“空位”，形成辐射损伤4即损伤强化；离子注入金属表面后，有助于析出金属化合物和合金相、形成离散强化相、位错网；灵活地引入各种强化因子，即掺杂强化和固溶强化。通过离子注入，减少粘着和互扩散，增强氧化膜、提高润滑性。图 1 离子注入机示意图离子注入就是从离子源发出的离子经过加速极加速到一定的能量，由磁分析器进行离子选择，然后通过聚焦、扫描，最后打到靶片上。上图
7、1 是一 个离子注入机的示意图。离子或粒子的能量不同，打到靶片上会产生不同的效应。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 10 页如下图 2 所示。对于金属中的离子注入，其离子的能量要大于10kev。金属中的离子注入具有许多其它方法无法比拟的优点。离子注入法与热扩散法不同，它不依赖于固溶度和热扩散系数，可以在室温下注入, 可以注入任何一种元素。离子注入深度和剂量可以精确地进行控制，这样就可以重复地进行注入。注入的离子与金属基体有机地熔合在一起，注入层与未注入层没有严格的界限，不会产生如同薄膜脱落的现象。图 2 表面效应与粒子（离
8、子）能量的关系3、离子注入技术在金属表面改性中的应用3.1 提高材料的强度和硬度强度和硬度是金属表面改性的重要研究参数。大量的实验和研究表明：离子注入可以不同程度的提高金属材料表面的强度和硬度；金属表面的硬度和强度随着注入剂量的增加而增加。当金属中注入碳、氮、氧和磷等非金属元素时，可在金属中析出碳化物、氮化物、磷化物等弥散相和超硬相, 在近表面形成TiC / TiN,Fe2Ti, Fe2N和 Fe2C ，表面洛氏硬度得到提高，将Zr 和 V 离子注入Al 膜可以在Al 膜表面层形成金属化合物DO23 -Al3Zr ,Li2-Al3Zr,Al10V 和精选学习资料 - - - - - - - -
9、 - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 10 页Al3V。注入剂量分别为： 51017 ions/cm2和 31017 ions/cm2。使表面的硬度和弹性模量显著提高5表 1 是 N注入后金属的硬度增加量。表 1 N+注入后金属硬度的增加量表 2 离子注入提高金属样品的疲劳寿命3.2 提高抗磨损、抗腐蚀、抗氧化及抗疲劳能力早在 1957 年，波维尔就提出材料磨损机制分为四类：粘着、磨粒、腐蚀和表面断裂磨损。通常认为离子注入使基体相晶面间距增大，产生晶格畸变和形成新的强化相，是材料硬度和耐磨性提高的主要原因。常采用 N、Cr 、Te 、Mo 等离子注入来提高金属材料的耐磨
10、性和铁合金的表面力学性能；用 T i +N或 Mo +N 注入 9Crl8 试样获得了更高的显微硬度和更好的耐磨性6Ti 和 Ti 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 10 页+Y 离子注入均可使65 钢表面硬度和耐磨性显著提高7不锈钢表面在注入N后，表面形成 N相，硬度和耐磨性有很大提高8钢同时注入 Cr 、N 耐蚀性明显改善9 Ti,Ni 离子注入铝表面 , 注入剂量分别为和 1.5 1018cm-2和 61017cm-2，形成 Ti3Al、NiTi 、 A12O3等合金层 , 其中 Ti 在铝中产生20原子数分数，其深
11、度高达70000A, 磨损率明显降低， H13钢塑料模具注入N 离子后 ,耐磨性和耐腐蚀性提高，注入铝离子钢的抗氧化性提高10、11实验比较如图3，从图中可以看出， 65Nb 钢在离子注入后可以明显改善磨损条件，并且双离子注入大大提高了钢的抗磨损能力。图 3 不同条件下 65Nb钢的磨损实验结果3.3 降低摩擦系数摩擦系数是金属表面性能的一个重要指标。它是描述物体之间相对运动或有相对运动的趋势时产生的一种现象。实验表明：摩擦系数的增减与注入离子的 种类 有关 ； 增 减幅度 与 注入 离子的 剂量和 能 量有 关 。 早 在 1984 年 ，Follstaedt 等将氮离子注入钛合金(Ti-6
12、Al-4V)发现，注入能量200 keV、注精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 10 页入剂量为 31017 ions/cm2情况下，由于形成TiN 等硬质合金相，距表层20nm处硬度提高达 200、距表层 100nm处硬度提高达 100， 摩擦系数从 0.48 降到 0.15 ，磨损率下降两个数量级，现已广泛应用于钛合金人造关节的表面改性上12、13发现 C0 和 Ti 离子注入有很好的润滑作用，可使钢表面的摩擦系数下降 65 ，并能提高HSS钢表面的韧性和弹性，使其具有很好的自修复能力14图 4 所示。结果表明 , 大注
13、入剂量，高注入能量和高靶温的效果更明显，双注入好于单注入。图 4 C0 离子注入 HSS 样品的系数与摩擦次数的关系表 3 离子注入降低摩擦系数的结果精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 10 页4、离子注入金属表面改性的影响因子4.1 注入温度在离子注入过程中，高速离子具有的动能在注入基体后，将转化为热能，使样品温度升高；比如100kev、N+ ，10A /s注入时 , 可 使样品升温100200。试样的温度对注入合金层的结构和性能有重大的影响：(1) 升温往往使注入所得的亚稳态结构 ( 如过饱和固溶体和非晶态) 转变成平衡
14、状态，即进行了退火处理，从而使注入而硬化的表面层发生软化；(2) 加速原子的扩散，使注入层浓度降低。 (3) 存在一个“临界温度”，低于此温度进行注入，温度对混合层的影响较小碰撞作用决定混合量；高于此温度进行注入，混合量随着温度增加而呈指数增加扩散混合起主要作用15对于金属表面改性用离子注入, 一般要求在常温或低温 ( 碰撞起主要作用 )下(如小于100) 进行。应根据应用目的、基体材料、离子种类、离子的能量和质量等条件综合利用温度效应。4.2 注入离子能量和剂量注入离子能量和剂量的调节是通过改变离子注入的电参数实现的，改变离子源和加速器能量，可以调整离子注入的浓度和深度。注入元素沿深度x 的
15、浓度分布 N(x) 可用下式计算：eRRRtxNPpxP2)(212)(式中：RP为投影射程，RP为标准偏差，t为注入剂量（单位面积的注入离精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 10 页子数）。上式表明：在其它条件不变的条件下，浓度分布与离子的注入剂量呈线性关系， 一般来说，对于金属材料，注入离子的剂量越大、浓度越大、分布越均匀，表面改性效果就越好。4.3 注入离子的种类早在 1964 年便有人提出“大原子强化”观点：大直径替位原子(如 Y、Sn惰性原子氖、氪、氩、氙 )与间隙原子 ( 如 C 、N) 或空位结合。能形成非球对
16、称的缺陷并与邻近的位错应力的剪切分量强烈作用而起强化作用16重要的强化机理主要包括4 种类型17强化、位错强化、晶界与晶面强化和析出强化，其中由位错强化造成的强化增量d与位错密度 p 如下关系1821Gbd式中： G 为金属的切变弹性模量b 为位错的柏氏矢量 为强化系数；如用高能离子 C+或 N +入和 T8 和 T10表面后，位错密度达到1012条/cm2可知, 强化相对增量为 9。离子强化原则18(1) 选择原子半径大的注入离子在合适温度下尽量吸附在位错上；（ 2）注入间隙原子如C+、N +或 O+以有利于形成各种复杂的化合物 ， 从而形成弥散强化；（ 3）利用晶体结构差异，在体心立方点阵
17、的基体中注入有利于形成面心立方或密排六方结构相的各种离子，反之亦然。5、离子注入技术的优点离子注入是一个非平衡过程，注入元素不受扩散系数、固溶度和平衡相图的限制，理论上可将任何元素注入到任何基体材料中去。注入层与基体之间没有界面，系冶金结合，改性层和基体之间结合强度高、附着性好。高能离子的强行射入工件表面，导致大量间隙原子、空位和位错产生，故使表面强化，疲劳寿命提高。离子注入是在高真空和较低的工艺温度下进行，因此工件不产生氧化脱碳现象，也没有明显的尺寸变化，故适宜工件的最后表面处理。因此离子注入技术有以下优点：（1）它是一种纯净的无公害的表面处理技术；精选学习资料 - - - - - - -
18、- - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 10 页（2）无需热激活，无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；（3）离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学相互作用而形成的一个新表面层，它与基体之间不存在剥落问题；（4）离子注入后无需再进行机械加工和热处理。6、结论与展望离子注人属原子级表面加工技术。其改性效果明显、效率高、可控性和可操作性强、无污染等优点逐渐显出强大的生命力和优势。离工业化、产业化道路还有一段距离 (1) 从注人离子与金属表面相互作用的物理化学与冶金规律出发，探讨注入工艺参数对表面改性层结构和性能的影响规律；（2）改性层厚度，
19、探讨注人层厚度增长动力学、热力学影响因素；（3)实现多元注入、高能注入、能量重叠注人。（4）加大研究与开发力度，使离子注人这一新型表面改性技术多领域、多功能、多形式的应用。参考文献1 窦光宇离子注入显神奇材料披上新盔甲J 金属世界 , 2001.(5). 2 汤宝寅等离子体源离子注入(1) 原理和技术 J 物理， 1994，3 (1) ：4145.3BllSJ High .ion implantation of cermics:benefits and limitations for tribiology j,journal of materials science ,1988,23:4217
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