金屬表面改性-離子注入技術(shù)

1、金屬表面改性方法-離子注入技術(shù)（材料加工-鑄造一班皆凌君 11s009103）摘要：系統(tǒng)介紹了金屬表而改性用離子注入的機理和特點剖析了溫度、注入劑 量、離了種類等影響因了對改性層效果的影響，綜述了該技術(shù)在提高強度和硬度、 改善磨損性能、降低摩擦系數(shù)等方面的用途，展示了離子注入技術(shù)的開發(fā)方向和 應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：表面改性；離子注入；應(yīng)用；abstract： mechanism and characteristic of ion implantation using for improvement of surface properties of metallic materials are de

2、scribed 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 wide

3、 range of its usekeywords： ion implantation; improvement of surface property of metallic materials applicatio n.1、前言現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，對金屬材料表面性能（抗磨損、抗腐蝕、抗疲勞等） 的要求口益提高，特別是高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速、高壽命、耐高溫、低損耗金屬零部件 的迫切 需求，廣泛采用最近發(fā)展的金屬表面處理技術(shù)及工藝（拋光、電刷鍍、 化學(xué)鍍復(fù)合鍍層、熱噴涂、激光表面強化、氣相沉積、等離子休滲氮、滲碳、 滲硼及金屬修補膠和薄膜性保護技術(shù)）雖然在各門領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，但都存 在一定的缺點和

4、局限性，因而使得離子注人技術(shù)應(yīng)運而生。離子注人早期研究的 是對金屬材料的磨擦和顯微硬度的影響，后來轉(zhuǎn)向?qū)饘倩瑒有阅艿难芯?，其結(jié) 果都成功地實現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用。近十幾年來，離子注人在金屬和半導(dǎo)體材料的研究 和應(yīng)用發(fā)展迅速，并且已擴展到絕緣材料和聚合物方面。離子注人金屬表面改 性，可以使金屬材料表面陶瓷化和金剛石化，使其披上一層十分堅固的盔甲。常用注人原了有:碳、氮、氧、硼、氨、磷、鐵、鋁、鋅、鉆、錫、鎳 等，注人原子原則上可以是元索周期表屮的任何元索；被注人基體原則上可以是 任何材料；離子注人將引起金屬表層的成分和結(jié)構(gòu)的變化以及原子環(huán)境和電子組 態(tài)等微觀狀態(tài)的擾動，因此導(dǎo)致金屬各種物理、化學(xué)、機械

5、性能的變化。主要包 括3個方面改善物理性能:例如改善材料表面的電磁學(xué)及光學(xué)性能，提高超導(dǎo) 的轉(zhuǎn)變溫度等；（2）改變化學(xué)性能：抗腐蝕、抗氧化性能；（3）機械性能：表面 的摩擦系數(shù)，提高表面便度和抗磨損能力，改善材料的疲勞性能等。2、離子注入金屬表面改性機理高速離子注入金屬后，與金屬中的原子、電子發(fā)生彈性碰撞（離子能量較 低）、非彈性碰撞（離子能量較高），逐漸把離子的動能傳遞給反沖原子和電 了，完成能量的傳遞和沉積；如杲晶格原了從碰撞中獲得足夠的能量（大于移位 閥功，即克服斷鍵能和克服勢壘做功之和），則被撞擊原子將越過勢壘而離開晶 格位置進入原子間隙成為間隙原子；如果反沖原子獲得的反沖能量遠遠超過

6、移位 閥功，它會繼續(xù)與晶格原子碰撞，產(chǎn)生新的反沖原子，發(fā)生“級聯(lián)碰撞”。在級 聯(lián)碰撞中，金屬原來的品格位置上會出現(xiàn)許多“空位”，形成輻射損傷即損傷 強化；離子注入金屬表面后，有助于析岀金屬化合物和合金相、形成離散強化 相、位錯網(wǎng)；靈活地引入各種強化因子，即摻雜強化和固溶強化。通過離子注 入，減少粘著和互擴散，增強氧化膜、提高潤滑性。圖1離了注入機示意圖離子注入就是從離子源發(fā)出的離子經(jīng)過加速極加速到一定的能量，由磁分析 器進行離子選擇，然后通過聚焦、掃描，最后打到靶片上。上圖1是一個離子 注入機的示意圖。離子或粒子的能量不同，打到靶片上會產(chǎn)生不同的效應(yīng)。如下 圖2所示。對于金屬屮的離子注入，其離

7、子的能量要大于lokevo金屬屮的離子注入具有許多其它方法無法比擬的優(yōu)點。離子注入法與熱擴散法不同，它不依 賴于固溶度和熱擴散系數(shù)，可以在室溫下注入，可以注入任何一種元索。離子注 入深度和劑量可以精確地進行控制，這樣就可以重復(fù)地進行注入。注入的離子與 金屬基體有機地熔合在一起，注入層與未注入層沒有嚴(yán)格的界限，不會產(chǎn)生如同 薄膜脫落的現(xiàn)象。3)ldd/f -注入效應(yīng) lf>k _ 乂ik100idus 子 <#測骯fie?«束沉探真空沉積1圖2表面效應(yīng)與粒子（離子）能量的關(guān)系3、離子注入技術(shù)在金屬表面改性中的應(yīng)用3. 1提高材料的強度和硬度強度和硬度是金屬表面改性的重要研究

8、參數(shù)。大量的實驗和研究表明：離子 注入可以不同程度的提高金屬材料表面的強度和硬度；金屬表面的硬度和強度隨 著注入劑量的增加而增加。當(dāng)金屬屮注入碳、氮、氧和磷等非金屬元素時，可在 金屬中析出碳化物、氮化物、磷化物等彌散相和超硬相，在近表面形成tic /tin, fe2ti, fezn和fezc,表面洛氏硬度得到提高,將zr和v離子注入a1膜可 以在a1膜表面層形成金屬化合物d023 -al3zr ,li2 al3zr ,aliov和ai3vo注入 劑量分別為：5x10,7 ions/cm2和3x l（f ions/c。使表而的碩度和彈性模量顯著提高表1是n注入后金屬的硬度增加量o表1屮注入后金屬

9、硬度的增加量材料相對硬度值注人條件h6a14v硬cr片阿姆柯鐵304不銹鋼12t52100 鋼a12.01.3l81.251.2l04.290kev nj /n*3.5x 1離子/ir?ni表2離子注入提高金屬樣品的疲勞壽命注入離子條件提高疲勞壽命倍數(shù)馬氏體時效,不銹,aisi1080n 退火低碳鋼ntin8-108 101050 1001010ti6a14vc3. 2提高抗磨損、抗腐蝕、抗氧化及抗疲勞能力早在1957年，波維爾就提出材料磨損機制分為四類：粘著、磨粒、腐蝕和表面斷裂磨損。通常認(rèn)為離了注入使基體相晶面間距增大，產(chǎn)生品格畸變和形成 新的強化相，是材料硬度和耐磨性提高的主要原因。常采

10、用n、cr、te、mo等 離子注入來提高金屬材料的耐磨性和鐵合金的表面力學(xué)性能；用ti+n或mo+n 注入9crl8試樣獲得了更高的顯微硬度和更好的耐磨性ti和ti+y離子注入 均可使65鋼表而硬度和耐磨性顯著提高不銹鋼表而在注入n后，表而形成出 和，硬度和耐磨性有很大提高鋼同時注入cr.n耐蝕性明顯改善° ti,ni離 子注入鋁表而，注入劑量分別為 和1.5x1018cm_2和6x1017cm_2,形成ti3al> 0niti、ai2o3等合金層，其中ti在鋁中產(chǎn)生20%原子數(shù)分?jǐn)?shù)，其深度髙達7000 a, 磨損率明顯降低，1113鋼塑料模具注入n離了后，耐磨性和耐腐蝕性提高

11、，注入 鋁離子鋼的抗氧化性提高皿山試驗比較如圖3,從圖中可以看出,65nb鋼在離 子注入后可以明顯改善磨損條件，并且雙離子注入人人提高了鋼的抗磨損能力。102030405060載荷/gzuv趙址坯型(1 1 x 10,7tif/cm2 * 1 x 10ny+ /cm22 1 x 10l7ti+ /cm2; 3 未注入圖3不同條件下65nb鋼的磨損試驗結(jié)果3. 3降低摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)是金屬表面性能的一個重要指標(biāo)。它是描述物體之間相對運動或有 相對運動的趨勢時產(chǎn)生的-種現(xiàn)彖。實驗表明：摩擦系數(shù)的增減與注入離子的種 類有關(guān)；增減幅度與注入離子的劑量和能量有關(guān)。早在1984年，follstaedt等

12、將氮離子注入鈦合金(t1-6a1-4v)發(fā)現(xiàn)，注入能量200 kev、注入劑量為3x10悴 ions/cm2情況下，由于形成tin等便質(zhì)合金相，距表層20nm處硬度提高達200%、 距表層100nm處硬度提高達100%,摩擦系數(shù)從0. 48降到0. 15,磨損率下降兩個數(shù)量級，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于鈦合金人造關(guān)節(jié)的表面改性上仏發(fā)現(xiàn)co和ti離 子注入有很好的潤滑作用，可使鋼表面的摩擦系數(shù)下降65%,并能提高hss鋼 表面的韌性和彈性，使其具有很好的自修復(fù)能力圖4所示。結(jié)果表明，大注入 劑量，高注入能量和高靶溫的效果更明顯，雙注入好于單注入。(co2樣品的注入量為2x 10"cm3co6樣品的

13、注入量為6 x 10ncm-2圖4 co離子注入hss樣品的系數(shù)與摩擦次數(shù)的關(guān)系表3離子注入降低摩擦系數(shù)的結(jié)果基體材料注入離子注入劑量/cm-2(未注入離子)t1-6a1-4vn1.5x10"0.230.38軸承鋼(9310)ta1.0x10 門0.0620.092h13鋼ti3.ox 10”0.280.58h13鋼ti + c3.0 x 10170.200.58en352 鋼sn2.0xl0180.090,244. 離子注入金屬表面改性的影響因子4. 1注入溫度在離子注入過程屮，高速離子具有的動能在注入基體后，將轉(zhuǎn)化為熱能，使 樣品溫度升高;比如lookev、n+, 10ua/s注

14、入時，可 使樣品升溫100200°c。試樣的溫度對注入合金層的結(jié)構(gòu)和性能有重人的影響：（1）升溫往往使注入 所得的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)（如過飽和固溶體和非晶態(tài)）轉(zhuǎn)變成平衡狀態(tài)，即進行了退火 處理，從而使注入而硬化的表面層發(fā)生軟化；（2）加速原子的擴散，使注入層濃 度降低。（3）存在一個“臨界溫度”，低于此溫度進行注入，溫度對混合層的影 響較小碰撞作用決定混合量；髙于此溫度進行注入，混合量隨著溫度增加而呈指 數(shù)增加擴散混合起主要作用"引對于金屬表面改性用離子注入，一般要求在常溫 或低溫（碰撞起主要作用）下（如小于100°c）進行。應(yīng)根據(jù)應(yīng)用口的、基體材料、 離子種類、離子的能

15、量和質(zhì)量等條件綜合利用溫度效應(yīng)。4. 2注入離子能量和劑量注入離子能量和劑量的調(diào)節(jié)是通過改變離子注入的電參數(shù)實現(xiàn)的，改變離子 源和加速器能量，可以調(diào)整離子注入的濃度和深度。注入元素沿深度x的濃度分 布n（x）可用下式計算:n(x)岳brp匕也）e 2叭式中：arp為投影射程，rp為標(biāo)準(zhǔn)偏差，f為注入劑量（單位而積的注入離 子數(shù)）。上式表明：在其它條件不變的條件下，濃度分布與離子的注入劑量呈線性關(guān)系， 一般來說，對于金屬材料，注入離子的劑量越大、濃度越人、分布越均勻，表面 改性效果就越好。4. 3注入離子的種類早在1964年便有人提岀“大原子強化”觀點：大直徑替位原子（如y、sn 惰性原子氛、氟

16、、氮、氟）與間隙原子（如c、n）或空位結(jié)合。能形成非球?qū)ΨQ 的缺陷并與鄰近的位錯應(yīng)力的剪切分量強烈作用而起強化作用i重要的強化機理主要包括4種類型強化、位錯強化、晶界與晶面強化和析出強化，其中 由位錯強化造成的強化增量與位錯密度p如下關(guān)系丄act” = agbp2式中：g為金屬的切變彈性模量b為位錯的柏氏矢量a為強化系數(shù)；如用高 能離了 c*或入和t8和t10表面后，位錯密度達到1（/2條/c可知，強化相對 增量為9。離子強化原則冏（1）選擇原子半徑大的注入離子在合適溫度下盡量吸 附在位錯上；（2）注入間隙原子如cn+或（t以有利于形成各種復(fù)雜的化合物, 從而形成彌散強化；（3）利用晶體結(jié)構(gòu)差

17、異，在體心立方點陣的基體中注入有利 于形成面心立方或密排六方結(jié)構(gòu)相的各種離子，反z亦然。5、離子注入技術(shù)的優(yōu)點離子注入是一個非平衡過程，注入元素不受擴散系數(shù)、固溶度和平衡相圖的 限制，理論上可將任何元素注入到任何基體材料屮去。注入層與基體之間沒有界 面，系冶金結(jié)合，改性層和基體z間結(jié)合強度高、附著性好。高能離了的強行射 入工件表面，導(dǎo)致大量間隙原子、空位和位錯產(chǎn)生，故使表血強化，疲勞壽命提 高。離子注入是在高真空和較低的工藝溫度下進行，因此丁件不產(chǎn)生氧化脫碳現(xiàn) 象，也沒有明顯的尺寸變化，故適宜工件的最后表面處理。因此離子注入技術(shù)有以下優(yōu)點：（1）它是一種純凈的無公害的表面處理技術(shù)；（2）無需熱

18、激活，無需在高溫環(huán)境下進行，因而不會改變工件的外形尺寸和表 面光潔度；（3）離了注入層由離了束與基體表面發(fā)生一系列物理和化學(xué)相互作用而形成的 一個新表面層，它與基體z間不存在剝落問題；（4）離子注入后無需再進行機械加工和熱處理。6、結(jié)論與展望離子注人屬原子級表而加工技術(shù)。其改性效果明顯、效率高、可控性和可操 作性強、無污染等優(yōu)點逐漸顯出強大的生命力和優(yōu)勢。離工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化道路還 有一段距離（1）從注人離子與金屬表面相互作用的物理化學(xué)與冶金規(guī)律岀發(fā)，探 討注入工藝參數(shù)對表面改性層結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律；（2）改性層厚度，探討 注人層厚度增長動力學(xué)、熱力學(xué)影響因索；(3)實現(xiàn)多元注入、高能注入、能量

19、 垂疊沐。(4)加大研究與開發(fā)力度，使離子注人這一新型表面改性技術(shù)多領(lǐng)域、 多功能、多形式的應(yīng)用。參考文獻i 竇光宇.離子注入顯神奇材料披上新盔甲j 金屬世界,2001.(5). 湯寶寅.等離子體源離子注入(1)原理和技術(shù)j 物理，1994, 3(1) :4145.3 b11sj high .ion implantation of cermics:benefits and limitations for tribiology jljournal of materials science ,198&23:42174230.4 王貽華，胡正瓊.離子注入與分析基礎(chǔ)m 北京：航空工業(yè)出版社，1

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