金属表面改性-离子注入技术

1、金属表面改性方法-离子注入技术（材料加工-铸造一班皆凌君 11s009103）摘要：系统介绍了金属表而改性用离子注入的机理和特点剖析了温度、注入剂 量、离了种类等影响因了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 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） 的要求口益提高，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、等离子休渗氮、渗碳、 渗硼及金属修补胶和薄膜性保护技术）虽然在各门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，后來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。近十几年來，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。常用注人原了有:碳、氮、氧、硼、氨、磷、铁、铝、锌、钻、锡、鎳 等，注人原子原则上可以是元索周期表屮的任何元索；被注人基体原则上可以是 任何材料；离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

5、性能的变化。主要包 括3个方面改善物理性能: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，提高表面便度和抗磨损能力，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 了，完成能量的传递和沉积；如杲晶格原了从碰撞中获得足够的能量（大于移位 阀功，即克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

6、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，金属原來的品格位置上会出现许多“空位”，形成辐射损伤即损伤 强化；离子注入金属表面后，有助于析岀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离了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。如下 图2所示。对于金属屮的离子注入，其离

7、子的能量要大于lokevo金属屮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索。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。3)ldd/f -注入效应 lf>k _ 乂ik100idus 子 <#测肮fie?«束沉探真空沉积1图2表面效应与粒子（离子）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

8、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。当金属屮注入碳、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, fezn和fezc,表面洛氏硬度得到提高,将zr和v离子注入a1膜可 以在a1膜表面层形成金属化合物d023 -al3zr ,li2 al3zr ,aliov和ai3vo注入 剂量分别为：5x10,7 ions/cm2和3x l（f ions/c。使表而的硕度和弹性模量显著提高表1是n注入后金属的硬度增加量o表1屮注入后金属

9、硬度的增加量材料相对硬度值注人条件h6a14v硬cr片阿姆柯铁304不锈钢12t52100 钢a12.01.3l81.251.2l04.290kev nj /n*3.5x 1离子/ir?ni表2离子注入提高金属样品的疲劳寿命注入离子条件提高疲劳寿命倍数马氏体时效,不锈,aisi1080n 退火低碳钢ntin8-108 101050 1001010ti6a14vc3. 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。通常认为离了注入使基体相晶面间距增大，产生品格畸变和形成 新的强化相，是材料硬度和耐磨性提高的主要原因。常采

10、用n、cr、te、mo等 离子注入来提高金属材料的耐磨性和铁合金的表面力学性能；用ti+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ti和ti+y离子注入 均可使65钢表而硬度和耐磨性显著提高不锈钢表而在注入n后，表而形成出 和，硬度和耐磨性有很大提高钢同时注入cr.n耐蚀性明显改善° ti,ni离 子注入铝表而，注入剂量分别为 和1.5x1018cm_2和6x1017cm_2,形成ti3al> 0niti、ai2o3等合金层，其中ti在铝中产生20%原子数分数，其深度髙达7000 a, 磨损率明显降低，1113钢塑料模具注入n离了后，耐磨性和耐腐蚀性提高

11、，注入 铝离子钢的抗氧化性提高皿山试验比较如图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，并且双离子注入人人提高了钢的抗磨损能力。102030405060载荷/gzuv赵址坯型(1 1 x 10,7tif/cm2 * 1 x 10ny+ /cm22 1 x 10l7ti+ /cm2; 3 未注入图3不同条件下65nb钢的磨损试验结果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-种现彖。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

12、将氮离子注入钛合金(t1-6a1-4v)发现，注入能量200 kev、注入剂量为3x10悴 ions/cm2情况下，由于形成tin等便质合金相，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仏发现co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图4所示。结果表明，大注入 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。(co2样品的注入量为2x 10"cm3co6样品的

13、注入量为6 x 10ncm-2图4 co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基体材料注入离子注入剂量/cm-2(未注入离子)t1-6a1-4vn1.5x10"0.230.38轴承钢(9310)ta1.0x10 门0.0620.092h13钢ti3.ox 10”0.280.58h13钢ti + c3.0 x 10170.200.58en352 钢sn2.0xl0180.090,244. 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屮，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lookev、n+, 10ua/s注

14、入时，可 使样品升温100200°c。试样的温度对注入合金层的结构和性能有重人的影响：（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；髙于此温度进行注入，混合量随着温度增加而呈指 数增加扩散混合起主要作用"引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°c）进行。应根据应用口的、基体材料、 离子种类、离子的能

15、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的浓度分 布n（x）可用下式计算:n(x)岳brp匕也）e 2叭式中：arp为投影射程，rp为标准偏差，f为注入剂量（单位而积的注入离 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、浓度越人、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年便有人提岀“大原子强化”观点：大直径替位原子（如y、sn 惰性原子氛、氟

16、、氮、氟）与间隙原子（如c、n）或空位结合。能形成非球对称 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i重要的强化机理主要包括4种类型强化、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与位错密度p如下关系丄act” = agbp2式中：g为金属的切变弹性模量b为位错的柏氏矢量a为强化系数；如用高 能离了 c*或入和t8和t10表面后，位错密度达到1（/2条/c可知，强化相对 增量为9。离子强化原则冏（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cn+或（t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

17、异，在体心立方点阵的基体中注入有利 于形成面心立方或密排六方结构相的各种离子，反z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屮去。注入层与基体之间没有界 面，系冶金结合，改性层和基体z间结合强度高、附着性好。高能离了的强行射 入工件表面，导致大量间隙原子、空位和位错产生，故使表血强化，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，因此丁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；（2）无需热

18、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）离了注入层由离了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z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而加工技术。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岀发，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，探讨 注人层厚度增长动力学、热力学影响因索；(3)实现多元注入、高能注入、能量

19、 垂叠沐。(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i 窦光宇.离子注入显神奇材料披上新盔甲j 金属世界,2001.(5). 汤宝寅.等离子体源离子注入(1)原理和技术j 物理，1994, 3(1) :4145.3 b11sj high .ion implantation of cermics:benefits and limitations for tribiology jljournal of materials science ,198&23:42174230.4 王贻华，胡正琼.离子注入与分析基础m 北京：航空工业出版社，1

20、992.5 苗伟，陶琨，李彬等错、锐离子注入铝形成金属间化合物j.真空科学 与技术，2001 21(4)： 269272 .6 汤宝寅，曾照明.9cn8轴承钢的金属离了加氮离了复合注入处理新工艺j中国表面工程,2000, 7, 2428.7 黄拿灿，许承惠n, y离子注入65nb钢的表面优化j.金属学报，2000 , 36(6)： 634637 8 mahdis, camelr. nitriding of auatenitic atainless steels using plas ma immeraion ion implantation j. sllrfltee and coationgstechnology, 199&00:72.9 nilvonen jp, ruck d. corrosion resistance of ncr ,