金属表面改性离注入技术.docx

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金属表面改性离注入技术

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:

mechanismandcharacteristicofionimplantationusingforimprovementofsurfacepropertiesofmetallicmaterialsaredescribedsystematically.Anatomygenessuchastemperature,dosageandthekindofioninfectiononimprovedlayer,itsapplicationssuchasenhancinghardnessandstrength。

improvingwearresistancereducingfrictionmodulushavebeenreviewed,soastoindicatethedirectionofdevelopmentandwiderangeofitsuse.

Keywords:

ionimplantation。

improvementofsurfacepropertyofmetallicmaterialsapplication.

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]。

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Al3V。

注入剂量分别为：

5×1017ions/cm2和3×1017ions/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1N+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[6]Ti和Ti+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γN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6×1017cm-2，形成Ti3Al、NiTi、A12O3等合金层,其中Ti在铝中产生20％原子数分数，其深度高达7000

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-6Al-4V）发现，注入能量200keV、注入剂量为3×1017ions/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4C0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

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+，10ｕA/s注入时,可使样品升温100～200℃。

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的浓度分布N（x）可用下式计算：

式中：

为投影射程，

为标准偏差，

为注入剂量（单位面积的注入离子数）。

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

与位错密度p如下关系[18]

式中：

G为金属的切变弹性模量b为位错的柏氏矢量α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；

（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，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。

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