离子注入对金属材料改性

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1、离子注入材料表面改性的研究方法【摘要】本文论述了离子注入材料表面改性的特点和发展应用，阐述了离子注入材料表面改性的机理。大量研究表明，离子注入通过改变材料表面和界面的物理化学特性及微观结构，能够显著提高材料的抗磨损，抗疲劳，抗腐蚀，抗氧化特性。离子注入不仅可以提高材料表面性能，延长材料使用寿命，还可以节约贵金属资源，具有很好的经济效益和应用前景。【关键词】离子注入技术；材料表面改性；研究方法1.前言20世纪70年代，离子注入应用于材料表面改性并逐渐发展成一种新颖有效的材料表面改性方法。它是把工作(金属，合金，陶瓷等)放在离子注入机的真空靶室中，通过加高电

2、压，把所需元素的离子注入到工件表层的一种工艺。材料经离子注入后，在其零点几微米的表层中增加注入元素和辐照损伤，从而使材料的物理化学性能发生显著变化。大量实验证实，离子注入能使金属和合金的摩擦因素，耐磨性，抗氧化性，抗腐蚀性，耐疲劳性以及某些材料的超导性能，催化性能，光学性能等发生显著变化，能够大大提高材料的性能和使用寿命。离子注入在工业中应用能取得很好的效益，除延长工件的使用寿命外，还由于离子注入仅用较少量的合金元素，就可以得到较高的表面合金浓度，因而可以节约贵重金属[1]。2.离子注入特点与通常的冶金方法不同，离子注入是用高能量的离子注入来获得表面合金

3、层的，因而有其特点:(1)离子注入是一个非热平衡过程，注入离子的能量很高，可以高出热平衡能量的2-3个数量级。因此，原则上周期表中的任何元素都可以注入任何基体材料。(2)注入元素的种类，能量，剂量均可选择，用这种方法形成的表面合金，不受扩散和溶解度的经典热力学参数的限制，即可得到用其他方法难以获得的新合金相。(3)离子注入层相对基体材料没有明显的界面，因此表面不存在粘附破裂或剥落问题，与基体结合牢固。(4)离子注入可以通过控制注入剂量，注入能量及束流密度来精确控制注入离子的浓度和深度的分布。(5)离子注入一般是在常温真空中进行，加工后的工件表面无形变，无

4、氧化，能保持原有尺寸精度和表面粗糙度，特别适合于高精密部件的最后工序。(6)可以在工件表面层形成压应力，减少表面裂纹。1.离子注入材料表面改性的强化机理离子注入后能显著提高材料表面的硬度、耐磨性、耐疲劳性、抗腐蚀和抗氧化等性能，其改性的机理认为主要有以下几种:(1)辐照损伤强化具有高能量的离子注入材料表面后，将和基体原子发生碰撞，从而使晶格大量损伤。当离子碰撞传递给晶格原子的能量大于晶格原子的结合能时，将使其发生位移，形成空位)间隙原子。一系列的碰撞级联过程，在被撞击的表面层内部产生强辐射损伤区，从而形成大量位错缺陷。(2)固溶强化由于离子注入是非平衡过

5、程，容易得到过饱和固溶体。含有过量注入原子的固体固溶强化效果比较显著。(3)弥散强化由于注入过程中激烈的原子碰撞和靶子温升效应，将会在基体中形成析出相而使基体强化，特别是硬化物析出相硬化效果更佳。如金属注入钢可形成这些金属的铁化物析出相；C，N和B原子注入钢则形成铁的C，N和B硬化物析出相。(4)晶粒细化强化离子注入激烈的碰撞将导致基体中晶粒的细化，晶界是位错移动的障碍，随着晶粒细化所引入的晶界的增加，位错的运动将更加困难，材料的硬度明显提高。(5)非晶强化非晶态金属玻璃中无位错和晶界，因此它具有高效能抗磨损，抗氧化和抗腐蚀性。离子注入可以得到数十种非晶

6、态。(6)优先溅射强化合金中不同合金元素具有不同的结合能，由于溅射系数与结合能成反比，因此在注入过程中结合能弱的合金首先被溅射出来，而结合能高的合金又具有更好的强化特性，因此注入的溅射效应可使表面强化[2]。1.离子注入材料表面改性的应用4.1.离子注入改善摩擦磨损特性英国有研究人员调查了工业界产生机械事故的原因，结果表明其中大多数的事故是由磨损造成的。美国每年因磨损所支付的费用高达200亿美元。可见提高材料表面的抗磨损性能将会具有巨大的经济效益。磨损率强烈的依赖于近表面的机械特性和化学特性，如硬度、疲劳特性、弹性、表面化学稳定性和表面摩擦系数等。离子注

7、入引进的超饱和原子，间隙原子团，空位团和二次析出相对表面抗磨损起了重要作用。氮和碳离子注入可改善许多钢种的抗磨损特性，如普通碳钢，渗钴合金钢，不锈钢和钛合金，其中以钛合金改性效果最好。N注入钛合金可在其表面形成含硬化相TiN和TiC的注入层。轴承是机械上应用最广的易磨损件，因此轴承钢的离子注入研究也最多，一般选用的离子可分为三类:在钢中形成添加物的元素，如C，N，B和P等；合金元素(Ti和Cr等)；抗磨损元素(Mo和Ta等)。离子注入在生物医用材料方面也取得了可喜成果。离子注入钛合金，Co-Cr合金，不锈钢，高分子聚合物和医用陶瓷材料等均能明显提高其耐磨

8、性，减少连接处的摩擦。研究表明，离子注入能够明显改善材料的摩擦系数，提高表面的耐