金属表面改性-离子注入技术

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: mechanism and characteristic of ion implantation using for improvement of surface properties of metallic materials are 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 wide 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A l3V。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[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