離子注入對(duì)金屬材料改性

1、離子注入材料表面改性的研究方法【摘要】本文論述了離子注入材料表面改性的特點(diǎn)和發(fā)展應(yīng)用，闡述了離子注入材料表面改性的機(jī)理。大量研究表明，離子注入通過改變材料表面和界面的物理化學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)，能夠顯著提高材料的抗磨損，抗疲勞，抗腐蝕，抗氧化特性。離子注入不僅可以提高材料表面性能，延長(zhǎng)材料使用壽命，還可以節(jié)約貴金屬資源，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景?！娟P(guān)鍵詞】離子注入技術(shù)；材料表面改性；研究方法1.前言20世紀(jì)70年代，離子注入應(yīng)用于材料表

2、面改性并逐漸發(fā)展成一種新穎有效的材料表面改性方法。它是把工作(金屬，合金，陶瓷等)放在離子注入機(jī)的真空靶室中，通過加高電壓，把所需元素的離子注入到工件表層的一種工藝。材料經(jīng)離子注入后，在其零點(diǎn)幾微米的表層中增加注入元素和輻照損傷，從而使材料的物理化學(xué)性能發(fā)生顯著變化。大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，離子注入能使金屬和合金的摩擦因素，耐磨性，抗氧化性，抗腐蝕性，耐疲勞性以及某些材料的超導(dǎo)性能，催化性能，光學(xué)性能等發(fā)生顯著變化，能夠大大提高材料的性能和使用壽

3、命。離子注入在工業(yè)中應(yīng)用能取得很好的效益，除延長(zhǎng)工件的使用壽命外，還由于離子注入僅用較少量的合金元素，就可以得到較高的表面合金濃度，因而可以節(jié)約貴重金屬[1]。2.離子注入特點(diǎn)與通常的冶金方法不同，離子注入是用高能量的離子注入來獲得表面合金層的，因而有其特點(diǎn):(1)離子注入是一個(gè)非熱平衡過程，注入離子的能量很高，可以高出熱平衡能量的23個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，原則上周期表中的任何元素都可以注入任何基體材料。(2)注入元素的種類，能量，劑量均可選

4、擇，用這種方法形成的表面合金，不受擴(kuò)散和溶解度的經(jīng)典熱力學(xué)參數(shù)的限制，即可得到用其他方法難以獲得的新合金相。(3)離子注入層相對(duì)基體材料沒有明顯的界面，因此表面不存在粘附破裂或(6)優(yōu)先濺射強(qiáng)化合金中不同合金元素具有不同的結(jié)合能，由于濺射系數(shù)與結(jié)合能成反比，因此在注入過程中結(jié)合能弱的合金首先被濺射出來，而結(jié)合能高的合金又具有更好的強(qiáng)化特性，因此注入的濺射效應(yīng)可使表面強(qiáng)化[2]。4.離子注入材料表面改性的應(yīng)用4.1.離子注入改善摩擦磨損特

5、性英國(guó)有研究人員調(diào)查了工業(yè)界產(chǎn)生機(jī)械事故的原因，結(jié)果表明其中大多數(shù)的事故是由磨損造成的。美國(guó)每年因磨損所支付的費(fèi)用高達(dá)200億美元?？梢娞岣卟牧媳砻娴目鼓p性能將會(huì)具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。磨損率強(qiáng)烈的依賴于近表面的機(jī)械特性和化學(xué)特性，如硬度、疲勞特性、彈性、表面化學(xué)穩(wěn)定性和表面摩擦系數(shù)等。離子注入引進(jìn)的超飽和原子，間隙原子團(tuán)，空位團(tuán)和二次析出相對(duì)表面抗磨損起了重要作用。氮和碳離子注入可改善許多鋼種的抗磨損特性，如普通碳鋼，滲鈷合金鋼，不銹鋼

6、和鈦合金，其中以鈦合金改性效果最好。N注入鈦合金可在其表面形成含硬化相TiN和TiC的注入層。軸承是機(jī)械上應(yīng)用最廣的易磨損件，因此軸承鋼的離子注入研究也最多，一般選用的離子可分為三類:在鋼中形成添加物的元素，如C，N，B和P等；合金元素(Ti和Cr等)；抗磨損元素(Mo和Ta等)。離子注入在生物醫(yī)用材料方面也取得了可喜成果。離子注入鈦合金，CoCr合金，不銹鋼，高分子聚合物和醫(yī)用陶瓷材料等均能明顯提高其耐磨性，減少連接處的摩擦。研究表明

7、，離子注入能夠明顯改善材料的摩擦系數(shù)，提高表面的耐磨性，其中大注入劑量，高注入能量和高靶溫的效果更明顯，雙注入好于單注入。4.2.離子注入改善抗腐蝕特性為了提高金屬表面耐大氣腐蝕，高溫氧化腐蝕和水溶液腐蝕的能力，可注入比基體材料生成氧化物自由能高的元素，在表面形成致密的氧化膜。離子注入能有效的改善材料表面性能，所以離子注入材料表面改性技術(shù)在提高金屬的耐腐蝕方面有廣泛的應(yīng)用前景。離子注入提高金屬表面抗腐蝕性能有三種情況:(a)在表面形成穩(wěn)