第9章高能束表面改性技术-用概述.ppt

9.3.3 离子注入的特征 可注入任何元素，且不受固溶体和扩散系数的影响 离子注入温度和注入后的温度可任意控制，且在真空中进行，不氧化，不变形，不发生退火软化，表面粗糙度一般无变化，可作为最终工艺 可控性好重复性好 可获得两层或两层以上性能不同的复合材料，复合层不易脱落；注入层薄，工件尺寸基本不变 提高抗疲劳性能 设备造价高，对于复杂的和有内孔的零件不能进行离子注入，应用不广泛 * 9.3.4离子注入表面改性的机理 提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳强度 硬度、耐磨性 固溶强化效应：间隙原子和置换原子的固溶强化 弥散强化效应：注入非金属元素形成各种氮化物、碳化物、硼化物等弥散相 晶格损伤效应：碰撞产生大量晶格损伤和位错，以及位错钉扎 晶粒细化效应：离子轰击导致晶粒细化，阻碍位错运动 晶格变换效应：晶体结构转换，形成新材料 疲劳性能 高损伤缺陷阻止了位错的移动 喷丸强化作用：更多离子加入近表面区域，使表面产生压应力，抑制裂纹的产生 提高材料抗氧化性能 注入元素在晶界富集，阻塞了氧的短程扩散通道，防止氧进一步向内扩散 形成之谜的氧化物阻挡层 改善氧化物的塑性，减少氧化产生的应力，防止氧化膜开裂 注入元素进入氧化膜后改变了膜的导电性，抑制阳离子向外扩散，从而降低氧化速率 提高材料表面耐腐蚀性能 形成致密的氧化膜，改变表面电化学性能，提高耐蚀性 形成表面合金、亚稳相合金、非晶态合金 离子注入的优点： 可得到用其它方法得不到的新合金相 离子注入层与基体结合牢固 对注入元素的数量可控性、重复性好 工件表面无形变、无氧化 通过磁分析器分析注入束，可获得纯的离子束流 离子注入的直进性特别适宜集成电路微细加工的技术要求 周期表上的任何元素，都可注入任何基体材料； 离子注入的缺点 对金属离子的注入还受到较大的局限 注入层薄 一些特殊物理问题需要解决，如溅射、升温、腐蚀等 设备造价高。 9.3.5离子注入的应用 1、注入冶金学 （1）离子注入金属表面合金化 离子注入改性应用最多的金属材料是钢铁和钛合金，所注入的离子主要有：N+、C+、Ti+、Cr+、Ta+、Mo+、B+、Y+、Ag+等。 1）辐照损伤强化 2）固溶强化 3）沉淀强化 4）非晶态化 5）残余压应力 6）表面氧化膜的作用 （2）离子注入用于材料科学研究 1）注入元素位置的测定 2）扩散系数的测定 3）离子注入可增强扩散 4）利用离子注入还可进行相变和相图的研究 * 离子注入的应用 2、离子注入在表面改性中的应用 （1）离子注入在高精度零件上的应用 （2）离子注入在工模具等方面的应用 （3）离子注入在生物医学材料中的应用 （4）离子注入在其他方面的应用 （5）离子注入表面改性技术的发展动向 （1）离子注入在高精度零件上的应用 离子注入可以保持高精度轴承和齿轮的尺寸完整性和表面粗糙度，而且在注入层与基体材料之间不存在明显的界面，从而消除了存在于硬质镀层中的剥离危险 在有润滑条件下，注入钛和碳离子处理的钢表面形成一层氧化层，使滑动表面之间的金属与金属的接触磨损减至最小 对航天飞机发动机的燃料氧化剂涡轮泵轴承进行离子注入处理，大大提高轴承耐咬合磨损性能 离子注入铬、钽或类似物质，在基体表面形成一层钝化膜，提高基体耐腐蚀性 钽离子注入轴承和齿轮，可减少在滑动和咬合情况下不同钢制零件的摩擦和磨损 离子注入电冰箱、洗衣机等的活塞门，在金属表面形成了注入元素的饱和层，提高金属耐大气腐蚀能力 低温下离子注入氢或氚离子，提高韧脆转变温度，改善薄膜的超导性能 钢表面注入氮和稀土，可获得异乎寻常的高耐磨性 用离子沉积法处理的轴承能在重负荷和高温条件下的真空设备中连续运转几百个小时，并明显减少在运转过程中所产生的噪声 * （1）离子注入在高精度零件上的应用 * 离子注入在提高金属材料性能上的应用实例 离子种类 Ti+ + C+ Cr+ Ta++ C+ P+ N+ C+ N+ Mo+ N+ N+ Y+ Ce+ Al+ Ti+ + C+ Cr+ B+ N+ 母材 Fe基 合 金 Fe基 合 金 Fe基 合 金 不 锈 钢 Ti 合 金 Al 合 金 Al 合 金 Zr合 金 硬 铬 层 超 合 金 超 合 金 超 合 金 Be合 金 WC + Co 改善性能 耐磨 耐蚀 抗咬合性 耐蚀 耐磨耐蚀 耐磨脱模能力 耐蚀 硬度、耐磨、耐蚀 硬度 抗氧化性 耐磨 耐蚀 耐磨 耐磨 适用产品 轴承齿轮模具阀 外科手术器械 齿轮 海洋器件、化工装置 人工骨骼、宇航器件 橡胶、塑料模具 宇航、海洋用器件 原子炉构件、化工装置 阀座、搓丝板、移动式起重机 涡轮机叶片 纺丝模口 电池 轴承 工具、刀具 （2）离子注入在工模具等方面的应用 主要应用于如塑料、纸张、合成纤维、软织物等的材料成型、切割和钻孔的工模具 提高其耐磨损能力