第六章_表面改性技术.ppt

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第六章_表面改性技术

6.5.5 离子注入技术的应用 (1)在高精度零件上的应用 最近,在高精度仪器轴承上进行钛、碳离子注 入是提高合金抗咬合磨损的有效方法。离子注入 改善仪器轴承性能的原因是,在界面层润滑条件 下消除了滚珠和滚道之间的粗糙接触及冷焊。在 轴承上的成功应用是离子注入处理的重大突破。 采用离子注入处理技术可以很方便而且低成本地 处理大量尺寸较小的滚珠轴承。将注入钛和碳离 子的不锈钢滚珠与注入铬和氮离子钢滚道对磨, 其耐磨性比没有处理过的钢提高两个数量级。 第六章 表面改性新技术 6.5.5 离子注入技术的应用 (1)在高精度零件上的应用 在滑动和胶合磨损情况下,注入钽离子可以减 少不同钢制零件的摩擦和磨损。美国已将注入钽 离子的齿轮应用于气轮机的压缩机和直升飞机发 动机的传动系统。 英国某公司对在腐蚀磨损工况下工作的喷油嘴 进行Ti+和B+的注入,在工作8000h之后,其孔径 增加仅为30~50μm,而未注入的喷油嘴孔径, 在使用3000h之后就扩大了1000μm。 第六章 表面改性新技术 6.5.5 离子注入技术的应用 (2)在工模具上的应用 离子注入处理已广泛应用于工模具的表面处 理,在这方面大多数成功的例子是用于塑料、 纸张、合成纤维、软织物等材料成型、切割和 钻孔的工模具。这些工模具都遭受到适度的粘 着和磨粒磨损,某些情况下还会由于腐蚀而加 速磨损过程。这种类型的工模具包括用于高品 质穿孔和聚合物板切割的高速钢冲模、塑料和 纸张印痕切割滚刀等。 第六章 表面改性新技术 6.5.5 离子注入技术的应用 (2)在工模具上的应用 氮离子注入处理用于冲制或压制热轧钢和奥 氏体不锈钢的高速钢冲头和模具,可以增加它 们的使用寿命10~12倍。 第六章 表面改性新技术 6.5.5 离子注入技术的应用 (3)在生物医学材料上的应用 在矫形医学领域内,离子注入法对减少钛基全 关节取代物的磨损非常有效,其优越的耐磨性是 由于增加了钛合金的硬度以及钛合金表面所生成 的氧化物、氮化物、碳化物所引起的。 氮离子的注入可使得钛合金的摩擦系数从0.49 减至0.15,大量以钛为基础的人造关节、腕、 肩、手指和脚趾,通常都是用离子注入法进行处 理的。 第六章 表面改性新技术 6.5.5 离子注入技术的应用 新一代矫形植入物是用具有生物兼溶性的Ti -6Al-4V合金制造的,这种合金和传统的Co -Cr-Mo合金相比,有较优越的耐磨性和耐 疲劳性,其弹性模量也较低,它能为骨骼提供 较好的配合。在全关节取代物中,N+离子注 入Ti-6Al-4V合金在耐磨损方面的改进对矫 形医学的推广有着重大的意义。 第六章 表面改性新技术 6.5 离子注入技术 离子注入是将某一需要注入的化学元素的 原子经电离后变成离子,并将其在电场中加 速,获得较高的动能后注入到固体材料表 面,以改变该材料表面的物理、化学或机械 性能的一种技术。在离子注入过程中,具有 一定动能的离子射入固体后,就与固体表层 内的原子核和电子发生随机碰撞。 第六章 表面改性新技术 6.5离子注入技术 碰撞过程中,离子不断消耗其能量,离子的 运动方向不断改变。经过一段碰撞过程后,离 子的能量耗尽,就在固体表层内某一部位停留 下来,达到的表面改性的效果。 离子注入技术首先应用于半导体材料。该技 术使大规模集成电路的研究和生产获得了极大 的成功。70年代以后才开始用于金属材料的表 面改质。 第六章 表面改性新技术 6.5.1离子注入的基本原理及注入过程 离子注入的过程是将需要注入的元素在离 子源中进行离子化,以数千伏的电压把形成 的离子引入质量分析器,在质量分析器中把 具有一定荷质比的离子筛选出来,并导入加 速系统,在数千伏到数百千伏的加速电压作 用下,高能离子在扫描电场作用下,可在材 料表面纵横扫描,从而实现高能离子对材料 表面的均匀注入。 第六章 表面改性新技术 6.5.2离子注入改性的机理 离子注入金属后能显著地提高其表面硬 度、耐磨性、抗蚀性、抗氧化性和疲劳寿命 等,基本改性机理如下: 1.损伤强化作用 具有高能量的离子注入金属表面后,将和 基体金属离子发生碰撞,从而使晶格大量损 伤。所产生的大量空位在注入热效应作用下 会集结在位错周围,对位错产生钉扎作用而 把该区强化。 第六章 表面改性新技术 6.5.2离子注入改性的机理 2.固溶强化 该强化效果主要体现在像C,N这类小尺寸 原子半径的间隙原子的注入上,被注入到零 件表面的C,N原子往往以间隙的方式固溶于 晶体的晶格间隙中,产生强烈的晶格畸变, 从而使材料的变形抗力

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