离子注入金属表面改性技术
5页1、摘要 本文综述了金属表面改性离子注入法的机理、特点和应用。并介绍了等离 子体浸没式离子注入(PHI)方法,及其相对于传统方法的特点。Abstract Mecha ni sm, characteristics and applicati on of ion impla ntatio n for surface modification of metals are reviewed in this paper. Besides, a promising ion implantation techniqueplasma immersion ion implantation(PIII) is introduced. Especially, its adva ntages, relative to conven ti onal tech niq ues, are discussed.关键词金属表面改性离子注入等离子体浸没式离子注入Keywords surface modification of metal, plasma immersion ion implantation(PIII), ion
2、 implantation刖言金属材料的表面性能在生产中起到至关重要的作用,特别是有的工作环境 要求材料高负荷、高转速、高寿命、耐高温、低损耗。离子注入技术应运而 生。近几十年来,离子注入在金属和半导体材料的研究、应用发展迅速,并在 向绝缘材料和聚合物领域扩展。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。得到理想的材料表面性能。离子注入金属表面改性的机理高速离子注入金属后,与金属中的原子、电子发生碰撞。如果晶格原子从 碰撞中获得足够的能量,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;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。离子注入技术的特点离子注入技术主要有以下
3、几个特点:1)进入金属晶格的离子浓度不受热力学平衡条件的限制;2)注入是无热过程,可在室温或地温下进行;不引起金属热变形;3)注入离子在基体中与基体原子混合,没有明显的界面,注入层不会像镀层或涂层那样发生脱落现象;4)可以进行新材料的开发;注入离子在基体中进行原子级混合,可以形成固溶体、化合物或新型合金。离子注入技术在表面改性中的应用1. 提高的抗腐蚀性能离子注入时发生的级联碰撞会损伤原有晶格结构,使金属表面由长程有序 变为短程有序,形成非晶态、无晶界的表面层,从而大大提高金属的耐腐蚀性102. 提高表面强度和硬度强度和硬度是金属表面改性的重要研究参数。离子注入可以提高金属材料 表面的强度和硬度。当金属中注入 C、N、O和P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,如TiC/TiN、Fe2Ti、Fe2N和Fe2C等,表面洛氏硬度得到提高2。3. 提高耐磨性通过离子注入技术提高耐磨性能主要有两种机制。(1)通过析出的硬化相 来提高材料表面的屈服强度。当给材料注入像碳、氮这类活性离子可形成细小 的碳化物和氮化物硬化相。随着注入离子数量的增加,这些粒子不断聚集,
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