1
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
2
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
3
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
4
第六章 表面改性新技术
5
第六章 表面改性新技术
6
第六章 表面改性新技术
7
第六章 表面改性新技术
8
第六章 表面改性新技术
9
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
10
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增加。
第六章 表面改性新技术
11
6.5.2离子注入改性的机理
3．沉淀强化注入元素（如 N,B）固溶于表层的基体内，使基体过饱和程度增加，达到某一限度后，基体内的溶质元素将以某种化合物的形式沉淀出来，形成 Fe4N,Fe3N,CrN,TiN
等氮化物它们呈星点状镶嵌于材料中，构成硬质合金弥散相，使基体强化。
第六章 表面改性新技术
12
6.5.2离子注入改性的机理
4．喷丸强化作用高速离子轰击基体表面，也有类似于喷丸强化的冷加工硬化作用。离子注入处理能把
20%～ 50%的材料加入近表面区，使表面成为压缩状态。这种压缩应力能起到填实表面裂纹和降低微粒从表面上剥落的作用，从而提高抗磨损能力。
第六章 表面改性新技术
13
6.5.2离子注入改性的机理
5．使表面氧化膜增厚由于离子注入产生的撞击使被注表面的温度提高,同时,离子束的辐照引起原子的扩散增加,从而使金属表面在空气中已经形成的氧化膜增厚,往往有些经离子注入的钢试样表面形成一层较厚的深蓝色的 Fe3O4膜,该氧化膜致密,与钢表面有很强的结合力,是优良的抗腐蚀保护膜 。 该类还可显著降低摩擦系数。
第六章 表面改性新技术
14
6.5.2离子注入改性的机理
6．产生表面污染膜在离子注入过程中，离子注入机真空系统中的油蒸气经辐射分解，并经离子反冲注入样品，使样品近表面层的碳含量增高，在样品表面形成一层棕褐色的碳污染膜。近来一些试验证明，当碳污染膜的结构为非晶态相时，其抗腐蚀性将明显提高。
第六章 表面改性新技术
15
6.5.2离子注入改性的机理
7．使表面产生钝化膜在钢表面注入易产生钝化膜的元素，如铬、
铝、硅、钽等，使注入后的材料表面产生一层注入元素和氧的化合物膜，从而使表面钝化而提高抗腐蚀性。
8．产生表面惰性层在材料表面注入惰性元素，如铜、镍等，在表面形成一层抗腐蚀性较强的惰性表层，使表层化学稳定性提高，增加抗腐蚀性。
第六章 表面改性新技术
16
6.5.2离子注入改性的机理
9．形成非晶态结构采用重离子以较大的能量对金属表面进行注入,打乱表层中的原子有序排列结构,在表面形成一层非晶态层 。 由于非晶态中无晶界等缺陷,
微电池数大大下降，抗腐蚀性明显增加。
10．产生单相结构表层采用离子注入，可以在表层中获得单相的固溶体。由于单相结构避免了异相之间的电极电位差存在，因而具有优良的抗电化学腐蚀的性能。
第六章 表面改性新技术
17
6.5.3离子注入技术的特点
（ 1） 离子注入是一个非热平衡过程,注入离子的能量很高,可以高出热平衡能量的 2～ 3
个数量级 。 因此,原则上讲,周期表上的任何元素，都可注入任何基体材料。
（ 2） 注入元素的种类,能量,剂量均可选择,用这种方法形成的表面合金,不受扩散和溶解度的经典热力学参数的限制,即可得到用其它方法得不到的新合金。
第六章 表面改性新技术
18
6.5.3离子注入技术的特点
（ 3） 离子注入层相对于基体材料没有边缘清晰的界面,因此表面不存在粘附破裂或剥落问题,
与基体结合牢固。
（ 4） 离子注入控制电参量,故易于精确控制注入离子的浓度分布,此分布也可以通过改变注入能量加以控制。
（ 5） 离子注入一般是在常温真空中进行,加工后的工件表面无形变,无氧化,能保持原有尺寸精度和表面粗糙度,特别适于高精密部件的最后工艺。
第六章 表面改性新技术
19
6.5.3离子注入技术的特点
（ 6） 可有选择地改变基体材料的表面能量
（湿润性），并在表面内形成压应力。
缺点：设备昂贵,成本较高 。 故目前主要用于重要的精密关键部件 。 另外,离子注入层较薄,如十万电子伏的氮离子注入 GCr15钢中的平均深度仅为 0.1μm,这就限制了它的应用范围 。 离子注入不能用来处理具有复杂凹腔表面的零件 。 并且,离子注入零件要在真空室中处理，受到真空室尺寸的限制。
第六章 表面改性新技术
20
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响一、改善材料的摩擦学性能
1．降低摩擦系数注入离子可降低摩擦系数，主要原因
（ 1）注入环境下氧化膜更易生成。
（ 2）高能离子与晶格原子发生碰撞后，引起大量原子从原来的点阵位置上离开，从而导致高度畸变，有时呈非晶态结构，因此，材料表面摩擦系数减小。
第六章 表面改性新技术
21
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响一、改善材料的摩擦学性能
（ 3）在零件表面注入一些减磨元素如 Pb+，
Ag+,Sn+,N+,S +等，可以明显降低零件接触表面的粘着倾向，例如,N+注入可以使
Ti6Al4V的摩擦系数从 0.4下降到约 0.15，磨损率减小 500倍。
第六章 表面改性新技术
22
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响一、改善材料的摩擦学性能
2．提高表面耐磨性在材料亚表面注入间隙元素离子,如 B+，
C+和 N+,当注入剂量超过 1017离子 /cm2时,减磨效果十分显著 。 钢中注入轻元素离子会提高磨损抗力的主要原因是,这些元素具有偏析特性,即使在室温下也会在位错处偏析,偏析的原子阻碍了位错的运动,使表面硬化,从而提高了耐磨性。
第六章 表面改性新技术
23
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响一、改善材料的摩擦学性能
AISI52100轴承钢注入高浓度 Ti或同时注入
Ti和 C之后，摩擦磨损可明显降低。利用各种表面分析技术发现，在表面区域存在一个 Ti－
C－ Fe非晶组织。这种非晶碳化物表面的耐磨抗力比低磨损材料马氏体基合金的耐磨抗力高
5～ 6倍。因此，注入 Ti和 C是提高合金耐咬合磨损性能的有效方法。
第六章 表面改性新技术
24
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响二、改善材料的抗氧化性能离子注入对金属热氧化有很大影响，能把某些纯金属氧化物厚度减小 10倍，并能提高某些高温合金的长期抗氧化能力。离子注入减小化速率的原因有：
（ 1）影响薄氧化层中的空间电荷分布；
（ 2）产生具有较缓慢的离子扩散速度的结晶相；
第六章 表面改性新技术
25
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响二、改善材料的抗氧化性能
（ 3）减小氧化物中短路一扩散路径的密度；
（ 4）阻止氧化物破裂，如减小应力引起的氧化或提高氧化物的机械强度。
在纯铁试样上沉积 Si膜，在 500℃ 下，用
Ar+离子轰击，使 Si溶于 Fe中。经这样离子束混合，明显地改善了铁在 600℃ 的抗氧化性，
氧化速率常常减小 2500倍。
第六章 表面改性新技术
26
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响二、改善材料的抗氧化性能用 Y+,Ce+注入 Fe－ 20Cr－ 25Ni合金，显著改善其在高温 CO2中的长期抗氧化性能，而且注人的 Ce在氧化物中均匀分布，强烈地抑制了氧化物剥落。 Dearnaley等用 Al+,Cr+,C+或
Ti+注入到钛中，使热氧化作用和大气中的生锈现象减弱。大量实践证明：离子注入技术的确是改善材料抗腐蚀性的良好途径。
第六章 表面改性新技术
27
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响三、改善材料的抗腐蚀性能注入金属材料表面的高能离子,将与金属表面晶格原子发生碰撞,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,从而提高了金属材料的耐蚀性 。 例如,将钛,碳离子先后注入工件可产生非晶态表面,使抗蚀性能大大提高。
第六章 表面改性新技术
28
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响三、改善材料的抗腐蚀性能离子注入可在钢零件表面上产生一层难熔的氧化膜,并加速表面钝化,这种钝化膜可防止钢在稀释的碱性溶液中发生阳极过程,使点蚀的可能性大大减弱 。 离子注入不但会引起表面形成非晶态,而且易在金属材料表面生成单相固溶体和亚稳态 。 例如,将 Pd,Pt,Ta等元素的离子注入 Ti中,可使其在沸腾的 1mol
H2SO4中腐蚀速度降低为 1000倍。
第六章 表面改性新技术
29
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响三、改善材料的抗腐蚀性能离子注入对大气腐蚀有抑制作用 。 例如,在铝,不锈钢中注入 He+,在铜中注入 He+、
Ne+,和 Cr+离子,金属或合金耐大气腐蚀性明显提高 。 其机理是离子注入的金属表面上形成了注入元素的饱和层,阻止金属表面吸附其它气体，所以提高了金属耐大气腐蚀性能。
第六章 表面改性新技术
30
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响三、改善材料的抗腐蚀性能
B,N这些间隙原子，经常被注入钢铁中以改善其表面强度。经对注入离子钢的抗腐蚀性研究发现,B+和 N+的注入一般有助于降低钢在酸和酸性氯化物介质中的腐蚀速率。
第六章 表面改性新技术
31
32
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响四、提高材料的抗疲劳性能有研究表明,N+注入不锈钢和 Ti+注入马氏体时效钢后,其疲劳寿命比未处理材料提高
8～ 10倍 。 美国纽约州立大学的学者将能量为
150keV的 N+离子注入 AISI108钢中,也发现疲劳寿命提高了 。 N+的注入提高疲劳性能的原因在于,Fe16N2细小沉淀相的作用是既可使铁素体相强化,又易使位错运动,从而使表面滑移更加均匀，降低了表面滑移的不均匀性。
第六章 表面改性新技术
33
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响四、提高材料的抗疲劳性能对于面心立方金属采用离子注入技术，发现对疲劳性能的改善效果远低于铁基合金或钛合金。
在注入硼离子的铜的显微组织中，存在着位错环。虽然离子注入不改变显微硬度，但却使疲劳寿命上升了 60%。经过离子注入的试样表面没有凸凹区，这表明位错没能穿过近表面区域而形成滑移带及其它裂纹萌生的表面缺陷。
第六章 表面改性新技术
34
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响四、提高材料的抗疲劳性能
Ni中注入 B+会使疲劳寿命提高 1倍，其原因是得到一个高度无序的非晶或微晶组织，此组织坚硬，限制了驻留滑移带的形成。
第六章 表面改性新技术
35
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响四、提高材料的抗疲劳性能第六章 表面改性新技术
36
6.5.5 离子注入技术的应用离子注入技术是在 1960年以后引起重视的。
由于注入的离子纯洁，首先被用于半导体元件的制造，目前市场上大部分硅元件都采用该工艺制造；随着高能量离子注入设备的开发，离子注入能力增大，许多新的应用领域被开发。
一、金属的离子注入离子注入研究和应用比较多的是金属材料，
如钢、钛合金、硬质合金、铬和铝等材料。其中应用最广泛的是钢铁材料和钛合金。
第六章 表面改性新技术
37
6.5.5 离子注入技术的应用
（ 1）在高精度零件上的应用离子注入处理是一种有吸引力的技术，它可以满足高精度零件综合性能表面处理的要求。
轴承和齿轮是具有紧密尺寸公差的零件，只适合进行少数常规表面改性处理。离子注入处理可以保持高精度轴承和齿轮的尺寸完整性和表面光洁度，而且在注入层和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。
第六章 表面改性新技术
38
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
39
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
40
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
41
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
42
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
43
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
44
6.5.5 离子注入技术的应用
2．离子注入陶瓷
80年代开始，离子注入应用于陶瓷材料。研究表明，注入陶瓷的离子会形成亚稳的置换固溶体或间隙固溶体而产生固溶强化。注入产生的缺陷会引起缺陷强化或由于阻碍位错运动引起硬化。离子注入还可以消除表面裂纹或减小裂纹的严重程度，或在表面产生压应力层，从而提高材料的力学性能。
第六章 表面改性新技术
45
6.5.5 离子注入技术的应用
3．离子注入聚合物离子注入还可以提高有机聚合物的耐蚀性、
导电性、抗氧化性及其他性能。例如，在 15－
8PDA聚丁二炔试样上注入 N+离子，可使该材料在可见光范围内吸收谱完全损失，成为透明的膜。这是由于 15－ 8PDA失去骨干结合，导致化学改性或链的断裂所致。注入 N+离子剂量增加时，膜逐渐变为暗灰色，吸收谱具有传导膜特性。
第六章 表面改性新技术
46
6.5.5 离子注入技术的应用
3．离子注入聚合物在高剂量下，聚合物结构会发生重大变化，
电导率显著增加，这是由于离子束辐照下聚合物发生碳化引起的。例如，离子注入聚苯硫酸
（ PPS），电导率提高 14个数量级。研究还发现，离子注入能提高天然高分子和合成高分子材料的使用寿命。用 Al,Sn,Ni、,O,P、
B,Si,C等元素的离子注入尼龙、棉纤维、合成纤维，都得到较好的结果。
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
2
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
3
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
4
第六章 表面改性新技术
5
第六章 表面改性新技术
6
第六章 表面改性新技术
7
第六章 表面改性新技术
8
第六章 表面改性新技术
9
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
10
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增加。
第六章 表面改性新技术
11
6.5.2离子注入改性的机理
3．沉淀强化注入元素（如 N,B）固溶于表层的基体内，使基体过饱和程度增加，达到某一限度后，基体内的溶质元素将以某种化合物的形式沉淀出来，形成 Fe4N,Fe3N,CrN,TiN
等氮化物它们呈星点状镶嵌于材料中，构成硬质合金弥散相，使基体强化。
第六章 表面改性新技术
12
6.5.2离子注入改性的机理
4．喷丸强化作用高速离子轰击基体表面，也有类似于喷丸强化的冷加工硬化作用。离子注入处理能把
20%～ 50%的材料加入近表面区，使表面成为压缩状态。这种压缩应力能起到填实表面裂纹和降低微粒从表面上剥落的作用，从而提高抗磨损能力。
第六章 表面改性新技术
13
6.5.2离子注入改性的机理
5．使表面氧化膜增厚由于离子注入产生的撞击使被注表面的温度提高,同时,离子束的辐照引起原子的扩散增加,从而使金属表面在空气中已经形成的氧化膜增厚,往往有些经离子注入的钢试样表面形成一层较厚的深蓝色的 Fe3O4膜,该氧化膜致密,与钢表面有很强的结合力,是优良的抗腐蚀保护膜 。 该类还可显著降低摩擦系数。
第六章 表面改性新技术
14
6.5.2离子注入改性的机理
6．产生表面污染膜在离子注入过程中，离子注入机真空系统中的油蒸气经辐射分解，并经离子反冲注入样品，使样品近表面层的碳含量增高，在样品表面形成一层棕褐色的碳污染膜。近来一些试验证明，当碳污染膜的结构为非晶态相时，其抗腐蚀性将明显提高。
第六章 表面改性新技术
15
6.5.2离子注入改性的机理
7．使表面产生钝化膜在钢表面注入易产生钝化膜的元素，如铬、
铝、硅、钽等，使注入后的材料表面产生一层注入元素和氧的化合物膜，从而使表面钝化而提高抗腐蚀性。
8．产生表面惰性层在材料表面注入惰性元素，如铜、镍等，在表面形成一层抗腐蚀性较强的惰性表层，使表层化学稳定性提高，增加抗腐蚀性。
第六章 表面改性新技术
16
6.5.2离子注入改性的机理
9．形成非晶态结构采用重离子以较大的能量对金属表面进行注入,打乱表层中的原子有序排列结构,在表面形成一层非晶态层 。 由于非晶态中无晶界等缺陷,
微电池数大大下降，抗腐蚀性明显增加。
10．产生单相结构表层采用离子注入，可以在表层中获得单相的固溶体。由于单相结构避免了异相之间的电极电位差存在，因而具有优良的抗电化学腐蚀的性能。
第六章 表面改性新技术
17
6.5.3离子注入技术的特点
（ 1） 离子注入是一个非热平衡过程,注入离子的能量很高,可以高出热平衡能量的 2～ 3
个数量级 。 因此,原则上讲,周期表上的任何元素，都可注入任何基体材料。
（ 2） 注入元素的种类,能量,剂量均可选择,用这种方法形成的表面合金,不受扩散和溶解度的经典热力学参数的限制,即可得到用其它方法得不到的新合金。
第六章 表面改性新技术
18
6.5.3离子注入技术的特点
（ 3） 离子注入层相对于基体材料没有边缘清晰的界面,因此表面不存在粘附破裂或剥落问题,
与基体结合牢固。
（ 4） 离子注入控制电参量,故易于精确控制注入离子的浓度分布,此分布也可以通过改变注入能量加以控制。
（ 5） 离子注入一般是在常温真空中进行,加工后的工件表面无形变,无氧化,能保持原有尺寸精度和表面粗糙度,特别适于高精密部件的最后工艺。
第六章 表面改性新技术
19
6.5.3离子注入技术的特点
（ 6） 可有选择地改变基体材料的表面能量
（湿润性），并在表面内形成压应力。
缺点：设备昂贵,成本较高 。 故目前主要用于重要的精密关键部件 。 另外,离子注入层较薄,如十万电子伏的氮离子注入 GCr15钢中的平均深度仅为 0.1μm,这就限制了它的应用范围 。 离子注入不能用来处理具有复杂凹腔表面的零件 。 并且,离子注入零件要在真空室中处理，受到真空室尺寸的限制。
第六章 表面改性新技术
20
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响一、改善材料的摩擦学性能
1．降低摩擦系数注入离子可降低摩擦系数，主要原因
（ 1）注入环境下氧化膜更易生成。
（ 2）高能离子与晶格原子发生碰撞后，引起大量原子从原来的点阵位置上离开，从而导致高度畸变，有时呈非晶态结构，因此，材料表面摩擦系数减小。
第六章 表面改性新技术
21
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响一、改善材料的摩擦学性能
（ 3）在零件表面注入一些减磨元素如 Pb+，
Ag+,Sn+,N+,S +等，可以明显降低零件接触表面的粘着倾向，例如,N+注入可以使
Ti6Al4V的摩擦系数从 0.4下降到约 0.15，磨损率减小 500倍。
第六章 表面改性新技术
22
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响一、改善材料的摩擦学性能
2．提高表面耐磨性在材料亚表面注入间隙元素离子,如 B+，
C+和 N+,当注入剂量超过 1017离子 /cm2时,减磨效果十分显著 。 钢中注入轻元素离子会提高磨损抗力的主要原因是,这些元素具有偏析特性,即使在室温下也会在位错处偏析,偏析的原子阻碍了位错的运动,使表面硬化,从而提高了耐磨性。
第六章 表面改性新技术
23
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响一、改善材料的摩擦学性能
AISI52100轴承钢注入高浓度 Ti或同时注入
Ti和 C之后，摩擦磨损可明显降低。利用各种表面分析技术发现，在表面区域存在一个 Ti－
C－ Fe非晶组织。这种非晶碳化物表面的耐磨抗力比低磨损材料马氏体基合金的耐磨抗力高
5～ 6倍。因此，注入 Ti和 C是提高合金耐咬合磨损性能的有效方法。
第六章 表面改性新技术
24
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响二、改善材料的抗氧化性能离子注入对金属热氧化有很大影响，能把某些纯金属氧化物厚度减小 10倍，并能提高某些高温合金的长期抗氧化能力。离子注入减小化速率的原因有：
（ 1）影响薄氧化层中的空间电荷分布；
（ 2）产生具有较缓慢的离子扩散速度的结晶相；
第六章 表面改性新技术
25
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响二、改善材料的抗氧化性能
（ 3）减小氧化物中短路一扩散路径的密度；
（ 4）阻止氧化物破裂，如减小应力引起的氧化或提高氧化物的机械强度。
在纯铁试样上沉积 Si膜，在 500℃ 下，用
Ar+离子轰击，使 Si溶于 Fe中。经这样离子束混合，明显地改善了铁在 600℃ 的抗氧化性，
氧化速率常常减小 2500倍。
第六章 表面改性新技术
26
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响二、改善材料的抗氧化性能用 Y+,Ce+注入 Fe－ 20Cr－ 25Ni合金，显著改善其在高温 CO2中的长期抗氧化性能，而且注人的 Ce在氧化物中均匀分布，强烈地抑制了氧化物剥落。 Dearnaley等用 Al+,Cr+,C+或
Ti+注入到钛中，使热氧化作用和大气中的生锈现象减弱。大量实践证明：离子注入技术的确是改善材料抗腐蚀性的良好途径。
第六章 表面改性新技术
27
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响三、改善材料的抗腐蚀性能注入金属材料表面的高能离子,将与金属表面晶格原子发生碰撞,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,从而提高了金属材料的耐蚀性 。 例如,将钛,碳离子先后注入工件可产生非晶态表面,使抗蚀性能大大提高。
第六章 表面改性新技术
28
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响三、改善材料的抗腐蚀性能离子注入可在钢零件表面上产生一层难熔的氧化膜,并加速表面钝化,这种钝化膜可防止钢在稀释的碱性溶液中发生阳极过程,使点蚀的可能性大大减弱 。 离子注入不但会引起表面形成非晶态,而且易在金属材料表面生成单相固溶体和亚稳态 。 例如,将 Pd,Pt,Ta等元素的离子注入 Ti中,可使其在沸腾的 1mol
H2SO4中腐蚀速度降低为 1000倍。
第六章 表面改性新技术
29
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响三、改善材料的抗腐蚀性能离子注入对大气腐蚀有抑制作用 。 例如,在铝,不锈钢中注入 He+,在铜中注入 He+、
Ne+,和 Cr+离子,金属或合金耐大气腐蚀性明显提高 。 其机理是离子注入的金属表面上形成了注入元素的饱和层,阻止金属表面吸附其它气体，所以提高了金属耐大气腐蚀性能。
第六章 表面改性新技术
30
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响三、改善材料的抗腐蚀性能
B,N这些间隙原子，经常被注入钢铁中以改善其表面强度。经对注入离子钢的抗腐蚀性研究发现,B+和 N+的注入一般有助于降低钢在酸和酸性氯化物介质中的腐蚀速率。
第六章 表面改性新技术
31
32
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响四、提高材料的抗疲劳性能有研究表明,N+注入不锈钢和 Ti+注入马氏体时效钢后,其疲劳寿命比未处理材料提高
8～ 10倍 。 美国纽约州立大学的学者将能量为
150keV的 N+离子注入 AISI108钢中,也发现疲劳寿命提高了 。 N+的注入提高疲劳性能的原因在于,Fe16N2细小沉淀相的作用是既可使铁素体相强化,又易使位错运动,从而使表面滑移更加均匀，降低了表面滑移的不均匀性。
第六章 表面改性新技术
33
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响四、提高材料的抗疲劳性能对于面心立方金属采用离子注入技术，发现对疲劳性能的改善效果远低于铁基合金或钛合金。
在注入硼离子的铜的显微组织中，存在着位错环。虽然离子注入不改变显微硬度，但却使疲劳寿命上升了 60%。经过离子注入的试样表面没有凸凹区，这表明位错没能穿过近表面区域而形成滑移带及其它裂纹萌生的表面缺陷。
第六章 表面改性新技术
34
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响四、提高材料的抗疲劳性能
Ni中注入 B+会使疲劳寿命提高 1倍，其原因是得到一个高度无序的非晶或微晶组织，此组织坚硬，限制了驻留滑移带的形成。
第六章 表面改性新技术
35
6.5.4离子注入对材料表面性能的影响四、提高材料的抗疲劳性能第六章 表面改性新技术
36
6.5.5 离子注入技术的应用离子注入技术是在 1960年以后引起重视的。
由于注入的离子纯洁，首先被用于半导体元件的制造，目前市场上大部分硅元件都采用该工艺制造；随着高能量离子注入设备的开发，离子注入能力增大，许多新的应用领域被开发。
一、金属的离子注入离子注入研究和应用比较多的是金属材料，
如钢、钛合金、硬质合金、铬和铝等材料。其中应用最广泛的是钢铁材料和钛合金。
第六章 表面改性新技术
37
6.5.5 离子注入技术的应用
（ 1）在高精度零件上的应用离子注入处理是一种有吸引力的技术，它可以满足高精度零件综合性能表面处理的要求。
轴承和齿轮是具有紧密尺寸公差的零件，只适合进行少数常规表面改性处理。离子注入处理可以保持高精度轴承和齿轮的尺寸完整性和表面光洁度，而且在注入层和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。
第六章 表面改性新技术
38
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
39
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
40
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
41
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
42
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
43
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
44
6.5.5 离子注入技术的应用
2．离子注入陶瓷
80年代开始，离子注入应用于陶瓷材料。研究表明，注入陶瓷的离子会形成亚稳的置换固溶体或间隙固溶体而产生固溶强化。注入产生的缺陷会引起缺陷强化或由于阻碍位错运动引起硬化。离子注入还可以消除表面裂纹或减小裂纹的严重程度，或在表面产生压应力层，从而提高材料的力学性能。
第六章 表面改性新技术
45
6.5.5 离子注入技术的应用
3．离子注入聚合物离子注入还可以提高有机聚合物的耐蚀性、
导电性、抗氧化性及其他性能。例如，在 15－
8PDA聚丁二炔试样上注入 N+离子，可使该材料在可见光范围内吸收谱完全损失，成为透明的膜。这是由于 15－ 8PDA失去骨干结合，导致化学改性或链的断裂所致。注入 N+离子剂量增加时，膜逐渐变为暗灰色，吸收谱具有传导膜特性。
第六章 表面改性新技术
46
6.5.5 离子注入技术的应用
3．离子注入聚合物在高剂量下，聚合物结构会发生重大变化，
电导率显著增加，这是由于离子束辐照下聚合物发生碳化引起的。例如，离子注入聚苯硫酸
（ PPS），电导率提高 14个数量级。研究还发现，离子注入能提高天然高分子和合成高分子材料的使用寿命。用 Al,Sn,Ni、,O,P、
B,Si,C等元素的离子注入尼龙、棉纤维、合成纤维，都得到较好的结果。
第六章 表面改性新技术
