离子束表面改性技术课件

1、n概念概念n基本特点基本特点n离子注入改性机理离子注入改性机理n应用应用n注入元素注入元素 离子化离子化 打入固体打入固体 电离室电离室 高压加速高压加速n原子冶金特征原子冶金特征离子注入后，在零点几微米的表层中增加注入元离子注入后，在零点几微米的表层中增加注入元素和辐射损伤，从而使金属的耐磨性、摩擦系数、素和辐射损伤，从而使金属的耐磨性、摩擦系数、抗氧化性、耐腐蚀性发生显著变化。抗氧化性、耐腐蚀性发生显著变化。离子注入已在微电子技术、宇航、生物工程、医离子注入已在微电子技术、宇航、生物工程、医疗、核能等高技术领域应用，特别是工具、刀具、疗、核能等高技术领域应用，特别是工具、刀具、模具制造业的

2、应用效果突出。模具制造业的应用效果突出。返回返回n入射离子引起的物理效应不同（图入射离子引起的物理效应不同（图11-21） 离子注入；注入损伤；溅射；原子混合离子注入；注入损伤；溅射；原子混合n优点优点靶材与注入元素不受固溶度、扩散的限制；开发靶材与注入元素不受固溶度、扩散的限制；开发新材料新材料 注入过程不受温度限制；根据需要，在高注入过程不受温度限制；根据需要，在高T，低，低 T，室，室T下进行，保证零件精度下进行，保证零件精度 直进性（横向扩展少），适合集成电路微细加工直进性（横向扩展少），适合集成电路微细加工精确控制掺杂数量、深度与位置，精度达亚微米级精确控制掺杂数量、深度与位置，精度

3、达亚微米级n缺点缺点注入层薄，一般注入层薄，一般1m工艺上高剂量注入的溅射与升温，溅射腐蚀工艺上高剂量注入的溅射与升温，溅射腐蚀设备造价高，影响推广设备造价高，影响推广返回返回n表面硬度、耐磨性、疲劳强度表面硬度、耐磨性、疲劳强度 固溶强化固溶强化 间隙原子固溶强化，注入层体积膨胀，应力间隙原子固溶强化，注入层体积膨胀，应力， 阻止位错阻止位错 运动，硬度，耐磨性运动，硬度，耐磨性 析出相弥散强化析出相弥散强化 如：注入如：注入N、C、B氮化物、碳化物、硼化物，弥散相，氮化物、碳化物、硼化物，弥散相， 硬度、耐磨性硬度、耐磨性 位错钉扎位错钉扎 大量的注入杂质聚集在因离子轰击产生的位错线的周围

4、，大量的注入杂质聚集在因离子轰击产生的位错线的周围，形成柯氏气团，并在位错线上形成许多位错钉扎点，阻止位形成柯氏气团，并在位错线上形成许多位错钉扎点，阻止位错运动，改善抗磨性能。错运动，改善抗磨性能。n表面硬度、耐磨性、疲劳强度表面硬度、耐磨性、疲劳强度 晶粒细化晶粒细化 晶粒尺寸晶粒尺寸，HallPatch公式，强度、硬度公式，强度、硬度 压应力效应压应力效应 2050材料加入表面区，压缩状态，填实表面材料加入表面区，压缩状态，填实表面裂纹，疲劳寿命裂纹，疲劳寿命耐磨性耐磨性， 如：如：Mo、W、Ti、V和和C双注入双注入 自润滑作用自润滑作用 Sn、 Mo+S、Pb磨损碎片，更细，等轴磨损

5、碎片，更细，等轴 改善润滑性改善润滑性n耐蚀性、抗氧化性耐蚀性、抗氧化性 表面组织变化，亚稳相合金、非晶体合金表面组织变化，亚稳相合金、非晶体合金 钢铁注入钢铁注入B,P，产生非晶态表层，酸性溶液中组止，产生非晶态表层，酸性溶液中组止阳极腐蚀阳极腐蚀 Al、Cr、SiAl2O3、Cr2O3、SiO2，形成致密薄，形成致密薄膜，抗氧化膜，抗氧化 表面成分变化，使表面成分变化，使E变化变化 3.5PbTi，1mol/L沸腾沸腾H2SO4中，耐腐蚀电位中，耐腐蚀电位EPb，Ti耐还原介质性能耐还原介质性能 PbTi，表面易钝化，防止缝隙腐蚀，表面易钝化，防止缝隙腐蚀返回返回n微电子工业中应用，微电子

6、加工微电子工业中应用，微电子加工 最早、最广泛、最有效、最为成功的先进技术最早、最广泛、最有效、最为成功的先进技术n冶金学中应用，制备新材料冶金学中应用，制备新材料n机械工业中刀具、工具、模具、零部件应用机械工业中刀具、工具、模具、零部件应用刀具：氮离子注入加工较轻质工具，寿命刀具：氮离子注入加工较轻质工具，寿命212倍，刀口倍，刀口锋利锋利模具：保持模具精度，延长模具使用寿命，寿命模具：保持模具精度，延长模具使用寿命，寿命212倍倍例：例：注入注入拉丝模具拉丝模具的孔径磨损，沿直径方向均匀增大，加工更的孔径磨损，沿直径方向均匀增大，加工更粗金属丝，继续使用，再离子注入，寿命进一步提高；粗金属

7、丝，继续使用，再离子注入，寿命进一步提高； 其他方法改性，径向增长不均匀，损坏模具，难以再使用其他方法改性，径向增长不均匀，损坏模具，难以再使用 金属离子注入效果好：不锈钢铣刀，金属离子注入效果好：不锈钢铣刀，TiC，寿命提高，寿命提高16倍倍n生物医学中应用生物医学中应用 主要用于假体、骨钉、膝和骨关节，注入离子主要用于假体、骨钉、膝和骨关节，注入离子后，假体的寿命可超过患者的寿命。后，假体的寿命可超过患者的寿命。Co-Cr合金骨科植入物，注入后抗蚀性合金骨科植入物，注入后抗蚀性，形成，形成Cr2N，减少，减少Co、Cr、Ni的释放。的释放。N316L外科不锈钢中，疲劳寿命外科不锈钢中，疲劳寿命102，B、Ta减少点蚀减少点蚀NbTi-6Al-4V合金假体，抗腐蚀性合金假体，抗腐蚀性；TiN层，层，表面钝化，表面钝化，返回返回n表面处理技术在机械工程中的应用表面处理技术在机械工程中的应用综述性论文综述性论文某种表面处理技术在机械工程中的应用某种表面处理技术在机械工程中的应用机械工程中表面处理技术的发展机械工程