离子注入法在模具工业中的应用与表现方法

首先，将要注入的元素离子化，并在数千伏的电压下，将离子导入质量分析器进行筛选，然后在几十千伏到几百千伏的高压下将离子加速到要求的高能状态，最后在热处理室对工件进行扫描，把离子注入工件的表面，并与表层晶体中的原子不断发生碰撞，其能量不断减少，最终停留在工件表层的晶体内。通常把能量损失的机制分为三种：

（1）核碰撞 在碰撞中离子能量传递给基体原子，离子产生大角度偏转，损失的能量使晶格原子产生位移。在离子能量比较低时，核碰撞起主要作用。

（2）电子碰撞 在碰撞中运动的离子激发基体原子中的电子，或使原子获得电子而损失能量，通常能量损失小，离子偏转较小，晶格损伤可以忽略，在离子能量较高时，电子碰撞是主要的。

（3）电荷交换 离子与基体原子之间进行电荷交换损失能量，它的影响较小，一般占总能量损失的百分之几。

离子注入材料表面层时，一方面使表层晶体晶格扭曲，另一方面注入的离子与表层原子形成各种合金相，如固溶体或金属间化合物，二者均可使表层强化，从而达到表面改性之目的。

离子注入表面改性，具有以下特点：

1）离子注入是一个非平衡过程，注入元素的选择不受冶金学的限制，注入量也不受相图的约束，可将任何元素注入任何材料基体中。

2）注入元素是分散停留在基体内部，没有界面，故改性层与基体之间的结合强度很高；附着性好，不会产生剥落。

3）可在室温下或低于室温下进行，保持处理精密工件的几何尺寸、形状和表面粗糙度不变，不影响材料基体的内部结构和性能，很适合工件的最终处理。

4）离子注入的深度、含量及分布等容易控制和重复，利于实现微机控制整个操作过程的各种参数。

5）离子注入是原子的直接混合，注入层厚度为0.1μm，但摩擦条件下工作时，由于摩擦热作用，注入原子还会不断向内部迁移，其深度可达到原始注入深度的100～1000倍，使用寿命延长。(www.xing528.com)

离子注入表面改性与前面所述的化学热处理、气相沉积等表面强化、表面改性方法比较，有明显的优点；但缺点也很突出：由于离子注入的直射性，对形状复杂的工件，如凹面内腔很难处理；注入层很薄，一般只有0.05～1.0μm；处理大面积或大型工件尚有一定难度；设备昂贵，加工成本较高，大批量生产形不成时尚。随着离子注入设备和技术的进步，目前存在的难点或缺点，正在逐步解决与完善。

离子注入已在电子、机械、宇航、医疗器械、家电等方面应用，目前主要用于工具、模具、精密零件及特殊工件方面。注入离子的种类较多，如N、C、B、P、Ti、Cr、Pt、Co、Y等离子，以N离子注入最为广泛。表3-50、表3-51分别为在刀具和模具工业中成功应用的实例。

表3-50 N离子注入在刀具工业中的应用

（续）

注：4×10¹⁷/cm²，100～150keV。

表3-51 离子注入法在模具工业中的应用