离子注入：表面强化技术优化解析

离子束表面强化技术主要是指离子注入技术。该技术将几万到几十万电子伏特的高能束离子流注入固体材料表面，从而改变材料表面层的物理、化学和力学性能的一种新的表面原子冶金技术。图5-27所示为全方位离子注入机，离子注入是利用小型的低能离子加速器，将需要注入元素的原子，在加速器的离子源中电离成为离子，然后通过离子加速器的高压电场将其加速成为高速离子流，再经磁分析器提纯后，离子束强行打入置于靶室中的模具工作零件表面，以引起模具工作零件表面注入层中微观结构和宏观性能的变化。整个注入系统处于1.33×10^-3Pa的真空中，以保证离子束在规定的路线前进时不与其他元素的原子发生碰撞。

图5-27 全方位离子注入机

离子注入的特点是通过高能量的离子流把异类原子直接引入处理件的表面层中进行合金化。引入的原子种类和数量不受任何常规合金化热力学条件的限制，从而获得超乎寻常的固溶强化和损伤强化等。离子注入技术应用到模具工作零件上，将引起模具工作零件基体表面晶格缺陷或基体表面点阵原子的化学结合，而使基体表面发生物理、化学和力学性能的变化，有效地提高了模具工作零件基体表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳等多种性能。

离子注入首先要产生离子，常用的非金属有N、C、B；耐蚀抗磨金属元素有Ti、Cr、Ni；固体润滑元素有S、Mo、Sn、In；还有耐高温元素Y及稀土元素等。气态元素的离子化比较容易，例如把N₂引入装置的离子源内，在存在高温灯丝加速电子的情况下，氮离子被电离，形成等离子体；金属离子的电离较为复杂，产生金属离子束，要先加热离子源中的挥发性金属化合物，也可采用氯化处理技术，即将氯气通入离子源室，并与离子源中放置的金属起反应，形成的氯化物被灯丝产生的热量所挥发，然后被电离。正离子经由狭缝从离子源中被抽出，随后被加速。

经两次加速的被注入元素的离子是以很高的速度注入靶中，将和基体金属离子发生碰撞，从而使晶格大量损伤，可以突破基体金属中的扩散速率以及固溶度的限制；注入元素与靶中的晶格原子不断发生碰撞而损失能量，若碰撞传递给晶格原子的能量大于晶格原子的结合能时，将使其发生移位，形成空位—间隙原子对。若移位原子获得的能量足够大，它又可撞击其他晶格原子，直到能量最后耗尽。一系列的碰撞级联过程，在被撞击的表面层内部产生强辐射损伤区，可使金属表面从长程有序变为短程有序，形成非晶态，使性能发生改变。所产生的大量空位在注入热效应作用下，集结在位错周围，对位错产生钉扎作用，这也可以说成是固溶强化。如N，B等注入元素，它们被注入金属后，会与金属形成渗氮物、硼化物，弥散分布于基体材料中构成硬质合金相使基体强化，称之为第二相强化。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，还可使表面不平度减小。

离子注入工艺不同于镀覆技术，由于注入元素的浓度一般不超过原子的15%，离子注入后，便形成与工件基体材料完全结合的表面合金，注入层与基体之间没有明确的分界面，所以不会出现剥落现象。由于注入时试样处于真空中，而且可以通过调节各种电控参数来控制注入过程的温度，这样既不改变工件基体表面的几何尺寸，又能保持原有的表面粗糙度。

虽然注入的深度较浅，约为0.1μm，但是当工件表面发生磨损和形成位错时，注入原子便同时向内迁移，并和基体材料中元素的原子相互结合。即使在注入深度的层深被损耗后，仍能继续表现出一定的耐磨性和耐腐蚀性，能使金属表层有比注入层深度深2～3个数量级的深度上具有注入层的耐磨性，可以继续提高模具的实际使用寿命。图5-28所示为离子注入过程及浓度示意图。

图5-28 离子注入过程及浓度示意图

1.改善材料的摩擦、磨损性能

图5-29所示为9Cr18钢离子注入的磨损曲线，表5-39所示为离子注入在磨损件上的应用。

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图5-29 9Cr18钢离子注入的磨损曲线

表5-39 离子注入在磨损件上的应用

用离子注入技术来减少磨损、提高表面抗磨损能力是很有效的方法，即注入可提高表面硬度的元素（一般硬度高的表面，磨损量相对较小），由于离子注入的多种强化作用，可使许多材料的表面硬度增高30%～120%，注入离子后材料硬度的改变情况与注入材料、基体材料、注入剂量、注入能量等有关。一般说来，硬度随注入离子的原子质量增大而增加，随注入剂量增大试样表面硬度增加，但注入剂量要大到一定值后硬度才会有所提高，剂量到一定程度后硬度上升趋缓；或注入可减小摩擦系数的元素，在钢表面注入Sn+可以降低磨擦因子50%，注入Mo^+和S+后可使摩擦因数减少，降低摩擦因数达到降低磨擦力的目的。目前应用较多的注入元素有N⁺、Ti⁺、C⁺、B⁺、P⁺等，注入剂量为1×1017～5×1017/cm2。

2.离子注入对疲劳性能的影响

N^+注入不锈钢和Ti+注入马氏体时效钢后，疲劳寿命比未处理材料提高8～10倍。N⁺

疲劳性能的影响原因，可用下述简单模的注入对

疲劳性能的影响原因，可用下述简单模型进行介绍，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，使疲劳寿命得以提高。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。图5-30所示为注入对疲劳寿命的影响。

碳化钨基硬质合金拉丝模该种模具经氮离子注入后，可使模具寿命提高2倍以上。W6Mo5Cr4V2钢制M12螺母冲头，在冲硬度为130～160HBW的冷拔低碳钢螺母，采用1190℃加热油淬，560℃回火90min三次和离子注入，可大幅度提高模具寿命。

图5-30 N⁺、C⁺注入对Ti-6Al-4V对疲劳寿命的影响