离子注入的工作原理

（1）离子注入的过程

离子注入系统示意图如图9-32所示。

1）将选定元素的原子（He、N、B、Al、Ti、Cr、Ni、Co、Mo等）在离子源处电离成离子，然后将离子在高压电场（10～500kV）中加速，依E＝qV的规律获得高的动能（q为离子电荷），并用横向磁场把不同的质量的离子偏转不同的角度，选出特定能量和特定质量的离子，通过扫描系统注入金属靶材料表面。整个过程在1.3×10^-3 Pa的真空下进行。

2）离子注入深度一般在4μm以下，在近表面层中注入的金属以高过饱和固溶体、亚稳相、非晶态组织和平衡合金等不同结构形式存在。离子注入金属后可改善其耐磨性、耐蚀性和抗疲劳能力。(https://www.daowen.com)

3）离子注入原则上可以任意选择注入元素，不受冶金学限制，它在高真空及低温下进行，不会引起模具畸变，不影响表面粗糙度，可精确控制注入离子的浓度、浓度分布和注入深度。目前离子注入技术不断发展并日趋成熟，设备不断完善。离子注入工具、模具进行表面改性已获得越来越多的应用。

（2）离子注入提高硬度、耐磨性和疲劳强度的机理

1）离子注入提高硬度是由于注入的原子进入位错附近或形成固溶体产生固溶强化。当注入的是非金属元素时，常常与金属元素形成化合物，如氮化物、碳化物和硼化物的弥散相，产生弥散强化。离子轰击造成的表面压缩应力也有冷作硬化作用，使离子注入表面硬度显著提高。

2）离子注入提高耐磨性的原因是多方面的。离子注入能引起表面层组分与结构的改变。大量的注入离子以杂质形态聚集在离子轰击产生的位错线周围，形成柯氏气团，起钉扎位错的作用，使表层强化，加上高硬度弥散析出物引起的强化，提高了表面硬度，从而提高了耐磨性。

3）离子注入提高疲劳强度是因为产生的高损伤缺陷阻止了位错移动及期间的凝聚，形成可塑性表面层，使表面强度大大提高。分析表明，离子注入后在近表面层形成大量细小弥散均匀分布的第二相硬质点而产生强化，而且离子注入产生的表面压缩应力可以抑制表面裂缝的产生，从而延长了疲劳寿命。