1.离子注入的原理和特点

（1）离子注入的基本原理 始于20世纪60年代的离子注入技术与电弧离子镀膜技术、离子束复合表面处理技术一起统称为离子束表面改性技术。它们的共同点是：从离子源中引出离子束，并在电场作用下得到加速，注入或涂覆到材料表面，以改变材料的表面特性。

在真空中将注入元素电离，利用电场加速作用使它们形成具有数万至数百万电子伏特的离子束流，并入射到工件基体材料中去，离子束与基体表面中的原子核或电子多次碰撞，能量逐渐被消耗，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，这一过程称为离子注入。一般来说，离子能量越高，离子注入深度越深；离子越轻或基体原子越轻，则注入深度越大。

离子注入技术可以向金属表面注入各种离子，显著地提高其表面硬度、耐磨性、减摩性等，其基本改性机理有以下几种形式：损伤强化、注入掺杂强化、喷丸强化、表面压缩。

1）损伤强化作用是具有高能量的离子注入金属表面后，将和基体金属原子发生碰撞，从而使晶格大量损伤。例如，如果碰撞传递给晶格原子的能量大于晶格原子的结合能，将使其发生位移，形成空位——间隙原子对。如果位移原子获得的能量足够大，它又可以撞击其他晶格原子，直到能量耗尽。

2）注入掺杂强化是N、B等注入元素被注入金属后，会与金属形成γ′-Fe₄N、ε-Fe₃N、CrN、TiN等氮化物和Be₆B、Be₂B等硼化物，呈点状嵌于基体材料中构成硬质合金弥撒相使基体强化。

3）喷丸强化是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，还可使表面不平度高度减小。

4）表面压缩作用是离子注入处理能把20%～50%的材料加入表面，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。

（2）离子注入的特点 离子注入技术是一种纯净的、无公害的表面处理技术。因此，近年来离子注入技术得到了蓬勃发展和广泛应用。离子注入技术在材料表面改性中，与气相沉积、等离子喷涂、电子束和激光束热处理等表面处理工艺相比，有以下特点：

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2～3个数量级。因此，原则上讲，元素周期表上的任何元素，都可注入任何机体材料。

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，即可得到用其他方法得不到的新合金相。

3）离子注入层相对于基体材料没有边缘清晰的界面，因此表面不存在黏附破裂或剥落问题，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密度分布，浓度分布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序。

6）可有选择地改变基体材料的表面能量（润湿性），并在表面内形成压应力。

离子注入技术的缺点是设备昂贵、成本高，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100keV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。(www.daowen.com)

2.离子注入的应用

离子注入的应用主要集中在两个方面：一是半导体的掺杂，自20世纪70年代以来，离子注入技术已成为半导体工业的支柱工艺，是电子工业的重要制造技术；二是金属材料的表面改性，在经过热处理或表面镀膜工艺的金属材料表面，注入一定剂量和能量的离子，可改变材料表层的化学成分、物理结构，从而改变材料的力学性能、化学性能和物理性能，是提高材料表面摩擦性能、耐磨性、耐蚀性和抗氧化性能的一种新型技术手段。

（1）离子注入在摩擦学方面的应用 离子注入在摩擦学方面的应用是将N⁺、N₂⁺、C⁺、B⁺、Ar⁺等非金属元素注入到铁、钢、有色金属及各种合金中，产生明显的硬化作用。向GCr15轴承钢表面注入N+和Ti+，显微硬度达到1100HV，耐磨性能提高3～5倍。注入Ta⁺的齿轮性能明显优于普通齿轮，并在大多数情况下大大减少了咬合磨损。

（2）离子注入在耐腐蚀方面的应用 为了提高金属表面耐大气腐蚀、高温氧化腐蚀和水溶液腐蚀的能力，可注入比母材生成氧化物自由能高的元素，在表面上形成致密的氧化膜。离子注入提高金属表面耐蚀能力见表12-8。

表12-8 离子注入提高金属表面耐蚀能力

（3）离子注入技术在抗疲劳方面的应用 疲劳性能是一种对表面状态敏感的性能。而离子注入具有改变金属表面性能的功能，因此可以用离子注入来改变金属的抗疲劳性能。

（4）离子注入技术在抗高温氧化方面的应用 金属氧化是金属表面的氧化膜形成、生长的过程。氧化膜的性质是决定金属氧化性能的重要因素。氧化膜的生长可以通过氧离子向外扩散或阴离子向内扩散而进行。从已知的金属氧化规律可知，TiO₂、ZrO₂、Al₂O₃等氧化膜是通过阴离子向内扩散而生长的；Ni、Cu₂O、Cr₂O₃、Fe₂O₃等氧化膜则是通过金属离子向外扩散而生长的。

离子注入的元素可以通过形成致密的氧化膜、堵塞短路扩散通道、改善氧化膜的塑性、改变氧化膜的导电性、催化效应等不同的机制或途径来减缓金属的氧化速度。

1）形成致密的氧化膜。某些氧化物，如Al₂O₃、Cr₂O₃和SiO₂能形成致密的膜，其他元素难以扩散通过，从而起到减缓氧化的作用。例如，Fe-Cr-Al-Y不锈钢可通过注入Al，使其抗高温氧化性能得到很大改善，而又可避免过多的Al对钢的力学性能的不利影响。

2）堵塞短路扩散通道。位错、晶粒边界等一些延伸性的结构缺陷，给氧或金属离子的扩散提供了捷径。某些离子的注入可以形成一些稳定的化合物，能够堵塞这些扩散通道，从而有效地抑制了金属的氧化。例如B2+、Ca+注入Ti或Ti合金后，就通过形成钙钛结构化合物，堵塞了短路扩散通道，而起到减缓氧化作用。

3）改善氧化膜的塑性。通常，氧化物是脆性的，当膜中应力增加时，膜可能发生破裂，或通过变形而释放应力。某些元素的注入能够通过促进膜中的位错攀移而改善氧化膜的塑性。例如，Zr中注入Fe、Cr、Nb等离子就是通过改善氧化膜的塑性而使其抗氧化性得到改善的。

4）改变氧化膜的导电性。氧化膜的生长总是伴随着离子和相应的电子或空穴的迁移而进行的。因而，有时可以通过改变氧化膜的导电性来改变金属的氧化速度。例如，某些离子的注入能使Cu的氧化膜中形成p-n结，从而改变膜的导电性，降低金属的氧化速度。

5）催化效应。如Pt那样，一些元素能对金属的腐蚀起催化作用。这种在阳极氧化中常有的效应，在氧化过程中也能起到作用。因为氧化过程中，常有少量水蒸气存在。例如，Pt+、Cr+注入Cu中，由于催化效应而使Cu的氧化速度减缓。