表面改性技术课件.ppt

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1、关于表面改性技术现在学习的是第1页，共49页举例举例:钢热处理钢热处理现在学习的是第2页，共49页第第八八章章 表面改性技术表面改性技术举例举例:钢表面热处理钢表面热处理n材材料料经经表表面面改改性性处处理理后后，既既能能发发挥挥基基体体材材料料的的力力学学性性能能，又又能能使使材材料料表表面面获获得得各各种种特特殊殊性性能能(如如耐耐磨磨，耐耐腐腐蚀蚀，耐耐高高温温，合合适适的的射射线线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等)。现在学习的是第3页，共49页第第八八章章 表面改性技术表面改性技术l 常用的表面改性技术常用的表面改性技

2、术主要有主要有：表面形变强化表面形变强化（按压、内挤压和喷丸等）（按压、内挤压和喷丸等）表面热处理表面热处理三束三束(激光、电子和离子束激光、电子和离子束)表面改性技术表面改性技术离子注入表面改性离子注入表面改性等离子体扩散处理等离子体扩散处理现在学习的是第4页，共49页第第八八章章 表面改性技术表面改性技术一、表面形变强化一、表面形变强化二、表面热处理二、表面热处理三、表面化学热处理三、表面化学热处理四、三束四、三束(激光、电子和离子束激光、电子和离子束)表面改性技术表面改性技术五、离子注入表面改性五、离子注入表面改性现在学习的是第5页，共49页一、金属表面形变强化一、金属表面形变强化1、表

3、表面面形形变变强强化化：是是通通过过机机械械手手段段在在金金属属表表面面产产生生压压缩缩变变形形，使使表表面形成面形成形变硬化层形变硬化层，从而使材料强化。，从而使材料强化。n机械手段：机械手段：n 按压按压n内挤压内挤压n喷丸喷丸n滚压滚压现在学习的是第6页，共49页一、一、金属表面形变强化金属表面形变强化现在学习的是第7页，共49页2、表面形变强化原理、表面形变强化原理 在形变硬化层中产生在形变硬化层中产生两种变化两种变化：n在在组组织织结结构构上上，亚亚晶晶粒粒极极大大地地细细化化，位错密度增加，晶格畸变度增大位错密度增加，晶格畸变度增大n形成了高的宏观形成了高的宏观残余压应力残余压应力

4、结结果果：反反抗抗外外力力的的能能力力增增强强，表表面面强强度度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度提高。耐应力腐蚀性能和疲劳强度提高。一、一、金属表面形变强化金属表面形变强化现在学习的是第8页，共49页一、一、金属表面形变强化金属表面形变强化3、喷丸强化的应用实例、喷丸强化的应用实例n 20CrMnTi圆圆辊辊渗渗碳碳淬淬火火回回火火后后进进行行喷喷丸丸处处理理，残残余余压压应力为应力为880MPa，寿命从寿命从55万次提高到万次提高到150180万次；万次；n 40CrNiMo钢钢调调质质后后再再经经喷喷丸丸处处理理，残残余余压压应应力力为为880MPa，寿命从寿命从4.6106次提高到次提高到1.

5、04107次以上；次以上；n 铝铝合合金金LD2，经经喷喷丸丸处处理理后后，寿寿命命从从1.1106次次提提高高到到1108次以上；次以上；现在学习的是第9页，共49页一、一、金属表面形变强化金属表面形变强化 在在质质量量分分数数为为3的的NaCl水水溶溶液液中中工工作作的的45钢钢，经经喷喷丸丸处处理后，其疲劳强度理后，其疲劳强度-1从从100MPa提高到提高到202MPa；耐蚀镍基合金耐蚀镍基合金鼓风机叶轮鼓风机叶轮在在150热氮气中运行，六个热氮气中运行，六个月后发生应力腐蚀破坏。经喷丸强化并用玻璃珠去污，运行月后发生应力腐蚀破坏。经喷丸强化并用玻璃珠去污，运行了四年都未发生进一步破坏。

6、了四年都未发生进一步破坏。液体火箭推进剂容器的液体火箭推进剂容器的钛制零部件钛制零部件未喷丸强化时，在未喷丸强化时，在40下使用下使用14h就发生应力腐蚀破坏；容器内表面经玻璃珠喷就发生应力腐蚀破坏；容器内表面经玻璃珠喷丸强化后，在同样条件下试验丸强化后，在同样条件下试验30天还没有产生破坏。天还没有产生破坏。现在学习的是第10页，共49页二、二、表面热处理强化表面热处理强化n 表面热处理表面热处理:指仅对零部件表层指仅对零部件表层加热加热、冷却冷却，从而，从而改变改变 表层组织和性能表层组织和性能而不改变成分而不改变成分的一种工艺，的一种工艺，是是最最基基本本、应应用用最最广广泛泛的的材材料

7、料表表面面改改性性技技术术之之一一。（包包括括表表面面化化学学热热处理是处理是一个专业一个专业热处理热处理）现在学习的是第11页，共49页二二、表面热处理强化表面热处理强化n 强化基本思想强化基本思想:n 当当工工件件表表面面层层快快速速加加热热时时，工工件件截截面面上上的的温温度度分分布布是是不不均均匀匀的的，工工件件表表层层温温度度高高且且由由表表及里逐渐降低。及里逐渐降低。n 如如果果表表面面的的温温度度超超过过相相变变点点以以上上达达到到奥奥氏氏体体状状态态时时，随随后后的的快快冷冷可可获获得得马马氏氏体体组组织织，而而心心部部仍保留原组织状态。仍保留原组织状态。结结果果:得得到到硬硬

8、化化的的表表面面层层，即即通通过过表表面面层层的的相相变达到强化工件表面的目的。变达到强化工件表面的目的。现在学习的是第12页，共49页二、二、表面热处理强化表面热处理强化n 分类分类:根据根据加热方式加热方式表面热处理工艺分包括：表面热处理工艺分包括：n 感应感应加热表面淬火加热表面淬火n 火焰火焰加热表面淬火加热表面淬火n 接触电阻接触电阻加热表面淬火加热表面淬火n 浴炉浴炉加热表面淬火加热表面淬火n 电解液电解液加热表面淬火加热表面淬火n 高密度能量高密度能量的表面淬火的表面淬火n 表面保护表面保护热处理等热处理等现在学习的是第13页，共49页二、二、表面热处理强化表面热处理强化(一一)

9、感应加热表面淬火感应加热表面淬火1、感应加热表面处理的基本原理、感应加热表面处理的基本原理n 生生产产中中常常用用工工艺艺是是高高频频和和中中频频感感应应加加热热淬淬火火。近近年年来来又又发发展展了了超超音音频频、双频感应双频感应加热淬火工艺。其交流电流频率范围见表加热淬火工艺。其交流电流频率范围见表6-9。现在学习的是第14页，共49页二、二、表面热处理强化表面热处理强化n感应加热的物理过程感应加热的物理过程 感应加热主要依据感应加热主要依据:热传导热传导、电磁感应电磁感应和和集肤效应集肤效应等基本原理。等基本原理。图 感应加热表面淬火示意现在学习的是第15页，共49页二、二、表面热处理强化

10、表面热处理强化 电磁感应电磁感应：线圈通电流线圈通电流 交变磁场交变磁场 工件内部产生闭工件内部产生闭 合感应电流即合感应电流即涡流涡流。金属零件的电阻很小，所以涡电流很大，涡电流产生的热量：金属零件的电阻很小，所以涡电流很大，涡电流产生的热量：Q=IQ=I2 2RtRt 图 感应加热表面淬火示意现在学习的是第16页，共49页集集肤肤效效应应：零零件件表表面面的的电电流流密密度度最最大大，电电阻阻的的热热效效应应使使工工件件表表面面被被迅迅速速加加热热。并且，频率并且，频率f f越大，被加热的表面厚度越小。越大，被加热的表面厚度越小。二、二、表面热处理强化表面热处理强化现在学习的是第17页，共

11、49页二、二、表面热处理强化表面热处理强化图 感应加热表面淬火示意2、感应加热方式感应加热方式 方式：同时方式：同时加热加热和和连续连续加热方式。加热方式。n 同同时时加加热热方方式式淬淬火火时时，零零件件需需要要淬淬火火的的区区域域整整个个被被感感应应器器包包围围，通通电电加加热热到到淬淬火火温温度度后迅速冷却淬火。此法适用于大批量生产。后迅速冷却淬火。此法适用于大批量生产。n 连连续续加加热热方方式式淬淬火火时时，零零件件与与感感应应器器相相对对移移动动，使使加加热热和和冷冷却却连连续续进进行行。适适用用于于淬淬硬硬区区较较长长，设备功率又达不到同时加热要求的情况。设备功率又达不到同时加热

12、要求的情况。现在学习的是第18页，共49页二、二、表面热处理强化表面热处理强化（二）火焰加热表面淬火（二）火焰加热表面淬火n 火火焰焰加加热热表表面面淬淬火火是是应应用用氧氧乙乙炔炔或或其其他他可可燃燃气气体体对对零零件件表表面面加加热热，随随后后淬淬火火冷却的工艺。冷却的工艺。n 优优点点：与与感感应应加加热热表表面面淬淬火火等等方方法法相相比比，具具有有设设备备简简单单，操操作作灵灵活活，适适用用钢钢种种广广泛泛，零件表面清洁、一般无氧化和脱碳、形变小等优点。零件表面清洁、一般无氧化和脱碳、形变小等优点。n 缺缺点点：加加热热温温度度不不易易控控制制，噪噪音音大大，劳劳动动条条件件差差，使

13、使用用混混合合气气体体不不够够安安全全，不易获得薄的表面淬火层。不易获得薄的表面淬火层。n 应应用用：常常用用于于大大尺尺寸寸和和重重量量大大的的工工件件，尤尤其其适适用用于于批批量量少少品品种种多多的的零零件件或或局部区域的表面淬火，如大型齿轮、轴、轧辊和导轨等。局部区域的表面淬火，如大型齿轮、轴、轧辊和导轨等。现在学习的是第19页，共49页三、三、金属表面化学热处理金属表面化学热处理金金属属表表面面化化学学热热处处理理：利利用用元元素素扩扩散散性性能能，使使合合金金元元素素渗渗入入金金属表层属表层的一种热处理工艺。的一种热处理工艺。(一一)金属表面化学热处理过程金属表面化学热处理过程n其基

14、本工艺过程是其基本工艺过程是：n 首首先先将将工工件件置置于于含含有有渗渗入入元元素素的的活活性性介介质质中中加加热热到到一一定定温温度度，使使活活性性介介质通过分解并释放出欲渗入元素的活性原子；质通过分解并释放出欲渗入元素的活性原子；n 活性原子被表面吸附并溶入表面；活性原子被表面吸附并溶入表面；n 溶入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层。溶入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层。结果结果：改变表层的成分、组织和性能。改变表层的成分、组织和性能。现在学习的是第20页，共49页三、三、金属表面化学热处理金属表面化学热处理(二二)金属表面化学热处理的目的金属表面化学热处

15、理的目的(1)提提高高金金属属表表面面的的强强度度、硬硬度度和和耐耐磨磨性性。如如渗渗氮氮可可使使金金属属表表面面硬硬度度达达到到9501200Hv；渗渗硼硼可可使使金金属属表表面面硬硬度度达达到到14002000Hv等等。因因而而工工件件表表面面具具有有极高的耐磨性。极高的耐磨性。(2)提提高高材材料料疲疲劳劳强强度度。如如渗渗碳碳、渗渗氮氮、渗渗铬铬等等渗渗层层中中由由于于相相变变使使体体积积发发生变化，导致表层产生很大的残余压应力，从而提高疲劳强度。生变化，导致表层产生很大的残余压应力，从而提高疲劳强度。(3)使使金金属属表表面面具具有有良良好好的的抗抗粘粘着着、抗抗咬咬合合的的能能力力

16、和和降降低低摩摩擦擦系系数数。如如渗渗硫硫等。等。(4)提高金属表面的耐蚀性，提高金属表面的耐蚀性，如如渗氮、渗铝渗氮、渗铝等。等。现在学习的是第21页，共49页三、三、金属表面化学热处理金属表面化学热处理 (三三)化学热处理种类化学热处理种类n 根据根据渗入元素的介质所处状态渗入元素的介质所处状态不同，化学热处理不同，化学热处理 可分以下几类：可分以下几类：(1)固固体体法法。包包括括粉粉末末填填充充法法、膏膏剂剂涂涂覆覆法法、电电热热旋旋流流法法、覆覆盖盖层层等等)扩扩散法散法等。等。(2)液体法液体法。包括。包括盐浴法、电解盐浴法、水溶液电解法盐浴法、电解盐浴法、水溶液电解法等。等。(3

17、)气体法气体法。包括。包括固体气体法、间接气体法、流动粒子炉法固体气体法、间接气体法、流动粒子炉法等。等。(4)等离子法等离子法。现在学习的是第22页，共49页三、三、金属表面化学热处理金属表面化学热处理n 根据根据渗入元素渗入元素的不同，化学热处理可分以下几类：的不同，化学热处理可分以下几类：(1)渗渗碳碳、渗渗氮氮、碳碳氮氮共共渗渗。可可提提高高材材料料表表面面获获得得高高的的硬硬度度、耐耐磨磨性性、耐耐侵侵蚀蚀磨磨损损性性、接接触触疲疲劳劳强强度度和和弯弯曲曲疲疲劳劳强强度度，而而心部具有一定强度、塑性、韧性的性能心部具有一定强度、塑性、韧性的性能。(2)渗渗硼硼。提提高高金金属属表表面

18、面的的硬硬度度、耐耐磨磨性性和和耐耐蚀蚀性性。可可用用于于钢钢铁铁材材料料、金金属属陶陶瓷瓷和和某某些些有有色色金金属属材材料料，如如钽钽和和镍镍基基合金。这种方法成本较高。合金。这种方法成本较高。现在学习的是第23页，共49页三、三、金属表面化学热处理金属表面化学热处理(3)渗渗金金属属。使使工工件件表表面面形形成成一一层层金金属属碳碳化化物物的的一一种种工工艺艺方方法法，即即渗渗入入元元素素与与工工件件表表层层中中的的碳碳结结合合形形成成金金属属碳碳化化物物的的化化合合物物层层，如如(Cr、Fe)7C3、VC、NbC、TaC等。等。(4)渗渗其其他他元元素素。如如材材料料表表面面渗渗硅硅、

19、渗渗硫硫等等。渗渗硅硅的的主主要要目目的的是是提提高高工工件件的的耐耐蚀蚀性性、稳稳定定性性、硬硬度度和和耐耐磨磨性性。渗渗硫硫的的目目的的是是在在钢钢铁铁零零件件表表面面生生成成FeS薄膜，以降低摩擦系数，提高抗咬合性能。薄膜，以降低摩擦系数，提高抗咬合性能。(5)多多元元共共渗渗。如如硼硼和和另另一一种种或或多多种种金金属属元元素素进进行行的的多多元元渗渗硼硼、氧氧氮氮共渗共渗等。等。现在学习的是第24页，共49页（四）渗碳（四）渗碳以结构钢渗碳为例。方法：以结构钢渗碳为例。方法：1、气气体体渗渗碳碳：在在渗渗碳碳炉炉中中通通人人含含碳碳的的气气体体介介质质，如如甲醇、乙醇、丙酮、煤油、苯

20、等来渗碳。甲醇、乙醇、丙酮、煤油、苯等来渗碳。2、固体渗碳固体渗碳：用固体渗碳剂，如木炭、焦炭等。：用固体渗碳剂，如木炭、焦炭等。3、盐盐浴浴（液液体体）渗渗碳碳：在在熔熔融融盐盐浴浴中中进进行行渗渗碳碳。盐盐浴浴如：如：KCl、NaCl和和Na2CO3组成的盐浴。组成的盐浴。三、三、金属表面化学热处理金属表面化学热处理现在学习的是第25页，共49页四、三束表面改性处理四、三束表面改性处理n 激激光光束束、电电子子束束和和离离子子束束三三束束表表面面处处理理是是高能密度高能密度表面处理技术中的一种主要手段。表面处理技术中的一种主要手段。n 三三束束表表面面处处理理的的目目的的是是利利用用在在加

21、加热热和和冷冷却却时时速速率率高高，如如激激光光可可达达106108s的的优优点点，改改变变表表面面层层的的成成分分和和显显微微结结构构，从从而而提提高高表表面面性性能能，以以适应基体材料的需要。适应基体材料的需要。现在学习的是第26页，共49页（一）激光表面处理（一）激光表面处理1、激光的特点、激光的特点1)高方向性高方向性。激光光束的发散角可以小于一到几个毫弧度。激光光束的发散角可以小于一到几个毫弧度。2)高平行性高平行性。光束基本上是互相平行的。光束基本上是互相平行的。3)高高亮亮度度性性。激激光光器器发发射射出出来来的的光光束束非非常常强强，通通过过聚聚焦焦集集中中到到一一个个极极小小

22、的的范范围围之之内内。可可以以获获得得极极高高的的能能量量密密度度或或功功率率密密度度，聚聚集集后后的的功功率率密密度度可可达达1014wcm2，焦焦斑斑中中心心温温度度可可达达几几千度到几万度千度到几万度，只有电子束的功率密度才能和激光相比拟。，只有电子束的功率密度才能和激光相比拟。4)高单色性高单色性。激光具有相同的位相和波长，所以激光的单色性好。激光的频率范围非常狭。激光具有相同的位相和波长，所以激光的单色性好。激光的频率范围非常狭。四、三束表面改性处理四、三束表面改性处理现在学习的是第27页，共49页2、激光表面处理设备、激光表面处理设备 激激光光表表面面处处理理设设备备包包括括激激光

23、光器器、导导光光聚聚焦焦系系统统、工工作作台台、计计算算机机控控制制系系统统等等，如如图图所示所示。激光器控制计算机光束调制工作台X-Y扫描聚焦镜图6-10 激光表面处理系统组成四、三束表面改性处理四、三束表面改性处理现在学习的是第28页，共49页(1)激光与材料的相互作用激光与材料的相互作用n 激激光光与与材材料料的的相相互互作作用用主主要要是是通通过过电电子子激激发发实实现现的的。只只有有一一部部分分激激光光光光子子能能量量被被材材料料所所吸吸收收而而转转化化为为热热能能，激激光光并并未未穿穿过过金金属属表表面面;另另一一部部分分激激光光则则从从材料表面反射材料表面反射。n 不不同同材材料

24、料对对不不同同波波长长激激光光的的反反射射率率是是不不同同的的。一一般般情情况况下下，电电导导率率高高的的金金属属材材料料对对激激光光的的反反射射率率高高，表面粗糙度小反射率也高表面粗糙度小反射率也高。工件激光器四、三束表面改性处理四、三束表面改性处理现在学习的是第29页，共49页(2)激光器激光器 n 激激光光器器的的种种类类：现现已已有有几几百百种种激激光光器器。主主要要有有：固固体体激激光光器器和和 气体激光器气体激光器。固体激光器固体激光器：晶晶体体固固体体激激光光器器：如如红红宝宝石石激激光光器器、钕钕-钇钇铝铝石石榴榴石石激激光光器器 玻璃激光器玻璃激光器：如钕离子玻璃激光器：如钕

25、离子玻璃激光器四、三束表面改性处理四、三束表面改性处理现在学习的是第30页，共49页 气体激光器气体激光器：中性原子中性原子气体激光器气体激光器(如如He-Ne激光器激光器)、离子离子激光器激光器(如如Ar+激光器激光器)、分子气体分子气体激光器激光器(如如CO2、Kr激光器激光器)、准分子准分子激光器激光器(如如Xe激光器激光器)。液体激光器液体激光器。无机液体激光器、染料激光器。无机液体激光器、染料激光器。半导体激光器半导体激光器 (砷化镓激光器砷化镓激光器)。化学激光器化学激光器。四、三束表面改性处理四、三束表面改性处理现在学习的是第31页，共49页3、激光表面处理、激光表面处理 前工件

26、表面的预处理：前工件表面的预处理：n 由由于于激激光光加加热热时时被被处处理理金金属属表表面面吸吸收收光光子子能能量量，激激光光并并未未穿穿过金属表面，为了过金属表面，为了减少反射减少反射，提高处理效率提高处理效率，因此需进行。，因此需进行。n 常常用用的的预预处处理理方方法法：磷磷化化（吸吸收收率率88）、黑黑化化和和涂涂覆覆红红外外能量吸收材料能量吸收材料（如涂碳黑吸收率高达（如涂碳黑吸收率高达90以上）以上）四、三束表面改性处理四、三束表面改性处理现在学习的是第32页，共49页应用举例：应用举例：n激光表面强化：激光表面强化：激光表面淬火的应用实例见表激光表面淬火的应用实例见表6-29。

27、现在学习的是第33页，共49页举例：举例：现在学习的是第34页，共49页 有色金属激光涂履有色金属激光涂履 利利用用激激光光进进行行铝铝合合金金表表面面涂涂覆覆可可以以从从根根本本上上改改善善工工件件的的表表面面的的耐耐磨磨、耐耐蚀蚀和和抗抗疲疲劳劳性性能能，很很少少受受基基体体材料的限制。材料的限制。如如:西西安安交交通通大大学学等等对对ZL101铝铝合合金金发发动动机机缸缸体体内内壁壁进进行行激激光光涂涂覆覆硅硅粉粉和和MoS2，获获得得0102mm的的硬硬化层，其硬度可达基体的化层，其硬度可达基体的35倍。倍。四、三束表面改性处理四、三束表面改性处理现在学习的是第35页，共49页金属表面

28、非晶态处理金属表面非晶态处理u纺纺纱纱机机钢钢令令跑跑道道表表面面硬硬度度低低，易易生生锈锈，造造成成钢钢令令使使用用寿寿命命低低，纺纺纱纱断断头头率率高高。用用激激光光非非晶晶化化处处理理后后，钢钢令令跑跑道道表表面面的的硬硬度度提提高高至至1000HV以以上上，耐耐磨磨性性提提高高1.3倍倍，纺纱断头率下降纺纱断头率下降75，经济效益显著。，经济效益显著。u 汽汽车车凸凸轮轮轴轴和和柴柴油油机机铸铸钢钢套套外外壁壁经经激激光光表表面面非非晶晶态态处理后，强度和耐腐蚀性均明显提高。处理后，强度和耐腐蚀性均明显提高。u在在真真空空中中采采用用连连续续气气相相沉沉积积激激光光技技术术,在在软软的

29、的基基材材表表面获得硬度达面获得硬度达20004500HV的的非晶非晶BN薄层薄层。四、三束表面改性处理四、三束表面改性处理现在学习的是第36页，共49页 离离子子注注入入：将将所所需需的的某某种种元元素素的的原原子子电电离离成成离离子子，在在电电场场中中加加速速后后高高速速轰轰击击工工件件表表面面使使之之注注入入工工件件表表面面一一定深度定深度的真空处理工艺，也属于的真空处理工艺，也属于PVD范围。范围。（一）离子注入的原理（一）离子注入的原理 1、入射离子工件材料与发生、入射离子工件材料与发生相互作用相互作用五、五、离子注入表面改性离子注入表面改性现在学习的是第37页，共49页 入入射射离

30、离子子经经过过与与电电子子、原原子子若若干干次次碰碰撞撞后后，自自身身的的能能量量几几乎乎耗耗尽尽而而停停止止运运动动，在在材材料料中中的的一一定定深深度度处处停停留留下下来来，成成为为材材料料中中的的一种一种杂质原子杂质原子留在固体中（图右侧注入处）。留在固体中（图右侧注入处）。五、离子注入表面改性五、离子注入表面改性现在学习的是第38页，共49页结结果果：离离子子进进入入固固体体后后对对固固体体表表面面性性能能发发生生的的上上述述作作用用在在改改性性中中都都有有重重要要意意义义。离离子子注注入入除除了了在在表表面面层层中中增增加加注注入入元元素素含含量量外外，还还在在注注入入层层中中增增加

31、加了了许许多多空空位位、间间隙隙原原子子、位位错错、位位错错团团、空空位位团团、间间隙隙原原子子团团等缺陷等缺陷。它们对注入层的性能有很大影响。它们对注入层的性能有很大影响。五、离子注入表面改性五、离子注入表面改性现在学习的是第39页，共49页2、离子注入设备、离子注入设备 图图6-17是是离离子子注注入入装装置置简简图图。装装置置包包括括离离子子发发生生器器、加加速速系系统统、分分选选装装置置、离离子子束束扫扫描系统描系统、试祥室试祥室和和排气系统排气系统。从从离离子子发发生生器器发发出出的的离离子子由由几几万万伏伏电电压压引引出出，在在几几万万至至几几十十万万伏伏电电压压的的加加速速系系统

32、统中中加加速速获获得得高高能能量量，进进入入分分选选部部，将将一一定定的的质质量量电电荷荷比比的的离离子子选选出出。通通过过扫扫描描机机构构扫扫描描轰轰击击工工件件表表面面，离离子子与与工工件件材材料料发发生生一一系系列列相相互互作用作用。五、离子注入表面改性五、离子注入表面改性现在学习的是第40页，共49页（二）离子注入的特点（二）离子注入的特点n 离离子子注注入入法法不不同同于于任任何何热热扩扩散散方方法法，可可注注入入任任何何元元素素，且且不不受受固固溶溶度度和和扩扩散散系系数数的的影影响响。因因此此，用用这这种种方方法法可可能能获获得得不不同同于于平平衡衡结结构的特殊物质的方法构的特殊

33、物质的方法；是；是开发新型材料的非常独特的方法开发新型材料的非常独特的方法；n 离离子子注注入入温温度度和和注注人人后后的的温温度度可可以以任任意意控控制制，且且在在真真空空中中进进行行，工工件件不不氧氧化化，不不变变形形，不不发发生生退退火火软软化化，表表面面租租糙糙度度一一般般无无变变化化，可可作作为最终处理工艺为最终处理工艺；五、离子注入表面改性五、离子注入表面改性现在学习的是第41页，共49页n可可控控性性和和重重复复性性好好。通通过过改改变变离离子子源源和和加加速速器器能能量量，可可以以调调整整离离子子注注入入深深度度和和分分布布；通通过过可可控控扫扫描描机机构构，不不仅仅可可实实现

34、现在在较较大大面面积积上上的的均均匀化，而且可以在很小范围内进行局部改性。匀化，而且可以在很小范围内进行局部改性。n 可可获获得得两两层层或或两两层层以以上上性性能能不不同同的的复复合合材材料料。复复合合层层不不易易脱脱落落。注入层薄，工件尺寸基本不变。注入层薄，工件尺寸基本不变。n70年年代代初初，人人们们利利用用离离子子注注入入进进行行金金属属表表面面合合金金强强化化的的研研究究，使使离离子子注注入入技技术术成成为为目目前前最最活活跃跃的的研研究究方方向向之之一一。离离子子注注入入已已在在表表面面非非晶晶化化、表表面面冶冶金金、表表面面改改性性和和离离子子与与材材料料表表面面相相互互作作用

35、用等等方方面面取取得得了了可可喜喜的的研研究究成成果果。特特别别是是在在工工件件表表面面合合金金化化方方面面取取得得了了突突出出的的进进展。展。五、离子注入表面改性五、离子注入表面改性现在学习的是第42页，共49页目目前前，离离子子注注入入在在微微电电子子技技术术、生生物物工工程程、宇宇航航、医医疗疗等等高高技技术术领领域域获获得得了了比比较较广广泛泛的的应应用用，尤尤其其是是在在工工具具和和模模具制造工业的应用效果突出。具制造工业的应用效果突出。但但从从目目前前的的技技术术水水平平看看，还还存存在在一一些些缺缺点点，如如注注入入层层薄薄(1nm)；离离子子只只能能直直线线行行进进，不不能能绕

36、绕行行，对对于于复复杂杂的的和和有有内内孔孔的的零零件件不不能能进进行行离离子子注注入入，设设备备造造价价高高，所以应用还不广泛。所以应用还不广泛。五、离子注入表面改性五、离子注入表面改性现在学习的是第43页，共49页（三）离子注入表面改性的应用（三）离子注入表面改性的应用离子注入金属表面合金化离子注入金属表面合金化 离离子子注注入入金金属属表表面面会会改改善善材材料料的的耐耐磨磨性性、耐耐蚀蚀性性、硬硬度度、疲疲劳劳寿寿命命和和抗抗氧氧化化性性等等。以下从微观角度分析离子注人改善性能的可能机制以下从微观角度分析离子注人改善性能的可能机制:n 辐辐照照损损伤伤强强化化。离离子子注注入入产产生生

37、的的辐辐照照损损伤伤增增加加了了各各种种缺缺陷陷的的密密度度，改改变变了了正正常常的的晶晶格格原原子子的的排排列列。同同时时，注注入入元元素素离离子子阻阻止止位位错错滑滑移移，从从而而使使表表面面层层强化并降低表面疲劳裂纹的形成可能性强化并降低表面疲劳裂纹的形成可能性，但对疲劳裂纹的扩展影响不大，但对疲劳裂纹的扩展影响不大。n 固固溶溶强强化化。离离子子注注入入可可获获得得过过饱饱和和度度很很大大的的固固溶溶体体，固固溶溶强强化化效效果果较较强强。而而且注入离子对位错的钉扎作用也使材料得到且注入离子对位错的钉扎作用也使材料得到强化强化。五、离子注入表面改性五、离子注入表面改性现在学习的是第44

38、页，共49页 沉沉淀淀强强化化。注注入入元元素素可可能能与与基基体体材材料料中中的的元元素素形形成成各各种种化化合合物物，使使表表面面离离子子注注入入层层产产生生沉沉淀淀强强化化。如如钛钛离离子子注入含有注入含有C的钢或合金中，有可能形成的钢或合金中，有可能形成TiC微粒沉淀。微粒沉淀。非非晶晶态态化化。当当离离子子注注入入的的量量达达到到一一定定值值时时，可可使使基基体体金金属属形形成成非非晶晶态态表表面面层层。因因此此可可降降低低钢钢的的摩摩擦擦系系数数，提提高高耐耐磨磨性性。由由于于非非晶晶态态表表面面没没有有晶晶界界等等缺缺陷陷，可可显显著著提提高高耐耐蚀蚀性能性能。五、五、离子注入表

39、面改性离子注入表面改性现在学习的是第45页，共49页 残残余余压压应应力力。离离子子注注入入可可产产生生很很高高的的残残余余压压应应力力，有有利利于提高材料表层的于提高材料表层的耐磨性和疲劳性能耐磨性和疲劳性能。表表面面氧氧化化膜膜的的作作用用。离离子子注注入入引引起起温温度度升升高高和和元元素素扩扩散散的的增增加加，使使氧氧化化膜膜增增厚厚和和改改性性，从从而而降降低低摩摩擦擦系系数数；通通过过改改变变注注入入的的离离子子种种类类可可改改变变氧氧化化膜膜的的性性质质，如如氧氧化化膜膜的的致致密密性性、塑性和导电性等。塑性和导电性等。五、五、离子注入表面改性离子注入表面改性现在学习的是第46页

40、，共49页 2.离子注入在表面改性中的应用举例离子注入在表面改性中的应用举例n应应用用对对象象主主要要是是金金属属固固体体，如如钢钢、硬硬质质合合金金、钛钛合合金金、铬铬和和铝铝等等材材料料。应应用用最最广广泛泛的的金金属属材材料料是是钢钢铁铁材材料料和和钛钛合合金金。但但是是，用用离离子子注注入入方方法法强强化面心立方晶格材料是困难的。化面心立方晶格材料是困难的。n注入的离子注入的离子:Ni、Ti、Cr、Ta、Cd、B、N、He等的离子。等的离子。经经离离子子注注入入后后可可大大大大改改善善基基体体的的耐耐磨磨性性、耐耐蚀蚀性性、耐耐疲疲劳劳性性和和抗抗氧氧化化性。性。举例举例:n 用用作作

41、人人工工关关节节的的钛钛合合金金Ti-6Al4V耐耐磨磨性性差差，用用离离子子注注入入N+后后，耐耐磨性提高磨性提高1000倍倍，生物性能也得到改善。，生物性能也得到改善。五、五、离子注入表面改性离子注入表面改性现在学习的是第47页，共49页 我国生产的各类我国生产的各类冲模和压制模冲模和压制模一般寿命为一般寿命为20005000次，而英、美、次，而英、美、日本的同类产品日本的同类产品寿命达寿命达5000次以上次以上。国外生产的电冰箱、洗衣机等。国外生产的电冰箱、洗衣机等的的活塞门活塞门，材料基本与我国的相同，甚至是普通低碳钢。由于采用了，材料基本与我国的相同，甚至是普通低碳钢。由于采用了所谓

42、所谓“专利性专利性”处理工艺，使用寿命是我国同类产品的几倍到几十倍。处理工艺，使用寿命是我国同类产品的几倍到几十倍。有的钢铁材料经离子注入后耐磨性可提高有的钢铁材料经离子注入后耐磨性可提高100倍以上倍以上。铝铝、不不锈锈钢钢中中注注入入He，铜铜中中注注入入B、He、A1和和Cr离离子子，金金属属或或合合金金耐耐大大气气腐腐蚀蚀性性明明显显提提高高。其其机机理理是是离离子子注注入入的的金金属属表表面面上上形形成成了了注注入入元元素素的的饱饱和和层层，阻阻止止金金属属表表面面吸吸附附其其他他气气体体，从从而而提提高高金金属属耐大气腐蚀性能。耐大气腐蚀性能。五、五、离子注入表面改性离子注入表面改性现在学习的是第48页，共49页感感谢谢大大家家观观看看现在学习的是第49页，共49页