离子束表面改性和电子束表面处理的特点及其在模具工业中的应用

离子束表面改性
⒈离子注入定义
离子注入技术是将从离子源中引出的低能离子束加速成具有几万到几十万电子伏特的高能离子束后注入到固体材料表面，形成特殊物理、化学或机械性能表面改性层。
⒉工艺过程
⑴离化→气体，在高温灯丝加速电子的作用下离化。（简单）→金属，先蒸发成原子，然后离化。（复杂）
⑵分离→磁分析器从离子源产生的正离子中筛选出所需的离子
⑶加速→加速器将筛选出的正离子加速到所需的能量
⑷聚焦→利用四极透镜系统将离子束进行聚焦
⑸注入→聚焦后的离子束高速注入靶面（工件表面）
⒊特点
⑴靶材与注入或者添加的元素不受限制，几乎所有固体材料都可以作为靶材，所有的元素都可以作为注入元素注入到靶材之中。
⑵注入过程不受温度限制，在高温、低温和室温下进行。
⑶注入到靶材中的原子不受靶材固溶度的限制，不受扩散系数和化学结合力的影响，因此可以获得许多合金相图上并不存在的合金，为研究新材料体系提供了新途径。
⑷可以精确控制掺杂数量、掺杂深度与位置，掺杂的位置精度可以达到亚微米级。
⑸离子注入过程横向扩散可以忽略，www.hongchao-dg.cn深度均匀；大面积均匀性好，掺杂杂质纯度高，因此特别适合半导体器件和集成电路微细加工的工艺需求。
⑹直接离子注入不改变工件尺寸，因此特别适合于精密机械零件的表面处理，如航空、航天等。
⑺主要缺点为设备成本比较高，一次性投资比较大；离子注入层比较浅，一般以纳米为单位进行计量，离子最大注入深度也只有数个微米。
⒋离子注入材料表面的强化机理
⑴固溶强化效应
依据注入原子的种类及其与基材原子直径比值大小差别，离子注入层的固溶强化机理有间隙固溶强化与替位固溶强化。
⑵晶粒细化效应
离子注入层的晶粒尺寸较离子注入之前大幅度减少。因此注入层的硬度与强度也将大幅度提高。
⑶晶格损伤效应
高能量离子注入金属表面后，使晶格大量损伤，产生大量空位和高密度位错。当注入的离子是C、N、B等轻元素时，会钉扎位错产生强化效应。
⑷弥散强化效应
离子注入会使靶材升温，特别是N，B，C会与金属形成g’-Fc4N, e-Fe3N, CrN, TiN等氮化物，Be2B等硼化物和TiC等碳化物，并弥散分布，使基体强化。
⑸压应力效应
离子注入能把20~50%的材料加入近表面区，使表面成为压缩状态。压缩应力能填实表面裂纹，阻碍微粒从表面剥落，从而提高抗磨损及抗疲劳能力。
⒌在模具工业中的应用
⑴提高模具的耐磨性、疲劳强度
机理：降低摩擦系数，提高表面的硬度，表面压应力状态。
①在Ti-6Al-4V表面注入C、N离子，可使摩擦系数降低50%。
②在不锈钢表面注入N离子，可使摩擦系数从0.8降到0.6，如果注入的是Ti和Ti+N，其摩擦系数可以降低到0.2~0.4。
③在AISI1018钢表面注入N+，可使疲劳强度提高200%或更高。
⑵提高模具的耐蚀、抗氧化性能
①表面成分的变化：使电极电位发生变化。如注入Cr、Mo等元素，在金属表面形成氧化物薄膜，或者形成不锈钢成分的亚稳态合金，从而大幅度改善耐蚀性和抗高温氧化性能。
②表面组织的变化：可以形成浓度远远大于平衡值的单相固溶体，从而避免腐蚀微电池的形成。注入层甚至可以以非晶态方式存在，从而大幅度提高材料表面的耐蚀性。
⑶应用效果：离子注入应用于塑料成型模具、冲压模具其寿命可延长数倍。
⒍离子注入新技术
等离子体浸没离子注入(Plasma Immersion Ion Implantation，简称PIII) 
⑴原理：真空室气压维持在10-3 ~ 10-1Pa并产生等离子体，工件上加有1~100 KV的脉冲负高压(脉宽为数毫秒到150微秒，重复频率为数Hz到3kHz)。等离子体中的离子在负高压下加速，获得高能量后被注入到工件表面。
⑵优点：离子注入剂量大，可以从零件的各个方位同时注入离子。无死角、可大面积注入，适宜于复杂形状。设备成本低，生产成本低。
⑶缺点：无磁分析器，注入区域污染程度增加；缺乏离子注入剂量的原位控制手段。

电子束表面处理
⒈与激光相比→共同点
⑴均为高能束，加热快
⑵均可→相变硬化
  表面合金化
  表面熔覆
⒉与激光相比→不同点
⑴能量源不同→光子与电子
⑵激光→大气环境，方便
  电子→真空，氧化↓，真空室限制
⑶激光→有反射
  电子→易被固体吸收
⑷激光→功率小
  电子→比激光大1-2个数量级
更多信息
请直接与我公司服务人员联络（热线电话：400-699-1286），以获得更多的有关模具钢材的选择、应用、热处理及库存等相关资料。