采用離子注入法對鐵和鋁合金表面改性專利技術發展趨勢

于慧澤 趙亮

摘要：本文分析了采用離子注入法對金屬表面改性的國內外專利申請文獻，梳理了該領域的技術發展路線，歸納出國內外核心專利特點以及研發熱點，同時對該領域未來發展趨勢進行了預測。

關鍵詞：離子注入；表面改性；核心專利

中圖分類號：TG174.445 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）21-0055-03

Patent Overview of Metal Surface Modification by Ion Implantation

YU Huize ZHAO Liang

（Patent Examination Cooperation Tianjin Center，State Intellectual Property Office， Tianjin 300304）

Abstract： This article analyzed the domestic and foreign patent application documents that use ion implantation to modify the surface of metals. It sorted out the technical development routes in this field， sumed up the characteristics of core patents at home and abroad as well as research and development hotspots， and predicted future development trends in this field.

Key words： ion implantation； surface modification； core patent

1 概述

離子注入法對金屬表面改性的技術中，以對鐵和鋁金屬的改性最為普遍[1-2]，在離子注入對鐵和鋁鈦合金表面改性的專利申請中，鐵及鐵基合金表面進行離子注入改性的申請量最多，達到75項；對輕質合金基體如鋁及其合金的研究分列第二位，這也與改性后鋁可應用于汽車、電子以及醫用領域密切相關。申請量的多少也在一定程度上反映了該領域的研究熱點和主攻方向，下面對鐵和鋁合金基體表面改性的技術發展路線作進一步研究和分析。

2 技術發展分析

2.1 鐵及鐵基合金表面離子注入改性

對以鐵及鐵基合金為基底的離子注入改性而言，國內外申請人采用的主要技術手段是注入金屬，同時注入金屬和非金屬，然而從圖1中也可以看出，無論哪種技術手段，申請人最關注的性能都是耐磨性、耐腐蝕性以及硬度這3項重要性能，這與鐵及鐵基合金的應用密不可分，因為該類基體常作為軸承、模具等用途。同時，也有部分申請人對改性后的鐵及鐵基合金的結合強度、潤滑性、抗疲勞、抗菌性、耐高溫氧化等性能有所關注。

圖2示出了鐵及鐵基合金離子注入法改性的發展技術脈絡，從圖中可以看出，就注入元素種類而言，最早向鐵及鐵基合金注入的元素為金屬，DE2202015A1是The GILLETTE Co作為申請人于1972年提出的專利申請，其通過向鋼中注入了Cr、Ta、Mo、W、Au或Pt，提高了鋼的硬度、耐腐蝕以及結合強度；緊隨其后的是1974年由UNITED KINGDOM ATOMIC ENERGY AUTHORITY作為申請人提出的GB1490063A，其通過向鋼表面注入了金屬元素Mo以及非金屬元素B、N，提高了基體的耐磨性能；1981年，同樣是由UNITED KINGDOM ATOMIC ENERGY AUTHORITY作為申請人，提出了GB2073254A，首次向鐵基合金基底注入了N、B、C、Ne等非金屬離子，改善了基底的耐磨性和耐腐蝕性；之后，隨著時間的推移，注入元素的種類在逐漸的豐富和多元化。隨之而來的是關注的性能也越來越多樣，從1986至2016這30年間，離子注入法在不斷地改進著鐵及鐵基合金的表面性能：耐空蝕（1991）、潤滑性和抗疲勞性（1993）、韌性和生物相容性（1997）、抗凝血性（1999）、抗蠕變性（2005）、抗菌性（2006）、致密性（2013）、耐負荷性（2015）。此外，因離子注入法本身存在著注入能量和注入厚度有限的局限，其也在逐漸地與其他方法復合一同提高鐵及鐵基合金的性能：在1981至1985這5年間，先后有研究者提出將離子注入法與沉積、離子鍍、濺射方法復合，以改善鐵及鐵基合金的綜合性能；在隨后的20年里，不斷有人將新技術與離子注入相融合，陸續將脈沖激光法、磁控濺射法、滲透等方法與離子注入相結合，提供新方法和新思路，不斷提高基底性能以適應新的發展需要。

2.2 鋁及鋁合金表面離子注入改性

從圖3可以看出，與鐵及鐵基合金不同，對以鋁及鋁合金為基底的離子注入改性而言，國內外申請人最常采用的技術手段是注入金屬，最關注的性能是耐腐蝕性，這與鋁及鋁合金注入領域的重要申請人鴻海精密工業股份有限公司密切相關。

該公司的大量申請集中于鋁及鋁合金的表面改性，采用的注入離子包括La、Ce、Nd等稀土元素離子，重點研究鋁及鋁合金離子注入后的耐腐蝕性能，這與該公司的主營業務有關。眾所周知，該公司即通常所說的“富士康科技集團”，是全球3C（電腦、通信、消費類電子）代工領域規模最大、成長最快的國際集團，而鋁及鋁合金是其主要產品手持設備的金屬殼體的主要組成材料，耐腐蝕性也自然是最重要的性能參數。而且由于鋁及鋁合金基體本身硬度不高，因此不同于鐵及鐵基合金對硬度性能的研究熱度，鋁合金基體改性關注的性能包括耐磨性、結合強度、耐高溫氧化性等。

圖4示出了鋁及鋁合金離子注入法改性的發展技術脈絡，從圖中可以看出，就注入元素種類而言，最早向鐵及鐵基合金注入的元素為同時注入金屬和非金屬，由日本KOBE STEEL LTD公司在1991年提出，公開號為JP04301067A，其通過向鋁及鋁合金中注入Ti和B，使得基體的耐磨性和結合強度有所改善；同年，美國General Motors Corporation公司提出的公開號為US5272015A的專利申請，首次向鋁及鋁合金基體表面注入非金屬元素C，提高了基底的耐磨性；對于金屬元素的注入，直到2006年才由哈爾濱工業大學提出，公開號為CN1858296A的技術方案是通過向鋁及鋁合金中注入金屬Ti，提高了基體的耐磨性、延長了使用壽命。對于鋁及鋁合金注入后的耐腐蝕性能，最早由US NAVY于1994年提出，US6335062B1通過向鋁合金基體注入了Ta和O元素，提高了其耐腐蝕性能。隨后對鋁及鋁合金的新性能研究出現了低潮期，直至2006年以后，才又開始了新性能的研究，包括抗疲勞（2006）、晶體質量（2007）、耐高溫和自潤滑（2009）等。接下來對于鋁合金的耐腐蝕性能不斷地深入研究，研究熱度在2010至2011年間。此外，對采用復合法對鋁及鋁合金表面改性沒有鐵及鐵基合金的熱度那么高，在2006年之前一直處于空白狀態，直到最近十年才有陸續將離子注入與沉積、磁控濺射等方法復合以提高基體質量的報道和研究。

3 結論

通過對上述的國內外專利申請文獻的梳理，發現采用離子注入+的復合方法成為如今的熱點趨勢，其既可以彌補離子注入法的局限性，又可以擴大應用領域，必然是未來發展的方向之一。隨著新的表面加工技術的不斷涌現，可以預期復合方法會越來越多、組合也越來越科學，并且伴隨而來的還有改性后的金屬材料的應用領域會不斷擴大。

參考文獻：

[1] 徐濱士.表面工程技術手冊.下[M].北京：化學工業出版社，2009：225-242.

[2] 竇光宇.離子注入顯神奇材料坡上新盔甲[J].金屬世界，2001（5）：3-3.