采用离子注入法对铁和铝合金表面改性专利技术发展趋势

于慧泽 赵亮

摘要：本文分析了采用离子注入法对金属表面改性的国内外专利申请文献，梳理了该领域的技术发展路线，归纳出国内外核心专利特点以及研发热点，同时对该领域未来发展趋势进行了预测。

关键词：离子注入；表面改性；核心专利

中图分类号：TG174.445 文献标识码：A 文章编号：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

离子注入法对金属表面改性的技术中，以对铁和铝金属的改性最为普遍[1-2]，在离子注入对铁和铝钛合金表面改性的专利申请中，铁及铁基合金表面进行离子注入改性的申请量最多，达到75项；对轻质合金基体如铝及其合金的研究分列第二位，这也与改性后铝可应用于汽车、电子以及医用领域密切相关。申请量的多少也在一定程度上反映了该领域的研究热点和主攻方向，下面对铁和铝合金基体表面改性的技术发展路线作进一步研究和分析。

2 技术发展分析

2.1 铁及铁基合金表面离子注入改性

对以铁及铁基合金为基底的离子注入改性而言，国内外申请人采用的主要技术手段是注入金属，同时注入金属和非金属，然而从图1中也可以看出，无论哪种技术手段，申请人最关注的性能都是耐磨性、耐腐蚀性以及硬度这3项重要性能，这与铁及铁基合金的应用密不可分，因为该类基体常作为轴承、模具等用途。同时，也有部分申请人对改性后的铁及铁基合金的结合强度、润滑性、抗疲劳、抗菌性、耐高温氧化等性能有所关注。

图2示出了铁及铁基合金离子注入法改性的发展技术脉络，从图中可以看出，就注入元素种类而言，最早向铁及铁基合金注入的元素为金属，DE2202015A1是The GILLETTE Co作为申请人于1972年提出的专利申请，其通过向钢中注入了Cr、Ta、Mo、W、Au或Pt，提高了钢的硬度、耐腐蚀以及结合强度；紧随其后的是1974年由UNITED KINGDOM ATOMIC ENERGY AUTHORITY作为申请人提出的GB1490063A，其通过向钢表面注入了金属元素Mo以及非金属元素B、N，提高了基体的耐磨性能；1981年，同样是由UNITED KINGDOM ATOMIC ENERGY AUTHORITY作为申请人，提出了GB2073254A，首次向铁基合金基底注入了N、B、C、Ne等非金属离子，改善了基底的耐磨性和耐腐蚀性；之后，随着时间的推移，注入元素的种类在逐渐的丰富和多元化。随之而来的是关注的性能也越来越多样，从1986至2016这30年间，离子注入法在不断地改进着铁及铁基合金的表面性能：耐空蚀（1991）、润滑性和抗疲劳性（1993）、韧性和生物相容性（1997）、抗凝血性（1999）、抗蠕变性（2005）、抗菌性（2006）、致密性（2013）、耐负荷性（2015）。此外，因离子注入法本身存在着注入能量和注入厚度有限的局限，其也在逐渐地与其他方法复合一同提高铁及铁基合金的性能：在1981至1985这5年间，先后有研究者提出将离子注入法与沉积、离子镀、溅射方法复合，以改善铁及铁基合金的综合性能；在随后的20年里，不断有人将新技术与离子注入相融合，陆续将脉冲激光法、磁控溅射法、渗透等方法与离子注入相结合，提供新方法和新思路，不断提高基底性能以适应新的发展需要。

2.2 铝及铝合金表面离子注入改性

从图3可以看出，与铁及铁基合金不同，对以铝及铝合金为基底的离子注入改性而言，国内外申请人最常采用的技术手段是注入金属，最关注的性能是耐腐蚀性，这与铝及铝合金注入领域的重要申请人鸿海精密工业股份有限公司密切相关。

该公司的大量申请集中于铝及铝合金的表面改性，采用的注入離子包括La、Ce、Nd等稀土元素离子，重点研究铝及铝合金离子注入后的耐腐蚀性能，这与该公司的主营业务有关。众所周知，该公司即通常所说的“富士康科技集团”，是全球3C（电脑、通信、消费类电子）代工领域规模最大、成长最快的国际集团，而铝及铝合金是其主要产品手持设备的金属壳体的主要组成材料，耐腐蚀性也自然是最重要的性能参数。而且由于铝及铝合金基体本身硬度不高，因此不同于铁及铁基合金对硬度性能的研究热度，铝合金基体改性关注的性能包括耐磨性、结合强度、耐高温氧化性等。

图4示出了铝及铝合金离子注入法改性的发展技术脉络，从图中可以看出，就注入元素种类而言，最早向铁及铁基合金注入的元素为同时注入金属和非金属，由日本KOBE STEEL LTD公司在1991年提出，公开号为JP04301067A，其通过向铝及铝合金中注入Ti和B，使得基体的耐磨性和结合强度有所改善；同年，美国General Motors Corporation公司提出的公开号为US5272015A的专利申请，首次向铝及铝合金基体表面注入非金属元素C，提高了基底的耐磨性；对于金属元素的注入，直到2006年才由哈尔滨工业大学提出，公开号为CN1858296A的技术方案是通过向铝及铝合金中注入金属Ti，提高了基体的耐磨性、延长了使用寿命。对于铝及铝合金注入后的耐腐蚀性能，最早由US NAVY于1994年提出，US6335062B1通过向铝合金基体注入了Ta和O元素，提高了其耐腐蚀性能。随后对铝及铝合金的新性能研究出现了低潮期，直至2006年以后，才又开始了新性能的研究，包括抗疲劳（2006）、晶体质量（2007）、耐高温和自润滑（2009）等。接下来对于铝合金的耐腐蚀性能不断地深入研究，研究热度在2010至2011年间。此外，对采用复合法对铝及铝合金表面改性没有铁及铁基合金的热度那么高，在2006年之前一直处于空白状态，直到最近十年才有陆续将离子注入与沉积、磁控溅射等方法复合以提高基体质量的报道和研究。

3 结论

通过对上述的国内外专利申请文献的梳理，发现采用离子注入+的复合方法成为如今的热点趋势，其既可以弥补离子注入法的局限性，又可以扩大应用领域，必然是未来发展的方向之一。随着新的表面加工技术的不断涌现，可以预期复合方法会越来越多、组合也越来越科学，并且伴随而来的还有改性后的金属材料的应用领域会不断扩大。

参考文献：

[1] 徐滨士.表面工程技术手册.下[M].北京：化学工业出版社，2009：225-242.

[2] 窦光宇.离子注入显神奇材料坡上新盔甲[J].金属世界，2001（5）：3-3.