1引言TiN涂层由于具有高硬度和低摩擦系数等优良性能是第一个产业化的薄膜材料,具有高硬度 、低摩擦系数、导热性好等优良的综合性能<1￣3>,其硬度约为20GPa,抗氧化温度约为 500℃。TiN的生成自由能低,化学性能稳定。自上世纪70年代以来,用物理气相沉积(P VD)技术制备的TiN涂层已广泛应用于刀模具和各种耐磨零件及装饰涂层上<4￣8>。图1 给出了TiN的平衡相图,从图中可以看出,氮化钛中的N:Ti比有一个成分变化区。对于单相 TiN薄膜来说,氮高于化学计量比,即N:Ti比值大于1时,膜层具有较低的硬度;低于化学 计量比,即N:Ti比值小于1时,膜层硬度较高。TiN在很宽的成分范围都是稳定的,成分不 同的主要原因在于金属或非金属的亚晶格中存在有高浓度的空位所致,薄膜样品中的这些效果更加 明显<9>。本文研究了磁控溅射所得的TiN涂层的微观组织结构及其力学性能。2实验过程用 传统的粉末冶金方法制备TNMG120408型号的硬质合金刀片;采用磁控溅射方法在硬质合 金基体上沉积TiN涂层;采用XRD分析TiN涂层的相结构;采用纳米压痕测量涂层的硬度; 采用SEM观察涂层截面的组织结构;采用划痕仪评估涂层和基体的结合情况。3实验结果和分析 图2为衍射角为2°时X射线小角度衍射所测图1TiN的平衡相图湿度,℃氮原子,%得的Ti N涂层谱线图。表1列出了TiN涂层沿各晶面生长的织构系数,织构系数采用以下公式计算:T *=I(hkl)R(hkl)1n!"n0#RI(h(hkkl)l)其中I(hkl)和R (hkl)分别表示涂层试样实际衍射强度和随机粉末的衍射强度,n是参考的衍射峰数目,织构 系数T*大于1表示涂层具有该方向的织构,数值越大择优生长越明显,其晶格常数为4.198 A。由于存在压应力的作用,比标准的TiN晶格常数4.243A低。对于面心立方结构的Ti N而言,(111)面为密排面,(220)面次之,涂层沿密排面生长具有最低的自由能,择优 生长。本实验对TiN涂层的力学性能测量采用了力学探针的两步压入法:先采用足够大的载荷( 本次实验采用150mN)对薄膜/基体复合体进行压入实验,由力学探针给出的加载曲线判断基 片变形对薄膜硬度测量值的影响,从而选择合适的压入小载荷(15mN)对试样进行第二步压入 实验。通过小载荷压入实验的加载曲线根据Oliver公式计算得到薄膜的显微硬度HV<10 >。图3为TiN涂层在最大压入载荷为15mN时的加卸载曲线,在第一步的大载荷中主要考虑 加载曲线,由加载曲线中压头的压入深度,可根据压头形状计算出受载荷条件下压头与试样的接触面积,从而得到试样的受载硬度HU(也称为广义硬度,U-niversalHardness),其表达式为:HU=P/A(1)式中P为压入载荷,A为压头与试样的接触 面积。对于本实验所采用的维氏压头,A=26.43h2(h为压头的压入深度)。显然,由此 得到受载硬度(HU)与传统方法得到的卸载曲线硬度(HV)中包含了试样的弹性变形,因而其 数值显得略小。通过公式(1)计算TiN涂层的硬度为24.6GPa。图4为涂层的截面组织 结构,涂层组织致密、无缺陷与基体紧密结合。TiN涂层的晶粒结构为喇叭口柱状晶,在远离基 体的方向上晶粒直径愈显宽大,随着沉积时间增加,喇叭口结构更加明显,平均晶粒度增加,但晶 粒度趋向于不均匀。晶粒的边缘呈锯齿状,表明在沉积过程中其生长空间受到了周围晶粒的挤压, 不能发育完全。图5为声发射原理测定的划痕实验曲线,划痕实验法即是用形状特定的压头在涂层 -基体组合体的涂层表面上滑动,在此过程中连续性增加载荷L,当达到一定值,即临界载荷值L c时,涂层与基体开始剥离,此时脆性涂层会产生高强且连续波动的声发射信号,声发射峰出现波 动的起始点所对应的载荷值即为被测涂层材料的临界载荷,实际该曲线是涂层韧性和涂层与基体结 合力的综合反应。由图5表1TiN涂层晶体取向与晶格常数涂层工艺TiN(111)1.31 178(200)0.25562(220)1.45811晶格常数A4.198织构系数T* 图2TiN涂层的XRD衍射图谱图3TiN涂层的加卸载曲线图4TiN涂层截面组织的SEM 照片2θ,度压入载荷,μm可以看出:TiN涂层与硬质合金基体的结合力约为62N。4结论 采用磁控溅射制备的TiN涂层为面心立方结构,晶粒形貌为典型的喇叭口结构,沿(200)、 (111)密排面择优生长;用两步压入法测得其硬度为23.2GPa;TiN涂层与硬质合金 基体结合紧密,其结合强度约为62N。图5涂层划痕实验曲线结合力,NTiN涂层的微观组织 结构及力学性能分析@陈利$中南大学粉末冶金国家重点实验室!湖南长沙,410083株硬集团株洲钻石切削刀具股份有限公司湖南株洲412007
@汪秀全$中南大学粉末冶金国家重点实验室!湖南长沙,410083
@尹飞$中南大学粉末冶金国家重点实验室!湖南长沙,410083株硬集团株洲钻石切削刀具股份有限公司湖南株洲412007
@李佳$株硬集团株洲钻石切削刀具股份有限公司!湖南株洲412007借助XRD、纳米压痕、 SEM和划痕仪研究了采用磁控溅射在硬质合金基体上沉积的TiN、(Ti,Al)N单层和T iN/(Ti,Al)N多层涂层的组织结构和力学性能。研究表明:面心立方结构的TiN涂层 晶粒形貌为典型的喇叭口结构,沿(200)、(111)择优生长;TiN涂层的硬度为24. 6GPa;与硬质合金基体的结合强度约为62N。TiN涂层;;硬质合金;;硬度;;结合力<1>RavehA,Weiss M,et al.Graded Al-AlN,TiN,and TiAlN multi-layers deposited by radio-frequency reactive magnetron sputtering.SurfCoat Technol,1999,114:269-277
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