TiN涂层陶瓷刀具膜-基界面应力的试验研究

HEATS

1 引言

TiN薄膜作为一种超硬涂层，具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系数和良好的化学稳定性，已广泛应用于机械加工中的工模具涂层。但是，TiN薄膜与硬质合金和陶瓷刀具基体的附着力较差，在切削力作用下容易从基体上脱落，严重影响TiN涂层刀具的切削性能和使用寿命。因此，如何提高TiN涂层的膜—基附着力一直是该领域的研究热点之一。本文采用X衍射sin2y法测定了在Si3N4 陶瓷刀具基体上沉积TiN薄膜的残余应力，研究了残余应力对膜—基结合力的影响，测试分析了TiN膜—基界面的形貌和成分，并对残余应力的产生机理进行了初步探讨。

2 试验方法

2.1 试样准备

试样采用市售的Si3N4 陶瓷成形刀具，外形为四棱柱形，尺寸为12.7mm×12.7mm×4.76mm，经淬火和去应力退火后硬度为65HRC以上，采用PVD涂层工艺在陶瓷刀具基体上沉积厚度约为5µm的TiN薄膜。

2.2 试验方案

利用X350A型X射线衍射应力分析仪对涂层后的陶瓷刀具试样表面的TiN薄膜进行X射线衍射分析，管电压为22kV，管电流为6mA，铬靶Ka特征辐射，准直管直径为4mm，阶梯扫描步进角0.1°，时间常数1s ，扫描起始角和终止角分别为132°和126°，侧倾角y 分别取0°、15°、25°和45°。对于铬靶Ka特征辐射，XRD线型分析选用TiN薄膜(3 1 1) 晶面衍射峰，X射线吸收系数取µ_f= 2.5×105m^-1，膜下陶瓷刀具基体为(2 2 2) 晶面，衍射角q=69.28°。

3 试验结果及讨论

3.1 理论分析与计算

理论分析与计算

经Raman光谱证实陶瓷刀具的表面薄膜为TiN相后，用X射线衍射测量TiN薄膜的应力。测量原理为：应力的存在会引起晶格畸变，使晶格常数发生变化，根据Bragg 衍射公式(2dsinq=l)可确定薄膜材料的晶面间距，则薄膜应力为

* l( S, W6 q6 O- c( w9 F2 P0 z, @& E1 b3 q

9 R% O9 P* Y8 a. G! z. i( G# c; e: W5 s+ w- c/ [: z p; |! b9 F. R6 c6 i" P B- c2 }3 m; T+ b6 \$ F" O: N4 e; O7 E u7 s z G% k9 `) Q1 w F= E = E d0-d 2se 2s d

(1)

式中：E ——薄膜材料的杨氏模量
σ——泊松比
d0——晶面间距
ε——薄膜应变

对于TiN薄膜， E=450GPa，σ≈0.22，(2 2 2)面的d0=0.20592nm。F的正负分别对应于张应力和压应力。TiN薄膜的本征应力由测得的F值减去热应力值而得到。

由于TiN薄膜与陶瓷基体材料的热膨胀系数不同，因此X 射线衍射结果包括了由此产生的热应力F1，F1的计算式为
" D0 W3 m1 Z2 Z' h: ~" @/ F7 ~+ A# s6 p4 {

, r+ d) _4 s. p+ f2 v4 s, G8 P+ e! g/ c/ [; L, {+ J+ _; n7 c7 a& t6 O$ O, |, |; K2 I" @! M. `# ?6 e) u: Z* t1 W) }7 j# ^# ?, _+ |/ w+ c0 s9 ^0 H' ]- k0 \( Q7 r# c& C% p8 y5 y( ?( ~+ A7 x F1= E = E 1-set 1-s(af-as)

(2)

式中：E/(1-σ)——TiN薄膜的双轴杨氏模量，取值为1345GPa
εt——热应变
αf——TiN薄膜的热膨胀系数，αf=(0.8～4.8)×10^-6/℃
αs——基体的热膨胀系数，αs=(2.4～4.2)×10^-6/℃
△T——沉积温度与测量温度之差

在本试验的测量范围内，Ft为负值，即热应力为压应力，根据方程Fi=F-Ft即可根据测得的总应力F和热应力Ft求得TiN薄膜的内应力。

3.2 组织结构分析

Si3N4 和TiN的机械性能如表1 所示。对于TiN-Si3N4 系统，TiN的热膨胀系数和弹性模量均大于Si3N4，用努氏(Knoop)显微硬度计测得TiN薄膜的显微硬度为24GPa。 $ o# O' U. K! l$ T2 ]; U/ Q

表1 Si₃N₄和TiN的机械性能对比
) L' x. x% w7 U" S

. [" f/ a9 h% `+ T. j. u) E8 ?# ]7 {: I, X/ N# P8 {7 B) s) `& M6 n0 k# Q5 q& R6 d9 h$ Y+ Z- F7 L# n7 N2 ~9 I1 ~4 J0 s" j/ k$ q- \3 d! i- M8 o- q! q- B" W: |6 e3 K) m9 \- h' j8 c$ \' e* w! z9 Q! j& m& g2 S/ y2 S, Q. @/ D* D) X6 ^

材料	热胀系数 (K-1)	弹性模量 (Gpa)	泊松比	密度 (g/cm3)	显微硬度 (Gpa)
Si3N4	3.25×10-6	300	0.24	3.21	30
TiN	8.0×10-6	450	0.22	5.44	20.5

用JSM-5800型扫描电子显微镜(SEM)分析TiN薄膜和Si3N4基体的组织形貌(见图1)；用X射线衍射(XRD)分析SUS304基体和TiN薄膜的XRD织构谱图(见图2)；用HITACHIS-530(SEM)及LinkISIS能谱仪测定薄膜的成分；用MXP18AHF衍射仪(XRD)测定薄膜晶体结构及取向，结果表明为多晶态结构；用俄歇电子能谱(AES)进行成分分析，并对元素Ti和N的含量作归一化处理，结果表明TiN薄膜中N原子含量为48.80% ，其成分接近正常的化学计量比。

9 c; B: A* d/ ?+ \. `' k: E

图1 TiN薄膜和Si3N4基体的SEM图

5 {4 |5 M5 ?% @: e7 Z7 V- f

) e# a/ A0 n( A) I7 W

图2 陶瓷刀具表面TiN薄膜的XRD 织构谱图

TiN薄膜的X 射线衍射结果(见图2)表明，TiN(2 2 2)、(3 1 1)和(2 2 0)三个衍射峰都出现在图中。由于(3 1 1)和(2 2 0)峰的强度较低，且为非高斯型曲线，故采用(2 2 2)峰测定的d值来研究薄膜的应力状况。由于X射线源本身有一定线宽以及微细晶粒(<0.1µm) 间存在微观应力和应变，使得衍射峰具有一定宽度，由此引起的实验误差≤10%。

TiN薄膜表面平整、致密，呈金黄色，其断面的SEM观察结果如图3所示。

% G* ?& s6 a2 W' c# Y

9 z7 s9 q' E8 t' E. p5 P' n

图3 TiN薄膜结合界面的SEM图

7 N/ Z9 Q! n# y; g; Z

3.3 XRD分析

对Si3N4陶瓷刀具试样表面TiN涂层的残余应力进行了测试，测试部位包括中心区域0°、45°和90°三个方向；同时还测量了陶瓷刀具基体的表面应力状态，测试结果见表2。由表2可知，薄膜应力值均为负值，表明表面均处于压应力状态，这有利于提高刀具的抗疲劳强度。TiN涂层刀具试样表面产生残余应力的根本原因在于膜—基材料热学性能的差异，残余应力的大小与沉积工艺方法关系不大。

表2 残余应力测试结果

- H" O; [0 i6 @3 t! T9 N9 H7 h7 u' P" y0 R0 O4 M# `+ [' P7 k ^3 H% f1 S7 d% U h1 B& V5 l, l5 m* [2 A5 U, W7 Q. H7 z7 J& d) _) `- U, N; J C0 l/ H; `! f* f0 J- L2 _; i7 K* P. s4 p- N. S5 i/ }) i: }6 n4 A6 q! P$ g" _" y7 V

测试表面	试样方向	应力值(MPa)
TiN薄膜	0°	-3221.1
	45°	-2245.5
	90°	-2243.2
Si3N4基体	0°	-1245.2
	45°	-1325.3
	90°	-1796.7

将上述应力值作为深度20～30µm(即X射线透射深度)内的平均应力值，则陶瓷刀具试样上靠近膜—基界面的刀具基体表面表现为与薄膜内应力方向一致的压应力，且薄膜应力与基体应力的差值较大，为447～1795MPa。

4 结语

通过试验，测定了Si3N4 陶瓷刀具基体上沉积TiN薄膜的内应力，分析了成膜过程中应力形成的原因。主要结论如下：

陶瓷刀具表面TiN薄膜的残余应力为负值，即为压应力，这有利于提高TiN涂层刀具的疲劳强度；

应力的大小及分布对涂层刀具的硬度和结合强度均有明显影响，应力越大，表面硬度和结合强度也越大。

; a8 m/ A! G: m& h