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

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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

- j% o- B$ g( V/ `% p+ V3 F+ E0 r1 H {7 d8 ^/ x" h, S6 k3 z: A; s9 X+ i/ `+ t b) R! W" S& T1 q

9 N2 a9 E8 w! |' G; |1 \/ y5 m+ j+ V9 ]" ?: P7 u1 m' T( O- G/ g6 S7 c! N# ?- Q. E8 U( _. d$ r/ F. r9 |- v. l( b2 J2 n7 [3 ^+ v* F* k, X9 c( ?8 m( e T0 y2 l* o 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
) D r: \1 y" T

& |4 S5 i+ [1 U1 \; J3 E9 A& W5 S1 x; N5 {* S) ]4 ~& p" O* _3 P- y/ }' O4 A4 q+ x: Y4 S7 C: Z6 {1 G* ~0 q# \2 B M9 _ j9 i+ Y4 S1 P5 _3 w- z, e8 [9 e+ ?' k4 B% u" D0 A. r, e( J3 R$ E( { 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。 5 O$ j2 x& i- `7 I; U: L

表1 Si₃N₄和TiN的机械性能对比
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& e* m: H3 X% D6 ^) f% [2 F- ^" c/ N% {# Q! J+ v6 \ r2 N9 L% t5 I5 |7 Z- N1 y( r' c/ P9 x4 S& D' G; Q/ v# Z# O6 T6 c: [2 {0 e f& H; }2 t' H- T/ p+ Y) s8 s3 F0 o; Y( t, f F: T4 ~

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。 + V' o6 V0 l r: W' W- q7 _) w

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图1 TiN薄膜和Si3N4基体的SEM图

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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。

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4 U; r8 i4 y$ P

图3 TiN薄膜结合界面的SEM图

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

+ A) c+ Q4 ]* \* g7 M; n! r1 x1 V/ F: N! H0 J; O: [, I- z* k$ M$ q* a' K# C9 ]9 Z0 G) [2 F1 c+ s- b; x0 @2 r# p' D1 G* v4 i7 g1 K0 H5 n4 P: u9 ]; W: f" \/ `% t8 q/ }7 q- d8 R* `4 n8 i' C+ \6 n) e6 o$ j, o) t$ ?0 u" l! z" @& o' q, ]$ n( L) [1 b8 t4 ^4 M, s$ D$ T! @5 W2 r r! N; J, ~+ S9 q2 |5 @* X1 q

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。