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

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(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
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# ?: J' H: |3 e% K! \9 F8 J: h* i" Q4 K, t! V* Q: a- S( {5 `0 v7 b4 u7 ^8 }" C7 |6 m& p; N+ e9 q) m) n/ @: a1 [* |: a( m5 {' z" o" W5 N% `9 U$ a+ q2 _! Q! S" X! \9 t' L3 j+ A7 F" O& w# o3 \8 E" G, Q& a 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。

表1 Si₃N₄和TiN的机械性能对比
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0 E9 y- A" a0 V; @( v1 U7 V$ |: G2 W# z# E9 a# O; B5 ^7 u3 G$ @. x! Y. _; o, W3 t1 G8 B, i. R) F8 H( q! U9 d5 G" ]. I5 h% S8 ~$ S* {8 J9 y; y. ^. k( c. q' |. g

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。

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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

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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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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。

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表2 残余应力测试结果
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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

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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。

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