TiN的摩擦學(xué)性能解析

匯報人：劉同樂

導(dǎo)師：付志強TiN的摩擦學(xué)性能目錄一、TiN的結(jié)構(gòu)與性能二、TiN減磨機理三、離子注入與鍍層TiN的摩擦學(xué)性能一、TiN的結(jié)構(gòu)性能與應(yīng)用1.TiN的結(jié)構(gòu)性能結(jié)構(gòu)：

氮化鈦具有典型的NaCl型結(jié)構(gòu)，屬面心立方結(jié)構(gòu)點陣。其中鈦原子占了據(jù)面心立方的角頂，氮原子占據(jù)八面體間隙。氮化鈦是非計量化合物，它的組成為TiN0.6-TiN1.16。TiN性能：氮化鈦粉末一般呈黃褐色，超細氮化鈦粉末呈黑色，而氮化鈦晶體呈黃色，具有金屬光澤。氮化鈦的熔點為3223K，密度為5.43~5.44g/cm3，硬度8~9，摩擦系數(shù)小，熱膨脹系數(shù)為6.81×10-6℃-1（室溫），是熱和電的良導(dǎo)體。氮化鈦的熔點比大多數(shù)過渡金屬氮化物都高，而密度卻比大多數(shù)金屬氮化物都低，因為它是一種很有特色的耐火材料。氮化鈦具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性。一般狀況下，它與水、水蒸氣、鹽酸、硫酸等均不作用，但在氫氟酸中有確定溶解度。氫氟酸與氧化劑共存如HF+HNO3,HF+KMnO4等則可以把氮化鈦完全溶解。在強堿溶液中，氮化鈦分解放出氨氣。2.TiN的應(yīng)用氮化鈦用于高強度的金屬陶瓷工具、噴汽推動器、以及火箭等優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料。氮化鈦硬度大，且有較低的摩擦系數(shù)，可用作耐磨材料，氮化鈦合金用作軸承和密封環(huán)顯示出優(yōu)異的性能。氮化鈦有較高的導(dǎo)電性，可用作熔鹽電解的電極以及點觸頭、薄膜電阻等材料。有較高的超導(dǎo)臨界溫度，是優(yōu)良的超導(dǎo)材料。氮化鈦涂層及其燒結(jié)體具有令人滿足的金黃色，可作為代金裝飾材料，具有很好的仿金效果、裝飾價值。特殊，鍍有氮化鈦膜的玻璃還是一種新的“熱鏡材料”，當(dāng)薄膜厚度大于90nm時，紅外線的反射率大于75％，提高了玻璃的保溫性能。氮化鈦薄膜的顏色還可以隨意調(diào)整，隨氮含量的降低，薄膜將呈現(xiàn)金黃、古銅、粉紅等顏色。因為氮化鈦涂層價格低廉，而且還由于它在耐腐蝕、耐摩擦等性能方面都賽過真空涂層。因此，對氮化鈦的探討具有重要的經(jīng)濟意義。

二、TiN減磨機理1.通過變更材料表面本身的組織結(jié)構(gòu)，從而提高材料硬度，達到減磨的效果。如離子注入、熱擴滲技術(shù)、表面納米化等。2.是通過在材料表面形成具有抗磨減摩作用的特殊功能涂層或在材料表層形成具有抗磨作用的結(jié)構(gòu)層，來實現(xiàn)抗磨減摩的目標。如離子鍍、反應(yīng)等離子噴涂技術(shù)等。Sf表示潤滑層剪切強度Sm表示基體硬度摩擦系數(shù)與Sf/Sm之間的關(guān)系三、離子注入與鍍層TiN的摩擦學(xué)性能1.離子注入TiN的摩擦學(xué)性能一般往基體中分別注入金屬鈦和氮，這樣在基體表層形成一耐磨的薄層。

1）離子注入簡介當(dāng)真空中有一束離子束射向一塊固體材料時，離子束把固體材料的原子或分子撞出固體材料表面，這個現(xiàn)象叫做濺射；而當(dāng)離子束射到固體材料時，從固體材料表面彈了回來，或者穿出固體材料而去，這些現(xiàn)象叫做散射；另外有一種現(xiàn)象是，離子束射到固體材料以后，受到固體材料的抗拒而速度漸漸減低下來，并最終停留在固體材料中，這一現(xiàn)象就叫做離子注入。離子注入過程中伴隨著很多物理化學(xué)過程。

離子注入系統(tǒng)的原理示意圖2）離子注入TiN減摩耐磨機制

離子注入技術(shù)主要通過固溶強化效應(yīng)、噴丸強化效應(yīng)、晶粒細化效應(yīng)、輻照損傷效應(yīng)和彌散強化效應(yīng)，使得基材表面性質(zhì)發(fā)生很大變更，主要表現(xiàn)在材料硬度和強度的升高，以及耐磨性和抗乏累強度增加。離子注入提高零件耐磨性的途徑主要有兩方面：一是降低摩擦系數(shù)；二是提高注入零件表面硬度。（1）固溶強化效應(yīng)離子注入是個非平衡過程，簡潔得到過飽和度很大的固溶體，含有過量注入原子的固溶體固溶強化的效果比較明顯，另外注入原子對晶體的位錯有釘扎作用造成位錯運動的障礙，從而使材料強化。（2）噴丸強化效應(yīng)在高速離子轟擊基體表面時，高速離子噴射到基體表面，使表層發(fā)生塑性變形，而形成確定厚度的強化層，強化層內(nèi)形成較高的殘余應(yīng)力，由于基體表面壓應(yīng)力的存在，當(dāng)基體承受載荷時可以抵消一部分抗應(yīng)力，提高基體的乏累強度，從而提高基體的耐磨性。（3）晶粒細化效應(yīng)離子以高速在轟擊基體表面，使基體表面晶粒細化，當(dāng)位錯運動時，由于晶界兩側(cè)晶粒的取向不同，增大了晶界旁邊的滑移阻力。由霍爾-佩奇(Hall-Petch)關(guān)系式：σs=σo+Kyd-1/2（σs為屈服強度，σo表示移動單個位錯是產(chǎn)生的摩擦阻力,Ky與材料種類以及晶粒尺寸有關(guān)常數(shù)，d平均粒徑）因此，一般晶界上晶粒越細，晶界越多，位錯阻滯效應(yīng)越顯著，多晶體的強度就越高。臨界尺寸dc,十幾到二十納米之間反Hall-Petch效應(yīng)（4）輻照損傷效應(yīng)

輻照損傷示意圖→注入離子路徑┄碰撞原子路徑●間隙原子（5）彌散強化效應(yīng)

當(dāng)注入的是非金屬元素時，常常與金屬元素形成化合物（如氮化物、碳化物或硼化物）的納米彌散相，產(chǎn)生彌散強化。N等元素被注入到金屬基體后，會與金屬形成氮化物等其次相的高硬度化合物，星點狀的鑲嵌于基體材料中，構(gòu)成硬質(zhì)合金彌散相，使基體得到強化。彌散強化機制運動位錯線在不易形變粒子前受阻、彎曲外加切應(yīng)力的增加使位錯彎曲，直到在A、B處相遇位錯線方向相反的A、B相遇抵消，留下位錯環(huán)，位錯增殖位錯線繞過粒子，恢復(fù)原態(tài)，繼續(xù)向前滑移2.電弧離子鍍1）電弧離子鍍原理：是點孤裝置引燃電孤，低電壓大電流電源將維持陰極和陽極之間弧光放電的進行，在電源的維持和磁場的推動下，電弧在靶面游動，電弧所經(jīng)之處，靶材被蒸發(fā)并離化，在負偏壓作用下調(diào)整離子的能量，在基底上沉積成膜。電弧離子鍍示意圖2）電弧離子鍍減摩耐磨機制離子鍍層主要是通過在基體表層形成一層硬度高、摩擦系數(shù)低、化學(xué)穩(wěn)定性良好的薄膜；同時由于高速離子的撞擊，可能是表面晶粒細化。從而提高集體的耐摩擦磨損的性能。3.離子注入與離子鍍對比1）元素分布先后注入Ti、N后，元素深度分度圖超硬TiN薄膜的斷面SEM圖2）與基體的結(jié)合力由于離子注入技術(shù)將離子注入到基體內(nèi)，與基體元素發(fā)生物理、化學(xué)作用，使基體表面的化學(xué)成分變更，形成的TiN以彌散相分布在基體中，與基體之間無明顯分界，因此結(jié)合力強。而電弧離子鍍不同，TiN主要覆蓋在基體表層，不能成功入侵至基體內(nèi)，因此膜基結(jié)合力較差。3）膜厚一般離子注入的深度小于1μm，而鍍層厚度則大于這個數(shù)值。4）摩擦性能由于離子注入的膜基結(jié)合力大于電弧離子鍍的，使鍍層簡潔發(fā)生剝層現(xiàn)象，而且離子注入形成更大的缺陷密度，所