TiN的摩擦学性能解析

离子注入系统的原理示意图
2）离子注入TiN减摩耐磨机制
离子注入技术主要通过固溶强化效应、喷丸强化效应、 晶粒细化效应、辐照损伤效应和弥散强化效应，使得基材 表面性质发生很大变化，主要表现在材料硬度和强度的升 高，以及耐磨性和抗疲劳强度增加。离子注入提高零件耐 磨性的途径主要有两方面：一是降低摩擦系数；二是提高 注入零件表面硬度。
（1）固溶强化效应 离子注入是个非平衡过程，容易得到过饱和度很大的固溶体，含 有过量注入原子的固溶体固溶强化的效果比较明显，另外注入原子对 晶体的位错有钉扎作用造成位错运动的障碍，从而使材料强化。
（2）喷丸强化效应 在高速离子轰击基体表面时，高速离子喷射到基体表面，使表层 发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的残余 应力，由于基体表面压应力的存在，当基体承受载荷时可以抵消一部 分抗应力，提高基体的疲劳强度，从而提高基体的耐磨性。
电弧离子镀示意图
2）电弧离子镀减摩耐磨机制
离子镀层主要是通过在基体表层形成一层硬度高、摩擦系数 低、化学稳定性良好的薄膜；同时由于高速离子的撞击，可能是 表面晶粒细化。从而提高集体的耐摩擦磨损的性能。
3.离子注入与离子镀对比
1）元Βιβλιοθήκη Baidu分布
先后注入Ti、N后，元素深度分度图
超硬TiN薄膜的断面SEM图
（3）晶粒细化效应 离子以高速在轰击基体表面，使基体表面晶粒细化，当位错运动 时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，增大了晶界附近的滑移阻力。 由霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系式：
（σs为屈服强度，σo表示移动单个位错是产生的摩擦阻力,Ky与材料 种类以及晶粒尺寸有关常数，d平均粒径） 因此，一般晶界上晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著，多晶 体的强度就越高。 临界尺寸d ,十几到二十纳米之间
Sf表示润滑层剪切强度 Sm表示基体硬度
三、离子注入与镀层TiN的摩擦学性能
1. 离子注入TiN的摩擦学性能
一般往基体中分别注入金属钛和氮，这样在基体表层 形成一耐磨的薄层。 1）离子注入简介 当真空中有一束离子束射向一块固体材料时，离子束 把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫 做溅射；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹 了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；另 外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，受到固体材 料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中， 这一现象就叫做离子注入。离子注入过程中伴随着很多物 理化学过程 。
Ti
N
性能： 氮化钛粉末一般呈黄褐色，超细氮化钛粉末呈黑色， 而氮化钛晶体呈黄色，具有金属光泽。氮化钛的熔点为3 223 K，密度为5.43~5.44 g/cm3，硬度8~9，摩擦系数小， 热膨胀系数为6.81×10-6 ℃-1（室温），是热和电的良导体。 氮化钛的熔点比大多数过渡金属氮化物都高，而密度却比 大多数金属氮化物都低，因为它是一种很有特色的耐火材 料。氮化钛具有很高的化学稳定性。一般情况下，它与水 、水蒸气、盐酸、硫酸等均不作用，但在氢氟酸中有一定 溶解度。氢氟酸与氧化剂共存如HF+HNO3,HF+KMnO4 等则可以把氮化钛完全溶解。在强碱溶液中，氮化钛分解 放出氨气。
TiN的摩擦学性能
汇报人：刘同乐 导 师：付志强
目
录
一、TiN的结构与性能 二、TiN减磨机理 三、离子注入与镀层TiN的摩 擦学性能
一、TiN的结构性能与应用
1. TiN的结构性能
结构： 氮化钛具有典型的NaCl型结构，属面心立方结构点 阵。其中钛原子占了据面心立方的角顶，氮原子占据八 面体间隙。氮化钛是非计量化合物，它的组成为TiN0.6TiN1.16。
2. TiN的应用
氮化钛用于高强度的金属陶瓷工具、喷汽推进器、以及火箭等优 良的结构材料。氮化钛硬度大，且有较低的摩擦系数，可用作耐磨材 料，氮化钛合金用作轴承和密封环显示出优异的性能。氮化钛有较高 的导电性，可用作熔盐电解的电极以及点触头、薄膜电阻等材料。有 较高的超导临界温度，是优良的超导材料。氮化钛涂层及其烧结体具 有令人满意的金黄色，可作为代金装饰材料，具有很好的仿金效果、 装饰价值。 特别，镀有氮化钛膜的玻璃还是一种新的“热镜材料”，当薄膜厚 度大于90 nm时，红外线的反射率大于75％，提高了玻璃的保温性能。 氮化钛薄膜的颜色还可以随意调整，随氮含量的降低，薄膜将呈现金 黄、古铜、粉红等颜色。因为氮化钛涂层价格低廉，而且还由于它在 耐腐蚀、耐摩擦等性能方面都胜过真空涂层。因此，对氮化钛的研究 具有重要的经济意义。
二、TiN减磨机理
1. 通过改变材料表面本身的组织结构，从而提高材料 硬度，达到减磨的效果。如离子注入、热扩渗技术、表面 纳米化等 。 2. 是通过在材料表面形成具有抗磨减摩作用的特殊功 能涂层或在材料表层形成具有抗磨作用的结构层，来实现 抗磨减摩的目标。如离子镀、反应等离子喷涂技术等。
摩擦系数与Sf/Sm之间的关系
弥散强化机制
运动位错线在 不易形变粒子 前受阻、弯曲
外加切应力的 增加使位错弯 曲，直到在A、 B处相遇
位错线方向相 反的A、B相遇 抵消，留下位 错环，位错增殖
位错线绕过粒 子，恢复原态， 继续向前滑移
2. 电弧离子镀
1）电弧离子镀原理： 是点孤装置引燃电孤，低电压大电流电源将维持阴极和阳极之 间弧光放电的进行，在电源的维持和磁场的推动下，电弧在靶面游 动，电弧所经之处，靶材被蒸发并离化，在负偏压作用下调整离子 的能量，在基底上沉积成膜。
c
σs = σo+ Kyd-1/2
反Hall-Petch效应
（4）辐照损伤效应
→注入离子路径 ┄碰撞原子路径 ●间隙原子
辐照损伤示意图
（5）弥散强化效应
当注入的是非金属元素时，常常与金属元素形成化合物（如氮 化物、碳化物或硼化物）的纳米弥散相，产生弥散强化。N等元素被 注入到金属基体后，会与金属形成氮化物等第二相的高硬度化合物， 星点状的镶嵌于基体材料中，构成硬质合金弥散相，使基体得到强化
2）与基体的结合力
由于离子注入技术将离子注入到基体内，与基体元素发生物理、 化学作用，使基体表面的化学成分改变，形成的TiN以弥散相分布在 基体中，与基体之间无明显分界，因此结合力强。 而电弧离子镀不同，TiN主要覆盖在基体表层，不能成功入侵至 基体内，因此膜基结合力较差。 3）膜厚 一般离子注入的深度小于1 µ m，而镀层厚度则大于这个数值。 4）摩擦性能 由于离子注入的膜基结合力大于电弧离子镀的，使镀层容易 发生剥层现象，而且离子注入形成更大的缺陷密度，所以离子注 入能得到更好的摩擦性能。