1、汇报人：刘同乐汇报人：刘同乐导导 师：付志强师：付志强TiN的摩擦学性能的摩擦学性能 目目 录录一、一、TiN的结构与性能的结构与性能 二、二、TiN减磨机理减磨机理 三、离子注入与镀层三、离子注入与镀层TiN的的摩摩 擦学性能擦学性能一、一、TiN的结构性能与应用的结构性能与应用1.TiN的结构性能的结构性能结构：结构：氮化钛具有典型的氮化钛具有典型的NaCl型结构，属面心立方结构点型结构，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，它的组成为面体间隙。氮化钛是非计量化合物，它的组成为Ti
2、N0.6-TiN1.16。TiN性能：性能：氮化钛粉末一般呈黄褐色，超细氮化钛粉末呈黑色，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，密度为5.435.44 g/cm3，硬度，硬度89，摩擦系数小，摩擦系数小，热膨胀系数为热膨胀系数为6.8110-6-1（室温），是热和电的良导体。（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大多数金属氮化物
3、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、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。放出氨气。2.TiN的应用的应用 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
4、。氮化钛硬度大，且有较低的摩擦系数，可用作耐磨材良的结构材料。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、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。装
5、饰价值。特别，镀有氮化钛膜的玻璃还是一种新的特别，镀有氮化钛膜的玻璃还是一种新的“热镜材料热镜材料”，当薄膜厚，当薄膜厚度大于度大于90 nm时，红外线的反射率大于时，红外线的反射率大于75，提高了玻璃的保温性能。，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
6、有重要的经济意义。具有重要的经济意义。二、二、TiN减磨机理减磨机理 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。抗磨减摩的目标。如离子镀、反应等离子喷涂技术等。Sf表示润滑层剪切强度表示润滑层
7、剪切强度Sm表示基体硬度表示基体硬度摩擦系数与摩擦系数与Sf/Sm之间的关系之间的关系三、离子注入与镀层三、离子注入与镀层TiN的摩擦学性能的摩擦学性能 1.离子注入离子注入TiN的摩擦学性能的摩擦学性能 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。形成一耐磨的薄层。1）离子注入简介）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
8、料表面弹做溅射；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，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理化学过程。离子注入系统的原理示意图离子注入系统的原理示意图 2）离子注入）离子注入TiN减摩耐磨机制减摩耐磨机制 离子注入技术
9、主要通过固溶强化效应、喷丸强化效应、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。注入零件表面硬度。（1）固溶强化效应）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
10、固溶体，含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。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）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
11、体承受载荷时可以抵消一部应力，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。分抗应力，提高基体的疲劳强度，从而提高基体的耐磨性。（3）晶粒细化效应）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。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。由霍尔由霍尔-佩奇佩奇(Hall-Petch)关系式：关系式：s=o+Kyd-1/2（s为屈服强度，为屈服强度，o表示移动单个位错是产生的摩擦阻力表示
12、移动单个位错是产生的摩擦阻力,Ky与材料与材料种类以及晶粒尺寸有关常数，种类以及晶粒尺寸有关常数，d d平均粒径）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。体的强度就越高。临界尺寸临界尺寸dc,十几到二十纳米之间十几到二十纳米之间反反Hall-Petch效应效应（4）辐照损伤效应）辐照损伤效应 辐照损伤示意图辐照损伤示意图注入离子路径注入离子路径碰撞原子路径碰撞原子路径间隙原子间隙原子 （5）弥散强化效应弥散强化效应 当注入的是非金属元素时，常常与金属元素形成化合物（如氮当注入的是非金属元素
13、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。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，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。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。弥散强化机制弥散强化机制运动位错线在运动位错线在不易形变粒子不易形变粒子前受阻、弯曲前受阻、弯曲外加切应力的外加切应力的增加使位错弯增加使位错弯曲，直到在曲，直到在A、B处相遇处相遇位错线方向相位错线方向
14、相反的反的A、B相遇相遇抵消，留下位抵消，留下位错环，位错增殖错环，位错增殖位错线绕过粒位错线绕过粒子，恢复原态，子，恢复原态，继续向前滑移继续向前滑移2.电弧离子镀电弧离子镀1）电弧离子镀原理：）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。的能量，在基底上沉积
15、成膜。电弧离子镀示意图电弧离子镀示意图2）电弧离子镀减摩耐磨机制）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。表面晶粒细化。从而提高集体的耐摩擦磨损的性能。3.3.离子注入与离子镀对比离子注入与离子镀对比1）元素分布）元素分布先后注入先后注入Ti、N后，元素深度分度图后，元素深度分度图超硬超硬TiN薄膜的断面薄膜的断面SEM图图2）与基体的结合力）与基体的
16、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、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。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，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。基体内，因此膜基结合力较差。3）膜厚）膜厚一般离子注入的深度小于一般离子注入的深度小于1 m，而镀层厚度则大于这个数值。，而镀层厚度则大
17、于这个数值。4）摩擦性能）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。入能得到更好的摩擦性能。4）离子注入与电弧离子镀的缺点）离子注入与电弧离子镀的缺点 离子注入不适合用于复杂工件的加工，而且由于离子注入存在离子注入不适合用于复杂工件的加工，而且由于离子注入存在注入层浅，在一些磨损场合不能非常有效地保护工件。注入层浅，在一些磨损场合不能非常有效地保护工件。电弧离子镀由于阴极发射蒸汽微粒大小不一电弧离子镀由于阴极发射蒸汽微粒大小不一(有的大至微米级有的大至微米级)，是镀层表面光洁度较低；而且由于膜基结合力不理想，易剥落。是镀层表面光洁度较低；而且由于膜基结合力不理想，易剥落。
