摘要：利用納米硬度計研究了硬質合金基體上CVD沉積TiN、TiN/Ti(C, N)/TiC、TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC和TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC等4種涂層的硬度和斷裂韌性，討論了載荷與壓入深度關系曲線上的臺階和載荷與壓入深度平方關系曲線上的直線段與涂層的斷裂失效和界面失效的關系，指出可用臨界載荷pf和pi，來分別描述涂層的斷裂失效和界面失效行為．對4種涂層的硬度、斷裂韌性、界面失效載荷和耐磨性的研究結果表明，隨著涂層層數的增加，其斷裂韌性和耐磨性都相應提高。

    切削過程中，刀具承受的切削力達2～3GPa，切削溫度高達900～1 100 ℃ ，而切削速度通常在每分鐘幾十米到幾百米的數量級范圍內，因此在高壓、高溫和高速下工作的切削刀具的摩擦磨損問題很嚴重。硬質涂層在改善切削性能和延長刀具壽命方面起重要作用。迄今研究最多的是TiN涂層，它具有高硬度、低摩擦和良好的化學穩定性。與TiN涂層相比，Ti(C, N)涂層具有更好的抗粘著能力和抗熱磨損性能。耐磨涂層除了應具有較低的摩擦系數外，還必須有很高的顯微硬度、高的韌性以及與基體的附著力。通過引入定數量平行于基體的中間過渡層能提高涂層刀具的韌性和硬度，防止裂紋萌生。對TiN系多層涂層研究表明，它比單一涂層具有更好的摩擦學性能。Su等對多層TiN/Ti(C, N)涂層刀具的抗磨性能和切削性能的研究表明其比單層涂層的性能好。涂層的抗磨損性能和可靠性常常受制于其力學特性。由于膜、界面和基體之間的交互作用，對涂層的力學性能進行評定有定的困難．納米硬度計的出現使得人們能從微觀尺度(納米級)史深入地了解涂層的力學特性．本文作者利用納米硬度計對4種涂層的變形、失效和耐磨性進行分析比較。
1 試驗方法
試驗裝置
    試驗裝置由瑞士CSEM儀器公司生產，該系統由納米硬度計(NHT)和原子力顯微鏡(AFM)2部分組成，并裝各了光學顯微鏡附件。壓頭和對樣品進行選位以及觀察壓痕的光學顯微鏡等元件由機電定位系統控制，垂直力向的位移分辨率為μm。通過安裝在由導向彈簧支撐的壓桿上的電磁線圈產生的電磁力對壓桿施加載荷，壓頭為標準維氏金剛石壓頭。用電容傳感器測量壓桿的位移。整個系統的載荷和壓入深度分辨率分別為10μN和1nm。在加載和卸載過程中，通過始終與待測樣品表面保持接觸的藍寶石環使壓頭與樣品表面實現垂直力向的精確定位。
    試驗樣品采用CVD技術在硬質合金基體上制備TiN、TiN/Ti(C, N)/TiC、TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC和TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC等4種耐磨涂層．用99.50%H2、99.99%N2、99.99%CH4、99.50%CO2、化學純TiCl4和AlCl3等原料，將硬質合金基體經鈍化處理、清洗、裝爐和升溫后，沉積CVD涂層并冷卻，即制得待測涂層樣品。4種涂層的厚度分別為4.0μm、1.5μm/1.0μm/1.5μm、1.5μm/1.0μm/1.5μm/1.0μm/1.5μm和1.5μm/1.0μm/1.0μm/1.0μm/1.5μm/1.0μm/1.5μm。
2 試驗結果與討論
力學性能

( a ) TiN
( b ) TiN/Ti(C, N)/TiC

( c ) TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC
( d ) TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC

    利用納米硬度計對4種涂層進行壓痕試驗，得到在加載與卸載過程中載荷與壓入深度的關系曲線，1中的E為彈性模量，HV為涂層的維氏硬度值，根據Oliver等的方法確定。該方法除了考慮卸載曲線外，還考慮了壓頭形狀和壓入深度來計算受載下的接觸面積，硬度被視作卸載過程中材料承受的平均壓力。從1可以看出，多層涂層的承載能力優于單層涂層。Li等利用納米硬度計分析壓入過程中涂層表面發生的各種裂紋過程時發現，接觸區的高應力使壓頭周圍出現第一個近似環形的穿透膜層的裂紋；很高的側壓力使得涂層/基體界面在接觸區發生剝離和折斷；在彎折薄膜的邊緣處由于彎曲應力的作用而出現第二個近似環形的穿透膜層的裂紋或裂紋碎片。在第一階段，如果涂層出現近似環形的穿透膜層的裂紋，相應地在p-h曲線上將會出現1個臺階，反之則不會出現臺階。我們研究了4種涂層的失效特征，結果2所示。可見，隨著壓入載荷的增加，在p-h曲線上出現臺階，顯示在涂層中萌生幾了呈近似環形的穿透膜層的裂紋。每個臺階對應涂層中的1個近似環形的穿透膜層的裂紋，因此定義圖2中臺階處的載荷pf為涂層斷裂失效的臨界載荷。這樣由壓入曲線可得到4種涂層的斷裂失效臨界載荷戶分別為11.1mN 、16.4mN 、35.5mN 和56.3mN。可見多層涂層的斷裂失效載荷明顯高于單層TiN涂層；隨涂層層數的增加，其臨界載荷psub>f值增大。
    E和v為涂層的彈性模量和波松比；2pRC為涂層中裂紋的長度；t為涂層厚度；U為裂紋出現前后的應變能變化。p-h曲線上的面積反映了涂層/基體系統的彈塑性變形能，產生第1個近似環形穿透膜層的裂紋時釋放的應變能U可根據曲線上的臺階處的而積計算得到。Kazmanli等也描述了p-h曲線上的臺階與裂紋形成的關系。由式1計算可以得到4種涂層的斷裂韌性分別為1.51MPa?m?、2.18MPa?m?、3.4MPa?m?和3.9MPa?m?。可見隨著涂層層數的增加，其斷裂韌性值增大。但采用多層涂層，增加了工藝的復雜性和成本，故應選擇合適的層數。為此我們推薦采用TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC涂層。
    p-h曲線描述了涂層斷裂失效的情況；而用p-h2曲線可以反映減摩耐磨涂層斷裂失效前涂層/基體界而的變化，尤其是多層涂層間的界面變化。對于單體相材料，壓入深度中塑性變形分量為hp，彈性變形分量為he，總壓入深度h。
    式中：f和y為與壓頭幾何形狀有關的參數；p為載荷；HV為硬度；E為彈性模量。
    因此可得p=Kh2，K為Loubet 彈塑性參數．對單一體相材料的壓入過程，p∝h2。研究涂層/基體系統時，發現其典型的p-h2關系曲線上從原點到拐點的直線段符合p∝h2關系，反映了涂層的彈塑性變形。根據Hertz接觸理論分析，發現最大剪應力仍位于被壓入的涂層中，而末能使基體產生屈服，因此直線段反映的僅僅是涂層的變形情況．越過拐點后，很高的剪切應力使得基體產生屈服，從而使涂層發生彎折，界面發生變化，在卸載過程中部分界面脫附，在拉應力作用下接觸區周圍出現材料堆積，直至在臺階處出現裂紋。因此用拐點處載荷pi表示涂層界而變化的臨界載荷，p-h2與p-h曲線完整反映了涂層界面變化和斷裂失效的整個過程．3示出了4種涂層的p-h2曲線，虛線為符合p∝h2的直線，實線為壓入過程中的p-h2曲線，拐點位于實線與虛線的分離點．從3(a和b)可以看出，從原點到拐點的任線段反映的是涂層本身的變形情況，拐點處載荷值低于臺階處的載荷值．通過SFM觀察可發現在相應的臺階載荷下涂層表面出現裂紋。由壓入試驗數據可知，單層TiN涂層在pi=3.13 mN處發生界面變化，表明單層涂層的界面結合較弱，涂層的韌性也較差．而TiN/Ti(C, N)/TiC涂層則在pi=7.5 mN時發生界面變化。但在3(c和d)中，從原點到臺階均為直線段(實、虛線重合)，說明2種涂層在斷裂失效前末發生明顯的界面變化。故TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC和TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC多層涂層具有較高的界面強度和較好的韌性。

( a ) TiN
( b ) TiN/Ti(C, N)/TiC

( c ) TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC
( d ) TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC

3 載荷戶與壓入深度平方形關系

耐磨性
    脆性涂層材料表面在摩擦過程中發生斷裂、剝離及破碎，這時涂層的耐磨性主要取決于材料的抗脆斷能力。因此，增加材料的強度和斷裂韌性可提高其耐磨性。考慮到材料的品質因素(此處不考慮摩擦區的溫度及化學磨損等影響，若考慮溫度影響時需進行修正)，涂層材料的耐磨性WR可表示為：
    WR=KIC0.5E-0.8HV1.43 (4)
    式中：WR為耐磨性；KIC為斷裂韌性(MPa?m?); E為彈性模量(GPa) ; HV為硬度(GPa)。表1 列出了根據式(4)計算得到的4種涂層的耐磨性。從中可以看出，TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC涂層耐磨性最好，其結果與切削試驗結果相－致。切削試驗結果表明，所考察的4種涂層中TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC涂層刀具的使用壽命最長。表1 涂層的力學特性和耐磨性 涂層 pi
(mN) pf
(mN) KIC
(MPa?m?) WR
TiN 3.13 11.1 1.51 1.08
TiN/Ti(C,N)/TiC 7.50 16.4 2.18 1.42
TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC - 35.5 3.40 1.61
TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC - 56.3 3.90 1.84

3 結論
    涂層中裂紋的形成同載荷與壓入深度曲線上的臺階有很好的對應關系。
    用載荷與壓入深度的平力曲線和載荷與壓入深度曲線可完整地描述涂層材料的力學特性。載荷與壓入深度曲線上的臺階可用于描述涂層的斷裂失效，而載荷與壓入深度的平方曲線上的沉線段可用于描述多層涂層的界面變化．涂層的斷裂失效和界面變化可用臨界載荷pf和pi分別描述。
    多層涂層具有較高的硬度、斷裂韌性和耐磨性。隨涂層層數的增加，其極限載荷pf和pi值趨于增大。其中TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti (C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC涂層的力學性能和耐磨性最好。