1.引言

　　刀具材料的耐熱性是判斷其切削性能的重要特性娜食。由于經(jīng)TiN涂層后高速鋼刀具表面摩擦特性得到改善啸盲，與未涂層的普通高速鋼刀具相比硬纤，在相同切削條件下解滓，其切削變形程度減小，因而產(chǎn)生的切削熱減少筝家，切削溫度降低洼裤；又由于TiN化合物的導(dǎo)熱系數(shù)較小，因而TiN涂層刀具表面溫度場(chǎng)分布特征亦與未涂層高速鋼刀具不同溪王。筆者從微觀角度分析研究了TiN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型與TiN涂層熱相變特性之間的相互關(guān)系以及不同晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型的TiN薄膜隨溫度上升的變化規(guī)律腮鞍。

　　切削試驗(yàn)結(jié)果表明，TiN涂層刀具的耐磨性與TiN化合物的晶體特征關(guān)系密切莹菱。當(dāng)TiN晶體具有間隙化合物特征時(shí)移国，其耐磨性大大優(yōu)于有序固溶體結(jié)構(gòu)的TiN涂層。沉積工藝試驗(yàn)表明道伟，用C1工藝(電弧發(fā)生等離子體PVD法)沉積的TiN涂層為有序固溶體結(jié)構(gòu)迹缀，而用C2工藝(等離子槍發(fā)射電子束離子鍍)沉積的TiN涂層為間隙相化合物。顯然蜜徽，C2工藝優(yōu)于C1工藝祝懂。

　　2.切削變形與切削摩擦

　　為了深入研究TiN涂層刀具的熱學(xué)特性，首先討論可轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢鳠岬那邢髯冃喂颓邢髂Σ凉Α?/p>

　　2.1 TiN涂層對(duì)刀具切削變形的影響

　　借助快速落刀裝置觀察TiN涂層刀具的切削變形程度，可知在相同的切削條件下臀匹，TiN涂層刀具第一變形區(qū)的剪切角比未涂層刀具約大4°～6°，未涂層刀具切屑底部滯流層變形程度相當(dāng)嚴(yán)重油后，而TiN涂層刀具的切屑底部滯流層變形程度較輕挠站。

　　2.2 TiN涂層對(duì)刀-屑間平均摩擦角β的影響

　　通過(guò)正交直角切削試驗(yàn)，測(cè)得TiN涂層刀具和未涂層刀具刀—屑間的平均摩擦角β容书。由測(cè)量結(jié)果可知恃藐，在相同的切削條件下，與未涂層刀具相比藤棕，TiN涂層刀具刀—屑間的摩擦角β較小(即TiN涂層與切屑底部的摩擦系數(shù)較小)自拖，這是因?yàn)榈毒弑砻娴腡iN化合物在刀—屑摩擦面間起到了固體潤(rùn)滑劑的作用。

　　2.3 TiN涂層對(duì)切屑變形系數(shù)ξ的影響

　　由切削試驗(yàn)中兩種不同刀具(在不同潤(rùn)滑條件下)的切屑變形系數(shù)ξ隨切削速度V的變化規(guī)律可知：與未涂層刀具相比朴树，TiN涂層刀具的切屑變形系數(shù)ξ值較小宏查。這也表明，在切削過(guò)程中榨惭，由于TiN化合物的減摩作用骡拐，TiN涂層刀具的切屑變形程度較輕巡蛋。

　　2.4 TiN涂層對(duì)刀-屑接觸長(zhǎng)度Lf的影響

　　TiN薄膜與切屑間的減摩作用還導(dǎo)致了刀-屑接觸長(zhǎng)度Lf的縮短洪洪。刀-屑接觸長(zhǎng)度Lf的縮短使切削熱不易被切屑帶走，切削熱易集中在刀尖(或刀刃)附近钧唐。紅外熱像儀測(cè)溫試驗(yàn)也證實(shí)了這種現(xiàn)象轩触。

　　3.切削溫度與溫度場(chǎng)分布

　　切削過(guò)程中用AGA780紅外熱像儀測(cè)量刀具表面的切削溫度(即溫度場(chǎng)分布)寞酿。

　　切削試驗(yàn)采用正交自由切削，刀具主偏角＝90°脱柱，刃傾角λs＝0°伐弹，工件為薄壁管形。試驗(yàn)結(jié)果表明：在相同的試驗(yàn)條件下褐捻，與未涂層高速鋼刀具相比掸茅，TiN涂層刀具的切削溫度較低。如切削速度V=60m/min時(shí)柠逞，TiN涂層刀具表面最高溫度為360℃昧狮，而未涂層刀具表面最高溫度為450℃。這是因?yàn)榍邢鲿r(shí)TiN涂層刀具切削區(qū)的變形功板壮、摩擦功較小逗鸣，因而產(chǎn)生的切削熱量較小。刀具表面切削溫度低意味著在使用TiN涂層刀具時(shí)僵卿，可適當(dāng)提高切削速度特与，進(jìn)而提高切削效率。

　　兩種不同刀具的切削溫度場(chǎng)分布規(guī)律亦存在明顯差異。TiN涂層刀具的最高溫度點(diǎn)位于(接近)刀尖(刀刃)處注括，而未涂層刀具的最高溫度點(diǎn)距離刀尖約為0.25mm坯肿。究其原因，一是因?yàn)門(mén)iN涂層刀具刀—屑接觸長(zhǎng)度Lf較短蝴车，切削熱不易被切屑帶走蔗承；二是由于TiN化合物的導(dǎo)熱系數(shù)較小，切削熱沿刀面?zhèn)鲗?dǎo)的速度較慢蛹协，因而導(dǎo)致切削熱易集中于刀尖(或刀刃)處主瘸。因此，為了改善TiN涂層刀具的散熱條件兆焦，應(yīng)適當(dāng)改進(jìn)TiN涂層刀具幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)(適當(dāng)加大刀尖圓弧半徑rε及刃口鈍圓半徑rn)糊怖，以延長(zhǎng)TiN涂層刀具的切削壽命。

　　4.TiN晶體結(jié)構(gòu)及其熱相變規(guī)律

　　借助高溫X射線(xiàn)衍射儀觀察TiN晶體結(jié)構(gòu)的熱相變規(guī)律生碗。試驗(yàn)條件：C-oK-α射線(xiàn)捻艳，管電壓50KV，管電流100mA庆猫，大氣氣氛讯泣。首先在室溫下記錄TiN晶體衍射峰；然后以每分鐘40℃的溫升速度阅悍、每間隔100℃保溫35分鐘好渠，分別記錄TiN晶體的相變衍射峰。試驗(yàn)結(jié)果表明节视，用不同沉積工藝方法得到的TiN晶體的熱相變特性差異很大拳锚。

　　(1)由電弧發(fā)生等離子體PVD法(C1工藝)沉積的TiN涂層試樣結(jié)果分析：在室溫時(shí)，TiN薄膜為(1 1 1)寻行、(2 2 0)雙重?fù)駜?yōu)取向晶體霍掺；當(dāng)溫度升至200℃時(shí)，TiN晶體的(1 1 1)晶面衍射峰強(qiáng)度沒(méi)有變化拌蜘，而(2 2 0)晶面衍射峰強(qiáng)度增大杆烁，在低角度(2θ=26°左右)處出現(xiàn)寬波峰；溫升至400℃時(shí)简卧，TiN晶體的(1 1 1)晶面衍射峰完全消失兔魂，而(2 2 0)晶面衍射峰強(qiáng)度不變，低角度處的寬波峰強(qiáng)度增大迈叫；溫升至800℃時(shí)锌拱，TiN晶體的衍射峰完全消失，而低角度處的寬波峰強(qiáng)度亦越來(lái)越弱暂韭。

　　由金屬學(xué)理論可知姿抒，由C1工藝沉積的TiN晶體屬有序固溶體結(jié)構(gòu)。由高溫X射線(xiàn)衍射理論可知，有序固溶體TiN的有序度轉(zhuǎn)變臨界溫度低于600℃,因而這種晶體結(jié)構(gòu)的TiN高溫特性較差茂蓬。在室溫時(shí)栖啰，TiN晶體結(jié)構(gòu)屬長(zhǎng)程有序固溶體結(jié)構(gòu)，隨著溫度的升高吴钧，TiN晶體的長(zhǎng)程有序度逐漸降低扯凫，并轉(zhuǎn)變?yōu)槎坛逃行蚬倘荏w。在400℃時(shí)开摄，TiN的(1 1 1)晶面衍射峰消失，600℃時(shí)且昭，其長(zhǎng)程有序度為零邦马，即轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珶o(wú)序。當(dāng)長(zhǎng)程有序度逐漸下降時(shí)宴卖，對(duì)低角度處出現(xiàn)的寬波峰可認(rèn)為是TiN薄膜由晶體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷w物質(zhì)滋将。切削磨損試驗(yàn)表明，這種非晶態(tài)物質(zhì)的耐磨性較差症昏，因而這種有序固溶體結(jié)構(gòu)的TiN涂層薄膜的耐磨性并不理想

　　(2)用等離子槍發(fā)射電子束離子鍍(C2工藝)沉積的TiN涂層試樣的高溫衍射試驗(yàn)結(jié)果分析：室溫時(shí)随闽，TiN晶體具有明顯的(1 1 1)晶面擇優(yōu)取向，隨著溫度升高肝谭，涂層表面原子熱振動(dòng)加劇掘宪，600℃時(shí)TiN表面脫N而形成Ti2N+N；當(dāng)溫度達(dá)到960℃時(shí)攘烛，Ti2N再次脫N而形成Ti+N魏滚；TiN的始氧化溫度為800℃，氧化物為T(mén)iO(R),γ-FeTiO2,?ε-FeTiO和TiO等坟漱∈蟠危　　

　　上述試驗(yàn)結(jié)果及其分析表明，用C2工藝沉積的TiN晶體是間隙相化合物芋齿，其晶體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定齿矗。切削試驗(yàn)表明，具有間隙相晶體結(jié)構(gòu)的TiN涂層刀具的耐熱性秤瞒、耐磨性均優(yōu)于有序固溶體結(jié)構(gòu)的TiN涂層刀具爷凫。間隙相化合物TiN的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，高溫特性?xún)?yōu)良侵透，有利于提高TiN涂層高速鋼刀具的工作壽命妖奕。

　　5.結(jié)論

　　(1)由于TiN化合物的減摩作用,用TiN涂層高速鋼刀具進(jìn)行切削時(shí),其切削變形和切削摩擦較緩和,產(chǎn)生的切削熱較少,因而切削溫度較低。

　　(2)TiN涂層刀具的刀-屑接觸長(zhǎng)度較短, TiN化合物的導(dǎo)熱系數(shù)較小,因而切削熱易集中在刀尖(或刀刃)處恢儡。為了改善TiN涂層刀具的散熱條件窄栓，應(yīng)適當(dāng)加大刀具的刀尖圓弧半徑rε和刃口鈍圓半徑rn。

　　(3)TiN涂層刀具的熱學(xué)特性與沉積工藝密切相關(guān),同時(shí)與TiN晶體的結(jié)構(gòu)類(lèi)型密切相關(guān)。用電弧發(fā)生等離子體PVD法(C1工藝)沉積的TiN薄膜具有有序固溶體晶體結(jié)構(gòu),其耐熱性笙亿、耐磨性均較差矫恳；而用等離子槍發(fā)射電子束離子鍍(C2工藝)沉積的TiN涂層為間隙化合物結(jié)構(gòu),具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu),具有較好的耐熱、耐磨性能炕烈。

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