刀具材料的耐熱性是判斷其切削性能的重要特性。由于經(jīng)TiN涂層后高速鋼刀具表面摩擦特性得到改善，與未涂層的普通高速鋼刀具相比盾峭，在相同切削條件下，其切削變形程度減小稿纺，因而產(chǎn)生的切削熱減少甫碉，切削溫度降低；又由于TiN化合物的導(dǎo)熱系數(shù)較小谭驮，因而TiN涂層刀具表面溫度場分布特征亦與未涂層高速鋼刀具不同蝗质。筆者從微觀角度分析研究了TiN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)類型與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)類型的TiN薄膜隨溫度上升的變化規(guī)律。

　　切削試驗結(jié)果表明齐秕，TiN涂層刀具的耐磨性與TiN化合物的晶體特征關(guān)系密切沈机。當(dāng)TiN晶體具有間隙化合物特征時，其耐磨性大大優(yōu)于有序固溶體結(jié)構(gòu)的TiN涂層笋敞。沉積工藝試驗表明碱蒙，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)，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夯巷。顯然赛惩，C2工藝優(yōu)于C1工藝。

　　切削變形與切削摩擦

　　為了深入研究TiN涂層刀具的熱學(xué)特性趁餐，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>

　　1 ．TiN涂層對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喷兼，可知在相同的切削條件下，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°后雷，未涂層刀具切屑底部滯流層變形程度相當(dāng)嚴(yán)重季惯，而TiN涂層刀具的切屑底部滯流層變形程度較輕。

　　2． TiN涂層對刀-屑間平均摩擦角β的影響

　　通過正交直角切削試驗喷面，測得TiN涂層刀具和未涂層刀具刀—屑間的平均摩擦角β星瘾。由測量結(jié)果可知走孽，在相同的切削條件下惧辈，與未涂層刀具相比琳状，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)，這是因為刀具表面的TiN化合物在刀—屑摩擦面間起到了固體潤滑劑的作用承蠕。

　　3． TiN涂層對切屑變形系數(shù)ξ的影響

　　由切削試驗中兩種不同刀具(在不同潤滑條件下)的切屑變形系數(shù)ξ隨切削速度V的變化規(guī)律可知：與未涂層刀具相比菜册，TiN涂層刀具的切屑變形系數(shù)ξ值較小。這也表明扳啃，在切削過程中蓄棘，由于TiN化合物的減摩作用，TiN涂層刀具的切屑變形程度較輕危婚。

　　4 ．TiN涂層對刀-屑接觸長度Lf的影響

　　TiN薄膜與切屑間的減摩作用還導(dǎo)致了刀-屑接觸長度Lf的縮短褥欺。刀-屑接觸長度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)附近峦仲。紅外熱像儀測溫試驗也證實了這種現(xiàn)象盔鬼。

　　切削溫度與溫度場分布

　　切削過程中用AGA780紅外熱像儀測量刀具表面的切削溫度(即溫度場分布)。

　　切削試驗采用正交自由切削质瘸，刀具主偏角＝90°女饺，刃傾角λs＝0°，工件為薄壁管形磨爪。試驗結(jié)果表明：在相同的試驗條件下儒恋，與未涂層高速鋼刀具相比，TiN涂層刀具的切削溫度較低黔漂。如切削速度V=60m/min時诫尽，TiN涂層刀具表面最高溫度為360℃，而未涂層刀具表面最高溫度為450℃炬守。這是因為切削時TiN涂層刀具切削區(qū)的變形功箱锐、摩擦功較小，因而產(chǎn)生的切削熱量較小劳较。刀具表面切削溫度低意味著在使用TiN涂層刀具時驹止，可適當(dāng)提高切削速度，進(jìn)而提高切削效率观蜗。

　　兩種不同刀具的切削溫度場分布規(guī)律亦存在明顯差異臊恋。TiN涂層刀具的最高溫度點(diǎn)位于(接近)刀尖(刀刃)處，而未涂層刀具的最高溫度點(diǎn)距離刀尖約為0.25mm墓捻。究其原因抖仅，一是因為TiN涂層刀具刀—屑接觸長度Lf較短，切削熱不易被切屑帶走砖第；二是由于TiN化合物的導(dǎo)熱系數(shù)較小撤卢，切削熱沿刀面?zhèn)鲗?dǎo)的速度較慢，因而導(dǎo)致切削熱易集中于刀尖(或刀刃)處。因此昂贷，為了改善TiN涂層刀具的散熱條件保懈，應(yīng)適當(dāng)改進(jìn)TiN涂層刀具幾何參數(shù)的設(shè)計(適當(dāng)加大刀尖圓弧半徑rε及刃口鈍圓半徑rn)，以延長TiN涂層刀具的切削壽命拆翘。

　　TiN晶體結(jié)構(gòu)及其熱相變規(guī)律

　　借助高溫X射線衍射儀觀察TiN晶體結(jié)構(gòu)的熱相變規(guī)律锉辫。試驗條件：C-oK-α射線，管電壓50KV囊脉，管電流100mA瑰兄，大氣氣氛。首先在室溫下記錄TiN晶體衍射峰屉争；然后以每分鐘40℃的溫升速度锤距、每間隔100℃保溫35分鐘，分別記錄TiN晶體的相變衍射峰檩讯。試驗結(jié)果表明武填，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。

　　(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：在室溫時唆阿，TiN薄膜為(1 1 1)益涧、(2 2 0)雙重?fù)駜?yōu)取向晶體；當(dāng)溫度升至200℃時驯鳖，TiN晶體的(1 1 1)晶面衍射峰強(qiáng)度沒有變化闲询，而(2 2 0)晶面衍射峰強(qiáng)度增大，在低角度(2θ=26°左右)處出現(xiàn)寬波峰浅辙；溫升至400℃時扭弧，TiN晶體的(1 1 1)晶面衍射峰完全消失，而(2 2 0)晶面衍射峰強(qiáng)度不變记舆，低角度處的寬波峰強(qiáng)度增大鸽捻；溫升至800℃時，TiN晶體的衍射峰完全消失泽腮，而低角度處的寬波峰強(qiáng)度亦越來越弱御蒲。

　　由金屬學(xué)理論可知，由C1工藝沉積的TiN晶體屬有序固溶體結(jié)構(gòu)诊赊。由高溫X射線衍射理論可知厚满，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。在室溫時楚餐，TiN晶體結(jié)構(gòu)屬長程有序固溶體結(jié)構(gòu)斤卒，隨著溫度的升高，TiN晶體的長程有序度逐漸降低撇扯，并轉(zhuǎn)變?yōu)槎坛逃行蚬倘荏w囚誓。在400℃時酸穗，TiN的(1 1 1)晶面衍射峰消失，600℃時启孔，其長程有序度為零方蜡，即轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珶o序。當(dāng)長程有序度逐漸下降時辖芍，對低角度處出現(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)臀嘱。切削磨損試驗表明章理，這種非晶態(tài)物質(zhì)的耐磨性較差所硅，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結(jié)果分析：室溫時杂蒙，TiN晶體具有明顯的(1 1 1)晶面擇優(yōu)取向营稼，隨著溫度升高，涂層表面原子熱振動加劇台腥，600℃時TiN表面脫N而形成Ti2N+N宏赘；當(dāng)溫度達(dá)到960℃時，Ti2N再次脫N而形成Ti+N黎侈；TiN的始氧化溫度為800℃察署，氧化物為TiO(R),γ-FeTiO2,?ε-FeTiO和TiO等。

　　上述試驗結(jié)果及其分析表明峻汉，用C2工藝沉積的TiN晶體是間隙相化合物贴汪，其晶體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。切削試驗表明休吠，具有間隙相晶體結(jié)構(gòu)的TiN涂層刀具的耐熱性扳埂、耐磨性均優(yōu)于有序固溶體結(jié)構(gòu)的TiN涂層刀具。間隙相化合物TiN的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定瘤礁，高溫特性優(yōu)良阳懂，有利于提高TiN涂層高速鋼刀具的工作壽命。

　　(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,其切削變形和切削摩擦較緩和,產(chǎn)生的切削熱較少,因而切削溫度較低柜思。

　　(2)TiN涂層刀具的刀-屑接觸長度較短, 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)處岩调。為了改善TiN涂層刀具的散熱條件，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触擎。

　　(3)TiN涂層刀具的熱學(xué)特性與沉積工藝密切相關(guān),同時與TiN晶體的結(jié)構(gòu)類型密切相關(guān)拳鹉。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、耐磨性均較差绑燃；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),具有較好的耐熱乍之、耐磨性能。

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