1、（液压英才网豆豆转载）刀具材料的耐热性是判断其切削性能的重要特性。由于经 TiN 涂层后高速钢刀具表面摩擦特性得到改善，与未涂层的普通高速钢刀具相比，在相同切削条件下，其切削变形程度减小，因而产生的切削热减少，切削温度降低；又由于 TiN 化合物的导热系数较小，因而 TiN 涂层刀具表面温度场分布特征亦与未涂层高速钢刀具不同。笔者从微观角度分析研究了 TiN 薄膜的晶体结构类型与 TiN 涂层热相变特性之间的相互关系以及不同晶体结构类型的 TiN 薄膜随温度上升的变化规律。切削试验结果表明，TiN 涂层刀具的耐磨性与 TiN 化合物的晶体特征关系密切。当 TiN 晶体具有间隙化合物特征时，其耐
2、磨性大大优于有序固溶体结构的 TiN 涂层。沉积工艺试验表明，用 C1工艺（电弧发生等离子体 PVD 法）沉积的 TiN 涂层为有序固溶体结构，而用C2工艺（等离子枪发射电子束离子镀）沉积的 TiN 涂层为间隙相化合物。显然，C2 工艺优于 C1工艺。2.切削变形与切削摩擦为了深入研究 TiN 涂层刀具的热学特性，首先讨论可转变为切削热的切削变形功和切削摩擦功。TiN 涂层对刀具切削变形的影响借助快速落刀装置观察 TiN 涂层刀具的切削变形程度，可知在相同的切削条件下，TiN 涂层刀具第一变形区的剪切角比未涂层刀具约大46 ，未涂层刀具切屑底部滞流层变形程度相当严重，而 TiN 涂层刀具的切屑
3、底部滞流层变形程度较轻。22 TiN 涂层对刀-屑间平均摩擦角 的影响: 8 O) “ D ( B8 U; e 通过正交直角切削试验，测得 TiN 涂层刀具和未涂层刀具刀屑间的平均摩擦角 。由测量结果可知，在相同的切削条件下，与未涂层刀具相比，TiN 涂层刀具刀屑间的摩擦角 较小（即 TiN 涂层与切屑底部的摩擦系数较小） ，这是因为刀具表面的 TiN 化合物在刀屑摩擦面间起到了固体润滑剂的作用23 TiN 涂层对切屑变形系数 的影响 由切削试验中两种不同刀具（在不同润滑条件下）的切屑变形系数 随切削速度 V 的变化规律可知：与未涂层刀具相比，TiN 涂层刀具的切屑变形系数 值较小。这也表明，
4、在切削过程中，由于 TiN 化合物的减摩作用，TiN 涂层刀具的切屑变形程度较轻。% 3 K7 w$ O+ L5 h 24 TiN 涂层对刀-屑接触长度 Lf 的影响TiN 薄膜与切屑间的减摩作用还导致了刀-屑接触长度 Lf 的缩短。刀- 屑接触长度 Lf 的缩短使切削热不易被切屑带走，切削热易集中在刀尖（或刀刃）附近。红外热像仪测温试验也证实了这种现象3切削温度与温度场分布切削过程中用 AGA780红外热像仪测量刀具表面的切削温度（即温度场分布） 。切削试验采用正交自由切削，刀具主偏角90，刃倾角 s0，工件为薄壁管形。试验结果表明：在相同的试验条件下，与未涂层高速钢刀具相比，TiN 涂层刀
5、具的切削温度较低。如切削速度 V=60m/min 时，TiN 涂层刀具表面最高温度为360，而未涂层刀具表面最高温度为450。这是因为切削时 TiN 涂层刀具切削区的变形功、摩擦功较小，因而产生的切削热量较小。刀具表面切削温度低意味着在使用 TiN 涂层刀具时，可适当提高切削速度，进而提高切削效率。两种不同刀具的切削温度场分布规律亦存在明显差异。TiN 涂层刀具的最高温度点位于（接近）刀尖（刀刃）处，而未涂层刀具的最高温度点距离刀尖约为0.25mm 。究其原因，一是因为 TiN 涂层刀具刀屑接触长度 Lf 较短，切削热不易被切屑带走；二是由于 TiN 化合物的导热系数较小，切削热沿刀面传导的速
6、度较慢，因而导致切削热易集中于刀尖（或刀刃）处。因此，为了改善 TiN 涂层刀具的散热条件，应适当改进 TiN 涂层刀具几何参数的设计（适当加大刀尖圆弧半径 r 及刃口钝圆半径 rn） ，以延长 TiN 涂层刀具的切削寿命。4.TiN 晶体结构及其热相变规律,借助高温 X 射线衍射仪观察 TiN 晶体结构的热相变规律。试验条件：C-oK- 射线，管电压50KV，管电流100mA，大气气氛。首先在室温下记录 TiN 晶体衍射峰；然后以每分钟40 的温升速度、每间隔100 保温35分钟，分别记录 TiN 晶体的相变衍射峰。试验结果表明，用不同沉积工艺方法得到的 TiN 晶体的热相变特性差异很大。（
7、1）由电弧发生等离子体 PVD 法（C1 工艺）沉积的 TiN 涂层试样结果分析：在室温时，TiN 薄膜为(1 1 1)、(2 2 0)双重择优取向晶体；当温度升至200时，TiN 晶体的(1 1 1)晶面衍射峰强度没有变化，而(2 2 0)晶面衍射峰强度增大，在低角度 (2=26左右)处出现宽波峰；温升至400时， TiN 晶体的(1 1 1)晶面衍射峰完全消失，而(2 2 0)晶面衍射峰强度不变，低角度处的宽波峰强度增大；温升至800时，TiN 晶体的衍射峰完全消失，而低角度处的宽波峰强度亦越来越弱。由金属学理论可知，由 C1工艺沉积的 TiN 晶体属有序固溶体结构。由高温 X 射线衍射理
8、论可知，有序固溶体 TiN 的有序度转变临界温度低于600,因而这种晶体结构的 TiN 高温特性较差。在室温时，TiN 晶体结构属长程有序固溶体结构，随着温度的升高，TiN 晶体的长程有序度逐渐降低，并转变为短程有序固溶体。在400时，TiN 的（1 1 1）晶面衍射峰消失，600时，其长程有序度为零，即转变为完全无序。当长程有序度逐渐下降时，对低角度处出现的宽波峰可认为是 TiN 薄膜由晶体逐渐转变为非晶体物质。切削磨损试验表明，这种非晶态物质的耐磨性较差，因而这种有序固溶体结构的 TiN 涂层薄膜的耐磨性并不理想。（2）用等离子枪发射电子束离子镀（C2工艺）沉积的 TiN 涂层试样的高温衍
9、射试验结果分析：室温时，TiN 晶体具有明显的(1 1 1)晶面择优取向，随着温度升高，涂层表面原子热振动加剧，600时 TiN 表面脱 N 而形成 Ti2N+N；当温度达到960时，Ti2N 再次脱 N而形成 Ti+N；TiN 的始氧化温度为800 ，氧化物为 TiO(R),-FeTiO2,-FeTiO 和 TiO 等。C 上述试验结果及其分析表明，用 C2工艺沉积的 TiN 晶体是间隙相化合物，其晶体结构比较稳定。切削试验表明，具有间隙相晶体结构的 TiN 涂层刀具的耐热性、耐磨性均优于有序固溶体结构的 TiN 涂层刀具。间隙相化合物 TiN 的晶体结构稳定，高温特性优良，有利于提高 Ti
10、N 涂层高速钢刀具的工作寿命。5.结论（1）由于 TiN 化合物的减摩作用,用 TiN 涂层高速钢刀具进行切削时,其切削变形和切削摩擦较缓和,产生的切削热较少,因而切削温度较低。 （2）TiN 涂层刀具的刀- 屑接触长度较短, TiN 化合物的导热系数较小,因而切削热易集中在刀尖(或刀刃) 处。为了改善 TiN 涂层刀具的散热条件，应适当加大刀具的刀尖圆弧半径 r 和刃口钝圆半径 rn。（3）TiN 涂层刀具的热学特性与沉积工艺密切相关,同时与 TiN 晶体的结构类型密切相关。用电弧发生等离子体 PVD 法（C1 工艺）沉积的 TiN 薄膜具有有序固溶体晶体结构,其耐热性、耐磨性均较差；而用等离子枪发射电子束离子镀（C2工艺）沉积的 TiN 涂层为间隙化合物结构,具有稳定的晶体结构,具有较好的耐热、耐磨性能。
