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1 引言

刀具材料的耐熱性是判斷其切削性能的重要特性。由于經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，在相同切削條件下，其切削變形程度減小，因而產生的切削熱減少，切削溫度降低；又由于TiN 化合物的導熱系數較小，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。
筆者從微觀角度分析研究了TiN 薄膜的晶體結構類型與TiN 涂層熱相變特性之間的相互關系以及不同晶體結構類型的TiN 薄膜隨溫度上升的變化規律。

切削試驗結果表明，TiN 涂層刀具的耐磨性與TiN 化合物的晶體特征關系密切。當TiN 晶體具有間隙化合物特征時，其耐磨性大大優于有序固溶體結構的TiN 涂層。沉積工藝試驗表明，用C1工藝(電弧發生等離子體PVD 法)沉積的TiN 涂層為有序固溶體結構，而用C2工藝(等離子槍發射電子束離子鍍)沉積的TiN 涂層為間隙相化合物。顯然，C2工藝優于C1工藝。

2 切削變形與切削摩擦

為了深入研究TiN 涂層刀具的熱學特性，首先討論可轉變為切削熱的切削變形功和切削摩擦功。

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，可知在相同的切削條件下，TiN 涂層刀具第一變形區的剪切角F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嚴重(見圖1b)，而TiN 涂層刀具的切屑底部滯流層變形程度較輕(見圖1a)。


(a) TiN涂層HSS刀具 (b) 未涂層HSS刀具
圖1 切屑根部金相磨片圖(21×)
切削條件：V=30m/min，f=0.15mm/r，ap=3mm，正交自由切削，干切削，go=15°，ao=5°
2) TiN涂層對刀—屑間平均摩擦角b的影響

通過正交直角切削試驗，測得TiN 涂層刀具和未涂層刀具刀—屑間的平均摩擦角b(測量結果見圖2)。由圖2 可知，在相同的切削條件下，與未涂層刀具相比，TiN 涂層刀具刀—屑間的摩擦角b較小(即TiN 涂層與切屑底部的摩擦系數較小)，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。


圖2 b—V 關系曲線
試驗條件：TiN 涂層刀具(C1)切削中碳鋼，直角自由切削，f=0.15mm/r，ap=3mm
3) TiN涂層對切屑變形系數x的影響

圖3 所示為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x隨切削速度V的變化規律。很明顯，與未涂層刀具相比，TiN 涂層刀具的切屑變形系數x值較小。這也表明，在切削過程中，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。


圖3 x—V 關系曲線
試驗條件：TiN 涂層刀具(C1)切削中碳鋼，直角自由切削，f=0.15mm/r，ap=3mm
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致了刀—屑接觸長度Lf的縮短(如圖4 所示)。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。紅外熱像儀測溫試驗也證實了這種現象。


圖4 刀—屑接觸長度
試驗條件：C1涂層和未涂層刀具切削中碳鋼，直角自由切削，f=0.15mm/r，ap=3mm
3 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)，測量系統原理見圖5。


圖5 切削溫度測量原理示意圖
切削試驗采用正交自由切削，刀具主偏角Kr=90°，刃傾角ls= 0°，工件為薄壁管形。試驗結果表明：在相同的試驗條件下，與未涂層高速鋼刀具相比，TiN 涂層刀具的切削溫度較低。如切削速度V=60m/min 時，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℃。這是因為切削時TiN 涂層刀具切削區的變形功、摩擦功較小，因而產生的切削熱量較小。刀具表面切削溫度低意味著在使用TiN 涂層刀具時，可適當提高切削速度，進而提高切削效率。兩種不同刀具的切削溫度場分布規律亦存在明顯差異。TiN 涂層刀具的最高溫度點位于(接近)刀尖(刀刃)處，而未涂層刀具的最高溫度點距離刀尖約為0.25mm。究其原因，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；二是由于TiN 化合物的導熱系數較小，切削熱沿刀面傳導的速度較慢，因而導致切削熱易集中于刀尖(或刀刃)處。因此，為了改善TiN 涂層刀具的散熱條件，應適當改進TiN 涂層刀具幾何參數的設計(適當加大刀尖圓弧半徑re及刃口鈍圓半徑rn)，以延長TiN 涂層刀具的切削壽命。

4 TiN晶體結構及其熱相變規律

借助高溫X射線衍射儀觀察TiN 晶體結構的熱相變規律。試驗條件：CoKa射線，管電壓50kV，管電流100mA，大氣氣氛。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、每間隔100℃保溫35 分鐘，分別記錄TiN 晶體的相變衍射峰。試驗結果表明，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) 由電弧發生等離子體PVD法(C1工藝)沉積的TiN 涂層試樣結果分析：在室溫時，TiN 薄膜為(11 1)、(2 2 0)雙重擇優取向晶體；當溫度升至200℃時，TiN 晶體的(1 1 1)晶面衍射峰強度沒有變化，而(2 2 0)晶面衍射峰強度增大，在低角度(2q左右)處出現寬波峰；溫升至400℃時，TiN 晶體的(1 11)晶面衍射峰完全消失，而(2 2 0)晶面衍射峰強度不變，低角度處的寬波峰強度增大；溫升至800℃時，TiN 晶體的衍射峰完全消失，而低角度處的寬波峰強度亦越來越弱。

由金屬學理論可知，由C1工藝沉積的TiN 晶體屬有序固溶體結構。由高溫X射線衍射理論可知，有序固溶體TiN 的有序度轉變臨界溫度低于600℃，因而這種晶體結構的TiN 高溫特性較差。在室溫時，TiN 晶體結構屬長程有序固溶體結構，隨著溫度的升高，TiN 晶體的長程有序度逐漸降低，并轉變為短程有序固溶體。在400℃時，TiN 的(1 1 1)晶面衍射峰消失，600℃時，其長程有序度為零，即轉變為完全無序。當長程有序度逐漸下降時，對低角度處出現的寬波峰可認為是TiN 薄膜由晶體逐漸轉變為非晶體物質。切削磨損試驗表明，這種非晶態物質的耐磨性較差，因而這種有序固溶體結構的TiN 涂層薄膜的耐磨性并不理想。

2) 用等離子槍發射電子束離子鍍(C2工藝)沉積的TiN 涂層試樣的高溫衍射試驗結果分析：室溫時，TiN 晶體具有明顯的(1 1 1)晶面擇優取向，隨著溫度升高，涂層表面原子熱振動加劇，600℃時TiN 表面脫N 而形成Ti2N + N；當溫度達到960℃時，Ti2N 再次脫N 而形成Ti + N；TiN 的始氧化溫度為800℃，氧化物為TiO(R)，g-FeTiO2，e- FeTiO 和TiO 等。

上述試驗結果及其分析表明，用C2工藝沉積的TiN 晶體是間隙相化合物，其晶體結構比較穩定。切削試驗表明，具有間隙相晶體結構的TiN 涂層刀具的耐熱性、耐磨性均優于有序固溶體結構的TiN涂層刀具。間隙相化合物TiN 的晶體結構穩定，高溫特性優良，有利于提高TiN 涂層高速鋼刀具的工作壽命。

5 結論

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

TiN 涂層刀具的刀一屑接觸長度較短，TiN 化合物的導熱系數較小，因而切削熱易集中在刀尖(或刀刃)處。為了改善TiN 涂層刀具的散熱條件，應適當加大刀尖圓弧半徑re及刃口鈍圓半徑rn。

TiN 涂層刀具的熱學特性與沉積工藝密切相關，同時與TiN 晶體的結構類型密切相關。用電弧發生等離子體PVD法(C1工藝)沉積的TiN 薄膜具有有序固溶體晶體結構，其耐熱性、耐磨性均較差；而用等離子槍發射電子束離子鍍(C2工藝)沉積的TiN 涂層為間隙化合物結構，具有穩定的晶體結構，具有較好的耐熱、耐磨性能