TiN涂层高速钢刀具耐热性研究
2008/12/22/09:30摘要：研究了切削过程中TiN涂层高速钢刀具的切削温度场分布特征及其生热、导热特征。通过试验证明了TiN薄膜的热学特征与其晶体结构类型有关，用不同工艺方法得到的TiN涂层高速钢刀具的耐热性、耐磨性亦存在明显差别，为TiN涂层刀具沉积工艺参数的优化、刀具几何参数及切削用量的合理选择提供了理论依据。
关键词：TiN涂层，高速钢刀具，耐热性，沉积工艺，晶体结构
1.引言
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。
2.1 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4°～6°，未涂层刀具切屑底部滞流层变形程度相当严重，而TiN涂层刀具的切屑底部滞流层变形程度较轻。
2.2 TiN涂层对刀-屑间平均摩擦角β的影响
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β。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β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。
2.3 TiN涂层对切屑变形系数ξ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ξ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ξ值较小。这也表明，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。
2.4 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。
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