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TiN涂层高速钢刀具耐热性的研究 YG (2009/07/04 14:28)

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。
(a) TiN涂层HSS刀具
(b) 未涂层HSS刀具
切削条件：V=30m/min，f=0.15mm/r，ap=3mm，正交自由切削，干切削，go=15°，ao=5°
图1 切屑根部金相磨片图(21×)
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F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(见图1b)，而TiN 涂层刀具的切屑底部滞流层变形程度较轻(见图1a)。
TiN涂层对刀—屑间平均摩擦角b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b(测量结果见图2)。由图2 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b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。
TiN涂层对切屑变形系数x的影响

试验条件：TiN 涂层刀具(C1)切削中碳钢，直角自由切削，f=0.15mm/r，ap=3mm
试验条件：TiN 涂层刀具(C1)切削中碳钢，直角自由切削，f=0.15mm/r，ap=3mm
图2 b—V 关系曲线图3 x—V 关系曲线

图3 所示为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x随切削速度V的变化规律。很明显，与未涂层刀具相比，TiN 涂层刀具的切屑变形系数x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。
TiN涂层对刀—屑接触长度Lf的影响
试验条件：C1涂层和未涂层刀具切削中碳钢，直角自由切削，f=0.15mm/r，ap=3mm
图4 刀—屑接触长度
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(如图4 所示)。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)，测量系统原理见图5。
切削试验采用正交自由切削，刀具主偏角Kr=90°，刃倾角ls= 0°，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。
图5 切削温度测量原理示意图
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re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：CoKa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。
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(11 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(2q左右)处出现宽波峰；温升至400℃时，TiN 晶体的(1 11)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。
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)，g-FeTiO2，e- FeTiO 和TiO 等。
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TiN 涂层高速钢刀具的工作寿命。
5 结论
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。
TiN 涂层刀具的刀一屑接触长度较短，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，应适当加大刀尖圆弧半径re及刃口钝圆半径rn。
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。

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