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(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，在相同切削條件下，其切削變形程度減小，因而產(chǎn)生的切削熱減少，切削溫度降低；又由于TiN化合物的導(dǎo)熱系數(shù)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(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(yàn)結(jié)果表明，TiN涂層刀具的耐磨性與TiN化合物的晶體特征關(guān)系密切。當(dāng)TiN晶體具有間隙化合物特征時(shí)，其耐磨性大大優(yōu)于有序固溶體結(jié)構(gòu)的TiN涂層。沉積工藝試驗(yàn)表明，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。顯然，C2工藝優(yōu)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(xué)特性，首先討論可轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢鳠岬那邢髯冃喂颓邢髂Σ凉Α＊?BR> 2．1 TiN涂層對(duì)刀具切削變形的影響?yīng)?BR> 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(qū)的剪切角比未涂層刀具約大4°～6°，未涂層刀具切屑底部滯流層變形程度相當(dāng)嚴(yán)重，而TiN涂層刀具的切屑底部滯流層變形程度較輕。
2．2 TiN涂層對(duì)刀-屑間平均摩擦角β的影響
通過正交直角切削試驗(yàn)，測得TiN涂層刀具和未涂層刀具刀—屑間的平均摩擦角β。由測量結(jié)果可知，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β較�。碩iN涂層與切屑底部的摩擦系數(shù)較小），這是因?yàn)榈毒弑砻娴腡iN化合物在刀—屑摩擦面間起到了固體潤滑劑的作用。
2．3 TiN涂層對(duì)切屑變形系數(shù)ξ的影響
由切削試驗(yàn)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，TiN涂層刀具的切屑變形系數(shù)ξ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。
2．4 TiN涂層對(duì)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。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(yàn)也證實(shí)了這種現(xiàn)象。
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）。
切削試驗(yàn)采用正交自由切削，刀具主偏角＝90°，刃傾角λs＝0°，工件為薄壁管形。試驗(yàn)結(jié)果表明：在相同的試驗(yàn)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(shí)，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?yàn)榍邢鲿r(shí)TiN涂層刀具切削區(qū)的變形功、摩擦功較小，因而產(chǎn)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(shí)，可適當(dāng)提高切削速度，進(jìn)而提高切削效率。
兩種不同刀具的切削溫度場分布規(guī)律亦存在明顯差異。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。究其原因，一是因?yàn)門iN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(dǎo)熱系數(shù)較小，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，為了改善TiN涂層刀具的散熱條件，應(yīng)適當(dāng)改進(jìn)TiN涂層刀具幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)（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。
4.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。試驗(yàn)條件：C-oK-α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(yàn)結(jié)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(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(shí)，TiN薄膜為(1 1 1)、(2 2 0)雙重?fù)駜?yōu)取向晶體；當(dāng)溫度升至200℃時(shí)，TiN晶體的(1 1 1)晶面衍射峰強(qiáng)度沒有變化，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；溫升至400℃時(shí)，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，低角度處的寬波峰強(qiáng)度增大；溫升至800℃時(shí)，TiN晶體的衍射峰完全消失，而低角度處的寬波峰強(qiáng)度亦越來越弱。
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)。由高溫X射線衍射理論可知，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(shí)，TiN晶體結(jié)構(gòu)屬長程有序固溶體結(jié)構(gòu)，隨著溫度的升高，TiN晶體的長程有序度逐漸降低，并轉(zhuǎn)變?yōu)槎坛逃行蚬倘荏w。在400℃時(shí)，TiN的（1 1 1）晶面衍射峰消失，600℃時(shí)，其長程有序度為零，即轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珶o序。當(dāng)長程有序度逐漸下降時(shí)，對(duì)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)。切削磨損試驗(yàn)表明，這種非晶態(tài)物質(zhì)的耐磨性較差，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(yàn)結(jié)果分析：室溫時(shí)，TiN晶體具有明顯的(1 1 1)晶面擇優(yōu)取向，隨著溫度升高，涂層表面原子熱振動(dòng)加劇，600℃時(shí)TiN表面脫N而形成Ti2N+N；當(dāng)溫度達(dá)到960℃時(shí)，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),γ-FeTiO2,ε-FeTiO和TiO等。
上述試驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。切削試驗(yàn)表明，具有間隙相晶體結(jié)構(gòu)的TiN涂層刀具的耐熱性、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，高溫特性優(yōu)良，有利于提高TiN涂層高速鋼刀具的工作壽命。
5.結(jié)論
（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(shí),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。
（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。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。
（3）TiN涂層刀具的熱學(xué)特性與沉積工藝密切相關(guān),同時(shí)與TiN晶體的結(jié)構(gòu)類型密切相關(guān)。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；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、耐磨性能。
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