TiN涂层高速钢刀具耐热性的研究

TiN涂层高速钢刀具耐热性的研究

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。
　　
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λs＝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。

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rε及刃口钝圆半径rn)，以延长TiN涂层刀具的切削寿命。