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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。
　　
　　2．1 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，而TiN涂層刀具的切屑底部滯流層變形程度較輕。
　　
　　2．2 TiN涂層對刀-屑間平均摩擦角β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β。由測量結果可知，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。
　　
　　2．3 TiN涂層對切屑變形系數ξ的影響
　　
　　由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ξ隨切削速度V的變化規律可知：與未涂層刀具相比，TiN涂層刀具的切屑變形系數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。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。
　　
　　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：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(1 1 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(2θ=26°左右)處出現寬波峰；溫升至400℃時，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),γ-FeTiO2,ε-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
　　
　　（1）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。
　　
　　（2）TiN涂層刀具的刀-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。