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      TiN涂層高速鋼刀具耐熱性的研究
      更新時(shí)間:2007-09-28 14:36:00 點(diǎn)擊量:

      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 化合物的導熱系數較小,因而TiN 涂層刀具表面溫度場(chǎng)分布特征亦與未涂層高速鋼刀具不同。
      筆者從微觀(guān)角度分析研究了TiN 薄膜的晶體結構類(lèi)型與TiN 涂層熱相變特性之間的相互關(guān)系以及不同晶體結構類(lèi)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(guān)系密切。當TiN 晶體具有間隙化合物特征時(shí),其耐磨性大大優(yōu)于有序固溶體結構的TiN 涂層。沉積工藝試驗表明,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構,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,首先討論可轉變?yōu)榍邢鳠岬那邢髯冃喂颓邢髂Σ凉Α?br />
      1) TiN涂層對刀具切削變形的影響

      借助快速落刀裝置觀(guān)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F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(見(jiàn)圖1b),而TiN 涂層刀具的切屑底部滯流層變形程度較輕(見(jiàn)圖1a)。


      (a) TiN涂層HSS刀具 (b) 未涂層HSS刀具
      圖1 切屑根部金相磨片圖(21×)
      切削條件:V=30m/min,f=0.15mm/r,ap=3mm,正交自由切削,干切削,go=15°,ao=5°
      2) TiN涂層對刀—屑間平均摩擦角b的影響

      通過(guò)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b(測量結果見(jiàn)圖2)。由圖2 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b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。


      圖2 b—V 關(guān)系曲線(xiàn)
      試驗條件:TiN 涂層刀具(C1)切削中碳鋼,直角自由切削,f=0.15mm/r,ap=3mm
      3) TiN涂層對切屑變形系數x的影響

      圖3 所示為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x隨切削速度V的變化規律。很明顯,與未涂層刀具相比,TiN 涂層刀具的切屑變形系數x值較小。這也表明,在切削過(guò)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。


      圖3 x—V 關(guān)系曲線(xiàn)
      試驗條件:TiN 涂層刀具(C1)切削中碳鋼,直角自由切削,f=0.15mm/r,ap=3mm
      4) TiN涂層對刀—屑接觸長(cháng)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(cháng)度Lf的縮短(如圖4 所示)。刀—屑接觸長(cháng)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(shí)了這種現象。


      圖4 刀—屑接觸長(cháng)度
      試驗條件:C1涂層和未涂層刀具切削中碳鋼,直角自由切削,f=0.15mm/r,ap=3mm
      3 切削溫度與溫度場(chǎng)分布

      切削過(guò)程中用AGA780 紅外熱像儀測量刀具表面的切削溫度(即溫度場(chǎng)分布),測量系統原理見(jiàn)圖5。


      圖5 切削溫度測量原理示意圖
      切削試驗采用正交自由切削,刀具主偏角Kr=90°,刃傾角ls= 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(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℃。這是因為切削時(shí)TiN 涂層刀具切削區的變形功、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(zhù)在使用TiN 涂層刀具時(shí),可適當提高切削速度,進(jìn)而提高切削效率。兩種不同刀具的切削溫度場(chǎng)分布規律亦存在明顯差異。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,一是因為T(mén)iN 涂層刀具刀—屑接觸長(cháng)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(jìn)TiN 涂層刀具幾何參數的設計(適當加大刀尖圓弧半徑re及刃口鈍圓半徑rn),以延長(cháng)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(xiàn)衍射儀觀(guān)察TiN 晶體結構的熱相變規律。試驗條件:CoKa射線(xiàn),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(fā)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(shí),TiN 薄膜為(11 1)、(2 2 0)雙重擇優(yōu)取向晶體;當溫度升至200℃時(shí),TiN 晶體的(1 1 1)晶面衍射峰強度沒(méi)有變化,而(2 2 0)晶面衍射峰強度增大,在低角度(2q左右)處出現寬波峰;溫升至400℃時(shí),TiN 晶體的(1 11)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(shí),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(lái)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構。由高溫X射線(xiàn)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(shí),TiN 晶體結構屬長(cháng)程有序固溶體結構,隨著(zhù)溫度的升高,TiN 晶體的長(cháng)程有序度逐漸降低,并轉變?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(cháng)程有序度為零,即轉變?yōu)橥耆珶o(wú)序。當長(cháng)程有序度逐漸下降時(shí),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?yōu)榉蔷w物質(zhì)。切削磨損試驗表明,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構的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結果分析:室溫時(shí),TiN 晶體具有明顯的(1 1 1)晶面擇優(yōu)取向,隨著(zhù)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;當溫度達到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T(mén)iO(R),g-FeTiO2,e- 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(yōu)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?xún)?yōu)良,有利于提高TiN 涂層高速鋼刀具的工作壽命。

      5 結論

      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。

      TiN 涂層刀具的刀一屑接觸長(cháng)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,應適當加大刀尖圓弧半徑re及刃口鈍圓半徑rn。

      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 晶體的結構類(lèi)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構,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構,具有穩定的晶體結構,具有較好的耐熱、耐磨性能

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