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TiN涂層高速鋼刀具耐熱性的研究
更新時間:2007-09-28 14:36:00 點擊量:

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。

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(見圖1b),而TiN 涂層刀具的切屑底部滯流層變形程度較輕(見圖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 關系曲線
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 關系曲線
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(如圖4 所示)。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。


圖4 刀—屑接觸長度
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),測量系統原理見圖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,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re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:CoKa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(11 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(2q左右)處出現寬波峰;溫升至400℃時,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,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),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

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。

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

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

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