TiN涂層高速鋼刀具耐熱性的研究

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：4331

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(chǎng)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(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(jié)構(gòu)類(lèi)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。






(a) TiN涂層HSS刀具

(b) 未涂層HSS刀具
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°
圖1 切屑根部金相磨片圖(21×)

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?

  1. TiN涂層對(duì)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(qū)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(dāng)嚴(yán)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)。

  2. TiN涂層對(duì)刀—屑間平均摩擦角b的影響
    通過(guò)正交直角切削試驗(yàn)，測(cè)得TiN 涂層刀具和未涂層刀具刀—屑間的平均摩擦角b(測(cè)量結(jié)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(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(rùn)滑劑的作用。

  3. TiN涂層對(duì)切屑變形系數(shù)x的影響






    試驗(yàn)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

    試驗(yàn)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
    圖2 b—V 關(guān)系曲線(xiàn)
    		圖3 x—V 關(guān)系曲線(xiàn)

    圖3 所示為切削試驗(yàn)中兩種不同刀具(在不同潤(rùn)滑條件下)的切屑變形系數(shù)x隨切削速度V的變化規(guī)律。很明顯，與未涂層刀具相比，TiN 涂層刀具的切屑變形系數(shù)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。

  4. TiN涂層對(duì)刀—屑接觸長(zhǎng)度Lf的影響





    試驗(yàn)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
    圖4 刀—屑接觸長(zhǎng)度

    TiN 薄膜與切屑間的減摩作用還導(dǎo)致了刀—屑接觸長(zhǎng)度Lf的縮短(如圖4 所示)。刀—屑接觸長(zhǎng)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(cè)溫試驗(yàn)也證實(shí)了這種現(xiàn)象。

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(cè)量刀具表面的切削溫度(即溫度場(chǎng)分布)，測(cè)量系統(tǒng)原理見(jiàn)圖5。
切削試驗(yàn)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(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。




圖5 切削溫度測(cè)量原理示意圖
兩種不同刀具的切削溫度場(chǎng)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(mén)iN 涂層刀具刀—屑接觸長(zhǎng)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re及刃口鈍圓半徑rn)，以延長(zhǎng)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(xiàn)衍射儀觀察TiN 晶體結(jié)構(gòu)的熱相變規(guī)律。試驗(yàn)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(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(11 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(méi)有變化，而(2 2 0)晶面衍射峰強(qiáng)度增大，在低角度(2q左右)處出現(xiàn)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(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(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(jié)構(gòu)。由高溫X射線(xiàn)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(zhǎng)程有序固溶體結(jié)構(gòu)，隨著溫度的升高，TiN 晶體的長(zhǎng)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(zhǎng)程有序度為零，即轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珶o(wú)序。當(dāng)長(zhǎng)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T(mén)iO(R)，g-FeTiO2，e- 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?xún)?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 涂層刀具的刀一屑接觸長(zhǎng)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)加大刀尖圓弧半徑re及刃口鈍圓半徑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(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(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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