(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

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(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)。
   
   
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(jié)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(shù)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。
   
   
3. TiN涂層對切屑變形系數(shù)x的影響
   
   
   
   
   
   

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

   
   
   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(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涂層對刀—屑接觸長度L_f的影響
   
   
   
   
   

   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

   圖4 刀—屑接觸長度

   
   
   TiN 薄膜與切屑間的減摩作用還導(dǎo)致了刀—屑接觸長度L_f的縮短(如圖4 所示)。刀—屑接觸長度L_f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(xiàn)象。

3 切削溫度與溫度場分布

圖5 切削溫度測量原理示意圖

4 TiN晶體結(jié)構(gòu)及其熱相變規(guī)律

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，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，TiN 晶體的(1 1 1)晶面衍射峰強(qiáng)度沒有變化，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，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，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，TiN 晶體結(jié)構(gòu)屬長程有序固溶體結(jié)構(gòu)，隨著溫度的升高，TiN 晶體的長程有序度逐漸降低，并轉(zhuǎn)變?yōu)槎坛逃行蚬倘荏w。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(zhuǎn)變?yōu)橥耆珶o序。當(dāng)長程有序度逐漸下降時，對低角度處出現(xiàn)的寬波峰可認(rèn)為是TiN 薄膜由晶體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷�體物質(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(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結(jié)果分析：室溫時，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加劇，600℃時TiN 表面脫N 而形成Ti₂N + N；當(dāng)溫度達(dá)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(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，高溫特性優(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，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r_e及刃口鈍圓半徑r_n。
   
3. TiN 涂層刀具的熱學(xué)特性與沉積工藝密切相關(guān)，同時與TiN 晶體的結(jié)構(gòu)類型密切相關(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。