TiN塗層高速鋼刀具耐熱性研究

高速鋼刀具    時間:2014-03-12 02:44:42
TiN塗層高速鋼刀具耐熱性研究簡介
研究了切削過程中TiN塗層高速鋼刀具的切削溫度場分佈特徵及其生熱、導熱特徵。通過試驗證明了TiN薄膜的熱學特徵與其晶體結構類型有關,用不同工藝……
TiN塗層高速鋼刀具耐熱性研究正文

  

摘要:研究了切削過程中TiN塗層高速鋼刀具的切削溫度場分佈特徵及其生熱、導熱特徵。通過試驗證明了TiN薄膜的熱學特徵與其晶體結構類型有關,用不同工藝方法得到的TiN塗層高速鋼刀具的耐熱性、耐磨性亦存在明顯差別,為TiN塗層刀具沉積工藝參數的優化、刀具幾何參數及切削用量的合理選擇提供了理論依據。

關鍵詞:TiN塗層,高速鋼刀具,耐熱性,沉積工藝,晶體結構

1.引言

刀具材料的耐熱性是判斷其切削性能的重要特性。由於經TiN塗層后高速鋼刀具表面摩擦特性得到改善,與未塗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;又由於TiN化合物的導熱係數較小,因而TiN塗層刀具表面溫度場分佈特徵亦與未塗層高速鋼刀具不同。筆者從微觀角度分析研究了TiN薄膜的晶體結構類型與TiN塗層熱相變特性之間的相互關係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塗層刀具的耐磨性與TiN化合物的晶體特徵關係密切。當TiN晶體具有間隙化合物特徵時,其耐磨性大大優於有序固溶體結構的TiN塗層。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塗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塗層為間隙相化合物。顯然,C2工藝優於C1工藝。

2.切削變形與切削摩擦

為了深入研究TiN塗層刀具的熱學特性,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塗層對刀具切削變形的影響

藉助快速落刀裝置觀察TiN塗層刀具的切削變形程度,可知在相同的切削條件下,TiN塗層刀具第一變形區的剪切角比未塗層刀具約大4°~6°,未塗層刀具切屑底部滯流層變形程度相當嚴重,而TiN塗層刀具的切屑底部滯流層變形程度較輕。

2.2 TiN塗層對刀-屑間平均摩擦角β的影響

通過正交直角切削試驗,測得TiN塗層刀具和未塗層刀具刀—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,與未塗層刀具相比,TiN塗層刀具刀—屑間的摩擦角β較小(即TiN塗層與切屑底部的摩擦係數較小),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塗層對切屑變形係數ξ的影響

由切削試驗中兩種不同刀具(在不同潤滑條件下)的切屑變形係數ξ隨切削速度V的變化規律可知:與未塗層刀具相比,TiN塗層刀具的切屑變形係數ξ值較小。這也表明,在切削過程中,由於TiN化合物的減摩作用,TiN塗層刀具的切屑變形程度較輕。

2.4 TiN塗層對刀-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佈

切削過程中用AGA780紅外熱像儀測量刀具表面的切削溫度(即溫度場分佈)。

切削試驗採用正交自由切削,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,與未塗層高速鋼刀具相比,TiN塗層刀具的切削溫度較低。如切削速度V=60m/min時,TiN塗層刀具表面最高溫度為360℃,而未塗層刀具表面最高溫度為450℃。這是因為切削時TiN塗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塗層刀具時,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佈規律亦存在明顯差異。TiN塗層刀具的最高溫度點位於(接近)刀尖(刀刃)處,而未塗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塗層刀具刀—屑接觸長度Lf較短,切削熱不易被切屑帶走;二是由於TiN化合物的導熱係數較小,切削熱沿刀面傳導的速度較慢,因而導致切削熱易集中於刀尖(或刀刃)處。因此,為了改善TiN塗層刀具的散熱條件,應適當改進TiN塗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塗層刀具的切削壽命。

4.TiN晶體結構及其熱相變規律

藉助高溫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;然後以每分鐘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塗層試樣結果分析: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於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,並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塗層薄膜的耐磨性並不理想。

(2)用等離子槍發射電子束離子鍍(C2工藝)沉積的TiN塗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,塗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塗層刀具的耐熱性、耐磨性均優於有序固溶體結構的TiN塗層刀具。間隙相化合物TiN的晶體結構穩定,高溫特性優良,有利於提高TiN塗層高速鋼刀具的工作壽命。

5.結論

(1)由於TiN化合物的減摩作用,用TiN塗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塗層刀具的刀-屑接觸長度較短, TiN化合物的導熱係數較小,因而切削熱易集中在刀尖(或刀刃)處。為了改善TiN塗層刀具的散熱條件,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塗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塗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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