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
