(a) TiN涂层HSS刀具	(b) 未涂层HSS刀具
切削条件：V=30m/min，f=0.15mm/r，ap=3mm，正交自由切削，干切削，go=15°，ao=5°
图1 切屑根部金相磨片图(21×)

2 切削变形与切削摩擦

1. TiN涂层对刀具切削变形的影响
   
   借助快速落刀装置观察TiN 涂层刀具的切削变形程度，可知在相同的切削条件下，TiN 涂层刀具第一变形区的剪切角F比未涂层刀具约大4° ～ 6°，未涂层刀具切屑底部滞流层变形程度相当严重(见图1b)，而TiN 涂层刀具的切屑底部滞流层变形程度较轻(见图1a)。
   
   
2. TiN涂层对刀—屑间平均摩擦角b的影响
   
   通过正交直角切削试验，测得TiN 涂层刀具和未涂层刀具刀—屑间的平均摩擦角b(测量结果见图2)。由图2 可知，在相同的切削条件下，与未涂层刀具相比，TiN 涂层刀具刀—屑间的摩擦角b较小(即TiN 涂层与切屑底部的摩擦系数较小)，这是因为刀具表面的TiN 化合物在刀—屑摩擦面间起到了固体润滑剂的作用。
   
   
3. TiN涂层对切屑变形系数x的影响
   
   
   
   
   
   

   试验条件：TiN 涂层刀具(C1)切削中碳钢，直角自由切削，f=0.15mm/r，ap=3mm	试验条件：TiN 涂层刀具(C1)切削中碳钢，直角自由切削，f=0.15mm/r，ap=3mm
   图2 b—V 关系曲线	图3 x—V 关系曲线

   
   
   图3 所示为切削试验中两种不同刀具(在不同润滑条件下)的切屑变形系数x随切削速度V的变化规律。很明显，与未涂层刀具相比，TiN 涂层刀具的切屑变形系数x值较小。这也表明，在切削过程中，由于TiN 化合物的减摩作用，TiN 涂层刀具的切屑变形程度较轻。
   
   
4. TiN涂层对刀—屑接触长度L_f的影响
   
   
   
   
   

   试验条件：C1涂层和未涂层刀具切削中碳钢，直角自由切削，f=0.15mm/r，ap=3mm

   图4 刀—屑接触长度

   
   
   TiN 薄膜与切屑间的减摩作用还导致了刀—屑接触长度L_f的缩短(如图4 所示)。刀—屑接触长度L_f的缩短使切削热不易被切屑带走，切削热易集中在刀尖(或刀刃)附近。红外热像仪测温试验也证实了这种现象。

3 切削温度与温度场分布

图5 切削温度测量原理示意图

4 TiN晶体结构及其热相变规律

1. 由电弧发生等离子体PVD法(C₁工艺)沉积的TiN 涂层试样结果分析：在室温时，TiN 薄膜为(11 1)、(2 2 0)双重择优取向晶体；当温度升至200℃时，TiN 晶体的(1 1 1)晶面衍射峰强度没有变化，而(2 2 0)晶面衍射峰强度增大，在低角度(2q左右)处出现宽波峰；温升至400℃时，TiN 晶体的(1 11)晶面衍射峰完全消失，而(2 2 0)晶面衍射峰强度不变，低角度处的宽波峰强度增大；温升至800℃时，TiN 晶体的衍射峰完全消失，而低角度处的宽波峰强度亦越来越弱。
   
   由金属学理论可知，由C₁工艺沉积的TiN 晶体属有序固溶体结构。由高温X射线衍射理论可知，有序固溶体TiN 的有序度转变临界温度低于600℃，因而这种晶体结构的TiN 高温特性较差。在室温时，TiN 晶体结构属长程有序固溶体结构，随着温度的升高，TiN 晶体的长程有序度逐渐降低，并转变为短程有序固溶体。在400℃时，TiN 的(1 1 1)晶面衍射峰消失，600℃时，其长程有序度为零，即转变为完全无序。当长程有序度逐渐下降时，对低角度处出现的宽波峰可认为是TiN 薄膜由晶体逐渐转变为非晶体物质。切削磨损试验表明，这种非晶态物质的耐磨性较差，因而这种有序固溶体结构的TiN 涂层薄膜的耐磨性并不理想。
   
   
2. 用等离子枪发射电子束离子镀(C₂工艺)沉积的TiN 涂层试样的高温衍射试验结果分析：室温时，TiN 晶体具有明显的(1 1 1)晶面择优取向，随着温度升高，涂层表面原子热振动加剧，600℃时TiN 表面脱N 而形成Ti₂N + N；当温度达到960℃时，Ti₂N 再次脱N 而形成Ti + N；TiN 的始氧化温度为800℃，氧化物为TiO(R)，g-FeTiO₂，e- FeTiO 和TiO 等。
   
   上述试验结果及其分析表明，用C₂工艺沉积的TiN 晶体是间隙相化合物，其晶体结构比较稳定。切削试验表明，具有间隙相晶体结构的TiN 涂层刀具的耐热性、耐磨性均优于有序固溶体结构的TiN涂层刀具。间隙相化合物TiN 的晶体结构稳定，高温特性优良，有利于提高TiN 涂层高速钢刀具的工作寿命。

5 结论

1. 由于TiN 化合物的减摩作用，用TiN 涂层高速钢刀具进行切削时，其切削变形和切削摩擦较缓和，产生的切削热较少，因而切削温度较低。
   
2. TiN 涂层刀具的刀一屑接触长度较短，TiN 化合物的导热系数较小，因而切削热易集中在刀尖(或刀刃)处。为了改善TiN 涂层刀具的散热条件，应适当加大刀尖圆弧半径r_e及刃口钝圆半径r_n。
   
3. TiN 涂层刀具的热学特性与沉积工艺密切相关，同时与TiN 晶体的结构类型密切相关。用电弧发生等离子体PVD法(C₁工艺)沉积的TiN 薄膜具有有序固溶体晶体结构，其耐热性、耐磨性均较差；而用等离子枪发射电子束离子镀(C₂工艺)沉积的TiN 涂层为间隙化合物结构，具有稳定的晶体结构，具有较好的耐热、耐磨性能。