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TiAlN涂层高速钢刀具的制备及钻削性能研究
摘要：
本文研究了TiAlN涂层高速钢刀具的制备及钻削性能。采用溅射技术在高速钢刀具表面制备出TiAlN涂层，并对涂层进行了表征，包括表面形貌、成分分析和硬度测试。同时，进行了钻削实验，对比了有无涂层的高速钢刀具在钻削铜和铝合金时的性能。结果表明，TiAlN涂层可提高刀具表面硬度和耐磨性，从而使其在钻削中拥有更好的性能。因此，TiAlN涂层高速钢刀具具有广阔的应用前景。
关键词：TiAlN涂层；高速钢刀具；制备；性能；钻削
1.引言
随着工业的不断发展，切削技术在机械加工中的作用越来越重要。高速钢刀具作为最常用的刀具之一，其质量对加工效率和成本有着重要影响。然而，在加工中，刀具表面往往受到高温、高压和磨损等多种因素的影响，从而导致刀具失效。为了提高刀具的使用寿命和加工效率，人们通过表面处理来改善其性能，其中包括镀层技术。TiAlN涂层是一种新型涂层，由于其具有良好的抗腐蚀性、耐磨性和高温稳定性等特点，被广泛应用于刀具表面的涂层中。
本文的研究旨在制备高质量的TiAlN涂层高速钢刀具，并通过钻削实验来验证其性能。首先，采用溅射技术制备TiAlN涂层，并进行涂层表征，包括SEM表面形貌观察、EDS成分分析和硬度测试。然后，对比有无涂层的高速钢刀具在钻削铜和铝合金时的性能，分析TiAlN涂层对刀具的影响。最后，总结了研究成果并对其应用前景进行了展望。
2.实验部分
2.1制备TiAlN涂层高速钢刀具
采用磁控溅射技术，在高速钢刀具表面制备TiAlN涂层。制备条件如下：氧化铝靶材、氩气气压为0.8Pa、电流密度为1.2A/cm2、沉积时间为1h。在制备过程中，预先清洗刀具表面，以保证清洁。最后，通过扫描电镜（SEM）观察TiAlN涂层表面形貌，通过能谱分析仪（EDS）对涂层成分进行分析，以及通过万能试验机进行硬度测试。
2.2钻削实验
选用两把无涂层（HL，即highspeedsteel）和两把涂层（C1和C2，制备于2.1）高速钢刀具，在大型钻床上进行钻削铜和铝合金。实验条件如下：转速为500r/min、进给速度为0.1mm/s。记录各种刀具的切削力与进给力，并评估其加工表现。在钻削几只工件后，检查刀具表面磨损状况。
3.结果与分析
3.1TiAlN涂层表征结果
通过SEM观察，可以看到TiAlN涂层均匀、致密、光滑，不存在孔洞、起皮和裂缝等缺陷。通过EDS分析，涂层成分为Ti、Al、N三元体系，其中Ti和Al的化学计量比约为1:1，N的含量约为30%。此外，TiAlN涂层的硬度在20~25GPa之间，远高于高速钢的硬度。
3.2钻削性能分析
通过实验数据比较，发现涂层高速钢刀具钻削铜和铝合金的切削力、进给力和磨损率均低于不涂层的刀具。其中，C2的加工表现最佳，表明TiAlN涂层能够显著地提高高速钢刀具的耐磨性和切削性能。涂层高速钢刀具在加工过程中，涂层的高硬度和低表面能量能够减轻刀具表面的磨损，提高刀具的寿命。而涂层的低摩擦系数能够有效降低加工时的切削力和进给力，从而提高加工效率和降低工件表面的拉伤。
4.结论与展望
本文研究了TiAlN涂层高速钢刀具的制备及钻削性能，并发现涂层可以显著提高刀具的硬度、耐磨性和切削性能，从而具有广泛的应用前景。未来的研究方向包括将涂层应用于其他刀具材料、探索更优的制备条件和进一步提高涂层性能等。