金属陶瓷材料异军突起 切削加工刀具挑战未来

肖永清

陶瓷刀具是现代金属切削加工中的一种新型材料刀具。它不仅能提高生产效率，加工普通刀片不能加工的超硬材料,而且是现有各类刀具的补充,是刀具家族中一支新生力量，在机械加工行业中占有十分重要的地位。由于我国机床工具行业对现代金属切削刀具与传统刀具的差别缺乏足够认识，长期以来重主机、轻工具，使我国工具技术发展和行业水平与现代制造业的要求相去甚远。在一般要求的车削加工中,硬质合金是各机械制造厂首选的刀具材料，但在某些精加工场合，传统硬合金刀具材料的耐磨性和刃口的锋利程度很难同时满足工件的小尺寸公差、高表面质量和高生产效率的要求，选用金属陶瓷刀具则是解决这一难题最直接和有效的方法，应当引起业内人士的关注。

1 金属陶瓷刀具的性能特点及功用

金属陶瓷又称为钛基硬质合金(亦称为“瓷金”、“陶金”等)，它具有优良的机械力学性能及高温性能，既具有陶瓷材料的高硬度，又具有金属材料的强韧性，而且价格相对较为低廉。但长期以来，金属陶瓷作为切削刀具材料的应用，远远不如其它同类硬质合金那样广泛。近年来，金属陶瓷刀具材料的开发与应用正在逐渐受到重视，其应用范围也在不断扩大。

由于金属陶瓷的高温性能明显优于硬质合金。与硬质合金比较，金属陶瓷具备以下性能特点：

刀具后刀面的摩擦磨损主要由刀具与工件间的相对运动引起，与刀具的硬度和高温硬度直接相关。金属陶瓷刀片硬度高，红硬性好，因此其后刀面耐磨性较好。高硬度也是提高刀具前刀面耐磨性的重要因素。

材料的表面自由能与其热焓值、表面张力等有关，是表征材料表面性能的基础指标，它也是表征材料表面在高温条件下的化学稳定性，材料表面自由能的负值越大，其化学性能越稳定。切削钢时，刀具前刀面磨损的主要形式为月牙洼磨损，磨损速度与刀具材料高温下的化学稳定性、刀具材料物质熔入铁中的固溶度等密切相关。由于金属陶瓷的表面自由能、熔入铁中固溶度和材质间的扩散反应均低于硬质合金，因此金属陶瓷刀具前刀面抗月牙洼磨损的能力也优于硬质合金刀具。材料表面自由能越低(G负值大)，化学稳定性越好，材料抗氧化能力也越强。刀具的边界磨损主要发生在切深边界与空气相接触处，该处因氧化剧烈易形成沟状磨损。金属陶瓷的抗氧化性能明显优于硬质合金。

陶瓷刀具在金属切削加工中，显示出以下优越性：可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料，如硬度达HRC65的各类淬硬钢和硬化铸铁，因而可免除对材料进行退火处理所消耗的电力以及对材料性能造成的损害，并可提高工件的硬度，延长机器设备的使用寿命;不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工;刀具耐用度比传统刀具提高几倍甚至几十倍，可减少加工中的换刀次数，保证被加工工件的高精度和表面质量;可进行高速切削或实现“以车代磨”、“以铣代磨”，切削效率比传统刀具提高3～10倍，达到节约工时、电力、机床数30%～70%或更高的效果。但目前金属陶瓷材料的主要性能缺陷也还表现在：韧性不足，抗机械冲击性能较差。因此金属陶瓷刀片不适合用于断续切削、硬材料切削和带黑皮冷硬层工件的切削;导热性差。因此金属陶瓷刀片的耐热应力变化能力差，易产生热裂纹，故不宜用于湿式切削和硬材料切削。通过与硬质合金刀具材料的比较分析可知，金属陶瓷刀具材料具有如下特点：可适应从低速到高速的切削加工；使用寿命较长；加工表面质量较高；价格较为低廉；可解决钨资源匮乏的问题。

陶瓷刀具是用特种陶瓷粉末材料，采用科学配方，通过特殊生产工艺，使用现代化设备生产制造出来的。其特点为高硬度、高强度、高红硬性、高耐磨性及优良的化学稳定性和低摩擦系数等，其切削加工效率为普通硬质合金的3～9倍。其普遍适用于机械加工中的车、铣、镗、刨等机床的粗、半精及精加工，更加适合于各类CNC数控车，铣床及加工中心等现代化机床的使用。高硬度陶瓷刀片的常温硬度值已超过了最好的硬质合金刀片硬度，而达到92.5～94 HRA，这就大大提高了切削能力和耐磨性。它可以加工硬度高达65HRC的各类淬硬钢和硬化铸铁，从而减少了退火工序，节省了电力。

优良的耐磨性不仅延长了刀具的切削寿命，而且还减少了加工中的换刀次数，从而降低了工人劳动强度，也提高了生产效率。高强度陶瓷刀片的抗弯强度，目前已可达到600～900 MPa，其抗压强度已超过了高速钢而接近普通硬质合金。高抗高温氧化性陶瓷刀片的耐热性和抗高温氧化性良好，即使在1 100～1 400 ℃切削高温时，仍能保持较高硬度、强度进行长时间切削。因此加工速度远远高于硬质合金刀具，实现高速切削。其切削速度可比硬质合金刀具提高3～10倍，因而能大幅度提高生产效率。

断裂韧性值是评价陶瓷刀片抗破损能力的重要指标之一，它与材料的组成、结构、工艺等因素有关。陶瓷刀片断裂韧性接近某些牌号的硬质合金刀片，因而具有良好的抗冲击能力。尤其在进行铣、刨、镗削及其他断续切削时，更能显示其优越性。高抗热震性陶瓷材料的抗热震性是指在承受急剧温度变化时，评价抗破损能力的重要指标。由于强度高，较低热膨胀系数而明显优于其他刀片，因而在高强度断续零件的毛坯加工方面，显示出独特的优越性。

金属陶瓷刀具适用于加工材质:各类淬硬钢(58～65 HRC);冷硬铸铁(80～90 HS);高锰钢;镍(Ni),铬(Cr)合金;各类铸铁(200～400 HB);各类非金属材料，石墨，陶瓷素坯，玻璃钢，耐火材料等。

与传统的硬质合金刀具相比较，金属陶瓷刀具在用于精加工时有两方面的优点特别突出：一是切削刃均匀磨损，切削刃有再磨锐效应；二是化学性能稳定性。在国外，金属陶瓷发展迅猛，应用比例在扩大，如日本金属陶瓷刀具已占可转位刀具的三分之一。

随着我国机床装备水平的不断发展和对工件加工的尺寸精度，表面粗糙度要求的不断提高，金属陶瓷在精细车削加工领域会越来越受到机械制造厂家的重视。尽管欧美、日韩、甚至台湾的刀具制造厂都推出了各自系列的金属陶瓷刀具产品，但我国相当一部分制造厂的车削精细细加工还是停留在传统硬质合金加工的水平。从目前以我国的情况来看，金属陶瓷刀具的应用主要有3方面问题需要解决：①能否胜任工件尺寸精度要求高，且大批量生产的要求。②是否适用工件表面质量要求高，但材料粘软的工件的精加工,如低碳钢，低合金钢，不锈钢的精加工。③对于有断续车削的精加工是否合适。

2 金属陶瓷刀具磨损的原因及对机床的要求

金属切削加工是工业生产中最基本、最广泛、最高水平，直接关系到机械加工效率、产品质量和制造工艺，直接影响工业生产效率及成本消耗。金属切削刀具作为切削加工的基础装备之一，其发展成本对机械制造技术的发展速度起着关键性的作用。随着新刀具材料如陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼、涂层硬质合金等的出现，金属切削及刀具技术作为现代制造技术的基础工艺及装备，也进入了以发展高速切削，开发新的切削工艺、加快刀具结构变革为特征的发展新阶段。

通常刀具的失效形式分为磨损和破损两类。有研究表明，金属陶瓷刀具切削加工时的磨损与所加工的工件材料和切削条件密切相关，在不同的切削条件下加工不同的工件材料时，占主导地位的磨损机制有所不同。从根本上看，决定金属陶瓷刀具磨损的主要原因是其力学性能和微观结构。陶瓷材料所固有的脆性是导致其磨损的主要原因。从材料的微观结构上看，金属陶瓷刀具磨损的基本现象是材料的断裂及转移。因此，裂纹的形成与扩展对金属陶瓷刀具的磨损会产生重要影响。由于金属陶瓷材料为复相结构，在晶界存在气孔和杂质等缺陷，并且各相之间存在热胀失配和弹性模量的差别。

晶界气孔的存在会导致应力集中，气孔作为裂纹源将诱导晶界裂纹，裂纹扩展至气孔时与气孔连接，其结果加速了裂纹的扩展。弹性模量与热胀失配产生的过大残余应力会导致材料在未受载荷时就产生开裂，气孔率的增加使金属陶瓷刀具的耐磨性能大大降低。

在常规材料中加入纳米粉体可制备出纳米复相陶瓷材料，同时可提高材料的强度和韧性。研制的纳米改性金属陶瓷刀具材料，是添加TiN的Ti(C,N)基金属陶瓷，其中TiN是纳米级的微粉。

纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具的基础成分主要有：TiC、TiN、WC、Ni、Co、Mo、C、TiC、TiN及WC是金属陶瓷刀具的硬质相，Ni为主要的粘结相，由于Co具有比Ni更高的韧性和硬度，与硬质相润湿好，能减少合金孔隙度，故以Co取代部分Ni可使金属陶瓷具有高硬度和高强度的良好匹配。而Mo能显著改善液态金属对硬质相的润湿性，烧结时能抑制碳化物相晶粒的长大，对烧结后金属陶瓷的性能影响也很大。所制备的金属陶瓷刀片主要有三角形和正方形，该刀片主要用于车削加工。纳米改性金属陶瓷刀具材料的力学性能介于WC基硬质合金和非金属陶瓷之间，其硬度比WC基硬质合金高，但比非金属陶瓷低；而其抗弯强度则要比WC基硬质合金低，高于非金属陶瓷。

铸铁材料为脆性材料，切屑为崩碎切屑，切削时冲击力大，切屑与前刀面的接触面积小，单位压力大，因此刀具易受冲击；切削速度比钢低，否则刀具会由于崩刃而不能使用。由不同刀具材料的磨损对比试验结果表明：在所选切削条件下，纳米改性金属陶瓷刀具的切削性能不如YG8刀具好。纳米改性金属陶瓷刀具切削灰铸铁时，使用寿命不如切钢时高，纳米改性金属陶瓷刀具的切削性能在切削铸铁时比YGS刀具材料切削性能要差，因此纳米改性金属陶瓷刀具材料在加工灰铸铁时优势不大。

由于纳米改性金属陶瓷刀具表现出较好的导热性能，因此这类刀具在加工不锈钢这类导热性差、韧性好的难加工工件材料时，也有很好的切削性能。在高速切削时表现出良好的切削性能，因此纳米改性Ti(C,N)基金属陶瓷刀具不失为一种理想的用于高速切削加工的刀具，而且随着此类刀具的强韧性不断提高，使用范围会不断扩大。在纳米改性金属陶瓷刀具的制备中，由于纳米粉的添加量占整个材料成分的比例较少, 因此刀具的成本提高不大，其性能价格比和未加纳米的金属陶瓷刀具相比则有较大提高。

陶瓷刀具材料对冲击和振动载荷比较敏感。新一代的陶瓷刀具材料虽然在耐冲击和抗振性方面有了很大进步，但是也未从根本上改变其弱点。实践证明，适于陶瓷刀具加工的机床必须具有良好的刚性、足够的功率和高的转数。从国内目前机床情况来看，中型机床在精、半精加工时这3方面都可基本满足要求。对淬硬钢或硬镍铸铁等难加工材料的加工，由于其选用的切削速度较低，即使采用陶瓷刀具来加工，其功率也是足够的。而在普通钢材或铸铁精加工时，往往这三方面都不容易满足。所以国外在汽车工业中都设计专用机床用陶瓷刀具加工汽车零件。重型机床的刚性好，有足够的转速及功率，只要使用得当，在重型工业的加工中，采用陶瓷刀具的成功率往往比较高。另外，在分析机床刚性时，一定要注意的是机床-工件-刀具工艺系统刚性，而不是孤立的一台机床的刚性。例如：必须要考虑工件的刚性、夹具的刚性、顶尖刚性及刀具刚性、刀具中心高是否与加工工件中心一致等。任何环节的刚性不足和操作不当，都将大幅度地降低陶瓷刀具的切削性能和效率。使用陶瓷刀具的机床，即使一时不太理想时，也必须对原有机床进行认真检修，使之符合一定质量标准才使用，切忌使用那些年久失修，快散架的机床。

对于那些硬度高而形状不规则的毛坯，应注意必须先倒角后再用陶瓷刀具切削(倒角可用硬质合金刀具在低速下进行)。毛坯切入处的倒角，可避免陶瓷刀具刚接触工作时，承受过大的冲击载荷(一般倒角的角度最好略小于刀具的主偏角)，造成初始损坏。毛坯切出处的倒角，主要是为避免陶瓷刀具切离零件时被留下的一圈料边打坏。要知道高速转动的高硬毛坯的任何一点毛边，都有可能打坏陶瓷刀具，而从已车圆了的毛坯开始切削，却可以长期稳定地切削，所以千万不要忽略了倒角这一“小”问题。

陶瓷刀片的厚度、刀尖圆弧、半径、刀尖的角度是影响刀具强度的因素。刀片的厚度越小，强度越低；刀尖圆弧半径越大，强度越好；刀尖的角度越小，强度越低。原则上粗车时选用厚度大，刀尖圆弧半径大，刀尖角度大。反之选用小厚度、小半径、小角度来精加工。

在切削过程中，判定刀具切削性能的优劣，往往从刀具切削部分的材料、几何形状和刀具结构方面进行分析，而刀具材料的分析则以传统的硬质合金为主要研究对象。随着现代工业技术的不断发展，传统的硬质合金刀具很难胜任或根本无法实现对某些高强度、高硬度材料的加工，而陶瓷刀具由于具有很好的耐磨性、红硬性，适干加工高硬材料。即使在1 200～1 350 ℃的高温下仍能继续切削，且与金属亲和力小，切屑不易粘刀，不易产生积屑瘤，加工表面粗糙度值小。它还可以进行高速切削，减少换刀次数和由于刀具磨损而引起的尺寸误差，大大提高生产率和产品质量，因而受到人们的重视。根据国外有关资料报道，陶瓷刀具在工业发达国家的发展应用非常快，有的已达到刀具总构成比的10%以上。美国用热压陶瓷刀具加工冷硬铸铁(HRC66)和高温合金时，采用的切削用量很高，大大提高了生产率。我国虽然在陶瓷刀具研究水平上不比外国差，但实际应用发展较慢，在精密加工中应用更少。陶瓷刀具有许多优点，虽然所适应的加工材料及切削速度范围要比一般硬质合金刀具大得多。但是，随着被切削零件情况的变化，其切削性能也会出现较大的变化，因此，必须针对所切削零件的材料特性及结构情况来优选最佳的陶瓷刀片型号。陶瓷刀具是以地壳中最丰富的元素硅(Si)等为原料，陶瓷刀具具有广阔的应用前景。

3 金属陶瓷刀的发展是切削加工领域的又一次革命

陶瓷材料是21世纪最有希望、最有竞争力的刀具材料，它的发展将有可能引起切削加工领域的又一次革命。虽然人们在尝试过程中获得了一些经验，但还需要进一步试验拓宽加工材料的品种，只有掌握好陶瓷刀具的性能，才能更好地应用于高温合金的加工。

在航空发动机制造行业，材料性能不断提升，难加工材料(高温合金)的数控加工技术已经成为行业内普遍关注的问题。陶瓷刀具材料具有硬度高、耐磨性能和耐热性能好、化学稳定性优良、不易与金属产生粘结的特点，已成为高速切削高温合金的主要刀具材料之一。而且陶瓷刀具的最佳切削速度比硬质合金刀具高8～10倍，能够大幅度提高切削效率。当前，新型陶瓷刀具不断出现，有专家预计，在世界范围内陶瓷刀具在机械加工刀具中所占比例将达15%～20%。它的发展将可能引起切削加工领域的又一次革命。

高温合金(主要指镍基或钴基合金)在高温下具有优良的稳定性和防蠕变性，常温下硬度高(可达hrc35～47)，韧性很好。但与普通钢件相比，其机械加工性能较差，切削过程需要消耗更多的能量。

21世纪初，我国大量购进数控设备，逐步淘汰了普通机床，可转位硬质合金刀具逐步取代了传统的焊接刀具，生产效率得到前所未有的提高。近10年来，应用硬质合金刀具加工钛基、镍基和钴基高温合金得到广泛普及，硬质合金材料在低于600 ℃的工作温度下所表现出来的高硬度及高韧性使之成为切削高温合金及钛合金非常理想的的刀具。但硬质合金刀具有一个致命的弱点，其熔点约为1 200 ℃，当切削区温度高于800 ℃时，刀刃的强度和硬度会大幅下降，磨损加剧，甚至难以完成正常切削。因此，应用硬质合金刀具切削高温合金材料时,为避免切削区温度过高,线速度只能维持在40 m/min左右。对加工余量较大的零件，由于缓慢的切削速度，金属去除率很低，占机时间很长，生产成本大大增加，这使得现代数控机床的潜力远远没有发挥出来。随着新型发动机性能不断提高，新材料不断涌现，硬质合金刀具已经很难适应。因此，寻找一种更加理想的切削刀具已成为当务之急。

早在20年前，发达国家的航空发动机企业就开始采用陶瓷刀具加工高温合金材料。陶瓷材料最大特点就是熔点高，1 200 ℃时硬度不会下降很多，是一种非常理想的取代硬质合金刀具实现高速切削的材料。而在我国，由于种种原因，此类刀具的使用还未广泛普及。切削加工中的切屑成形是一种典型的大变形过程,涉及到材料非线性、几何非线性以及边界非线性问题,在高速切削过程中还涉及到热力藕合问题。

应用陶瓷刀具实现高速切削的核心，就是要充分利用陶瓷材料的高温特性，提高切削速度，使切削热量不断聚积，切削区温度升高，软化切屑，使切削变得很容易。尽管陶瓷材料与硬质合金材料相比，其韧性与耐磨性相差很多，但其高温稳定性是硬质合金刀具远达不到的。因此，提高线速度是增加切削区温度最有效的方法。理论上说，陶瓷刀具的切削速度和金属去除率应是硬质合金刀具的5～10倍甚至更多。

金属陶瓷材料在钢材切削中具有优异耐磨性、高韧性和良好的抗塑性变形能力，促进了金属陶瓷的发展。目前，在欧、美、日市场销售的金属陶瓷绝大部分均是以Ti(C,N)基为基础的金属陶瓷。瑞典山特维克公司开发的无镍金属陶瓷，它具有环保、耐冲击、耐磨和抗塑变特性，主要应用于软钢材、不锈钢和铸铁的精加工、超精车、高速小切深，实现高光洁度表面和严格尺寸公差。目前，作为功能材料的金属陶瓷发展主要集中3方面：①超细晶粒和纳米级金属陶瓷。由于超细晶粒和纳米级金属陶瓷比常规金属陶瓷具有更高的强韧性、硬度、耐磨性等综合性能，因此受到了世界各工业大国的广泛关注。金属陶瓷材料在作为刀具材料的发展方面还包括了金属陶瓷与表面涂层相结合的开发和应用。②梯度金属陶瓷的应用开发。由于一些金属陶瓷制品在使用时，不同工作部位往往有不同的性能要求，若采用现有的耐热金属、陶瓷或金属陶瓷等单一材料都难以满足这种工作条件，而采用陶瓷金属层状结构又会引起界面处的热应力集中，这就需要开发热应力缓释型金属陶瓷，即梯度金属陶瓷，它是一种由于组织连续变化引起性能缓变得功能复合材料。这种材料可用作航天飞机的热防护材料、核反应堆的内壁材料、汽车发动机的燃烧室材料和梯度刀片材料等。③精加工是决定机加工零件质量的最终工序，有时甚至是唯一工序。对精加工来说，刀具的加工精度和耐磨性才是重要的。因此，粗加工，甚至半精加工在某种程度上可以说是把金属去除率和机床怠工时间作为主要影响加工经济性的因素。然而，精加工更关注加工质量的稳定性，用传统的、基于刀具使用寿命和金属去除率方法来计算加工经济性的话，并不能完全反映真实状况。

切削刃的可靠性和刀具寿命的可预见性是精加工需要考虑的关健因素，尤其是在大规模和大批量的生产中，工件的最终尺寸和表面质量在数控机床高速切削的状态下实现，切削过程中无法人为控制。其它要考虑的因素包括加工系统的稳定性、机床刀夹具的状态、工件的加工状态及数控程序的编程方式。是否使用快换的模块式刀具也是缩短机床怠机时间的重要因素之一。

切削速度也是影响精加工经济性的重要因素之一，提高粗加工工序的经济性意味着有更高的金属去除率和用更高的切削速度。对于精加工工序来说，其对工件精确度的要求限制了加工的进给量。精加工的加工余量相对较少，因而金属去除率并非需要考虑的决定性因素，背吃刀量对表面粗糙度的影响并不明显。一个工序的切削时间等于工件的切削长度除以进给和转速，切削速度又与主轴转速成比例，如果车床的主轴转速可调的话，可以通过提高切削速度来减少加工切削时间。因而提高精加工工序生产率的主要方式就是通过调整切削速度。

材料的加工性能影响车削精加工刀具性能的最主要因素为工件材料、工件表面状况和工件的形状。随着锻造技术，铸造技术和粉末冶金技术的发展，相应地，对应用于精加工工序的刃口的要求也不断地提高。

低碳钢尽管硬度低，延展性好，但却有粘刀的趋势，断屑困难，所以低碳钢的切削性能并不好。积屑瘤会影响到刀具的使用寿命和工件的表面质量。含碳量增加可以改善材料的切削性能，但同时又加剧了磨粒磨损的程度。合金钢通常比碳钢的强度要好，尽管容易加工，但对切削刃的韧性有更高的要求。各种合金元素和不同的热处理工艺使得合金材料的结构和硬度都不一样。不同灰铸铁的拉伸强度不一样，但通常被认为是容易加工的材料，加工时切削刃会有一定程度的磨粒磨损发生，但没有断屑的要求。

球墨铸铁强度更高，韧性也比灰铸铁好，属长铁屑类，对加工的要求也更高。对于铸铁的加工来说，要求切削刃有很好的红硬性和化学稳定性。切削刃主要的磨损形式为磨粒磨损、粘结磨损和扩散磨损。需要注意的是，因金属陶瓷刀具的抗弯强度和抗疲劳强度较低，在切削冷硬铸铁时切削力和切削力波动较大，因此刀具寿命较低且多以崩刃、微崩的形式失效。

金属陶瓷刀具由于具有硬度高、耐磨性好、高温力学性能优良和不易与金属发生粘结等特性，广泛应用于难加工材料的切削加工中，并可用于超高速切削、高速干切削和硬材料切削。在TiC基金属陶瓷刀具中添加纳米TiN颗粒，强度、韧性和硬度等性能都有一定提高。由于纳米改性金属陶瓷刀具在切削加工过程中承受着高温和高压的作用和其力学性能的限制，不可避免地都要有不同程度的磨损。

4 新型金属陶瓷材料刀具推动现代切削加工技术的快速发展

陶瓷刀具材料随着其组成结构和压制工艺的不断改进，特别是纳米技术的进展，使得陶瓷刀具的增韧成为可能。在不久的将来，陶瓷可能继高速钢、硬质合金以后会引起切削加工的第3次革命。因陶瓷刀具有高硬度(HRA91-95)、高强度(抗弯强度为750～1 000 MPa)、耐磨性好、化学稳定性好、抗粘结性能良好、摩擦系数低且价格低廉等优点。不仅如此，陶瓷刀具还具有很高的高温硬度，1 200 ℃时硬度达到HRA80。

正常切削时，陶瓷刀具耐用度极高，切削速度可比硬质合金提高2～5倍，特别适合高硬度材料加工、精加工以及高速加工，可切削硬度达HRC65的各类淬硬钢和硬化铸铁等。常用的有：氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金属陶瓷和晶须增韧陶瓷。氧化铝基陶瓷刀具比硬质合金有更高的红硬性，高速切削状态下切削刃一般不会产生塑性变形，但它的强度和韧性很低，为改善其韧性，提高耐冲击性能，通常可加入ZrO或TiC和TiN的混合物；另一种方法是加入纯金属或碳化硅晶须。氮化硅基陶瓷除红硬性高以外，还具有良好的韧性，与氧化铝基陶瓷相比，它的缺点是在加工钢时易产生高温扩散，加剧刀具磨损，氮化硅基陶瓷主要应用于断续车削灰铸铁及铣削灰铸铁。金属陶瓷是一种以碳化物为基体材料，其中TiC为主要的硬质相(0.5～2 μm)，它们通过Co或Ti粘结剂结合起来，是一种与硬质合金相似的刀具，但它具有较低的亲和性、良好的摩擦性及较好的耐磨性。它比常规硬质合金能承受更高的切削温度，但缺乏硬质合金的耐冲击性，强力切削时的韧性以及低速大进给时的强度。近年通过大量的研究、改进和采用新的制作工艺，其抗弯强度和韧性均有了很大提高，如日本三菱金属公司开发的新型金属陶瓷NX2525及瑞典山德维克公司开发的金属陶瓷刀片新品CT系列和涂层金属陶瓷刀片系列，其晶粒组织的直径细小至1 μm以下，抗弯强度和耐磨性均远高于普通的金属陶瓷，大大拓宽了应用范围。金属陶瓷材料早在20世纪60年代就已被美国福特汽车公司使用，之后各国不断在材料成分、组织结构、结合剂等方面对其进行改进。20世纪70～80年代通过在金属陶瓷中加入Ti、Mo、W、Ta等的氮化物和碳化物，使材料韧性持续提高。进入90年代后，利用表面处理技术开发了硬表面金属陶瓷和带涂层金属陶瓷，并进一步开发出了超细微粒金属陶瓷和超韧金属陶瓷。随着金属陶瓷材料性能的不断改善，其应用范围也在日渐广泛。下面介绍几种新型金属陶瓷刀具材料及其在切削加工中的应用。

日本三菱综合材料公司开发的NX2525牌号超细微粒金属陶瓷的组织中，弥散分布着大量微小硬质点，这使它具有优异的抗脆性损伤能力。此外，由于NX2525中结合剂含量较少，故其耐磨性高于P10硬质合金，硬度达92.2 HRA，抗弯强度达2.0 GPa，兼具高硬度和高韧性；它既可用于低速切削也可在较高速度下切削，既可用于车削也可用于铣削，具有很好的通用性，是金属陶瓷刀具材料的首选品种。

三菱公司开发的另一种超细微粒金属陶瓷牌号为NX1010，与NX2525相比，它的硬度更高(达92.7 HRA)，但抗弯强度较低(1.8 GPa)。NX1010适用于高速连续车削，刀具寿命长，加工表面质量好。除三菱公司外，其它公司也开发了许多性能优良的新牌号金属陶瓷产品，如山特维克公司的CT5015、CT525，肯纳公司的KT125、KT175，威迪亚公司的TT105、TT115，东芝公司的NS520、NS530，京瓷公司的PV30、PV60等。

与硬质合金刀片相比，新牌号金属陶瓷刀片的切削性能进一步改善，除重载切削、断续切削外，金属陶瓷刀片在加工中损伤较小，寿命较长。在低速(v<91.44 m/min)、小进给(f<0.1 mm/齿)、小切深(d<0.51 mm)的切削条件下，金属陶瓷刀片的寿命可比涂层硬质合金刀片更长。在干式切削条件下，尤其在低速切削(v<91.44 m/min)以及切削低碳钢(HB<180)时，由于金属陶瓷抗粘附、熔附能力强，因此可获得比硬质合金刀片更好的加工表面质量。

CVD涂层硬质合金刀片在20世纪70年代投入使用，80年代得到迅速发展，目前市场销售的涂层金属陶瓷刀片几乎全部采用PVD工艺沉积。以日本三菱公司产品为例，最常用的涂层金属陶瓷牌号为UP35N和AP25N。UP35N是在硬度较低(91.2 HRA)、韧性较好的NK335金属陶瓷基体上沉积硬度较高(3 000 HV)的复合钛化物，它在中、低速切削范围内可充分发挥耐磨损和抗缺损的综合性能。AP25N是在硬度较高(92.2 HRA)、组织细密的NX2525金属陶瓷基体上沉积硬度较低(2 400 HV)的TiAlN基复合化合物，由于其热传导率、抗热冲击性能极高，因此既可作为车削刀具材料，又可用于铣削加工，在高速切削时可获得较高的使用寿命。

涂层金属陶瓷刀片与金属陶瓷刀片一样，均适用于半精加工和精加工，但涂层金属陶瓷刀片的耐磨损、抗缺损性能更好，寿命更长，可适应更高的切削速度。涂层金属陶瓷刀片用于断续切削时，其抗热冲击性、抗脆性损伤性能等均优于金属陶瓷刀片，其寿命约高出2倍。这是由于用PVD法沉积涂层时工艺温度较低，对基体损伤小，能充分发挥基体与涂层各自的功能特性。此外，刀片表面形成的残余压应力也对提高切削性能有利。与CVD涂层硬质合金刀片相比，涂层金属陶瓷刀片具有更强的抗粘附、熔附能力，因此可获得更高的加工表面质量。虽然采用CVD法已可在硬质合金基体沉积出TiN-Al2O3-TiCN柱状结晶三层厚膜涂层，但在切深较小的精加工中和加工低碳钢等较软材料时，这些涂层却难以充分发挥各自作用，加工表面质量并不理想。此时若改用涂层金属陶瓷或金属陶瓷刀片，则有望明显提高加工表面质量。

NX2525超细微粒金属陶瓷除主要用于连续、断续车削和镗削外，也可用于铣削，但一般情况下只限于铣削加工硬度较低的钢和铸铁。日本三菱公司开发了专门用于铣削加工的NX4545金属陶瓷刀片。类似的金属陶瓷铣刀片产品还包括山特维克公司的CT530、肯纳公司的KT175等。此类刀片不仅可用于铣削低碳钢，而且可铣削带黑皮硬钢、模具钢、不锈钢等。NX4545刀片的结合相采用了特殊合金，提高了刀片韧性，由于基体中含有高硬度钛化物硬质相，故耐磨性很好。NX4545的适用范围较广，可用于仿形铣、掘入铣、铣槽、铣台肩面等多种加工场合。在所有使用硬质合金刀片的生产线上几乎都可使用NX4545刀片，如按硬质合金刀片的切削条件加工，刀片寿命可提高3倍以上；如按金属陶瓷刀片的高效切削条件加工，工时可大为缩短。NX4545刀片大多为无断屑槽平顶型，铣削加工时不宜加润滑冷却液。

目前金属陶瓷在刀具材料中所占份额在工业发达国家约为1/5～1/4，在日本已达25%。在国际工具市场上，除金属陶瓷车刀片、铣刀片外，用金属陶瓷制造的钻头、铰刀、齿轮滚刀等复杂刀具产品也相继问世，其工作寿命、加工效率比粉末高速钢刀具提高数倍。有专家预测，未来金属陶瓷刀片的需求量将占可转位刀片总量的50%，并将成为铣削钢材的首选材料。我国已可生产YN05、YN10、TN05、TN10、TN20等多种牌号的金属陶瓷刀片。随着金属陶瓷材料性能的进一步改进及工业化应用的不断推广，必将有力推动现代切削加工技术的快速发展。

陶瓷刀具有非常高的耐磨性，它比硬质合金有更好的化学稳定性，可在高速条件下切削加工并待续较长的时间，比用硬质合金刀具平均提高效率3～10倍。新型陶瓷刀具对切削加工朝着高速、高效、高精度方向发展将产生很大推动，其推广应用将给金属切削加工工艺带来变革，改变传统的刀具材料和切削技术，节省工时、电力、机床占用台数和生产面积30%～70%，节省战略性贵重金属，从而带来巨大的经济效益。现代机械加工技术的发展对切削刀具材料提出了越来越高的要求，尤其金属陶瓷作为一种硬度高、耐磨性好、韧性不断改善、可适应干式切削的新型刀具材料，并对控制环境污染和降低制造成本有着广阔的应用前景。