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金屬陶瓷用于切削刀具始于上世紀(jì)20年代對(duì)TiC化合物的試驗(yàn)研究。上世紀(jì)50年代，TiC-Mo-Ni金屬陶瓷作為刀具材料用于鋼的高速精密切削。TiC基金屬陶瓷的一些優(yōu)異特性（如高硬度、低比重和高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性）使其有可能成為WC基硬質(zhì)合金的替代材料而倍受矚目。但在當(dāng)時(shí)，TiC基金屬陶瓷并沒有作為一種工業(yè)切削刀具材料被廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗m然具有與硬質(zhì)合金不相上下的高強(qiáng)度和高硬度，但其韌性比較差。
上世紀(jì)70年代，為了提高金屬陶瓷的韌性，改善其切削性能，人們進(jìn)行了大量研究，開發(fā)出了一種韌性很好的細(xì)顆粒TiC-TiN基金屬陶瓷。從那時(shí)以來，金屬陶瓷在刀具開發(fā)中的應(yīng)用日趨廣泛。
金屬陶瓷材料非常適合精密切削加工和近凈成形加工，其應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，并已成為一類基本的切削刀具材料。如今，這種材料在精密加工中顯示出優(yōu)異的切削性能。
WC是硬質(zhì)合金的主要成分，被認(rèn)為是一種具有戰(zhàn)略意義的原材料。隨著全球鎢價(jià)的急劇上漲，作為一種可部分替代硬質(zhì)合金的刀具材料，金屬陶瓷正受到越來越多的關(guān)注。
金屬陶瓷材料的特點(diǎn)
工業(yè)用金屬陶瓷材料具有復(fù)雜的化學(xué)成分。這種刀具材料是在TiC-TiN基體中加入作為結(jié)合劑的二次碳化物（如WC、Mo2C、TaC和Co-Ni）制成的。商品化的金屬陶瓷材料硬度很高，并具有可與硬質(zhì)合金媲美的強(qiáng)度和韌性。隨著金屬陶瓷性能的不斷改進(jìn)，它已成為一種很受歡迎的金屬切削刀具材料。
金屬陶瓷適用于各種鋼件和鑄鐵件的中等負(fù)荷加工、半精加工和精加工。當(dāng)切削深度（ap）在2.5mm以下、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量（fn）在0.25mm/r以下、每齒進(jìn)給量（fz）在0.20mm/齒以下時(shí)，金屬陶瓷刀具具有出色的切削性能。
金屬陶瓷可以切削加工各類鋼鐵材料（如碳素鋼、合金鋼、低碳鋼、鑄鋼、鑄鐵等），也適用于某些加工方法（如車削、銑削和端面銑削）。根據(jù)其材料性質(zhì)，金屬陶瓷非常適合高速切削，而不容易產(chǎn)生積屑瘤，這將確保用戶能獲得非常精確的加工結(jié)果。
用金屬陶瓷刀具切削時(shí)，為了獲得較好性能，用戶必須考慮以下要點(diǎn)：車削加工時(shí)，需要采用與切削量相適應(yīng)的斷屑臺(tái)；銑削或端銑加工時(shí)，選用適當(dāng)?shù)牡毒邘缀涡螤钪陵P(guān)重要。
與其他刀具材料相比，金屬陶瓷的較大優(yōu)勢(shì)在于其化學(xué)性能穩(wěn)定，在切削加工中，這種穩(wěn)定性可抑制刀具與工件之間的化學(xué)反應(yīng)。
金屬陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性使其能獲得很高的加工精度和良好的表面光潔度。當(dāng)用戶希望通過精加工或中等負(fù)荷加工完成其加工流程時(shí)，金屬陶瓷的穩(wěn)定性可確保高水平的加工質(zhì)量。在切削溫度高且加工精度至關(guān)重要的閥門加工或斷續(xù)內(nèi)孔加工中，金屬陶瓷刀具表現(xiàn)出色。
金屬陶瓷材料本身具有很好的耐熱性和耐磨性，因此，與能夠長(zhǎng)時(shí)間保持其物理形狀的硬質(zhì)合金刀具相比，金屬陶瓷刀具可以相對(duì)更容易地長(zhǎng)時(shí)間保持切削刃的鋒利性。與硬質(zhì)合金刀具相比，金屬陶瓷刀具切削出的工件表面更光滑。
迄今，金屬陶瓷已被廣泛用于加工各種鋼件，而近年來，它又成為精密切削鑄鐵和球墨鑄鐵的選擇刀具材料。加工鑄鐵時(shí)容易產(chǎn)生高頻振動(dòng)，而其副作用則是產(chǎn)生破裂狀切屑，因?yàn)楦哳l振動(dòng)會(huì)造成金屬陶瓷切削刃發(fā)生崩刃或破損。不過，如今的金屬陶瓷牌號(hào)都經(jīng)過增韌補(bǔ)強(qiáng)，其韌性和強(qiáng)度足以在加工鑄鐵時(shí)保持切削刃的穩(wěn)定性。
此外，無論是切削普通工件材料，還是加工各種合金鋼和硬度低于HRC45的淬硬鋼，金屬陶瓷都可以提供穩(wěn)定的刀具壽命和良好的表面光潔度。作為當(dāng)前切削加工的發(fā)展趨勢(shì)，經(jīng)濟(jì)可行性和高速切削變得越來越重要，而金屬陶瓷刀具在大約500m/min的切削速度下，其刀具壽命能力可提高15分鐘以上，且刀具壽命更均衡。
正確選擇金屬陶瓷刀具
切削加工時(shí)，用戶必須精心選擇適當(dāng)?shù)慕饘偬沾傻毒?，因?yàn)槠浼庸ぬ攸c(diǎn)與涂層硬質(zhì)合金大相徑庭。與涂層硬質(zhì)合金不同，金屬陶瓷并不適合粗加工。當(dāng)產(chǎn)生的切屑較大時(shí)，剪切作用和切削阻力會(huì)發(fā)生很大變化，這種連續(xù)沖擊會(huì)造成加工尺寸超差，并導(dǎo)致刀具破損。
此外，在大切深加工中，大切屑卷對(duì)刀具后面的沖擊會(huì)加劇刻劃磨損，從而損壞金屬陶瓷刀具。在切削難加工材料（如鎳基、鐵基和鈷基耐熱合金）時(shí)，更容易發(fā)生這種嚴(yán)重的刻劃磨損。因此，金屬陶瓷刀具不太適合切削難加工材料。由于這個(gè)原因，涂層硬質(zhì)合金刀具比金屬陶瓷刀具更適合用于切削難加工材料和粗加工。表1比較了車削碳鋼時(shí)硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金和金屬陶瓷的刀具壽命和切屑切除量?？梢钥闯?，由于高速切削的切屑切除量更大，因此具有更好的經(jīng)濟(jì)性。與CVD涂層硬質(zhì)合金刀具一樣，金屬陶瓷刀具也是一種經(jīng)濟(jì)性不錯(cuò)的高速切削刀具。
干切削和濕切削
隨著粗加工的切削速度和進(jìn)給率不斷提高，金屬陶瓷刀具適合采用干切削。使用冷卻液的濕切削容易產(chǎn)生熱裂紋，從而損壞金屬陶瓷刀具的切削刃。
與硬質(zhì)合金刀具相比，金屬陶瓷刀具在干切削中的高溫穩(wěn)定性和加工性能更勝一籌。一般來說，金屬陶瓷刀具用于濕切削時(shí)，需要采用較小的進(jìn)給率和切削深度，以避免加工溫度過高。不過，在刀具磨損速度很快的惡劣切削條件下，加工溫度會(huì)因?yàn)榍邢魅心p而急劇升高。在這種情況下，干切削有利于延遲熱裂紋的產(chǎn)生，從而獲得穩(wěn)定的加工性能。
加工溫度的高低首先取決于切削條件，此外，工件的熱導(dǎo)率、韌性和硬度對(duì)熱裂紋的產(chǎn)生也有影響。為了正確選擇金屬陶瓷刀具的切削條件，用戶必須了解所有可供選擇的加工方案。如果熱膨脹或熱變形對(duì)加工精度沒有明顯影響，則較好不要選擇濕切削。
在銑削加工中，刀具切入工件時(shí)溫度升高，切出工件空轉(zhuǎn)時(shí)溫度下降，這種溫度變化周而復(fù)始，對(duì)刀具形成熱沖擊。與硬質(zhì)合金刀具相比，金屬陶瓷刀具對(duì)熱沖擊的抵抗能力較差。如果采用濕切削，刀具切削刃被冷卻液快速冷卻，這是在與切削刃垂直的方向上產(chǎn)生熱裂紋，并導(dǎo)致刀具壽命縮短的主要原因。
近年來，涂層金屬陶瓷刀具的使用一直在增加。現(xiàn)在，采用TiAlN、TiN和AlCrN涂層的PVD涂層金屬陶瓷刀具已廣泛用于切削加工。TiN涂層有助于防止產(chǎn)生積屑瘤；而TiAlN涂層可以提高刀具的抗熱震性和耐磨性，從而延長(zhǎng)刀具壽命。
提高金屬陶瓷的韌性和耐磨性
在汽車和航空制造業(yè)，精密加工已成為一種發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)工件表面光潔度的要求也在不斷提高。金屬陶瓷刀具在這些行業(yè)的使用量正與日俱增。為了延長(zhǎng)金屬陶瓷刀具的壽命，關(guān)注的重點(diǎn)集中在如何提高其韌性和耐磨性。
對(duì)微細(xì)結(jié)構(gòu)金屬陶瓷（固溶體和高氮金屬陶瓷）的研究開發(fā)已經(jīng)取得了進(jìn)展。例如，韓國(guó)特固克公司開發(fā)的CT3000金屬陶瓷牌號(hào)可用于車削和銑削加工，其在車削加工中的切削性能和刀具壽命比傳統(tǒng)的金屬陶瓷牌號(hào)顯著提高。該牌號(hào)采用細(xì)晶粒TiCN粉料和經(jīng)過優(yōu)化的合金設(shè)計(jì)技術(shù)制備而成，具有優(yōu)異的合金性能和穩(wěn)定的顯微結(jié)構(gòu)。較高的氮含量有助于提高細(xì)晶粒顯微組織的均勻性，優(yōu)化了刀具切削性能。
為了使金屬陶瓷刀具兼具良好的韌性和耐磨性，有必要優(yōu)化其切削刃的表層和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為此，減少表層的鈷和氮化物結(jié)合劑含量有利于提高切削刃的硬度和耐磨性。另一方面，增加表層以下內(nèi)部結(jié)構(gòu)的結(jié)合劑含量可以提高韌性，從而延長(zhǎng)刀具壽命。
通過將合金技術(shù)和燒結(jié)技術(shù)應(yīng)用于PVD涂層金屬陶瓷的制備，可以優(yōu)化其表層和內(nèi)部的結(jié)合劑含量，形成表層結(jié)合劑含量低、內(nèi)部結(jié)合劑含量高的梯度功能結(jié)構(gòu)。
與傳統(tǒng)的金屬陶瓷刀具相比，梯度功能金屬陶瓷刀具的穩(wěn)定性顯著提高，刀具壽命也更長(zhǎng)。但與硬質(zhì)合金刀具相比，現(xiàn)有金屬陶瓷刀具的韌性和導(dǎo)熱性仍然略遜一籌，因此其使用范圍僅局限于斷續(xù)切削或熱沖擊條件下的切削加工。
