分析比较了金属陶瓷材料的性能特点，介绍了超细颗粒金属陶瓷、涂层金属陶瓷、超韧金属陶瓷等新型金属陶瓷刀具材料的切削性能和应用范围。
1 引言
金属陶瓷，又称钛基硬质合金(有人称之为“瓷金”、“淘金”等。)，具有优异的力学性能和高温性能。顾名思义，金属陶瓷既有陶瓷的高硬度，又有金属的强韧性，而且价格相对较低。然而，长期以来，金属陶瓷作为刀具材料的应用远不如其他同类硬质合金广泛。近年来，金属陶瓷刀具材料的开发和应用越来越受到重视，应用范围不断扩大。
2 金属陶瓷性能的分析比较
金属陶瓷和其他常用烧结材料3354硬质合金和陶瓷的主要化学成分、高温性能和其他机械物理性能分别见表1 ~表3。表1材料、主要成分、添加剂、粘结剂、金属陶瓷TiC、TiNWC、Mo2C、TaC、NbCCo、Ni等硬质合金化学成分对比WCTiC、TaCCo陶瓷Al2O3TiC、ZrO2-Si3N4Al2O3、 SiC-表2材料类型高温性能对比室温硬度[HV]高温硬度[HV]抗氧化性[1000/30h mg/mm2]金属陶瓷16509501.7硬质合金160075093.8(8h后)表3其他机械物理性能对比性能参数对刀具的影响金属陶瓷硬质合金TiCTiNWCAl2O3硬度[GPa]侧面磨损31.423.520.623.5表面自由能[KJ/mol 653k]韧性0.44-01.48杨氏模量[GPa]韧性315251706374热导率[WM K]热裂纹2129129热膨胀[10/K]热裂纹7.49.45.26.7金属陶瓷与硬质合金的显微组织对比如图1所示，金属陶瓷的晶粒结构如图2所示。 从图中可以看出，金属陶瓷具有独特的芯-边缘微观结构。(a)金属陶瓷(b)硬质合金图2金属陶瓷的晶粒结构示意图图1金属陶瓷和硬质合金的显微组织对比从表2可以看出，金属陶瓷的高温性能明显优于硬质合金。从表3可以看出，金属陶瓷的前三项性能指标优于硬质合金，后四项性能指标劣于硬质合金。因此，与硬质合金相比，金属陶瓷具有以下性能特点。而高硬度刀具后刀面在高温下的摩擦磨损主要是由刀具与工件之间的相对运动引起的，这与刀具的硬度和高温硬度有直接关系。金属陶瓷刀片硬度高，红硬性好，因此其刀面耐磨性较好。高硬度也是提高刀具前刀面耐磨性的重要因素。高温下表面自由能低材料的表面自由能与其焓值、表面张力等有关。它是表征材料表面性质的基本指标，也可以表征材料表面在高温下的化学稳定性。材料的表面自由能负值越大，其化学性质越稳定。表面自由能DG值的计算公式为DG=nuwdEdr2l0dr其中：E——原子间势能l0——稳定成键状态下的原子间距nu——材料切削钢材时需要以单位面积成键原子数r——打破原子间的距离，刀具前刀面磨损的主要形式为月牙形磨损，磨损率与刀具材料在高温下的化学稳定性有关，刀具材料熔化成铁。由于金属陶瓷的表面自由能、在铁中的固溶度和材料间的扩散反应都低于硬质合金，因此金属陶瓷刀具前刀面抗月牙磨损的能力优于硬质合金刀具。表面自由能(DG负值)越低，材料的化学稳定性越好，抗氧化能力越强。刀具边界磨损主要发生在切削深度边界与空气的接触处，由于氧化严重，容易发生沟槽磨损。陶瓷的抗氧化性明显优于硬质合金。图3显示了由差异引起的加工表面质量的差异
从图中可以看出，金属陶瓷刀具边界磨损小，表面质量好；硬质合金刀具边界磨损大，表面质量差。(a)P10硬质合金刀具加工面(b)NX33金属陶瓷刀具加工面图3刀具边界磨损和加工面质量对比。著名摩擦学家Rabino-Wicz研究了材料表面自由能与影响摩擦磨损的主要因素：3354物体间的粘附和融合之间的关系。得到了一个简单的基本关系式Wab=C(ra rb)，其中Wab——a与B，rb——之间的界面自由能ra分别是物体A和B与大气之间的表面能C——系数。1C0与两种材料之间的界面自由能负值越大，材料的亲和力越低，它们相互粘附和融合的可能性越小。在实际加工中，金属陶瓷刀片在不同切削速度下不易与切屑粘连融合，抗摩擦磨损能力比硬质合金刀片强。韧性不足，导热性差。目前金属陶瓷材料的主要性能缺陷有：韧性不足，抗机械冲击能力差。因此，金属陶瓷刀片不适合断续切削、切削硬质材料和切削黑皮、冷硬层的工件。导热性差。因此，金属陶瓷刀片耐热应力变化能力差，容易产生热裂纹，不适合湿法切削。
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：①可适应从低速到高速的切削加工；②使用寿命较长；③加工表面质量较高；④价格较为低廉；⑤可解决钨资源匮乏的问题。3 几种新型金属陶瓷刀具材料
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，其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。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。- 超细微粒金属陶瓷 图4为日本三菱综合材料公司开发的NX2525牌号超细微粒金属陶瓷与普通金属陶瓷微观组织结构的比较。由图可见，NX2525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。NX2525超细微粒金属陶瓷的硬度达92.2HRA，抗弯强度达2.0GPa，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。(a)NX2525超细微粒金属陶瓷(b)普通金属陶瓷图5 NX1010与NX2525的硬度比较图4 超细微粒金属陶瓷与普通金属陶瓷的微观组织比较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92.7HRA)，但抗弯强度较低(1.8GPa)。NX1010适用于高速连续车削，刀具寿命长，加工表面质量好。图5为NX1010与NX2525的硬度比较。 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<91.44m/min)、小进给(f<0.1mm/齿)、小切深(d<0.51mm)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(涂层可能因切屑熔附后受力而随之脱落)。在干式切削条件下，尤其在低速切削(v<91.44m/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(甚至部分涂层硬质合金)刀片更好的加工表面质量。例如，分别采用NX2525金属陶瓷和CVD复合涂层(TiCN+Al2O3+TiCN)硬质合金刀片车削低碳钢零件时(切削条件：v=90～170m/min，fn=0.2mm/r，ap=2.0mm，湿式切削，刀片型式DNMG150408)，CVD涂层刀片连续车削80个零件后因切屑熔附损伤而无法继续使用；NX2525刀片则可连续切削160个零件。用这两种刀具分别切削45钢零件时(v=200m/min，fn=0.3mm/r，ap=1.5mm，干式切削)，CVD涂层刀片切削4分钟后，工件表面最大粗糙度Rmax=8.1µm，主后刀面磨损高度VB=0.11mm；而采用NX2525刀片切削相同时间后，工件表面最大粗糙度Rmax=7.1µm，主后刀面磨损高度VB=0.035mm。涂层金属陶瓷 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，至1990年工业发达国家使用的涂层刀片约占全部刀片的40%左右，到1995年这一比例已接近50%。涂层金属陶瓷刀片虽然迟至1990年才问世，但近几年发展迅速。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(91.2HRA)、韧性较好的NK335金属陶瓷基体上沉积硬度较高(3000HV)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(92.2HRA)、组织细密的NX2525金属陶瓷基体上沉积硬度较低(2400HV)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。AP25N的金相组织如图6所示。图6 AP25N的金相组织图7 金属陶瓷、涂层金属陶瓷刀片的V—T关系图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。图7为几种金属陶瓷和涂层金属陶瓷刀片切削42CrMo4材料(220HB)时的v(切削速度)—T(耐用度)关系曲线。切削条件为：v=200m/min，ap=0.5mm，fr=0.2mm/齿，湿式切削，刀片型式CNMG120408，寿命标准VB=0.2mm。由图可知，当切削速度v=150m/min时，UP35N与AP25N的耐用度大致相同，但当切削速度提高到v=350m/min时，UP35N的寿命则较AP25N下降很多。
○——能切削× ——损伤
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。表4为用两种超细微粒金属陶瓷刀片(NX1010，NX2525)和两种涂层金属陶瓷刀片(AP25N，UP35N)断续切削42CrMo4材料(220HB)带槽轴杆时的情况。切削条件为：v=200m/min，ap=1.5mm，fr=0.14，0.16，0.18，0.20mm/r，干式切削，刀片型式CNMG120408。 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。用于铣削加工的超韧金属陶瓷 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。2000年后，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的微观组织及应用范围如图8所示。图8 NX4545的微观组织及应用范围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。