摘要：分析比较了金属陶瓷材料的性能特点，介绍了超细微粒金属陶瓷、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及适用范围。
1 引言金属陶瓷（cermet）又称为钛基硬质合金（亦有人称其为“瓷金”、“陶金”等），它具有优良的机械力学性能及高温性能，正如其名称所寓意的那样，既具有陶瓷（ceramics）材料的高硬度，又具有金属（metal）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逐渐受到重视，其应用范围也不断扩大。2 金属陶瓷性能的分析比较金属陶瓷与其它常用的烧结材料——硬质合金和陶瓷的主要化学成分、高温性能以及其它机械物理性能的比较分别见表1～表3。 表1 化学成分比较 材料种类 主要成分 添加物 结合剂
金属陶瓷 tic，tin wc，mo2c，tac，nbc co，ni等
硬质合金 wc tic，tac co
陶瓷 al2o3 tic，zro2 -
si3n4 al2o3，sic -
表2 高温性能比较 材料种类 室温硬度
[hv] 高温硬度
[hv] 抗氧化性
[1000℃/30h·mg/mm2]
金属陶瓷 1650 950 1.7
硬质合金 1600 750 93.8（8h后）
表3 其它机械物理性能比较 性能参数 对刀具的影响 金属陶瓷 硬质合金 陶瓷
tic tin wc al2o3
硬度[gpa] 后刀面磨损 31.4 23.5 20.6 23.5
表面自由能
[kj/mol，1273k] 月牙洼磨损 -147 -209 -42 -419
铁中固溶度
[mass%，1523k] 粘附，熔附 <0.5 - 7 0
co的湿润性
[rad，1653k] 韧性 0.44 - 0 >1.48
杨氏模量[gpa] 韧性 315 251 706 374
热传导性[wm·k] 热裂纹 21 29 121 29
热膨胀性[10/k] 热裂纹 7.4 9.4 5.2 6.7
金属陶瓷与硬质合金的显微组织结构比较如图1所示，金属陶瓷的晶粒结构如图2所示。由图可见，金属陶瓷具有*的有芯构造（core-rim）显微结构。
（a）金属陶瓷
（b）硬质合金
图2 金属陶瓷晶粒结构示意图
图1 金属陶瓷与硬质合金的显微组织结构比较
由表2可知，金属陶瓷的高温性能明显优于硬质合金。由表3可知，金属陶瓷的前三项性能指标优于硬质合金，而后四项性能指标劣于硬质合金。因此，与硬质合金比较，金属陶瓷具备以下性能特点。 硬度和高温硬度高 高温下的表面自由能低 韧性不足，导热性差 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，它也可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。表面自由能dg值的计算公式为 dg= nu ∫ w de dr
2 l0 dr
式中：e——原子间的势能 l0——稳定结合态下的原子间隔 nu——材料开裂时单位面积需破坏拉开的结合原子数 r——原子间的距离 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（dg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。图3所示为nx33金属陶瓷刀具和p10硬质合金刀具在相同加工条件下切削工件时因刀具边界磨损的差异造成加工表面质量的差异。由图可见，金属陶瓷刀具边界磨损小，加工表面质量好；硬质合金刀具边界磨损大，加工表面质量差。
（a）p10硬质合金刀具加工表面
（b）nx33金属陶瓷刀具加工表面
图3 刀具边界磨损与加工表面质量比较
摩擦学学者rabino-wicz等研究了材料表面自由能与影响摩擦磨损的主要因素——物体间的粘附与熔附之间的关系，得出了一个简单的基本关系式 wab=c（ra+rb）式中wab——a、b两物体间的界面自由能 ra，rb——分别为物体a、b与大气间的表面能 c——系数，1>c>0 两种材料间界面自由能的负值越大，材料的亲和性越低，互相越不易产生粘附和熔附。在实际加工中，金属陶瓷刀片在不同切削速度下均不易与切屑发生粘附和熔附，抗摩擦磨损的能力强于硬质合金刀片。 目前金属陶瓷材料的主要性能缺陷表现在：①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。②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：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 涂层金属陶瓷 用于铣削加工的超韧金属陶瓷 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zui大粗糙度rmax=8.1?m，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zui大粗糙度rmax=7.1?m，主后刀面磨损高度vb=0.035mm。 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，zui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*，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。
表4 金属陶瓷、涂层金属陶瓷刀片断续切削状态 刀片
牌号 fr（mm/r）
0.14 0.16 0.18 0.20
nx1010 × - - -
nx2525 ○ × - -
ap25n ○ ○ ○ ×
up35n ○ ○ ○ ○
○——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。 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。 4 结语 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，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具有广阔的应用前景。目前在工具市场上，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，据称其工作寿命、加工效率比粉末高速钢刀具提高数倍。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%。国外工具专家预测，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材料。目前我国已可生产yn05，yn10，tn05，tn10，tn20等多种牌号的金属陶瓷刀片。合肥工业大学研究用纳米tin改性tic基金属陶瓷材料也取得了重要成果。可以预言，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。