摘要：Wilshire指出，因为SiN和SiAlON陶瓷的韧性，特别是高温韧性相对较高，用这种材料制作的刀具最适合切削铸铁和耐热超合金。据Andersson所言，这种高水平的生产效率甚至会体现在切削以往陶瓷刀具通常不能切削的材料时，“WG-600已经证明能加工300、400系材料以及PH不锈钢，其切削速度比硬质合金刀具分别高出3倍、4倍和10倍。

Brian Wilshire指出：“人人都把陶瓷想像为陶瓷咖啡杯那样，如果一旦坠落就会碎裂。怎么可能用它来切削金属呢？”

位于北卡罗莱纳州Hendersonville的京瓷公司可提供铣削和车削用陶瓷和金属陶瓷刀具。陶瓷刀具材料包括氧化铝（Al2O3）、氮化硅（SiN）以及氮氧化硅铝(SiAlON)陶瓷。京瓷精密工具公司的技术中心经理Wilshire对陶瓷复合材料以及金属陶瓷刀具的金属切削性能十分了解。

NTK 切削工具美国公司的陶瓷刀具

Wilshire指出，因为SiN和SiAlON陶瓷的韧性，特别是高温韧性相对较高，用这种材料制作的刀具最适合切削铸铁和耐热超合金。“但Al2O3基陶瓷的脆性相当大，因此主要用于连续加工的硬车削或铸铁精车削。”

据位于密执安州Wixom 的NTK切削刀具美国公司市场和工程经理Steve Howard所言，SiN基陶瓷材质如NTK SX6和SP9，具有两倍于氧化铝基陶瓷的断裂韧性，可在高达3000 sfm的转速下车削和铣削铸铁。

Howard 还指出，NTK公司的SiAlON材质具有氮化硅陶瓷的强度和氧化铝陶瓷的耐磨性。“NTK公司的五种材质，包括最新的SX3，拥有优异的高温强度和抗热冲击性能以及抗崩刃能力，具备高速加工航空、油气工业用耐热合金的理想特性。”

Howard 指出，NTK公司的五种黑色陶瓷材质，通过在氧化铝中添加碳化物来增强韧性和硬度，具有高温红硬性和低塑性，可用来车削合金钢、冷作或球墨铸铁以及硬度高达62HRC的粉末冶金金属。“ZC4材质具有最细小的晶粒结构，可用来车削硬度达70HRC的合金钢。相对从前在某些加工场合只能选择CBN刀具，这些陶瓷材料提供了一种基于成本效益的选择。”

Wilshire指出，正如其名，金属陶瓷包含陶瓷成分(如 TiC, TiCN和 碳化钼)与金属结合剂(如镍、少量的钼和钴)。

他指出，金属陶瓷比硬质合金脆性更大，因此金属陶瓷刀具在重切时更易崩刃和折断。因此，更多的用户认为金属陶瓷刀具适于切深为0.010" - 0.020"的精加工。但是，京瓷公司已研发出对理想状态材料切深为0.060" - 0.080"的金属陶瓷刀具。

他说，“如果是断续切削或工件材料有硬皮，硬质合金刀具仍是首选。”

技术进展

Wilshire指出，尽管金属陶瓷和陶瓷刀具已有很长历史，工具制造商还在持续取得进展。其中京瓷公司的一个进展是通过多种技术组合，在刀片压制和烧结过程中制造出金属陶瓷材料的梯度。“这种材料被称为混合金属陶瓷。”

京瓷公司也在混合高韧性和高硬度材料方面取得了进展。Wilshire解释道，京瓷公司能造出蜂窝形晶粒结构，而构成蜂窝晶粒结构的六面外壳由韧性更好的陶瓷组成，六面体的芯部硬度更高。如果芯部产生裂纹，裂纹不会扩展到晶粒外壳而导致刀具折断。

他指出：“这种材料将与晶须增强材料竞争。”

瓦尔特Prototyp MC275陶瓷铣刀拥有整体硬质合金刀柄

据Wilshire所言，京瓷公司没有生产晶须增强陶瓷刀片，但可提供与SiC晶粒增强陶瓷类似的第二种技术来改进陶瓷刀具的抗断裂韧性。该公司新近的SiAlON材料的晶粒结构可通过操控来使一些晶粒呈针状，可起到晶须的作用。他指出：“在烧结过程中晶粒实际上在长大。”该晶粒结构也包含了具有耐磨作用的硬质颗粒。

增韧技术

位于宾夕法尼亚州Saegertown 的绿叶公司TechTeam和全球市场营销总监Jan Andersson指出，绿叶公司因其晶须增强陶瓷而闻名于世。该公司于1985年已有非涂层的WG-300材质面世。然后又有WG-600涂层晶须增强陶瓷，以及后来的WG-700，这些材质均具有不同的基体材料及纳米结构涂层。Andersson指出：“在很多应用场合，晶须增强陶瓷至今仍是最佳选择。”

据绿叶公司的报告，该公司的最新进展是XYSTIN-1相增韧陶瓷。该陶瓷由热稳定性好、晶须和颗粒增韧的SiN制成，其强度两倍于该公司销售的其他陶瓷刀具。

Andersson指出，根据切削理论，所有陶瓷刀具通过在切削区将温度升至材料塑化温度来完成金属材料去除，这样可使切削更容易。没有塑化，就会导致刀具崩刃及前刀面和后刀面的刀具材料被切除。

他指出：“如果这样，就会导致灾难性的后果。但是，一旦采用XYSTIN-1，该切削理论也可忽略不计。”

据Andersson所言，相增韧陶瓷的高强度可使XYSTIN-1刀具在工件材料没有完全塑化的情况下高效切削。这种能力对切削大重工件或不平衡工件特别有益，因为这时工件不能高速转动。例如，当加工材质为因科镍718、硬度为46-48HRC的非平衡工件时，采用陶瓷刀具塑化加工工件的最低切削速度约为550-600 sfm。与此相对比，采用XYSTIN-1材质刀片的切削速度为350-400 sfm，而硬质合金刀具仅为150-180 sfm。

Andersson指出，“采取XYSTIN-1材质刀片加工的折中方案，在切削速度不必达600 sfm时仍可达到陶瓷刀具的生产率。”

NTK切削刀具公司宣称，该公司的BIDEMICS-JX1、JX2以及最新的IMTS材质代表了晶须增强陶瓷出现以来高效加工耐热合金的最新先进复合材料。这种陶瓷的独特物理特性带来了超长的刀具寿命、良好的加工表面光洁度以及可达1600 sfm的切削速度加工。

锲而不舍

位于威斯康辛州Waukesha的瓦尔特美国公司可提供另外一种混合型陶瓷刀具。瓦尔特Prototyp MC275/MC075陶瓷铣刀在整体硬质合金刀柄上钎焊有陶瓷铣刀头。该公司也可提供带螺纹柄连接的可换式陶瓷铣刀头，其目标应用为铣削耐热超合金。

表1 陶瓷和金属陶瓷刀具应用范围

MC275陶瓷铣刀具有通用加工的结构设计，而MC075的结构设计主要用来完成难加工材料的快进给加工。两种刀具的结构设计均可达到3300 sfm的切削速度。瓦尔特公司德国总部航空和业务应用发展部门的零部件经理Stefan Benkóczy指出：“瓦尔特公司已经达到了通常在铝合金加工中才能见到的切削参数，进给速度可达380 ipm。”

此外，瓦尔特公司也生产车削用金属陶瓷刀片。然而，因耐热超合金中通常含有镍元素，镍结合剂的金属陶瓷刀具不能用于加工镍基超合金。

京瓷公司在其新近的SiAlON陶瓷车削材质（如KS6040）里通过操控晶粒结构使一些晶粒变成针状，其性能就如抗断裂的晶须。　

Benkóczy指出：“如果切削材质含有钴，工件材料中也含有钴，那么在刀具刃口处会产生大量的积屑瘤，而且刃口处的钴元素会流失，其结果就是硬质合金颗粒会变得松散，最终导致刃口崩刃和刀具寿命极大缩短。”

位于德国Plochingen的CeramTec公司市场经理Joachim Beck指出，只要使用适当，金属陶瓷刀具可展现出极高的切削刃口稳定性和中等程度的韧性。（CeramTec北美公司位于南卡罗莱纳州Laurens）。这些特性使金属陶瓷很适于精加工和超精加工一系列工件材料如球墨铸铁、易切削钢和渗碳钢。适宜的应用包括车削、铣削、连续切削的镗孔以及稳定的断续切削。

关于粗加工

据Benkóczy所言，陶瓷刀具仅用于粗加工。虽然陶瓷刀具加工时会遇到严重的刀具磨损如崩刃以及刃口圆弧的减少，但此时的陶瓷刀具可继续用于粗加工而不适用于精加工。他指出：“用硬质合金刀具来进行精加工，用陶瓷刀具来进行粗加工。”

Benkóczy指出，这种刀具材料选择在航空业特别盛行，例如在加工耐热超合金发动机零件时，生产工艺通常被认证且不能轻易变动。

他指出：“航空发动机的认证费用极高。如果出现新设计发动机、增加新的产品线或其他重大变化的情况，那么此时是开放的，可以做出新的调整。”

绿叶公司的Andersson认为，联邦航空管理局的法规和认证可以阻止除硬质合金刀具外的任何刀具作为航空精加工应用。他同时强调，陶瓷刀具不仅仅用于粗加工。传统的观念认为，在没有断续切削且设备稳定时，陶瓷刀具是非常有效的粗加工刀具。

他指出：“改变人们传统观念的尝试从未停止。”他补充道，航空零件制造商正认识到陶瓷刀具能带来良好的零件表面粗糙度，且不仅仅是用于精加工耐热超合金发动机零件。

冷却和涂层

当用陶瓷刀具铣削时，因为刀具与工件的短暂接触和较长时间的空刀往复循环，Benkóczy推荐采用干式切削来避免刃口处的热冲击。此外，在不降低刀具寿命的情况下，干式切削可免除清理由冷却液带来的脏乱和避免操作人员接触在金属切削冷却液的环境中。然而，压缩空气可用来帮助清理切削区域的切屑。关于冷却液应用，他指出：“如果应用不当，会增加工件材料的加工硬化。”

京瓷公司的Wilshire指出，在粗加工铸铁时使用冷却液却有益处。“很多加工车间使用冷却液只为沉降切削粉尘。”

当用陶瓷刀具加工时，Andersson建议使用冷却液。他说：“如果不采用冷却液，当加工不断进行时，切削温度就会不断升高。加工需要高温，但需要稳定的高温。这就是车削时总要使用冷却液的原因”

对金属陶瓷铣刀而言，Wilshire指出，除干式切削外，微量润滑切削也是一种可行的选择。“金属陶瓷比硬质合金具有更高的红硬性，因此能承受更高的温度。”

CeramTec公司的 Beck指出，干式切削时刀具涂层可提供有效的热屏障，同时还增加刀具硬度并降低刀具磨损。对于陶瓷刀具，“CVD涂层是最常见的涂层，有双层系统和多层系统。其中，TiC/TiN 或 Al2O3涂层最为常见。”

NTK切削工具公司的Howard认为，陶瓷刀具主要采用CVD涂层，涂层本身对刀具的整体性能影响有限。

Beck补充道，根据具体应用的不同，PVD涂层可提供高耐磨和高抗粘接性能，后者可以阻止积屑瘤产生和在加工延性材料时防止毛刺形成。“一般来讲，CVD是涂层的最佳方法，可得到更高的刀具寿命、提高切削速度和进给量。”

然而，Wilshire解释道，刀具材料必须有足够的传导性来使PVD涂层沉积在刀具表面。例如，Al2O3陶瓷的传导性就足够优异，而SiN陶瓷却不理想。“因此，采用CVD方法涂覆Al2O3。”

Wilshire指出，如果可能，很多用户会选择PVD TiN 涂层，因为当金色的涂层磨损时，用户很容易识别磨损后的切削刃口。“但这种涂层的确对提升刀具寿命作用有限。”

京瓷公司的细胞纤维陶瓷材质CF1具有蜂窝晶粒结构。六边形构成的蜂窝结构由韧性更好的陶瓷外壳与更硬的芯部构成。

据Wilshire所言，为了延长刀具寿命，京瓷公司提供PVD Megacoat涂层。这是一种AlTiN基涂层，采用大量的添加元素来定制涂层性能。该黑灰色涂层的各硬质层间有润滑作用的纳米结构，可提高抗磨性能、提升切削速度。

Andersson指出，因为陶瓷的摩擦系数较低，在上面涂层是一种挑战。“为此不得不发明一种不同的涂层方法。重要的是不能将任何涂层涂覆到任何刀具材料上，因为这样可能会适得其反，降低刀具性能。”然而，在优化陶瓷材质的涂层、基体、微观结构以及前后处理后，就会产生令人难以置信的生产效率。据Andersson所言，这种高水平的生产效率甚至会体现在切削以往陶瓷刀具通常不能切削的材料时，“WG-600已经证明能加工300、400系材料以及PH不锈钢，其切削速度比硬质合金刀具分别高出3倍、4倍和10倍。”

Howard还指出，重要的是，用户要明白用陶瓷刀具切削的最佳实践是刀片达到理想的切削性能。这包括坡切编程、改变切深和降低拐角切削进给速度。

《工具展望》