金屬陶瓷用于切削刀具最早始于上世紀20年代對TiC化合物的試驗研究。上世紀50年代，TiC-Mo-Ni金屬陶瓷首次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異特性（如高硬度、低比重和高溫下的化學穩定性）使其有可能成為WC基硬質合金的替代材料而倍受矚目。但在當時，TiC基金屬陶瓷并沒有作為一種工業切削刀具材料被廣泛應用，因為它雖然具有與硬質合金不相上下的高強度和高硬度，但其韌性比較差。

   上世紀70年代，為了提高金屬陶瓷的韌性，改善其切削性能，人們進行了大量研究，最終開發出了一種韌性很好的細顆粒TiC-TiN基金屬陶瓷。從那時以來，金屬陶瓷在刀具開發中的應用日趨廣泛。

   金屬陶瓷材料非常適合精密切削加工和近凈成形加工，其應用范圍正在不斷擴大，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異的切削性能。

   WC是硬質合金的主要成分，被認為是一種具有戰略意義的原材料。隨著全球鎢價的急劇上漲，作為一種可部分替代硬質合金的刀具材料，金屬陶瓷正受到越來越多的關注。

   金屬陶瓷材料的特點

   工業用金屬陶瓷材料具有復雜的化學成分。這種刀具材料是在TiC-TiN基體中加入作為結合劑的二次碳化物（如WC、Mo2C、TaC和Co-Ni）制成的。商品化的金屬陶瓷材料硬度很高，并具有可與硬質合金媲美的強度和韌性。隨著金屬陶瓷性能的不斷改進，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荷加工、半精加工和精加工。當切削深度（ap）在2.5mm以下、每轉進給量（fn）在0.25mm/r以下、每齒進給量（fz）在0.20mm/齒以下時，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）。根據其材料性質，金屬陶瓷非常適合高速切削，而不容易產生積屑瘤，這將確保用戶能獲得非常精確的加工結果。

   用金屬陶瓷刀具切削時，為了獲得最佳性能，用戶必須考慮以下要點：車削加工時，需要采用與切削量相適應的斷屑臺；銑削或端銑加工時，選用適當的刀具幾何形狀至關重要。

   與其他刀具材料相比，金屬陶瓷的最大優勢在于其化學性能穩定，在切削加工中，這種穩定性可抑制刀具與工件之間的化學反應。

   金屬陶瓷的化學穩定性使其能獲得很高的加工精度和良好的表面光潔度。當用戶希望通過最終精加工或中等負荷加工完成其加工流程時，金屬陶瓷的穩定性可確保高水平的加工質量。在切削溫度高且加工精度至關重要的閥門加工或斷續內孔加工中，金屬陶瓷刀具表現出色。

   金屬陶瓷材料本身具有很好的耐熱性和耐磨性，因此，與能夠長時間保持其物理形狀的硬質合金刀具相比，金屬陶瓷刀具可以相對更容易地長時間保持切削刃的鋒利性。

   在相同切削條件下，用金屬陶瓷刀具和涂層硬質合金刀具加工的碳鋼表面對比結果表明，與硬質合金刀具相比，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首選刀具材料。加工鑄鐵時容易產生高頻振動，而其副作用則是產生破裂狀切屑，因為高頻振動會造成金屬陶瓷切削刃發生崩刃或破損。不過，如今的金屬陶瓷牌號都經過增韌補強，其韌性和強度足以在加工鑄鐵時保持切削刃的穩定性。

   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定的刀具壽命和良好的表面光潔度。作為當前切削加工的發展趨勢，經濟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，用戶必須精心選擇適當的金屬陶瓷刀具，因為其加工特點與涂層硬質合金大相徑庭。與涂層硬質合金不同，金屬陶瓷并不適合粗加工。當產生的切屑較大時，剪切作用和切削阻力會發生很大變化，這種連續沖擊會造成加工尺寸超差，并最終導致刀具破損。

   此外，在大切深加工中，大切屑卷對刀具后面的沖擊會加劇刻劃磨損，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，更容易發生這種嚴重的刻劃磨損。因此，金屬陶瓷刀具不太適合切削難加工材料。由于這個原因，涂層硬質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。通過比較車削碳鋼時硬質合金、涂層硬質合金和金屬陶瓷的刀具壽命和切屑切除量，可以看出，由于高速切削的切屑切除量更大，因此具有更好的經濟性。與CVD涂層硬質合金刀具一樣，金屬陶瓷刀具也是一種經濟性不錯的高速切削刀具。

   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生熱裂紋，從而損壞金屬陶瓷刀具的切削刃。

   與硬質合金刀具相比，金屬陶瓷刀具在干切削中的高溫穩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，需要采用較小的進給率和切削深度，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，加工溫度會因為切削刃磨損而急劇升高。在這種情況下，干切削有利于延遲熱裂紋的產生，從而獲得穩定的加工性能。

   加工溫度的高低首先取決于切削條件，此外，工件的熱導率、韌性和硬度對熱裂紋的產生也有影響。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加工精度沒有明顯影響，則最好不要選擇濕切削。

   在銑削加工中，刀具切入工件時溫度升高，切出工件空轉時溫度下降，這種溫度變化周而復始，對刀具形成熱沖擊。與硬質合金刀具相比，金屬陶瓷刀具對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生熱裂紋，并導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，精密加工已成為一種發展趨勢，對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的使用量正與日俱增。為了延長金屬陶瓷刀具的壽命，關注的重點集中在如何提高其韌性和耐磨性。

   對微細結構金屬陶瓷（固溶體和高氮金屬陶瓷）的研究開發已經取得了進展。例如，韓國特固克公司開發的CT3000金屬陶瓷牌號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的金屬陶瓷牌號顯著提高。該牌號采用細晶粒TiCN粉料和經過優化的合金設計技術制備而成，具有優異的合金性能和穩定的顯微結構。較高的氮含量有助于提高細晶粒顯微組織的均勻性，優化了刀具切削性能。

   為了使金屬陶瓷刀具兼具良好的韌性和耐磨性，有必要優化其切削刃的表層和內部結構。為此，減少表層的鈷和氮化物結合劑含量有利于提高切削刃的硬度和耐磨性。另一方面，增加表層以下內部結構的結合劑含量可以提高韌性，從而延長刀具壽命。

   通過將合金技術和燒結技術應用于PVD涂層金屬陶瓷的制備，可以優化其表層和內部的結合劑含量，形成表層結合劑含量低、內部結合劑含量高的梯度功能結構。

   與傳統的金屬陶瓷刀具相比，梯度功能金屬陶瓷刀具的穩定性顯著提高，刀具壽命也更長。但與硬質合金刀具相比，現有金屬陶瓷刀具的韌性和導熱性仍然略遜一籌，因此其使用范圍僅局限于斷續切削或熱沖擊條件下的切削加工。