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金属陶瓷介绍

日期: 2018-11-28
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材料是人类文明的里程碑,是人类赖以生存和得以发展的重要物质基础。继金属、有机高分子材料以后,金属陶瓷材料开始进入各行各业,其发展之快,作用之大,令世人瞩目。金属陶瓷材料具有比强度高、比模量高、耐磨损、耐高温等优良性能,成为现代高新技术、新兴产业和传统工业技术改造的物质基础,也是发展现代国防所不可缺少的重要部分,引起了世界各国尤其是发达国家的高度重视。

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金属陶瓷的定义

    金属陶瓷,是一种由金属或合金和一种或几种陶瓷相所组成的非均质的复合材料,其中后者约占15%~85vol%,当陶瓷含量高于50vol%时,亦可称为陶瓷-金属复合材料。金属陶瓷既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性,又具有较好的金属韧性和可塑性。 

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        金属陶瓷的理想结构是弥散且均匀分布的陶瓷颗粒表面被连续薄膜形态的金属相包裹,其中陶瓷相承受机械应力和热应力,通过连续的金属相分散,金属相因呈薄膜状包裹再陶瓷颗粒表面而得到强化,故金属陶瓷作为介于高温合金和陶瓷材料之间的一种高温材料。

       金属陶瓷兼有金属和陶瓷的优点,它密度小、硬度高、耐磨、导热性好,不会因为骤冷或骤热而脆裂。另外,在金属表面涂一层气密性好、熔点高、传热性能很差的陶瓷涂层,也能防止金属或合金在高温下氧化或腐蚀。金属陶瓷既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性,又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性。


金属陶瓷的组成类型

金属陶瓷分为以陶瓷为基质和以金属为基质两类。陶瓷基金属陶瓷主要有:

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1、氧化物基金属陶瓷。以Al203、ZrO2、MgO、Be0为基体,与金属W、Cr域Co复合而成,具有耐高温、抗化学腐蚀、导热性好、机械强度高等特点,可用作导弾喷管衬套、熔炼金属的坩埚和金属切削刀具。

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2、碳化物基金属陶瓷。以TiC、SiC、WC等为基体,与Co、Ni、Cr、W、Mo金属复合而成,具有高硬度、高耐磨性、耐高温等特点,用于制造切削刀具、高温轴承、密封环、拉丝模套及叶片。

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3、氮化物基金属陶瓷。以TiN、BN、Si3N4和TaN为基体,具有超硬性、抗热振性和良好的高温蠕变性,应用较少。


4、硼化物基金属陶瓷。TiB2在温度超过1100℃时力学性能超过其它所有陶瓷材料(金刚石、立方氮化硼、碳化物、碳氮化物)。硼化物基金属陶瓷用于非常耐热和耐蚀的条件下,如在与活性热气体和熔融金属接触的领域。可用来粘结硼化物的金属有Fe、Ni、Co、Cr、Mo、B或者它们的合金。

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金属与陶瓷的匹配原则

为了使金属陶瓷同时具有金属和陶瓷的优良特性,首先必须有一个理想的组织结构,要达到理想的组织结构,得注意以下几个主要原则:

(1)制备技术的科学性和合理性

金属对陶瓷的润湿性要好。烧结法制备金属陶瓷要求金属相与陶瓷相互润湿 (金属相对陶瓷相的润湿角<90°),润湿力愈强,金属形成连续相的可能性越大,而陶瓷颗粒聚集成大颗粒的趋向就愈小,金属陶瓷的性能就愈好。

(2)化学性能匹配性

金属和陶瓷相在烧结和使用中应无剧烈的化学反应发生。反应也仅限于两相的界面上生成新的陶瓷相。

高温下金属相与陶瓷相间应有一定的溶解作用。陶瓷在金属中的溶解与沉淀析晶过程有利于陶瓷相的均匀分布,有利于改善制品性能。

(3)物理性能匹配性

不同相间的物理性能匹配对晶界应力及整个材料性能产生影响,其中各相间的线膨胀系数和弹性模量的差别影响最大。 


金属陶瓷的历史

迄今,金属陶瓷的研制与开发已历经:

第一代是“二战”期间,德国以Ni粘结TiC生产金属陶瓷;

第二代是20世纪60年代美国福特汽车公司添加Mo到Ni粘结相中改善TiC和其他碳化物的润湿性,从而提高材料的韧性;

第三代金属陶瓷则将氮化物引入合金的硬质相,改单一相为复合相。又通过添加Co相和其他元素改善了粘结相。

新兴代是硼化物基金属陶瓷。由于硼化物陶瓷具有很高的硬度、熔点和优良的导电性,耐腐蚀性,从而使硼化物基金属陶瓷成为最有发展前途的金属陶瓷。


金属陶瓷的应用

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1、切削加工领域:车刀、镗刀、轴承刀、各类砂轮等。

2、航天航空工业方面:发动机叶轮、小轴瓦、火箭喉衬、内衬等。

3、建筑采矿:粉碎机锤头、钻井设备钻头、耐磨部件工作面、风机等。

4、装备制造:涂层、导向辊、耐磨衬板、PCB钻头、模具、高温轴承、触头等。



金属陶瓷的发展趋势

金属陶瓷的制备与应用涉及很多领域,目前,金属陶瓷的发展主要集中在下列方向:

(1)新材料的研究与开发,主要包括三方面:硬质相正在向多样化方向发展,致力于开发新型硬质相和复合硬质相等;作为粘结相的金属或合金的种类不断增多,以资源丰富的金属代替资源短缺的金属(如用Fe和Ni代替Co);相成分范围逐渐拓宽,硬质相和粘结相的含量不断地突破以前研究的范围。

(2)超细晶粒和纳米级金属陶瓷。由于超细晶粒和纳米级金属陶瓷比常规金属陶瓷具有更高的强韧性、硬度、耐磨性等综合性能,因此受到了世界各大工业大国的广泛关注。

(3)梯度金属陶瓷的应用开发,是一种由于组织连续变化引起性能缓变的功能复合材料。这种材料可用作航天飞机的热防护材料,核反应堆的内壁材料,汽车发动机的燃烧室材料和梯度刀片材料等。

(4)金属陶瓷回收再利用问题。采用现代化技术和大规模生产模式实现资源的充分利用和经济效益的统一,已经成为金属陶瓷发展中不可忽略的问题。

(5)基础研究的发展。限制金属陶瓷更深发展的主要问题主要集中在:①材料制备工艺过程机制;②通过控制工艺获得具有特定结构的材料;③材料结构形成机制;④制备工艺与性能的相互关系;⑤金属与陶瓷的润湿性问题;⑥界面结构研究等一系列问题。

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