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一文了解各類金屬陶瓷材料

2020-11-20 09:49:09

金屬陶瓷材料具有比強度高₪₪·☁·、比模量高₪₪·☁·、耐磨損₪₪·☁·、耐高溫等優良效能·↟▩↟,在眾多場合已被作為新材料的代名詞·↟▩↟,成為現代高新技術₪₪·☁·、新興產業和傳統工業技術改造的物質基礎·↟▩↟,也是發展現代國防所不可缺少的重要部分·↟▩↟,引起了世界各國的高度重視·↟▩↟,把金屬陶瓷材料作為高技術發展的一個重要領域╃☁。


圖1 金屬陶瓷刀具

    圖1 金屬陶瓷刀具


    1. 金屬陶瓷的定義及特點

    金屬陶瓷是由陶瓷硬質相與金屬或合金粘結相組成的結構材料╃☁。從金屬陶瓷英文單詞Cermets來·↟▩↟,是由Ceramic(陶瓷)和Metal(金屬)結合構成的╃☁。金屬陶瓷既保持了陶瓷的高強度₪₪·☁·、高硬度₪₪·☁·、耐磨損₪₪·☁·、耐高溫₪₪·☁·、抗氧化和化學穩定性等特性·↟▩↟,又具有較好的金屬韌性和可塑性╃☁。由於“金屬陶瓷”和“硬質合金”兩個學科術語沒有明確的分界·↟▩↟,所以具體材料也很難劃分界線·↟▩↟,所以從材料組元劃分·↟▩↟,“硬質合金”也歸於“金屬陶瓷”╃☁。


圖2 金屬陶瓷複合材料效能圖

    圖2 金屬陶瓷複合材料效能圖


    金屬陶瓷的特點主要包括以下幾個方面☁₪:

    (1)金屬對陶瓷相的潤溼性好

    金屬與陶瓷顆粒間的潤溼能力是衡量金屬陶瓷組織結構與效能優劣的主要條件之一╃☁。潤溼能力愈強·↟▩↟,則金屬形成連續相的可能性愈大·↟▩↟,金屬陶瓷的效能愈好╃☁。

    (2)金屬相與陶瓷相應無劇烈的化學反應

    金屬陶瓷製備時如果介面反應劇烈·↟▩↟,形成化合物·↟▩↟,就無法利用金屬相改善陶瓷抵抗機械衝擊和熱震的效能╃☁。

    (3)金屬相與陶瓷相的膨脹係數相差不會過大

    金屬陶瓷中的金屬相和陶瓷相的膨脹係數相差較大時·↟▩↟,會造成較大的內應力·↟▩↟,降低金屬陶瓷的熱穩定性╃☁。

    2. 金屬陶瓷的製備方法

    金屬陶瓷材料的製備方法主要包括熱壓法₪₪·☁·、粉末燒結法及浸漬法·↟▩↟,具體過程如下圖3所示╃☁。

圖3 金屬陶瓷材料製備方法工藝流程圖

    圖3 金屬陶瓷材料製備方法工藝流程圖


    3. 金屬陶瓷的分類

    3.1 氧化物基金屬陶瓷

    氧化物基金屬陶瓷是以氧化鋁₪₪·☁·、氧化鋯₪₪·☁·、氧化鎂₪₪·☁·、氧化鈹等為基體·↟▩↟,與金屬鎢₪₪·☁·、鉻或鈷複合而成·↟▩↟,具有耐高溫₪₪·☁·、抗化學腐蝕₪₪·☁·、導熱性好₪₪·☁·、機械強度高等特點╃☁。這裡介紹一下Al2O3-Cr系金屬陶瓷╃☁。

    Cr與Al2O3之間的潤溼性並不好·↟▩↟,但金屬鉻粉表面容易生成一層緻密的Cr2O3·↟▩↟,因此可透過形成Al2O3-Cr2O3固溶體來降低他們之間的介面能·↟▩↟,改善潤溼性╃☁。為了使金屬鉻部分氧化·↟▩↟,工藝上常採取的措施有☁₪:燒結氣氛中引入微量的水汽或氧氣₪₪·☁·、配料中使用一部分Al(OH)3代替氧化鋁₪₪·☁·、在配料中用一部分氧化鉻代替金屬鉻等╃☁。Al2O3-Cr金屬陶瓷所用原料是純度為99.5%的α-Al2O3和純度為99%的電解Cr粉·↟▩↟,將Al2O3和Cr粉共同幹磨或溼磨至必須的粒度組成·↟▩↟,其可以用任何一種成型方法成型╃☁。


圖4 金屬陶瓷熱電偶保護套

    圖4 金屬陶瓷熱電偶保護套


    3.2 碳化物基金屬陶瓷

    碳化物基金屬陶瓷╃☁。以碳化鈦₪₪·☁·、碳化矽₪₪·☁·、碳化鎢等為基體·↟▩↟,與金屬鈷₪₪·☁·、鎳₪₪·☁·、鉻₪₪·☁·、鎢₪₪·☁·、鉬等金屬複合而成·↟▩↟,具有高硬度₪₪·☁·、高耐磨性₪₪·☁·、耐高溫等特點╃☁。這裡介紹一下碳化鈦(TiC)基金屬陶瓷╃☁。

    碳化鈦(TiC)具有高熔點₪₪·☁·、高硬度和高彈性模量以及良好的抗熱震性和化學穩定性·↟▩↟,且其高溫抗氧化效能僅低於碳化矽╃☁。碳化鈦是硬質合金的重要原料·↟▩↟,因此在結構材料中作為硬質相而被廣泛用作製作耐磨材料₪₪·☁·、切削刀具材料₪₪·☁·、機械零件等碳化鈦基金屬陶瓷·↟▩↟,是一種由金屬或合金同碳化鈦陶瓷相所組成的非均質的複合材料·↟▩↟,它既保持有陶瓷的高強度₪₪·☁·、高硬度₪₪·☁·、耐磨損₪₪·☁·、耐高溫₪₪·☁·、抗氧化和化學穩定性等特性·↟▩↟,又有較好的金屬韌性·↟▩↟,正是由於這些優良的物理化學效能使得碳化鈦基金屬陶瓷備受關注╃☁。


圖5 氮化鈦基金屬陶瓷鋼結硬質合金棒

    圖5 氮化鈦基金屬陶瓷鋼結硬質合金棒


    3.3 碳氮化鈦基金屬陶瓷

    1956年美國福特汽車公司發現在TiC-Ni基金屬陶瓷中加入Mo後·↟▩↟,可以改善Ni對TiC的潤溼性·↟▩↟,大大提高合金強度╃☁。1971年Kieffer等人發現在TiC-Mo-Ni系金屬陶瓷中新增TiN·↟▩↟,不僅可顯著細化硬質相晶粒·↟▩↟,改善金屬陶瓷的室溫和高溫力學效能·↟▩↟,而且還可大幅度地提高金屬陶瓷的高溫耐腐蝕和抗氧化效能·↟▩↟,因此國內外對碳氮化鈦基[Ti(C,N)]金屬陶瓷非常重視·↟▩↟,進行了深入系統的研究╃☁。自20世紀80年代以來·↟▩↟,Ti(C,N)基金屬陶瓷獲得了迅速的發展·↟▩↟,世界各國硬質合金生產廠家先後推出了系列的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具╃☁。30多年來·↟▩↟,隨著粉末冶金技術的發展·↟▩↟,成分的演化趨於穩定·↟▩↟,燒結技術不斷更新·↟▩↟,粉末粒徑不斷細化·↟▩↟,Ti(C,N)基金屬陶瓷發展到一個比較成熟的階段╃☁。在日本·↟▩↟,近年來Ti(C,N)基金屬陶瓷材料已佔可轉位刀片的30%·↟▩↟,我國在“八五”期間也研製了多種Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具·↟▩↟,而有部分上市產品·↟▩↟,但效能欠穩定╃☁。進入21世紀·↟▩↟,諸多企業和科研院所加大了研究力度·↟▩↟,取得了長足進步·↟▩↟,但與國際先進水平仍有一定差距╃☁。


圖6 Ti(C,N)基金屬陶瓷結構件

    圖6 Ti(C,N)基金屬陶瓷結構件


    3.4 三元硼化物金屬陶瓷

硼化物陶瓷是間隙相化合物·↟▩↟,硼和硼之間可形成多種複雜的共價鍵·↟▩↟,同時·↟▩↟,硼又與許多金屬原子可形成離子鍵·↟▩↟,這一特點決定了硼化物具有高熔點₪₪·☁·、高硬度₪₪·☁·、高耐磨性和高抗腐蝕效能·↟▩↟,因此被廣泛應用於硬質合金材料₪₪·☁·、耐磨材料₪₪·☁·、耐腐蝕材料及耐磨耐蝕的機械零件╃☁。在硼化物陶瓷材料中·↟▩↟,TiB2₪₪·☁·、ZrB2和CrB2等二元硼化物因其效能優異而被認為是*有希望得到廣泛應用的硼化物陶瓷·↟▩↟,但由於TiB2等二元硼化物陶瓷和金屬基體容易發生強烈的化學反應·↟▩↟,會導致燒結效能惡化╃☁。經過多年研究·↟▩↟,其實用化程度雖然在不斷提高·↟▩↟,但是與普通的碳化物基硬質合金相比·↟▩↟,這類硬質材料的強度及斷裂韌性值低·↟▩↟,用作結構材料還存在很多問題╃☁。

直到上世紀80年代·↟▩↟,日本開發了一種稱為原位反應液相燒結三元硼化物的新型燒結工藝·↟▩↟,成功地研製出了Mo2FeB2₪₪·☁·、Mo2NiB2₪₪·☁·、WCoB等三種三元硼化物基金屬陶瓷╃☁。其中以Mo2FeB2為陶瓷相的材料具有很好的耐磨性;以Mo2NiB2為陶瓷相的材料有很高的耐腐蝕性;以WCoB為陶瓷相的材料有很好的高溫效能╃☁。


 圖7 耐磨耐腐蝕金屬陶瓷管道

    圖7 耐磨耐腐蝕金屬陶瓷管道


    我國在近幾年才開始研究三元硼化物金屬陶瓷·↟▩↟,目前主要集中對結構₪₪·☁·、效能和製備的研究·↟▩↟,在工業領域的實際應用方面的研究還有待進一步深入╃☁。目前存在的問題主要包括☁₪:

    (1)由於三元硼化物金屬陶瓷主要以鉬粉₪₪·☁·、硼鐵合金粉以及鎳粉₪₪·☁·、鉻粉為主要原料·↟▩↟,生產成本高;

    (2)所製備的三元硼化物金屬陶瓷效能的可靠性和重現性差╃☁。

    4. 金屬陶瓷的應用

    (1)切削加工領域

    金屬陶瓷刀具都具有高的硬度₪₪·☁·、紅硬性和耐磨性₪₪·☁·、在高速切削和幹切削時表現出優異的切削效能·↟▩↟,在相同的切削條件下·↟▩↟,金屬陶瓷刀具的耐磨性遠遠高於普通硬質合金╃☁。

    (2)航天航空工業方面

    從20世紀50年代開始·↟▩↟,人們就開始了TiC-Ni系金屬陶瓷在噴氣發動機的葉片用高溫材料的研究·↟▩↟,但在燒結時由於鎳不能完全潤溼TiC·↟▩↟,發生TiC顆粒聚集長大·↟▩↟,導致材料的韌性很差·↟▩↟,結果未達到作耐熱材料使用的目的╃☁。TiC本身具有高硬度₪₪·☁·、高熔點₪₪·☁·、低比重₪₪·☁·、好的熱穩定性·↟▩↟,而金屬銅具有優異的導電₪₪·☁·、導熱效能和良好的塑性·↟▩↟,有TiC和金屬銅組成的TiC/Cu複合材料綜合了兩者的優異性·↟▩↟,具有作為導電₪₪·☁·、導熱材料₪₪·☁·、耐磨材料及火箭喉襯用材料的應用價值╃☁。


    (3)其他方面的應用


    金屬陶瓷複合塗層能改變金屬基體外表面的外貌₪₪·☁·、結構和化學組成·↟▩↟,並賦予基體新的效能╃☁。金屬陶瓷複合塗層既有金屬的強度和韌性·↟▩↟,又有陶瓷的耐高溫等優點·↟▩↟,是一種優異的複合材料·↟▩↟,它已成功地應用航天₪₪·☁·、航空₪₪·☁·、國防₪₪·☁·、化工₪₪·☁·、機械₪₪·☁·、電力和電子等工業╃☁。

    內襯金屬陶瓷複合管具有比內襯陶瓷複合管更優異的效能╃☁。用自蔓延高溫合成法離心鑄造合成內襯陶瓷·↟▩↟,可以作為抗腐蝕管道用於石油或化工產物₪₪·☁·、半產物的運輸·↟▩↟,也可作為抗磨管道用於礦山·↟▩↟,選礦廠作礦漿運輸管道·↟▩↟,還可用於多泥砂水的輸水管道等╃☁。

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