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一文了解各类金属陶瓷材料

2017-11-13 10:13:40
作者:本网发布
来源:网络

如今,能源、信息、材料已成为人类现代文明进步的标志,而材料更是人类赖以生存和得以发展的重要物质基础。继金属、陶瓷、高分子材料以后,金属陶瓷材料正以其卓越的性能、繁多的品种和广泛的用途进入各行各业。

    如今,能源、信息、材料已成为人类现代文明进步的标志,而材料更是人类赖以生存和得以发展的重要物质基础。继金属、陶瓷、高分子材料以后,金属陶瓷材料正以其卓越的性能、繁多的品种和广泛的用途进入各行各业。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,在众多场合已被作为新材料的代名词,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,引起了世界各国的高度重视,把金属陶瓷材料作为高技术发展的一个重要领域。


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    图1 金属陶瓷刀具


    1. 金属陶瓷的定义及特点


    金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的结构材料。从金属陶瓷英文单词Cermets来,是由Ceramic(陶瓷)和Metal(金属)结合构成的。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。由于“金属陶瓷”和“硬质合金”两个学科术语没有明确的分界,所以具体材料也很难划分界线,所以从材料组元划分,“硬质合金”也归于“金属陶瓷”。


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    图2 金属陶瓷复合材料性能图


    金属陶瓷的特点主要包括以下几个方面:


    (1)金属对陶瓷相的润湿性好


    金属与陶瓷颗粒间的润湿能力是衡量金属陶瓷组织结构与性能优劣的主要条件之一。润湿能力愈强,则金属形成连续相的可能性愈大,金属陶瓷的性能愈好。


    (2)金属相与陶瓷相应无剧烈的化学反应


    金属陶瓷制备时如果界面反应剧烈,形成化合物,就无法利用金属相改善陶瓷抵抗机械冲击和热震的性能。


    (3)金属相与陶瓷相的膨胀系数相差不会过大


    金属陶瓷中的金属相和陶瓷相的膨胀系数相差较大时,会造成较大的内应力,降低金属陶瓷的热稳定性。


    2. 金属陶瓷的制备方法


    金属陶瓷材料的制备方法主要包括热压法、粉末烧结法及浸渍法,具体过程如下图3所示。


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    图3 金属陶瓷材料制备方法工艺流程图


    3. 金属陶瓷的分类


    3.1 氧化物基金属陶瓷


    氧化物基金属陶瓷是以氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍等为基体,与金属钨、铬或钴复合而成,具有耐高温、抗化学腐蚀、导热性好、机械强度高等特点。这里介绍一下Al2O3-Cr系金属陶瓷。


    Cr与Al2O3之间的润湿性并不好,但金属铬粉表面容易生成一层致密的Cr2O3,因此可通过形成Al2O3-Cr2O3固溶体来降低他们之间的界面能,改善润湿性。为了使金属铬部分氧化,工艺上常采取的措施有:烧结气氛中引入微量的水汽或氧气、配料中使用一部分Al(OH)3代替氧化铝、在配料中用一部分氧化铬代替金属铬等。Al2O3-Cr金属陶瓷所用原料是纯度为99.5%的α-Al2O3和纯度为99%的电解Cr粉,将Al2O3和Cr粉共同干磨或湿磨至必须的粒度组成,其可以用任何一种成型方法成型。


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    图4 金属陶瓷热电偶保护套


    3.2 碳化物基金属陶瓷


    碳化物基金属陶瓷。以碳化钛、碳化硅、碳化钨等为基体,与金属钴、镍、铬、钨、钼等金属复合而成,具有高硬度、高耐磨性、耐高温等特点。这里介绍一下碳化钛(TiC)基金属陶瓷。


    碳化钛(TiC)具有高熔点、高硬度和高弹性模量以及良好的抗热震性和化学稳定性,且其高温抗氧化性能仅低于碳化硅。碳化钛是硬质合金的重要原料,因此在结构材料中作为硬质相而被广泛用作制作耐磨材料、切削刀具材料、机械零件等碳化钛基金属陶瓷,是一种由金属或合金同碳化钛陶瓷相所组成的非均质的复合材料,它既保持有陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性,又有较好的金属韧性,正是由于这些优良的物理化学性能使得碳化钛基金属陶瓷备受关注。


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    图5 氮化钛基金属陶瓷钢结硬质合金棒


    3.3 碳氮化钛基金属陶瓷


    1956年美国福特汽车公司发现在TiC-Ni基金属陶瓷中加入Mo后,可以改善Ni对TiC的润湿性,大大提高合金强度。1971年Kieffer等人发现在TiC-Mo-Ni系金属陶瓷中添加TiN,不仅可显著细化硬质相晶粒,改善金属陶瓷的室温和高温力学性能,而且还可大幅度地提高金属陶瓷的高温耐腐蚀和抗氧化性能,因此国内外对碳氮化钛基[Ti(C,N)]金属陶瓷非常重视,进行了深入系统的研究。自20世纪80年代以来,Ti(C,N)基金属陶瓷获得了迅速的发展,世界各国硬质合金生产厂家先后推出了系列的Ti(C,N)基金属陶瓷刀具。30多年来,随着粉末冶金技术的发展,成分的演化趋于稳定,烧结技术不断更新,粉末粒径不断细化,Ti(C,N)基金属陶瓷发展到一个比较成熟的阶段。在日本,近年来Ti(C,N)基金属陶瓷材料已占可转位刀片的30%,我国在“八五”期间也研制了多种Ti(C,N)基金属陶瓷刀具,而有部分上市产品,但性能欠稳定。进入21世纪,诸多企业和科研院所加大了研究力度,取得了长足进步,但与国际先进水平仍有一定差距。


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    图6 Ti(C,N)基金属陶瓷结构件


    3.4 三元硼化物金属陶瓷


    硼化物陶瓷是间隙相化合物,硼和硼之间可形成多种复杂的共价键,同时,硼又与许多金属原子可形成离子键,这一特点决定了硼化物具有高熔点、高硬度、高耐磨性和高抗腐蚀性能,因此被广泛应用于硬质合金材料、耐磨材料、耐腐蚀材料及耐磨耐蚀的机械零件。在硼化物陶瓷材料中,TiB2、ZrB2和CrB2等二元硼化物因其性能优异而被认为是最有希望得到广泛应用的硼化物陶瓷,但由于TiB2等二元硼化物陶瓷和金属基体容易发生强烈的化学反应,会导致烧结性能恶化。经过多年研究,其实用化程度虽然在不断提高,但是与普通的碳化物基硬质合金相比,这类硬质材料的强度及断裂韧性值低,用作结构材料还存在很多问题。


    直到上世纪80年代,日本开发了一种称为原位反应液相烧结三元硼化物的新型烧结工艺,成功地研制出了Mo2FeB2、Mo2NiB2、WCoB等三种三元硼化物基金属陶瓷。其中以Mo2FeB2为陶瓷相的材料具有很好的耐磨性;以Mo2NiB2为陶瓷相的材料有很高的耐腐蚀性;以WCoB为陶瓷相的材料有很好的高温性能。


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    图7 耐磨耐腐蚀金属陶瓷管道


    我国在近几年才开始研究三元硼化物金属陶瓷,目前主要集中对结构、性能和制备的研究,在工业领域的实际应用方面的研究还有待进一步深入。目前存在的问题主要包括:


    (1)由于三元硼化物金属陶瓷主要以钼粉、硼铁合金粉以及镍粉、铬粉为主要原料,生产成本高;


    (2)所制备的三元硼化物金属陶瓷性能的可靠性和重现性差。


    4. 金属陶瓷的应用


    (1)切削加工领域


    金属陶瓷刀具都具有高的硬度、红硬性和耐磨性、在高速切削和干切削时表现出优异的切削性能,在相同的切削条件下,金属陶瓷刀具的耐磨性远远高于普通硬质合金。


    (2)航天航空工业方面


    从20世纪50年代开始,人们就开始了TiC-Ni系金属陶瓷在喷气发动机的叶片用高温材料的研究,但在烧结时由于镍不能完全润湿TiC,发生TiC颗粒聚集长大,导致材料的韧性很差,结果未达到作耐热材料使用的目的。TiC本身具有高硬度、高熔点、低比重、好的热稳定性,而金属铜具有优异的导电、导热性能和良好的塑性,有TiC和金属铜组成的TiC/Cu复合材料综合了两者的优异性,具有作为导电、导热材料、耐磨材料及火箭喉衬用材料的应用价值。


    (3)其他方面的应用


    金属陶瓷复合涂层能改变金属基体外表面的外貌、结构和化学组成,并赋予基体新的性能。金属陶瓷复合涂层既有金属的强度和韧性,又有陶瓷的耐高温等优点,是一种优异的复合材料,它已成功地应用航天、航空、国防、化工、机械、电力和电子等工业。


    内衬金属陶瓷复合管具有比内衬陶瓷复合管更优异的性能。用自蔓延高温合成法离心铸造合成内衬陶瓷,可以作为抗腐蚀管道用于石油或化工产物、半产物的运输,也可作为抗磨管道用于矿山,选矿厂作矿浆运输管道,还可用于多泥砂水的输水管道等。


    参考文献


    [1] 胡慧, 许育东。 金属陶瓷复合材料的应用及市场分析[J]. 金属功能材料, 2013(2):36-39.


    [2] 刘玥。 新型Ti(C,N)基复合金属陶瓷刀具及其高温抗弯强度研究[D]. 山东大学, 2015.


    [3] 吴中杰。 固相烧结法制备金属陶瓷及其在催化和分离领域中的应用研究[D]. 天津大学, 2015.


    部分资料来源网络。

 

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标签: 金属陶瓷, 材料, 特点, 制备方法

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