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金属陶瓷有多“硬核”?    众所周知,金属具有较好的韧性和力学性能,但高温下化学稳定性较差,易氧化。陶瓷能够耐高温,化学稳定性好,但脆性大,抗机械冲击能力差。金属陶瓷作为一种高温复合材料,其性能也是相当“硬核”,它兼顾了金属的高韧性、可塑性和陶瓷的高熔点、耐腐蚀和耐磨损等特性,在航空航天、温度测量、核能及加工制造等领域中拥有广阔的欧洲盘前景。

可以说,金属陶瓷是一种具有金属和陶瓷综合性能的先进高温结构材料,目前具体的欧洲盘对象主要包括高温耐磨部件、测温元件、高温涂层、高速切削刀具、冲压模具等。


定义


金属陶瓷属于一种高温复合材料,与金属基复合材料和陶瓷基复合材料既有联系又有区别,很难精确界定。有研究者给出的金属陶瓷的定义是:由一种金属或合金与一种或几种陶瓷组成的非均质复合材料,其中陶瓷占15%~85%(体积分数),在制备温度下金属和陶瓷之间的溶解度较小,彼此之间不发生化学反应,或仅限于表面发生轻微的化学反应和扩散渗透。此外,有相关工作者把“硬质合金”归入“金属陶瓷”中,从材料组成来看,这种观点也有一定道理。

金属陶瓷的制备原则


为了更好地弥散分布并与金属结合,金属陶瓷中的非金属相(陶瓷)通常是近于等轴状的细颗粒,粒度一般为1-100μm。而金属陶瓷制备成功与否,取决于在制备过程中能否生成一种对其陶瓷、金属组元都能润湿结合的“粘结剂”,并且这种“粘结剂”能够与陶瓷通过扩散生成有限固溶体。若“生成的粘结剂”与陶瓷发生强烈的化学反应,则会产生不良后果,造成材料性能降低,因为反应生成的通常是脆性的金属间化合物。在烧结制备过程中,以下4种因素对金属陶瓷的性能有决定性影响:

1)金属和陶瓷的物理化学性质,包括膨胀系数、导热系数、弹性模量和金属材料的塑性等;

(2)金属润湿陶瓷的程度;

(3)金属与陶瓷的相和组织结构特征,包括相分布、晶粒尺寸与形状以及相的连续性等,相似的晶体结构、晶格常数和键合类型有助于形成固溶体;

(4)高温制备过程中金属与陶瓷间的反应程度。


分类及欧洲盘


根据金属陶瓷中主要非金属相的种类,金属陶瓷可分为五种类型:氧化物基、碳化物基、碳氮化物基、硼化物基和含有石墨或金刚石状碳的金属陶瓷。


1、氧化物基金属陶瓷


(1)Al2O3基金属陶瓷


Al2O3基金属陶瓷可用作切削工具,适于高速切削。用Cr作金属组分的Al2O3基金属陶瓷比Al2O3陶瓷机械强度高,并随组成中Cr含量增加,抗折和抗张强度有所增加。采用Cr-Mo合金效果更好,可在许多高温条件下欧洲盘。例如作为喷气火焰控制器、导弹喷管的衬套、熔融金属流量控制针、“T”形浇口、炉管、火焰防护杆以及热电偶保护套管和机械密封环等。Al2O3-Fe基金属陶瓷硬度高、耐磨、耐腐蚀、热稳定性高,广泛用作机械密封环,以及农用潜水泵机械密封用,另外还可以在要求耐高温、导热、导电场合下作为高温部件用。该环使用寿命长,而且不会因临时启动产生大量的热而使环破碎。


(2)ZrO2基金属陶瓷


ZrO2基金属陶瓷是另一种能用金属粘结的陶瓷,可以制成有用的耐火材料。用5%~10%原子浓度的Ti粘结的ZrO2基金属陶瓷,可以制成适用于制造稀有和活性金属的坩埚材料。



(3)其它氧化物基金属陶瓷


BeO基金属陶瓷用W作粘结金属,其热抗热震性较好,在较高温度下才软化,这种材料以用来制作坩埚。由W或Mo作粘结金属的ThO2基金属陶瓷,可以制成许多用于电子工业的产品。由Al、不锈钢或W粘结的可裂变的UO2组成的金属陶瓷可用作为核反应堆堆芯的燃料元件。这种金属陶瓷可以较好地抑制裂变产物,导热性好,从而可防止在高温工作时熔化。


2、碳化物基金属陶瓷


(1)WC基金属陶瓷


WC基金属陶瓷是碳化物基金属陶瓷中研究最多、欧洲盘最广的一类金属陶瓷。迄今,能保证材料高机械性能的最好的结构组合和原子间相互作用的古典示例,仍然是WC-Co基金属陶瓷。因为它们在20℃时相组元的结构参数相接近,并且Co的高温变态是通过孪生法从面心立方晶格转变到六方晶格。这种转变是由Co排列缺陷的低能量引发的,在Co内产生强烈的位错分裂,从而保证高的屈服极限。


(2)TiC基金属陶瓷


在碳化物基金属陶瓷中,除WC外,以TiC为基的金属陶瓷也研究得相当成熟,其欧洲盘也很广。由于TiC陶瓷的熔点(3250℃)高于WC(2630℃)、耐磨性好、密度只有WC的1/3,抗氧化性远优于WC,而且都能被Co润湿,可用来替代目前广泛使用在切削刀具工业中的WC-Co基金属陶瓷而大大降低成本,因而引起了人们的极大兴趣。


(3)Cr3C2基金属陶瓷


以Cr3C2为主要组分,用Ni、Ni-Cr或Ni-W作粘结金属的金属陶瓷具有密度低、耐磨、耐腐蚀性好、热膨胀系数低、高温抗氧化性好等一系列优良的性能,从而在工具方面和化学工业中得到了欧洲盘。可以用作盐水捕鱼杆导圈、抗热盐水腐蚀与磨损的轴承与密封材料、块规、千分尺接头和其它测量工具、黄铜挤压模具、高温轴承、制造油井阀门的阀球等。


3、碳氮化物基金属陶瓷


Ti(C,N)基金属陶瓷是在TiC基金属陶瓷基础上发展起来的一种具有高硬度、高强度、优良的高温和耐磨性能、良好的韧性以及密度小、导热率高的新型金属陶瓷。其主要成分是TiC-TiN,以Co-Ni为粘结剂,以其它碳化物为添加剂,如WC,Mo2C,(Ta,Nb)C,Cr3C2,VC等。


目前,Ti(C,N)基金属陶瓷欧洲盘于加工领域已成现实,以制成各种微型可转位刀片,用于精镗孔和精孔加工以及“以车代磨”等精加工领域,且由于Ti(C,N)基金属陶瓷有低密度、低摩擦系数、高耐磨性、良好的耐酸碱腐蚀性能和稳定的高温性能,还可用于:各类发动机的高温部件,如小轴瓦、叶轮根部法兰、阀门、阀座、推杆、摇臂、偏心轮轴、热喷嘴以及活塞环等;也可用于石化工业中各种密封环和阀门,还适合作各种量具,如滑规、塞规、环规。

4、硼化物基金属陶瓷


(1)TiB2基金属陶瓷


由于TiB2陶瓷具有某些独特的物理化学性能,例如:高温硬度极高、密度和电阻率低、弹性模量高、热传导性好、与金属的粘着性和摩擦系数低、抗氧化性高、化学稳定性好等,因而被认为是制造新一代金属陶瓷的很有发展前途的硬质相。


(2)ZrB2基金属陶瓷


用质量分数0.02~0.05的B粘结ZrB2的ZrB2基金属陶瓷可以在极高温度下使用,包括燃烧室、火箭发动机和喷气发动机的反应系统。用质量分数0.15的SiC和ZrB2反应,这种固结的金属陶瓷可进一步增强ZrB2的抗氧化性,能经受得住1900~2500℃范围内的氧化环境。这种金属陶瓷可欧洲盘于处理熔融金属的系统,如在压铸机上压铸液态合金所用泵的叶轮和轴承;雾化金属粉末用的喷嘴以及与熔融活性金属或蒸气接触的炉子零部件。


5、含石墨或金刚石状碳的金属陶瓷


制造电触头用的石墨-金属组合物材料可用于:电动机和发动机的金属电刷,其金属相为铜或青铜;较低摩擦速度和低接触压力下的滑动触头,金属相为银。此外,这类材料还广泛用来制造制动器衬面和离合器衬片。在金属基体内加入从粗的碎片到细的粉末状金刚石组成的金属陶瓷,可制造研磨、抛光、锯开、切割、修整和整形工具。


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