金屬陶瓷 (2)

1、金屬陶瓷 化學(xué)1101 吳曉烽 目錄 概念 優(yōu)點 結(jié)構(gòu)和性能 制備 類型 應(yīng)用 概念： 一種由金屬或合金同一種或幾種陶瓷相 組成的非均質(zhì)復(fù)合材料,其中后者約占 15%85%,同時,在制備溫度下,金屬和陶 瓷相間溶解度是很小的 (1) 金屬或合金+1種以上陶瓷。 (2)非均質(zhì)復(fù)合材料。 (3)陶瓷占15%85%。 (4) 制備溫度下，兩相間的溶解度很小 金 屬 陶 瓷 高 強 度 化 學(xué) 穩(wěn) 定 性 可 塑 性 金 屬 韌 性 抗 氧 化 耐 高 溫 高 硬 度 耐 磨 損 TiC 碳化鈦 Co/Ni 鈷/鎳 Mo2C/WC 碳化鉬/碳 化鎢 硬度 耐磨性 燒結(jié)性 熱沖擊 硬度 TiN/Ti(C

2、,N) 氮化鈦/碳氮 化鈦 (Ta, Nb)C 碳化鉭鈮 金屬 陶瓷 金屬基金屬陶瓷是在金屬基體中加入金屬基金屬陶瓷是在金屬基體中加入 氧化物細(xì)粉制得氧化物細(xì)粉制得 ，又稱彌散增強材，又稱彌散增強材 料料 。主要有燒結(jié)鋁。主要有燒結(jié)鋁(鋁鋁-氧化鋁氧化鋁) 、燒、燒 結(jié)鈹（鈹結(jié)鈹（鈹-氧化鈹）、氧化鈹）、TD鎳（鎳鎳（鎳-氧化氧化 釷）等釷）等，金屬相主要是過渡元素，金屬相主要是過渡元素(鐵、鐵、 鈷、鎳、鉻、鎢、鉬等）及其合金。鈷、鎳、鉻、鎢、鉬等）及其合金。 制備工藝 粉末冶金 法 疊層復(fù)合 法 浸滲法 熔體攪拌 法 金屬陶瓷 共沉積法 粉末冶金法：把陶瓷增強體粉末與金屬粉末充分混合均勻以

3、后進(jìn)行粉末冶金法：把陶瓷增強體粉末與金屬粉末充分混合均勻以后進(jìn)行 冷壓燒結(jié)，熱壓燒結(jié)或者熱等靜壓。（對于一些易于氧化的金屬，冷壓燒結(jié)，熱壓燒結(jié)或者熱等靜壓。（對于一些易于氧化的金屬， 燒結(jié)時通入惰性保護(hù)氣體進(jìn)行氣氛燒結(jié)）燒結(jié)時通入惰性保護(hù)氣體進(jìn)行氣氛燒結(jié)） 熔體攪拌法：將制備好的陶瓷增強體顆?；蚓ы氈鸩交旌先霗C械或熔體攪拌法：將制備好的陶瓷增強體顆?；蚓ы氈鸩交旌先霗C械或 電磁攪拌的液態(tài)或半固態(tài)金屬熔體中冷卻形成胚錠的過程。（制備電磁攪拌的液態(tài)或半固態(tài)金屬熔體中冷卻形成胚錠的過程。（制備 過程對對設(shè)備的要求較低，生產(chǎn)制備工藝相對簡單）過程對對設(shè)備的要求較低，生產(chǎn)制備工藝相對簡單） 金屬陶瓷共沉

4、積法：將液態(tài)金屬通過氬氣等惰性氣體霧化成金屬金屬陶瓷共沉積法：將液態(tài)金屬通過氬氣等惰性氣體霧化成金屬 液滴，金屬液滴在噴射途中與增強體陶瓷顆粒碰撞回合，共同沉液滴，金屬液滴在噴射途中與增強體陶瓷顆粒碰撞回合，共同沉 積于水冷襯底上復(fù)合形成金屬基陶瓷復(fù)合材料。積于水冷襯底上復(fù)合形成金屬基陶瓷復(fù)合材料。 疊層復(fù)合法：先將不同金屬板用擴散方法結(jié)合，然后用離子濺疊層復(fù)合法：先將不同金屬板用擴散方法結(jié)合，然后用離子濺 射或分子束外延將金屬層陶瓷層疊合成復(fù)合材料。射或分子束外延將金屬層陶瓷層疊合成復(fù)合材料。 浸滲法：把增強體做成多孔預(yù)制件，然后在壓力或者無壓的條浸滲法：把增強體做成多孔預(yù)制件，然后在壓力或

5、者無壓的條 件下將液態(tài)金屬滲入多孔預(yù)制件。件下將液態(tài)金屬滲入多孔預(yù)制件。 氧化物基金屬陶瓷。以氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化物基金屬陶瓷。以氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、 氧化鈹?shù)葹榛w，與金屬鎢、鉻或鈷復(fù)合而成，具氧化鈹?shù)葹榛w，與金屬鎢、鉻或鈷復(fù)合而成，具 有耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、導(dǎo)熱性好、機械強度高等有耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、導(dǎo)熱性好、機械強度高等 特點，可用作導(dǎo)彈噴管襯套、熔煉金屬的坩堝和金特點，可用作導(dǎo)彈噴管襯套、熔煉金屬的坩堝和金 屬切削刀具。屬切削刀具。 碳化物基金屬陶瓷。以碳化鈦、碳化硅、碳化鎢碳化物基金屬陶瓷。以碳化鈦、碳化硅、碳化鎢 等為基體，與金屬鈷、鎳、鉻、鎢、鉬等金屬復(fù)合等為基體，

6、與金屬鈷、鎳、鉻、鎢、鉬等金屬復(fù)合 而成，具有高硬度、高耐磨性、耐高溫等特點，用而成，具有高硬度、高耐磨性、耐高溫等特點，用 于制造切削刀具于制造切削刀具 、高溫軸承、密封環(huán)、撿絲模套及、高溫軸承、密封環(huán)、撿絲模套及 透平葉片。透平葉片。 氮化物基金屬陶瓷。以氮化鈦、氮化硼、氮化硅和氮化物基金屬陶瓷。以氮化鈦、氮化硼、氮化硅和 氮化鉭為基體，具有超硬性、抗熱振性和良好的高溫氮化鉭為基體，具有超硬性、抗熱振性和良好的高溫 蠕變性，應(yīng)用較少。蠕變性，應(yīng)用較少。 硼化物基金屬陶瓷。以硼化鈦、硼化鉭、硼化釩、硼化物基金屬陶瓷。以硼化鈦、硼化鉭、硼化釩、 硼化鉻、硼化鋯、硼化鎢、硼化鉬、硼化鈮、硼化鉿硼

7、化鉻、硼化鋯、硼化鎢、硼化鉬、硼化鈮、硼化鉿 等為基體，與部分金屬材料復(fù)合而成。等為基體，與部分金屬材料復(fù)合而成。 硅化物基金屬陶瓷。以硅化錳、硅化鐵、硅化鈷、硅化物基金屬陶瓷。以硅化錳、硅化鐵、硅化鈷、 硅化鎳、硅化鈦、硅化鋯、硅化鈮、硅化釩、硅化鈮、硅化鎳、硅化鈦、硅化鋯、硅化鈮、硅化釩、硅化鈮、 硅化鉭、硅化鉬、硅化鎢、硅化鋇等為基體，與部分硅化鉭、硅化鉬、硅化鎢、硅化鋇等為基體，與部分 或微量金屬材料復(fù)合而成。其中硅化鉬金屬陶瓷在工或微量金屬材料復(fù)合而成。其中硅化鉬金屬陶瓷在工 業(yè)中得到廣泛地應(yīng)用。業(yè)中得到廣泛地應(yīng)用。 切削加工領(lǐng)域的應(yīng)用 金屬陶瓷刀具都具有高的硬度、紅硬性和耐磨性、金

8、屬陶瓷刀具都具有高的硬度、紅硬性和耐磨性、 在高速切削和干切削時表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能。在高速切削和干切削時表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能。 新型碳化鈦基金屬陶瓷是近年來發(fā)展較快的一種新型碳化鈦基金屬陶瓷是近年來發(fā)展較快的一種 刀具材料，其綜合機械性能高，在相同的切削條刀具材料，其綜合機械性能高，在相同的切削條 件下，碳化鈦基金屬陶瓷刀具的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于件下，碳化鈦基金屬陶瓷刀具的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 普通硬質(zhì)合金。普通硬質(zhì)合金。 航天航空工業(yè)方面的應(yīng)用 從從20世紀(jì)世紀(jì)50年代開始，人們就開始了年代開始，人們就開始了TiC-Ni系金屬陶瓷在噴氣發(fā)動系金屬陶瓷在噴氣發(fā)動 機的葉片用高溫材料的研究，發(fā)現(xiàn)機的葉片用

9、高溫材料的研究，發(fā)現(xiàn)TiC-Ni系金屬陶瓷具有優(yōu)良的高系金屬陶瓷具有優(yōu)良的高 溫力學(xué)性能和比重低的特點。但是，在燒結(jié)時由于鎳不能完全潤濕溫力學(xué)性能和比重低的特點。但是，在燒結(jié)時由于鎳不能完全潤濕 TiC，發(fā)生，發(fā)生TiC顆粒聚集長大，導(dǎo)致材料的韌性很差，結(jié)果未達(dá)到作顆粒聚集長大，導(dǎo)致材料的韌性很差，結(jié)果未達(dá)到作 耐熱材料使用的目的。耐熱材料使用的目的。TiC本身具有高硬度、高熔點、低比重、好本身具有高硬度、高熔點、低比重、好 的熱穩(wěn)定性，而金屬銅具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和良好的塑性，的熱穩(wěn)定性，而金屬銅具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和良好的塑性， 有有TiC和金屬銅組成的和金屬銅組成的TiC/Cu復(fù)

10、合材料綜合了兩者的有異性，具有復(fù)合材料綜合了兩者的有異性，具有 作為導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料、耐磨材料及火箭喉襯用材料的應(yīng)用價值。作為導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料、耐磨材料及火箭喉襯用材料的應(yīng)用價值。 鐵鐵-鎳作為粘結(jié)相的碳化鈦復(fù)合材料由于受到高溫脆性的限制，而鎳作為粘結(jié)相的碳化鈦復(fù)合材料由于受到高溫脆性的限制，而 使其在航空方面的應(yīng)用受到了很大的限制，而研究發(fā)現(xiàn)鐵使其在航空方面的應(yīng)用受到了很大的限制，而研究發(fā)現(xiàn)鐵-硅、鐵硅、鐵- 鋁作為粘結(jié)相的碳化鈦復(fù)合材料的高溫性能大大優(yōu)于鐵鋁作為粘結(jié)相的碳化鈦復(fù)合材料的高溫性能大大優(yōu)于鐵-鎳，大大鎳，大大 提升了碳化鈦材料在航空方面的應(yīng)用實力提升了碳化鈦材料在航空方面的應(yīng)用實力

11、。 其他方面的應(yīng)用 內(nèi)襯金屬陶瓷復(fù)合管具有比內(nèi)襯陶瓷復(fù)合管更優(yōu)異的性能。內(nèi)襯金屬陶瓷復(fù)合管具有比內(nèi)襯陶瓷復(fù)合管更優(yōu)異的性能。 用自蔓延高溫合成法離心鑄造合成內(nèi)襯陶瓷，可以作為抗腐用自蔓延高溫合成法離心鑄造合成內(nèi)襯陶瓷，可以作為抗腐 蝕管道用于石油或化工產(chǎn)物、半產(chǎn)物的運輸，也可作為抗磨蝕管道用于石油或化工產(chǎn)物、半產(chǎn)物的運輸，也可作為抗磨 管道用于礦山，選礦廠作礦漿運輸管道，還可用于多泥砂水管道用于礦山，選礦廠作礦漿運輸管道，還可用于多泥砂水 的輸水管道。的輸水管道。 建材工業(yè)和采礦工業(yè)的大型粉碎機錘頭、大橋橋梁基礎(chǔ)設(shè)施建材工業(yè)和采礦工業(yè)的大型粉碎機錘頭、大橋橋梁基礎(chǔ)設(shè)施 鉆井鉆頭都需要高強度和高

12、硬度的材料，把鉆井鉆頭都需要高強度和高硬度的材料，把TiC高錳鋼結(jié)硬高錳鋼結(jié)硬 質(zhì)合金鑲鑄或焊接在耐磨構(gòu)件的工作面上，其使用壽命較工質(zhì)合金鑲鑄或焊接在耐磨構(gòu)件的工作面上，其使用壽命較工 業(yè)高錳鋼同類產(chǎn)品提高業(yè)高錳鋼同類產(chǎn)品提高510倍。倍。 （1）新材料的研究與開發(fā) 硬質(zhì)相正在向多樣化方向發(fā) 展，致力于開發(fā)新型硬質(zhì)相和復(fù)合硬質(zhì)相 作為粘結(jié)相的 金屬或者合金的種類不斷的增多以資源豐富的金屬代替資 源短缺的金屬 相成分范圍不斷地餓拓寬硬質(zhì)相和粘結(jié)相的含量不斷突破 以前的研究范圍 （2）超細(xì)晶粒和納米級金屬陶瓷 超細(xì)晶粒和納米 級金屬陶瓷比常規(guī)金屬陶瓷具有更高的強韌性、硬度、 耐磨性等綜合性能 （3

13、）梯度金屬陶瓷應(yīng)用及開發(fā) 它是一種由于組織連續(xù) 變化引起性能緩變的功能復(fù)合材料。該種材料可以應(yīng)用與 航天飛機的熱防護(hù)材料，核反應(yīng)堆的內(nèi)壁材料，汽車發(fā)動 機的燃燒室材料和梯度刀片材料等。 （4）金屬陶瓷回收再利用問題。受環(huán)境保護(hù)和資源利 用意識的影響，金屬陶瓷的回收再利用的研究在不斷 地擴大和深入，但也存在一些問題，如有些國家利用 回收再生料制造的金屬陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量低劣，所以采用 現(xiàn)代化技術(shù)和大規(guī)模生產(chǎn)模式實現(xiàn)資源的充分利用和 經(jīng)濟效益的統(tǒng)一，已經(jīng)成為金屬陶瓷發(fā)展中不可忽略 的問題。 參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)： 1曾愛香曾愛香,唐紹裘唐紹裘.金屬基陶瓷涂層的制備、應(yīng)用及發(fā)金屬基陶瓷涂層的制備、應(yīng)用及發(fā)

14、展展J.陶瓷陶瓷 研究研究,1998,13(4):7-10. 2唐紹裘唐紹裘.高性能陶瓷涂層材料、技術(shù)及應(yīng)用市場高性能陶瓷涂層材料、技術(shù)及應(yīng)用市場J.表面技表面技 術(shù)術(shù),2002,31(2):46-47. 3劉福田劉福田,李兆前李兆前,黃傳真黃傳真,等等.三元硼化物基金屬陶瓷覆層材料三元硼化物基金屬陶瓷覆層材料 及其及其 性能的研究性能的研究J.機械工程材料機械工程材料,2003,27(7):30-34. 4李志李志,曲敬信曲敬信,吳仲行吳仲行,等等.真空熔結(jié)鎳基合金涂層的組織結(jié)構(gòu)真空熔結(jié)鎳基合金涂層的組織結(jié)構(gòu) 及其及其 高溫磨損特性高溫磨損特性J.材料工程材料工程,2000,1:7-12. 5林化春林化春,丁潤剛丁潤剛.鎳基合金鎳基合金-碳化鉻復(fù)合涂層材料的研究碳化鉻復(fù)合涂層材料的研究J.機機 械工械工 程材料程材料,1995,19(6):47-49. 6趙正趙正,劉福田劉福田,張英才張英才,李文虎李文虎.真空液相燒結(jié)法制備三元硼化真空液相燒結(jié)法制備三元硼化 物硬物硬 質(zhì)合金覆