陶瓷的分類及特點70081課件

第八章

Ceramics陶瓷材料指所有無機(jī)非金屬材料。是用天然或人工合成的粉狀化合物，經(jīng)成型和高溫?zé)Y(jié)而制成的多晶固體材料。第一節(jié)概述按原料來源分：普通陶瓷、特種陶瓷普通陶瓷又稱傳統(tǒng)陶瓷。以天然硅酸鹽礦物為主要原料，如粘土、石英、長石等。主要制品有：日用陶瓷、建筑陶瓷、電器絕緣陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷。一、陶瓷材料的分類與生產(chǎn)（一）分類高強(qiáng)度陶瓷高溫陶瓷壓電陶瓷磁性陶瓷半導(dǎo)體陶瓷生物陶瓷按性能可將陶瓷分特種陶瓷可按化學(xué)組成分為氧化物陶瓷氮化物陶瓷碳化物陶瓷金屬陶瓷（硬質(zhì)合金）坯料制備通過機(jī)械或物理或化學(xué)方法制備粉料，在制備坯料時，要控制坯料粉的粒度、形狀、純度及脫水脫氣，以及配料比例和混料均勻等質(zhì)量要求。按不同的成型工藝要求，坯料可以是粉料、漿料或可塑泥團(tuán)。（二）陶瓷制品的生產(chǎn)陶瓷制品的生產(chǎn)都要經(jīng)過三個階段：坯料制備、成型、燒結(jié)8.2工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料又稱傳統(tǒng)陶瓷、粘土陶瓷。這種陶瓷以天然硅酸鹽礦物，如粘土、長石、石英等為主要原料配制、燒結(jié)而成的。主晶相為莫來石晶體（3Al2O3﹒2SiO2），占25～30％，次晶相為SiO2；玻璃相約為35～60％；氣相為1～3％。一、普通陶瓷硬度高，不會氧化生銹，不導(dǎo)電，耐1200℃高溫，加工成型性好，成本低廉。玻璃相較多，強(qiáng)度較低，在較高溫度下易軟化，故耐高溫及絕緣性不及其它陶瓷。性能特點日用陶瓷工業(yè)上主要用作絕緣的電瓷絕緣子和耐酸、堿的容器、反應(yīng)塔管道等，還可用于受力不大，工作溫度在200℃以下的結(jié)構(gòu)零件。應(yīng)用氧化鋁陶瓷的強(qiáng)度高，是普通陶瓷的2～6倍，抗拉強(qiáng)度可達(dá)250MPa；耐磨性好，硬度次于金剛石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅，居第5；耐高溫性能好，剛玉陶瓷可在1600℃下長期工作，在空氣中的最高使用溫度達(dá)1980℃；耐蝕性和絕緣性好；脆性大，抗熱振性差，不能承受環(huán)境溫度的突然變化。主要用于制作內(nèi)燃機(jī)火花塞，火箭、導(dǎo)彈的導(dǎo)流罩，石油化工泵的密封環(huán)，耐磨零件，如軸承、紡織機(jī)上的導(dǎo)紗器，合成纖維用的噴嘴等，作冶煉金屬用的坩堝等。以Si3N4為主要成分；按生產(chǎn)工藝不同，分為熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷和反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷；熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷以Si3N4粉為原料，加入少量添加劑，裝入石墨模具中，在1600～1700℃高溫和20～30MPa的高壓下燒結(jié)成型，得到組織致密，氣孔率接近0的氮化硅陶瓷。因受石墨模具所限制，只能加工形狀簡單的制品。（二）氮化硅陶瓷硬度高，摩擦系數(shù)小（0.1～0.2），有自潤滑性，是極優(yōu)的耐磨材料；蠕變抗力高，熱脹系數(shù)小，抗熱振性能在陶瓷中是最好的；化學(xué)穩(wěn)定性好，除氫氟酸外，能耐各種酸、王水和堿液的腐蝕，也能抗熔融金屬的侵蝕；因氮化硅是共價鍵晶體，既無自由電子也無離子，具有優(yōu)異的電絕緣性能。性能特點反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷主要用于耐磨、耐高溫，耐腐蝕，形狀復(fù)雜且尺寸精度高的制品。如石油化工泵的密封環(huán)、高溫軸承、熱電偶套管、燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子葉片等；熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷用于制造形狀簡單的耐磨、耐高溫零件和工具。如切削刀具、轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)刮片、高溫軸承等。應(yīng)用主晶相SiC，有反應(yīng)燒結(jié)和熱壓燒結(jié)兩種碳化硅陶瓷；高溫強(qiáng)度高，工作溫度可達(dá)1600～1700℃1400℃時，抗彎強(qiáng)度為500～600MPa；有很好的導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性、抗蠕變能力、耐磨性、耐蝕性，且耐輻射；是良好的高溫結(jié)構(gòu)材料，主要用于制作火箭噴管的噴嘴，澆注金屬的澆道口、熱電偶套管、爐管，燃?xì)廨喨~片，高溫軸承，熱交換器及核燃料包封材料等。（三）碳化硅陶瓷氮化硼陶瓷常用于制作熱電偶套管，熔煉半導(dǎo)體、金屬的坩堝和冶金用高溫容器和管道，高溫軸承，下班制品成型模，高溫絕緣材料；因BN中含wB=43%，有很大的吸收中子的截面，可作核反應(yīng)堆中吸收熱中子的控制棒。不同種類的特種陶瓷，各具不同的優(yōu)異性能，但作為主體結(jié)構(gòu)材料，其共同的弱點是：塑性、韌性差，強(qiáng)度低氧化鎂陶瓷氧化鋯陶瓷氧化鈹陶瓷8.3金屬陶瓷以金屬氧化物或碳化物為主要成分，加入適量的金屬粉末，通過粉末冶金的方法制成的，具有某些金屬性質(zhì)的陶瓷。金屬陶瓷是金屬切削刀具、模具和耐磨零件的重要材料。（一）粉末冶金法的基本工藝過程包括粉末制取、配料、粉料混合等步驟。粉末的純度、粒度、混合的均勻程度等對粉末冶金制品的質(zhì)量有重要影響。粉末愈細(xì)、愈均勻、純度愈高，陶瓷的性能愈好。１.粉末制備多采用冷壓法，即將粉料裝入模具型腔內(nèi)，在壓力機(jī)下壓制成致密的具有一定強(qiáng)度的坯體。為了改善粉末的可塑性和成型性，通常在粉料中會加入一定比例的增塑劑，如汽油橡膠溶液、石蠟等。2.壓制成型將壓制成型的坯體放入通過保護(hù)氣氛的高溫爐或真空爐中進(jìn)行燒結(jié)，在保持至少一種組元仍處于固態(tài)的燒結(jié)溫度下，長時間保溫，通過擴(kuò)散、再結(jié)晶、化學(xué)反應(yīng)等過程，獲得與一般合金相似的組織，并存在一些微小的孔隙的粉末冶金制品。3.燒結(jié)為改善或得到某些性能，有些粉末冶金制品在燒結(jié)后還要進(jìn)行后處理加工。如齒輪、球面軸承等在燒結(jié)后再進(jìn)行冷擠壓，以提高其密度、尺寸精度等；鐵基粉末冶金零件進(jìn)行淬火處理，以提高硬度等等。4.后處理加工（二）粉末冶金的應(yīng)用減摩材料含油軸承利用粉末冶金材料的多孔性，將材料浸在潤滑油中，在毛細(xì)力作用下，可吸附大量潤滑油（一般含油率達(dá)12～30％），從而減摩。常用含油軸承材料有鐵基（Fe+石墨、Fe+S+石墨）和銅基（Cu+Sb+Pb+Zn+石墨）結(jié)構(gòu)材料用碳鋼或合金鋼的粉末為原料，采用粉末冶金方法制造結(jié)構(gòu)零件。這種零件的精度較高、表面光潔，不須或少須切削加工即為成品零件。高熔點金屬材料

W、Mo、WC、TiC等金屬及金屬化合物熔點高（＞2000℃），用熔煉和鑄造方法生產(chǎn)較難，且不易保證其純度和冶金質(zhì)量。這些材料可以通過粉末冶金生產(chǎn)，如各種金屬陶瓷、鎢絲及Mo、Ta、Nb等難熔金屬和高溫合金。特殊電磁性能材料如硬磁材料、軟磁材料，多孔過濾材料，假合金材料二、金屬陶瓷硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是金屬陶瓷的一種，它是以金屬碳化物（WC、TiC、TaC等）為基體，再加入適量的金屬粉末（如Co、Ni、Mo等）作為粘結(jié)劑制成的，具有金屬性質(zhì)的粉末冶金材料。Co基體WC（一）硬質(zhì)合金的性能特點高硬度、高熱硬性、耐磨性好（主要特點）因以碳化物為骨架，常溫下硬度69～81

HRC，熱硬性達(dá)900～1000℃，作為切削刀具，其耐磨性、壽命和切削速度比高速鋼顯著提高。力學(xué)性能抗壓強(qiáng)度高（6000MPa），抗彎強(qiáng)度低（只有鋼的1/3～1/2），彈性模量高（是高速鋼的2～3倍），韌性差（約為淬火鋼的30～50％）耐蝕性、抗氧化性好，熱脹系數(shù)比鋼低因抗彎強(qiáng)度低、脆性大、導(dǎo)熱性差，故在加工、作用過程中要避免沖擊和溫度急劇變化；硬度高，無法進(jìn)行切削加工，可采用電加工（電火花、線切割）和專門砂輪磨削加工。（二）硬質(zhì)合金的分類、編號和應(yīng)用常用硬質(zhì)合金按成分和性能特點分為三類鎢鈷類硬質(zhì)合金鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金通用硬質(zhì)合金1.分類與編號鎢鈷類硬質(zhì)合金由WC和Co組成代號：YG×

YG－“硬”、“鈷”，×－鈷的含量。如：YG6表示wCo=6%，余量為WC的鎢鈷類硬質(zhì)合金鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金由WC、TiC和Co組成代號：YT×

YT－“硬”、“鈦”，×－TiC含量如：YT15表示wTiC=15%，余量為WC和Co的鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金在硬質(zhì)合金中，WC越多，Co越少，則硬度、熱硬性及耐磨性越高，但強(qiáng)度及韌性越低。當(dāng)Co含量相同時，含TiC的硬質(zhì)合金硬度、耐磨性高，且因合金表面有一層TiO薄膜，切削時不易粘刀，熱硬性高；但強(qiáng)度和韌性比鎢鈷類硬質(zhì)合金低。通用硬質(zhì)合金添加TaC或NbC取代部分TiC代號：YW×

YW－“硬”、“萬”；×－順號熱硬性高（>1000℃），其它性能介于上兩類之間。既可加工鋼材，又能加工鑄鐵和有色金屬，故稱通用或萬能硬質(zhì)合金。主要用于制造切削刀具、冷作模具、量具和耐磨零件。鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具主要用來切削加工脆性材料，如鑄鐵、有色金屬、膠木及其它非金屬材料；鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金主要用來切削加工韌性材料，如各種鋼。含Co量多的硬質(zhì)合金韌性好，適宜粗加工，含Co量少的適于精加工。通用硬質(zhì)合金既可切削脆性材料，亦可加工韌性材料2.應(yīng)用（三）鋼結(jié)硬質(zhì)合金以一種或幾種碳化物（WC、TiC）為硬化相，以合金鋼（高速