第9章-金属陶瓷.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,9,章 金属陶瓷,一,.,金属陶瓷的定义和制造方法,1.,金属陶瓷的定义,美国,ASTM C-21,委员会,金属陶瓷,B,组给出的定义是,:,“,一种由金属或合金同一种或几种陶瓷相所组成的非均质的复合材料。,”,ASTM,金属陶瓷研究委员会给出的定义是,:,“,一种由金属或合金同一种或几种陶瓷相所组成的非均质复合材料,其中后者约占,15-85%(,体积,),在制备温度下,金属和陶瓷相之间的溶解度相当小,”,。,金属陶瓷单圈型电位器,按我国的国家标准,GB3500-83,的定义,:,“,由至少一种金属相和至少一种通常为陶瓷性质的非金属相组成的烧结材料。,”,按照这一定义,弥散强化材料、烧结摩擦材料、含石墨或氧化物、碳化物的电触头材料等都属于金属陶瓷。,2.,金属陶瓷的组成类型,金属陶瓷分为以陶瓷为基质和以金属为基质两类。陶瓷基金属陶瓷主要有：,氧化物基金属陶瓷。以,Al,2,O,3,、,ZrO,2,、,MgO,、,BeO,等为基体,与金属,W,、,Cr,或,Co,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,可用作导弹喷管衬套、熔炼金属的坩埚和金属切削刀具。,碳化物基金属陶瓷。以,TiC,、SiC,、,WC,等为基体,与,Co,、,Ni,、,Cr,、,W,、,Mo,等金属复合而成,具有高硬度、高耐磨性、耐高温等特点,用于制造切削刀具、高温轴承、密封环、拉丝模套及叶片。,氮化物基金属陶瓷。以,TiN,、,BN,、,Si,3,N,4,和,TaN,为基体,具有超硬性、抗热振性和良好的高温蠕变性,应用较少。,金属陶瓷材料类型,5.,金属陶瓷的制备工艺,以工业纯金属氧化物、合成碳化物、氮化物、硼化物和金属或合金粉末为原料,放在高硬材料作研磨体的球磨筒内,用无水乙醇作介质,研磨成粒径,5m,的细粉。,金属陶瓷的制备工艺,金属陶瓷的成型方法有,:,(1),注浆成型。在细粉中加入少量阿拉伯树胶作为粘结悬浮剂,于石膏模内注浆成型。,(2),干压成型。在细粉中加入适量的油酸作为润滑结合剂,在,100-200MPa,下于合金模具内成型。,(3),挤压成型。在细粉中加入一定量的糊精、工业糖浆及油酸作为有机粘结剂,用真空挤泥机挤压成型。,(4),轧膜成型。在细粉中加入聚乙烯醇溶液作为粘结剂,于轧膜机上轧成,0.5-1mm,薄片。,(5),等静压成型。把细粉放在橡胶,(,或塑料,),模内,在等静压机上于,200-300MPa,下进行压制成型。,(6),热压成型。产品成型与烧结同时进行,即将细粉放在石墨模内通保护气氛的碳管热压炉中热压烧结,(,成型,),。,机械、电子、纺织、化工、手表行业的各种标准、,非标准硬质合金，切削、铣削、立铣刀具,二,.,金属陶瓷刀具材料的研究概况,根据金属陶瓷中主要非金属相的种类,金属陶瓷刀具材料可分为如下几种,:,1.,氧化物基金属陶瓷,Al,2,O,3,基金属陶瓷材料可用作高速切削刀具,用,Cr,作金属组分的,Al,2,O,3,基金属陶瓷的抗弯强度比,Al,2,O,3,陶瓷高,并随组成中,Cr,含量的增加,其抗弯强度有所增加。采用,Cr-Mo,合金效果更好,可在高温条件下应用。分别有,:,Al,2,O,3,-,金属陶瓷刀具、,Al,2,O,3,-,金属,-,碳化物,(,氮化物,),陶瓷刀具和,Al,2,O,3,-,金属,-,碳氮化物陶瓷刀具,这种刀具具有优良的耐热性、导热性、高的强度、韧性与红硬性,切削性能优良,最适合切削加工高硬度淬火钢、高强度优质钢、不锈钢以及各种合金钢和碳钢。,切削刀具材料,氧化物基金属陶瓷刀具,2.,碳化物基金属陶瓷,WC,基金属陶瓷是迄今为止能保证材料高力学性能的最好结构组合和原子间相互作用的经典示例。在碳化物基金属陶瓷中,除,WC,外,TiC,基金属陶瓷的研究相当成熟,其应用也很广,其金属相有,:Ni,、,Ni-Mo,、,Ni-Mo-Al,、,Ni-Cr,、,Ni-Co-Cr,等。,TiC-Co,TiC-Ni,TiC-Cr,等金属陶瓷可做成切削刀具、高温轴承、量具、块规等,;,由于,TiC,陶瓷的熔点,(3250),高于,WC(2630),、耐磨性好、密度只有,WC,的,抗氧化性远优于,WC,且都能被,Co,润湿,可用来替代目前广泛使用的,WC-Co,基金属陶瓷而大大降低成本,故引起了人们的极大兴趣。,以,Cr,3,C,2,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,在工具方面和化工中得到应用。,3.,碳氮化物基金属陶瓷,Ti(C,N),基金属陶瓷是近年来发展较快的一种刀具材料,它是在,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刀具材料。此类刀具材料的力学性能介于,WC,基硬质合金刀具与陶瓷刀具之间,在加工范围上也刚好填补了两者之间的空白。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,MoC,(Ta,Nb)C,Cr,3,C,2,VC,等。,Ti(C,N),基金属陶瓷的力学性能可在一定的范围内调整。,由于加入了各种碳化物添加剂,并以,Co-Ni,为粘结剂,大大改善了金属陶瓷的综合力学性能。加入一定量的高熔点,TaC,、,NbC,可改善合金的抗塑性变形能力,VC,可提高合金的抗剪强度,改善合金的力学性能。,MoC,可提高,Co-Ni,粘结剂的强度,并在碳化物、氮化物和粘结剂之间起连接作用。在相同的切削条件下,Ti(C,N),基金属陶瓷刀具的耐磨性远远高于,WC,基及涂层金属陶瓷。,4.,硼化物基金属陶瓷,硼化物基金属陶瓷是在,20,世纪,80,年代后期开始研究的金属硼化物,具有高的导热率和高温稳定性。,TiB,2,在温度超过,1l00,时力学性能超过其它所有陶瓷材料,(,金刚石、立方氮化硼、碳化物、碳氮化物,),。硼化物基金属陶瓷用于非常耐热和耐蚀的条件下,如在与活性热气体和熔融金属接触的领域。可用来粘结硼化物的金属有,Fe,、,Ni,、,Co,、,Cr,、,Mo,、,B,或者它们的合金。,目前在,TiB,2,基金属陶瓷中,研究较多的是,TiB,2,-Fe,、,TiB,2,-FeMo,、,TiB,2,-Fe-Cr-Ni,等金属陶瓷；因而,TiB,2,基金属陶瓷被认为是制造新一代金属陶瓷很有发展前途的硬质相。,三,.,金属陶瓷刀具材料的增韧机理,陶瓷材料的增韧方法有多种,除了结构陶瓷中常用的颗粒增韧、晶须纤维增韧、相变增韧外,采用延性相增韧是最有希望的增韧方法。金属增韧的陶瓷基复合材料的延性金属在陶瓷基体中的形态有弥散颗粒、连续或部分连续的网以及纤维或板片。金属增韧相的形态对复合材料的力学性能有明显影响,对于弥散颗粒增韧陶瓷材料,它具有良好的各向同性、组织均匀性、抗氧化性和抗高温蠕变抗力,但由于增韧颗粒的尺寸较小,裂纹扩展时只能发生较小的塑性变形,与其它两种增韧方法比,对韧性的贡献较小。,金属相在陶瓷材料中的主要增韧机理有裂纹桥接、裂纹偏转、裂纹屏障等几种机制。研究表明,其主要增韧机制是裂纹桥接,裂纹在陶瓷基复合材料中扩展时,随着裂纹的张开,金属相受拉应力,直至断裂,金属相发生塑性变形并消耗很多能量,从而提高断裂韧性。相界的结合强度将导致较高的有效形变力和较低的塑性变形,断裂韧性的增加较小,;,相界面的局部分离导致较低的形变力和较大的塑性变形,增韧贡献大,;,相界面结合太弱,将导致金属相和基体相的全部脱离,金属相几乎不发生塑性变形,对材料的强度和韧性均不利。当金属相为颗粒时,经常发生金属颗粒在裂纹面被拔出,;,当金属相为网状、片状和纤维状时不易发生金属相和基体的脱离,此时较弱的界面结合强度有利于界面局部分离,提高断裂韧性。,延性相对裂纹表面的桥接作用对脆性陶瓷材料有明显的增韧效果,要充分发挥桥接增韧,必须以增韧相在断裂之前发生大规模塑性变形为前提。对延性颗粒增韧的复合材料必须满足下列条件才能取得满意的增韧效果,:,适当的相界面结合强度；基体与增韧相的线膨胀系数和和弹性模量相匹配,避免产生裂纹；选择适当的金属增韧相,研究表明增韧相具有较低的屈服强度有利于增韧效果的发挥；控制界面反应程度,改善金属相与陶瓷的相容性。,四,.,金属陶瓷刀具材料的发展趋势,虽然金属陶瓷材料制作的刀具硬度高、耐磨损且具有高的高温抗软化能力和抗氧化能力,但也存在抗破损性能差及韧性低脆性大等问题。因此,长期以来对金属陶瓷刀具进行增韧,一直是材料科学工作者努力的方向。近年来出现的,“,纳米技术,”,特别是通过纳米添加对传统材料进行改性,为金属陶瓷刀具的增韧提供新的途径。,纳米材料被人们誉为,“,2l,世纪最有前途的材料,”,而其中通过纳米粉体对现有的金属陶瓷刀具材料进行改性是当前周内外材料科学研究的热点之一。经纳米材料改性的金属陶瓷材料具有硬度和强度提高、导热性能改善、烧结温度降低等特点。,经过纳米材料改性的金属陶瓷材料,也遇到韧性和强度难以协同提高的问题。如何解决二者矛盾,使二者同时提高,是今后要研究解决的难题。如何寻求纳米材料的最佳添加量及纳米材料的改性机理仍然需要探讨。,总之,现代陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高强度、高硬度、重量轻等优点,但其致命的弱点是脆性大,这不仅限制了现代陶瓷材料的应用范围,也限制了其优良性能的发挥。因此进一步提高陶瓷刀具材料的断裂韧性和抗弯强度仍然是目前研究的热点问题之一。,