1金屬陶瓷的定義

金屬陶瓷是由陶瓷硬質相與金屬或合金粘結相組成的結構材料。從金屬陶瓷英文單詞Cermets來,是由Ceramic(陶瓷)和Metal(金屬)結合構成的。金屬陶瓷既保持了陶瓷的高強度、高硬度、耐磨損、耐高溫、抗氧化和化學穩定性等特性,又具有較好的金屬韌性和可塑性。由於「金屬陶瓷」和「硬質合金」兩個學科術語沒有明確的分界,所以具體材料也很難劃分界線,從材料的組元看,「硬質合金」應該歸入「金屬陶瓷」,IE. Campbell就將「硬質合金」歸入到「金屬陶瓷」。

2金屬陶瓷的歷史

WC-Co基金屬陶瓷作為研究最早的金屬陶瓷,由於具有很高的硬度(HRC80~92),極高的抗壓強度6000MPa(600kg.N/mm2),已經應用於許多領域。但是由於W和Co資源短缺,促使了無鎢金屬陶瓷的研製與開發,迄今已歷經三代:第一代是「二戰」期間,德國以Ni粘結TiC生產金屬陶瓷;第二代是20世紀60年代美國福特汽車公司添加Mo到Ni粘結相中改善TiC和其他碳化物的潤濕性,從而提高材料的韌性;第三代金屬陶瓷則將氮化物引入合金的硬質相,改單一相為複合相。又通過添加Co相和其他元素改善了粘結相。近年來,金屬陶瓷研製的另一個新方向是硼化物基金屬陶瓷。由於硼化物陶瓷具有很高的硬度、熔點和優良的導電性,耐腐蝕性,從而使硼化物基金屬陶瓷成為最有發展前途的金屬陶瓷。

3金屬陶瓷的組成

金屬陶瓷(cermet)為了使陶瓷既可以耐高溫又不容易破碎,人們在製作陶瓷的粘土裡加了些金屬粉,因此製成了金屬陶瓷。金屬基金屬陶瓷是在金屬基體中加入氧化物細粉製得 ,又稱彌散增強材料 。主要有燒結鋁(鋁-氧化鋁) 、燒結鈹(鈹-氧化鈹)、TD鎳(鎳-氧化釷)等。
金屬陶瓷

  金屬陶瓷

由一種或幾種陶瓷相與金屬相或合金所組成的複合材料。廣義的金屬陶瓷還包括難熔化合物合金、硬質合金、金屬粘結的金剛石工具材料。金屬陶瓷中的陶瓷相是具有高熔點 、高硬度的氧化物或難熔化合物,金屬相主要是過渡元素(鐵、鈷、鎳、鉻、鎢、鉬等)及其合金。

4金屬陶瓷的分類

根據各組成相所佔百分比不同,金屬陶瓷分為以陶瓷為基質和以金屬為基質兩類。
1.陶瓷基金屬陶瓷主要有:
①氧化物基金屬陶瓷。以氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈹等為基體,與金屬鎢、鉻或鈷複合而成,具有耐高溫、抗化學腐蝕、導熱性好、機械強度高等特點,可用作導彈噴管襯套、熔煉金屬的坩堝和金屬切削刀具。
②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、鉬等金屬複合而成,具有高硬度、高耐磨性、耐高溫等特點,用於製造切削刀具 、高溫軸承、密封環、撿絲模套及透平葉片。
③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蠕變性,應用較少。
④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、硼化鉿等為基體,與部分金屬材料複合而成。
⑤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、硅化鉭、硅化鉬、硅化鎢、硅化鋇等為基體,與部分或微量金屬材料複合而成。其中硅化鉬金屬陶瓷在工業中得到廣泛地應用。
2.金屬基金屬陶瓷是在金屬基體中加入氧化物細粉製得 ,又稱彌散增強材料 。主要有燒結鋁(鋁-氧化鋁) 、燒結鈹(鈹-氧化鈹)、TD鎳(鎳-氧化釷)等。燒結鋁中的氧化鋁含量約5%~15%,與合金鋁比,其高溫強度高、密度小、易加工、耐腐蝕、導熱性好。常用於製造飛機和導彈的結構件、發動機活塞、化工機械零件等。

5金屬陶瓷的性能

金屬陶瓷兼有金屬和陶瓷的優點,它密度小、硬度高、耐磨、導熱性好,不會因為驟冷或驟熱而脆裂。另外,在金屬表面塗一層氣密性好、熔點高、傳熱性能很差的陶瓷塗層,也能防止金屬或合金在高溫下氧化或腐蝕。金屬陶瓷既具有金屬的韌性、高導熱性和良好的熱穩定性,又具有陶瓷的耐高溫 、耐腐蝕和耐磨損等特性。
金屬陶瓷

  金屬陶瓷

6金屬陶瓷的用途

金屬陶瓷廣泛地應用於火箭、導彈、超音速飛機的外殼、燃燒室的火焰噴口等地方。

電器觸頭上的運用

為了滿足電器對觸頭材料提出的各種複雜的,甚至是矛盾的要求,發展了金屬陶瓷材料。
它是兩相金屬的機械混合物,每相金屬各相保留原有的物理性能。兩相金屬中一相為難熔相,它的硬度高、熔點高,在高溫和衝擊作用下不變形,在電弧作用下不熔化,因此這相金屬在材料中其骨架作用。這類金屬有鎢、鉬、金屬氧化物等。另一相金屬為載流相,它主要起導電和導熱作用。這類金屬銀、銅等。載流相金屬熔點都比較低,在電弧高溫作用下熔成液體,保留在難熔相金屬骨架構成的空隙中,防止了熔化金屬的大量噴濺,使觸頭電磨損大大減小。一下介紹幾種常用的金屬陶瓷材料:
(1)銀-氧化鎘 這種材料具有良好的耐電磨損、抗熔焊和接觸電阻低而穩定的特點。它被廣泛應用於中等功率的電器中。這種材料具有這些優良性能的原因是:
1)在電弧作用下氧化鎘分解,從固態升華成氣態(分解溫度約900℃),產生劇烈蒸發,起著吹弧作用,並清潔觸頭表面;
2)氧化鎘分解時吸收大量的熱,有利於電弧的冷卻與熄滅;
3)彌散的氧化鎘微粒能增加熔融材料的粘度,減少金屬的飛濺損耗;
4)鎘蒸汽一部分重新與氧結合形成固態氧化鎘,沉積在觸頭表面,組織觸頭的焊接。
氧化鎘含量在12%~15%時可以得到最佳性能。如果在銀-氧化鎘中添加一些微量元素,例如硅、鋁、鈣等能進一步細化晶粒,提高耐電磨損性能。
(2)銀-鎢 這種材料具有銀、鎢各自的優點。隨著鎢含量的增加,耐電弧磨損和抗熔焊性能提高,但導電性下降。低壓開關常用含鎢30%~40%的材料,高壓開關用含鎢60%~80%的材料。
銀-鎢的缺點是接觸電阻隨觸頭開閉次數的增加而增大,嚴重者可達到初始值的十倍以上,因在分斷過程中,觸頭表面會產生三氧化鎢(WO3)或鎢酸銀(Ag2WO4)膜,這種膜不導電,使接觸電阻劇增。
(3)銅-鎢 這種材料性能與銀-鎢相似,但比銀-鎢更容易氧化,形成鎢酸銅(CuWO4)膜,使接觸電阻劇增。它不宜作空氣開關觸頭,但可以作油開關觸頭。
(4)銀-石墨 它的導電性好,接觸電阻小,抗熔焊性能很好,缺點是電磨損大。一般石墨含量不超過5%。
(5)銀-鐵 有好的導電、導熱、耐電磨損等性能,用於中、小電流接觸器中比純銀觸頭的電壽命成倍提高。主要缺點是在大氣中易生鏽斑。
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