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2018-09-21 09:10 来源:中国发展网

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金属陶瓷

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深入学习贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,始终牢记总书记对唐山三个努力建成三个走在前列等重要指示,结合即将开展的不忘初心、牢记使命主题教育,逐条逐项抓好落实。

金属陶瓷是由陶瓷和粘接金属组成的非均质的复合材料。陶瓷主要是氧化铝、氧化锆等耐高温氧化物或它们的固溶体,粘接金属主要是铬、钼、钨、钛等高熔点金属。

定义

金属陶瓷金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的结构材质。从金属陶瓷英文单词Cermets来,是由Ceramic(陶瓷)和Metal(金属)结合构成的。金属陶瓷既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性,又具有较好的金属韧性和可塑性。由于“金属陶瓷”和“硬质合金”两个学科术语没有明确的分界,所以具体材质也很难划分界线,从材质的组元看,“硬质合金”应该归入“金属陶瓷”,IECampbell就将“硬质合金”归入到“金属陶瓷”。

历史

WC-Co基金属陶瓷作为研究最早的金属陶瓷,由于具有很高的硬度(HRC80~92),极高的抗压强度6000MPa(600kgN/mm2),已经应用于许多领域。但是由于W和Co资源短缺,促使了无钨金属陶瓷的研制与开发,迄今已历经三代:第一代是“二战”期间,德国以Ni粘结TiC生产金属陶瓷;第二代是20世纪60年代美国福特汽车公司添加Mo到Ni粘结相中改善TiC和其他碳化物的润湿性,从而提升材质的韧性;第三代金属陶瓷则将氮化物引入合金的硬质相,改单一相为复合相。又通过添加Co相和其他元素改善了粘结相。近年来,金属陶瓷研制的另一个新方向是硼化物基金属陶瓷。由于硼化物陶瓷具有很高的硬度、熔点和优良的导电性,耐腐蚀性,从而使硼化物基金属陶瓷成为最有发展前途的金属陶瓷。

组成

金属陶瓷(cermet)为了使陶瓷既可以耐高温又不轻易破碎,人们在制作陶瓷的粘土里加了些金属粉,因此制成了金属陶瓷。金属基金属陶瓷是在金属基体中加入氧化物细粉制得,又称弥散增强材质。主要有烧结铝(铝-氧化铝)、烧结铍(铍-氧化铍)、TD镍(镍-氧化钍)等。由一种或几种陶瓷相与金属相或合金所组成的复合材质。广义的金属陶瓷还包括难熔化合物合金、硬质合金、金属粘结的金刚石工具材质。金属陶瓷中的陶瓷相是具有高熔点、高硬度的氧化物或难熔化合物,金属相主要是过渡元素(铁、钴、镍、铬、钨、钼等)及其合金。

分类

根据各组成相所占百分比不同,金属陶瓷分为以陶瓷为基质和以金属为基质两类。

1陶瓷基金属陶瓷主要有:

①氧化物基金属陶瓷。以氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍等为基体,与金属钨、铬或钴复合而成,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。

②碳化物基金属陶瓷。以碳化钛、碳化硅、碳化钨等为基体,与金属钴、镍、铬、钨、钼等金属复合而成,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、捡丝模套及透平叶片。

③氮化物基金属陶瓷。以氮化钛、氮化硼、氮化硅和氮化钽为基体,具有超硬性、抗热振性和良好的高温蠕变性,应用较少。

④硼化物基金属陶瓷。以硼化钛、硼化钽、硼化钒、硼化铬、硼化锆、硼化钨、硼化钼、硼化铌、硼化铪等为基体,与部分金属材质复合而成。

⑤硅化物基金属陶瓷。以硅化锰、硅化铁、硅化钴、硅化镍、硅化钛、硅化锆、硅化铌、硅化钒、硅化铌、硅化钽、硅化钼、硅化钨、硅化钡等为基体,与部分或微量金属材质复合而成。其中硅化钼金属陶瓷在工业中得到广泛地应用。

2金属基金属陶瓷是在金属基体中加入氧化物细粉制得,又称弥散增强材质。主要有烧结铝(铝-氧化铝)、烧结铍(铍-氧化铍)、TD镍(镍-氧化钍)等。烧结铝中的氧化铝含量约5%~15%,与合金铝比,其高温强度高、密度小、易加工、耐腐蚀、导热性好。常用于制造飞机和导弹的结构件、发动机活塞、化工机械零件等。

性能

金属陶瓷兼有金属和陶瓷的优势,它密度小、硬度高、耐磨、导热性好,不会因为骤冷或骤热而脆裂。另外,在金属表面涂一层气密性好、熔点高、传热性能很差的陶瓷涂层,也能预防金属或合金在高温下氧化或腐蚀。金属陶瓷既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性,又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性。

金属陶瓷技艺

一金属陶瓷的定义

金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的结构材质。从金属陶瓷英文单词Cermets来,是由Ceramic(陶瓷)和Metal(金属)结合构成的。金属陶瓷既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性,又具有较好的金属韧性和可塑性。由于“金属陶瓷”和“硬质合金”两个学科术语没有明确的分界,所以具体材质也很难划分界线,从材质的组元看,“硬质合金”应该归入“金属陶瓷”,IECampbell就将“硬质合金”归入到“金属陶瓷”。

二金属陶瓷的历史

WC-Co基金属陶瓷作为研究最早的金属陶瓷,由于具有很高的硬度(HRC80~92),极高的抗压强度6000MPa(600kgN/mm2),已经应用于许多领域。但是由于W和Co资源短缺,促使了无钨金属陶瓷的研制与开发,迄今已历经三代:第一代是“二战”期间,德国以Ni粘结TiC生产金属陶瓷;第二代是20世纪60年代美国福特汽车公司添加Mo到Ni粘结相中改善TiC和其他碳化物的润湿性,从而提升材质的韧性;第三代金属陶瓷则将氮化物引入合金的硬质相,改单一相为复合相。又通过添加Co相和其他元素改善了粘结相。近年来,金属陶瓷研制的另一个新方向是硼化物基金属陶瓷。由于硼化物陶瓷具有很高的硬度、熔点和优良的导电性,耐腐蚀性,从而使硼化物基金属陶瓷成为最有发展前途的金属陶瓷。

三金属陶瓷的组成

金属陶瓷(cermet)为了使陶瓷既可以耐高温又不轻易破碎,人们在制作陶瓷的粘土里加了些金属粉,因此制成了金属陶瓷。金属基金属陶瓷是在金属基体中加入氧化物细粉制得,又称弥散增强材质。主要有烧结铝(铝-氧化铝)、烧结铍(铍-氧化铍)、TD镍(镍-氧化钍)等。

由一种或几种陶瓷相与金属相或合金所组成的复合材质。广义的金属陶瓷还包括难熔化合物合金、硬质合金、金属粘结的金刚石工具材质。金属陶瓷中的陶瓷相是具有高熔点、高硬度的氧化物或难熔化合物,金属相主要是过渡元素(铁、钴、镍、铬、钨、钼等)及其合金。

四金属陶瓷的分类

根据各组成相所占百分比不同,金属陶瓷分为以陶瓷为基质和以金属为基质两类。

1陶瓷基金属陶瓷主要有:

①氧化物基金属陶瓷。以氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍等为基体,与金属钨、铬或钴复合而成,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。

②碳化物基金属陶瓷。以碳化钛、碳化硅、碳化钨等为基体,与金属钴、镍、铬、钨、钼等金属复合而成,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、捡丝模套及透平叶片。

③氮化物基金属陶瓷。以氮化钛、氮化硼、氮化硅和氮化钽为基体,具有超硬性、抗热振性和良好的高温蠕变性,应用较少。

④硼化物基金属陶瓷。以硼化钛、硼化钽、硼化钒、硼化铬、硼化锆、硼化钨、硼化钼、硼化铌、硼化铪等为基体,与部分金属材质复合而成。

⑤硅化物基金属陶瓷。以硅化锰、硅化铁、硅化钴、硅化镍、硅化钛、硅化锆、硅化铌、硅化钒、硅化铌、硅化钽、硅化钼、硅化钨、硅化钡等为基体,与部分或微量金属材质复合而成。其中硅化钼金属陶瓷在工业中得到广泛地应用。

2金属基金属陶瓷是在金属基体中加入氧化物细粉制得,又称弥散增强材质。主要有烧结铝(铝-氧化铝)、烧结铍(铍-氧化铍)、TD镍(镍-氧化钍)等。烧结铝中的氧化铝含量约5%~15%,与合金铝比,其高温强度高、密度小、易加工、耐腐蚀、导热性好。常用于制造飞机和导弹的结构件、发动机活塞、化工机械零件等。

五金属陶瓷的性能

金属陶瓷兼有金属和陶瓷的优势,它密度小、硬度高、耐磨、导热性好,不会因为骤冷或骤热而脆裂。另外,在金属表面涂一层气密性好、熔点高、传热性能很差的陶瓷涂层,也能预防金属或合金在高温下氧化或腐蚀。金属陶瓷既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性,又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性。

六金属陶瓷的用途

金属陶瓷广泛地应用于火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口等地方。

电器触头上的运用

为了满足电器对触头材质提出的各种复杂的,甚至是矛盾的要求,发展了金属陶瓷材质。

它是两相金属的机械搅拌物,每相金属各相保留原有的物理性能。两相金属中一相为难熔相,它的硬度高、熔点高,在高温和冲击作用下不变形,在电弧作用下不熔化,因此这相金属在材质中其骨架作用。这类金属有钨、钼、金属氧化物等。另一相金属为载流相,它主要起导电和导热作用。这类金属银、铜等。载流相金属熔点都比较低,在电弧高温作用下熔成液体,保留在难熔相金属骨架构成的空隙中,预防了熔化金属的大量喷溅,使触头电磨损大大减小。一下介绍几种常用的金属陶瓷材质:

(1)银-氧化镉这种材质具有良好的耐电磨损、抗熔焊和接触电阻低而稳定的特点。它被广泛应用于中等功率的电器中。这种材质具有这些优良性能的原因是:

1)在电弧作用下氧化镉分解,从固态升华成气态(分解温度约900℃),产生剧烈蒸发,起着吹弧作用,并清洗触头表面;

2)氧化镉分解时吸收大量的热,有利于电弧的冷却与熄灭;

3)弥散的氧化镉微粒能增加熔融材质的粘度,减少金属的飞溅损耗;

4)镉蒸汽一部分重新与氧结合形成固态氧化镉,沉积在触头表面,组织触头的焊接。

氧化镉含量在12%~15%时可以得到最佳性能。如果在银-氧化镉中添加一些微量元素,例如硅、铝、钙等能进一步细化晶粒,提升耐电磨损性能。

(2)银-钨这种材质具有银、钨各自的优势。随着钨含量的增加,耐电弧磨损和抗熔焊性能提升,但导电性下降。低压开关常用含钨30%~40%的材质,高压开关用含钨60%~80%的材质。

银-钨的劣势是接触电阻随触头开闭次数的增加而增大,严重者可达到初始值的十倍以上,因在分断过程中,触头表面会产生三氧化钨(WO3)或钨酸银(Ag2WO4)膜,这种膜不导电,使接触电阻剧增。

(3)铜-钨这种材质性能与银-钨相似,但比银-钨更轻易氧化,形成钨酸铜(CuWO4)膜,使接触电阻剧增。它不宜作空气开关触头,但可以作油开关触头。

(4)银-石墨它的导电性好,接触电阻小,抗熔焊性能很好,劣势是电磨损大。一般石墨含量不超过5%。

(5)银-铁有好的导电、导热、耐电磨损等性能,用于中、小电流接触器中比纯银触头的电寿命成倍提升。主要劣势是在大气中易生锈斑。

用途

金属陶瓷广泛地应用于火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口等地方。

电器触头上的运用

为了满足电器对触头材质提出的各种复杂的,甚至是矛盾的要求,发展了金属陶瓷材质。

它是两相金属的机械搅拌物,每相金属各相保留原有的物理性能。两相金属中一相为难熔相,它的硬度高、熔点高,在高温和冲击作用下不变形,在电弧作用下不熔化,因此这相金属在材质中其骨架作用。这类金属有钨、钼、金属氧化物等。另一相金属为载流相,它主要起导电和导热作用。这类金属银、铜等。载流相金属熔点都比较低,在电弧高温作用下熔成液体,保留在难熔相金属骨架构成的空隙中,预防了熔化金属的大量喷溅,使触头电磨损大大减小。一下介绍几种常用的金属陶瓷材质:

(1)银-氧化镉这种材质具有良好的耐电磨损、抗熔焊和接触电阻低而稳定的特点。它被广泛应用于中等功率的电器中。这种材质具有这些优良性能的原因是:

1)在电弧作用下氧化镉分解,从固态升华成气态(分解温度约900℃),产生剧烈蒸发,起着吹弧作用,并清洗触头表面;

2)氧化镉分解时吸收大量的热,有利于电弧的冷却与熄灭;

3)弥散的氧化镉微粒能增加熔融材质的粘度,减少金属的飞溅损耗;

4)镉蒸汽一部分重新与氧结合形成固态氧化镉,沉积在触头表面,组织触头的焊接。

氧化镉含量在12%~15%时可以得到最佳性能。如果在银-氧化镉中添加一些微量元素,例如硅、铝、钙等能进一步细化晶粒,提升耐电磨损性能。

(2)银-钨这种材质具有银、钨各自的优势。随着钨含量的增加,耐电弧磨损和抗熔焊性能提升,但导电性下降。低压开关常用含钨30%~40%的材质,高压开关用含钨60%~80%的材质。

银-钨的劣势是接触电阻随触头开闭次数的增加而增大,严重者可达到初始值的十倍以上,因在分断过程中,触头表面会产生三氧化钨(WO3)或钨酸银(Ag2WO4)膜,这种膜不导电,使接触电阻剧增。

(3)铜-钨这种材质性能与银-钨相似,但比银-钨更轻易氧化,形成钨酸铜(CuWO4)膜,使接触电阻剧增。它不宜作空气开关触头,但可以作油开关触头。

(4)银-石墨它的导电性好,接触电阻小,抗熔焊性能很好,劣势是电磨损大。一般石墨含量不超过5%。

(5)银-铁有好的导电、导热、耐电磨损等性能,用于中、小电流接触器中比纯银触头的电寿命成倍提升。主要劣势是在大气中易生锈斑。

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创建者:中国陶瓷网

最近更新:2018-09-21

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