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第八章陶瓷材料Ceramics陶瓷材料指所有无机非金属材料。是用天然或人工合成的粉状化合物，经成型和高温烧结而制成的多晶固体材料。第一节概述按原料来源分：普通陶瓷、特种陶瓷普通陶瓷又称传统陶瓷。以天然硅酸盐矿物为主要原料，如粘土、石英、长石等。主要制品有：日用陶瓷、建筑陶瓷、电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷。一、陶瓷材料的分类与生产（一）分类特种陶瓷是以纯度较高的人工合成化合物为主要原料的人工合成化合物。如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等。按用途分类日用陶瓷工业陶瓷工程结构陶瓷功能陶瓷高强度陶瓷高温陶瓷压电陶瓷磁性陶瓷半导体陶瓷生物陶瓷按性能可将陶瓷分•特种陶瓷可按化学组成分为氧化物陶瓷氮化物陶瓷碳化物陶瓷金属陶瓷（硬质合金）•坯料制备通过机械或物理或化学方法制备粉料，在制备坯料时，要控制坯料粉的粒度、形状、纯度及脱水脱气，以及配料比例和混料均匀等质量要求。按不同的成型工艺要求，坯料可以是粉料、浆料或可塑泥团。（二）陶瓷制品的生产陶瓷制品的生产都要经过三个阶段：坯料制备、成型、烧结•成型将坯料用一定工具或模具制成一定形状、尺寸、密度和强度的制品坯型（亦称生坯）。•烧结生坯经初步干燥后，进行涂釉烧结或直接烧结。高温烧结时，陶瓷内部会发生一系列物理化学变化及相变，如体积减小，密度增加，强度、硬度提高，晶粒发生相变等，使陶瓷制品达到所要求的物理性能和力学性能。8.2工程结构陶瓷材料又称传统陶瓷、粘土陶瓷。这种陶瓷以天然硅酸盐矿物，如粘土、长石、石英等为主要原料配制、烧结而成的。主晶相为莫来石晶体（3Al2O3﹒2SiO2），占25～30％，次晶相为SiO2；玻璃相约为35～60％；气相为1～3％。一、普通陶瓷•硬度高，不会氧化生锈，不导电，耐1200℃高温，加工成型性好，成本低廉。•玻璃相较多，强度较低，在较高温度下易软化，故耐高温及绝缘性不及其它陶瓷。性能特点•日用陶瓷•工业上主要用作绝缘的电瓷绝缘子和耐酸、碱的容器、反应塔管道等，还可用于受力不大，工作温度在200℃以下的结构零件。应用二、特种陶瓷•以Al2O3为主要成分，含少量SiO2的陶瓷。•根据Al2O3含量不同，分为75瓷（）又称刚玉-莫来石瓷；95瓷、99瓷，又称刚玉瓷。•Al2O3含量愈高，玻璃相愈少，气孔愈少，陶瓷的性能愈好，但工艺愈复杂，成本愈高。（一）氧化铝陶瓷23AlO75%w•氧化铝陶瓷的强度高，是普通陶瓷的2～6倍，抗拉强度可达250MPa；•耐磨性好，硬度次于金刚石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅，居第5；•耐高温性能好，刚玉陶瓷可在1600℃下长期工作，在空气中的最高使用温度达1980℃；•耐蚀性和绝缘性好；•脆性大，抗热振性差，不能承受环境温度的突然变化。•主要用于制作内燃机火花塞，火箭、导弹的导流罩，石油化工泵的密封环，耐磨零件，如轴承、纺织机上的导纱器，合成纤维用的喷嘴等，作冶炼金属用的坩埚等。•以Si3N4为主要成分；按生产工艺不同，分为热压烧结氮化硅陶瓷和反应烧结氮化硅陶瓷；•热压烧结氮化硅陶瓷以Si3N4粉为原料，加入少量添加剂，装入石墨模具中，在1600～1700℃高温和20～30MPa的高压下烧结成型，得到组织致密，气孔率接近0的氮化硅陶瓷。因受石墨模具所限制，只能加工形状简单的制品。（二）氮化硅陶瓷•反应烧结氮化硅陶瓷以硅粉或硅粉与Si3N4粉的混合料，压制成型后，放入渗氮炉中进行渗氮处理，直到所有的硅都形成氮化硅，得到尺寸相当精密的氮化硅制品。但此制品中有20～30％的气孔，故强度不及热压烧结制品，与95瓷相近。性能优异，易于加工。•硬度高，摩擦系数小（0.1～0.2），有自润滑性，是极优的耐磨材料；•蠕变抗力高，热胀系数小，抗热振性能在陶瓷中是最好的；•化学稳定性好，除氢氟酸外，能耐各种酸、王水和碱液的腐蚀，也能抗熔融金属的侵蚀；•因氮化硅是共价键晶体，既无自由电子也无离子，具有优异的电绝缘性能。性能特点•反应烧结氮化硅陶瓷主要用于耐磨、耐高温，耐腐蚀，形状复杂且尺寸精度高的制品。如石油化工泵的密封环、高温轴承、热电偶套管、燃气轮机转子叶片等；•热压烧结氮化硅陶瓷用于制造形状简单的耐磨、耐高温零件和工具。如切削刀具、转子发动机刮片、高温轴承等。应用•主晶相SiC，有反应烧结和热压烧结两种碳化硅陶瓷；•高温强度高，工作温度可达1600～1700℃1400℃时，抗弯强度为500～600MPa；•有很好的导热性、热稳定性、抗蠕变能力、耐磨性、耐蚀性，且耐辐射；•是良好的高温结构材料，主要用于制作火箭喷管的喷嘴，浇注金属的浇道口、热电偶套管、炉管，燃气轮叶片，高温轴承，热交换器及核燃料包封材料等。（三）碳化硅陶瓷•主晶相BN，共价晶体，晶体结构为六方结构，有白石墨之称；•良好的耐热性和导热性，热导率与不锈钢相当，热胀系数比金属和其它陶瓷低得多，故抗热振性和热稳定性好；•高温绝缘性好，2000℃仍是绝缘体，是理想的高温绝缘材料和散热材料；•化学稳定性高，能抗Fe、Al、Ni等熔融金属的侵蚀；•硬度较其它陶瓷低，可切削加工；•有自润滑性，耐磨性好。（四）氮化硼陶瓷•氮化硼陶瓷常用于制作热电偶套管，熔炼半导体、金属的坩埚和冶金用高温容器和管道，高温轴承，下班制品成型模，高温绝缘材料；•因BN中含wB=43%，有很大的吸收中子的截面，可作核反应堆中吸收热中子的控制棒。不同种类的特种陶瓷，各具不同的优异性能，但作为主体结构材料，其共同的弱点是：塑性、韧性差，强度低氧化镁陶瓷氧化锆陶瓷氧化铍陶瓷8.3金属陶瓷以金属氧化物或碳化物为主要成分，加入适量的金属粉末，通过粉末冶金的方法制成的，具有某些金属性质的陶瓷。金属陶瓷是金属切削刀具、模具和耐磨零件的重要材料。一、粉末冶金方法及其应用粉末冶金：陶瓷生产工艺在冶金中的应用•金属材料的制备：熔炼、铸造•高熔点的金属及金属化合物难以通过熔炼或铸造的方法制备粉末冶金粉末制备压制成型烧结成零件或毛坯（一）粉末冶金法的基本工艺过程包括粉末制取、配料、粉料混合等步骤。粉末的纯度、粒度、混合的均匀程度等对粉末冶金制品的质量有重要影响。粉末愈细、愈均匀、纯度愈高，陶瓷的性能愈好。１.粉末制备多采用冷压法，即将粉料装入模具型腔内，在压力机下压制成致密的具有一定强度的坯体。为了改善粉末的可塑性和成型性，通常在粉料中会加入一定比例的增塑剂，如汽油橡胶溶液、石蜡等。2.压制成型将压制成型的坯体放入通过保护气氛的高温炉或真空炉中进行烧结，在保持至少一种组元仍处于固态的烧结温度下，长时间保温，通过扩散、再结晶、化学反应等过程，获得与一般合金相似的组织，并存在一些微小的孔隙的粉末冶金制品。3.烧结根据烧结过程中有无液相产生，烧结分为：固相烧结和液相烧结。•固相烧结：在烧结时不形成液相。无偏析高速钢、烧结铝（Al-Al2O3）、烧结钨、青铜－石墨、铁－石墨等•液相烧结：在烧结时形成部分液相的液-固共存状态。金属陶瓷硬质合金（WC-Co、WC-TiC-Co等）、高速钢－WC、铬钼钢－WC等为改善或得到某些性能，有些粉末冶金制品在烧结后还要进行后处理加工。如齿轮、球面轴承等在烧结后再进行冷挤压，以提高其密度、尺寸精度等；铁基粉末冶金零件进行淬火处理，以提高硬度等等。4.后处理加工（二）粉末冶金的应用•减摩材料含油轴承利用粉末冶金材料的多孔性，将材料浸在润滑油中，在毛细力作用下，可吸附大量润滑油（一般含油率达12～30％），从而减摩。常用含油轴承材料有铁基（Fe+石墨、Fe+S+石墨）和铜基（Cu+Sb+Pb+Zn+石墨）•结构材料用碳钢或合金钢的粉末为原料，采用粉末冶金方法制造结构零件。这种零件的精度较高、表面光洁，不须或少须切削加工即为成品零件。•高熔点金属材料W、Mo、WC、TiC等金属及金属化合物熔点高（＞2000℃），用熔炼和铸造方法生产较难，且不易保证其纯度和冶金质量。这些材料可以通过粉末冶金生产，如各种金属陶瓷、钨丝及Mo、Ta、Nb等难熔金属和高温合金。•特殊电磁性能材料如硬磁材料、软磁材料，多孔过滤材料，假合金材料二、金属陶瓷硬质合金硬质合金是金属陶瓷的一种，它是以金属碳化物（WC、TiC、TaC等）为基体，再加入适量的金属粉末（如Co、Ni、Mo等）作为粘结剂制成的，具有金属性质的粉末冶金材料。Co基体WC（一）硬质合金的性能特点①高硬度、高热硬性、耐磨性好（主要特点）因以碳化物为骨架，常温下硬度69～81HRC，热硬性达900～1000℃，作为切削刀具，其耐磨性、寿命和切削速度比高速钢显著提高。②力学性能抗压强度高（6000MPa），抗弯强度低（只有钢的1/3～1/2），弹性模量高（是高速钢的2～3倍），韧性差（约为淬火钢的30～50％）③耐蚀性、抗氧化性好，热胀系数比钢低•因抗弯强度低、脆性大、导热性差，故在加工、作用过程中要避免冲击和温度急剧变化；•硬度高，无法进行切削加工，可采用电加工（电火花、线切割）和专门砂轮磨削加工。（二）硬质合金的分类、编号和应用常用硬质合金按成分和性能特点分为三类•钨钴类硬质合金•钨钴钛类硬质合金•通用硬质合金1.分类与编号①钨钴类硬质合金由WC和Co组成代号：YG×YG－“硬”、“钴”，×－钴的含量。如：YG6表示wCo=6%，余量为WC的钨钴类硬质合金②钨钴钛类硬质合金由WC、TiC和Co组成代号：YT×YT－“硬”、“钛”，×－TiC含量如：YT15表示wTiC=15%，余量为WC和Co的钨钴钛类硬质合金•在硬质合金中，WC越多，Co越少，则硬度、热硬性及耐磨性越高，但强度及韧性越低。•当Co含量相同时，含TiC的硬质合金硬度、耐磨性高，且因合金表面有一层TiO薄膜，切削时不易粘刀，热硬性高；但强度和韧性比钨钴类硬质合金低。③通用硬质合金添加TaC或NbC取代部分TiC代号：YW×YW－“硬”、“万”；×－顺号热硬性高（1000℃），其它性能介于上两类之间。既可加工钢材，又能加工铸铁和有色金属，故称通用或万能硬质合金。主要用于制造切削刀具、冷作模具、量具和耐磨零件。•钨钴类硬质合金刀具主要用来切削加工脆性材料，如铸铁、有色金属、胶木及其它非金属材料；•钨钴钛类硬质合金主要用来切削加工韧性材料，如各种钢。•含Co量多的硬质合金韧性好，适宜粗加工，含Co量少的适于精加工。•通用硬质合金既可切削脆性材料，亦可加工韧性材料2.应用（三）钢结硬质合金以一种或几种碳化物（WC、TiC）为硬化相，以合金钢（高速钢、铬钼钢）粉末为粘结剂，经配料、压型、烧结而成的一种新型硬质合金。与普通硬质合金相比，钢结硬质合金可锻造、焊接、热处理，并可切削加工。在锻造退火后，其硬度约40～45HRC，可用一般方法切削加工，加工成型后，经淬火＋低温回火，硬度达69～73HRC。•使用寿命与钨钴类硬质合金相当；•可用于制造形状复杂的刀具，如麻花钻、铣刀。•可用于制造在较高温度下工作的模具和耐磨零件。