1、結(jié)構(gòu)陶瓷材料的應(yīng)用,1.陶瓷刀具 2.陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī) 3.陶瓷裝甲 4.陶瓷軸承,Company Logo,1.陶瓷刀具,陶瓷刀具是以陶瓷材料為基礎(chǔ)制作的用于金屬切削的刀具，能在高速切削條件下保持高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，并具有長(zhǎng)的使用壽命。,Company Logo,陶瓷刀具與傳統(tǒng)的高速鋼和硬質(zhì)合金刀具相比，具有更好的紅硬性和耐磨性；與超硬材料金剛石和CBN相比，它具有更低的制造成本、更好的熱穩(wěn)定性和抗沖擊能力。因而，在先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中起著如下方面的重要作用。,Company Logo,它可以加工傳統(tǒng)刀具難以加工或根本不能加工的工件。 它可以保證在自動(dòng)化加工中較長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定的工作，保證工件

2、的加工精度。 它可以進(jìn)行高速切削，加工效率可提高幾倍甚至幾十倍。 下面將著重介紹氧化鋁基、氮化硅基、金屬陶瓷、陶瓷徐層刀具和超硬刀具材料。,Company Logo,1.1氧化鋁基陶瓷刀具,（1）純氧化鋁陶瓷刀具 純氧化鋁陶瓷刀具，其中Al2O3的成分占99.9以上，多呈白色，俗稱(chēng)白陶瓷。 氧化鋁陶瓷刀具是最早的一種陶瓷刀具。由于Al2O3陶瓷脆性大，強(qiáng)度低，質(zhì)量不穩(wěn)定，使用過(guò)程中容易崩刀，使得氧化鋁陶瓷刀具在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不能成功推廣應(yīng)用。,Company Logo,在氧化鋁中添加MgO、TiO2等外加劑，一方面降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度，更重要的是能抑制氧化鋁晶粒的過(guò)快生長(zhǎng)，形成細(xì)晶結(jié)構(gòu)。另外，

3、采用熱壓燒結(jié)技術(shù)也可以獲得陶瓷材料的細(xì)品結(jié)構(gòu)。,Company Logo,Al2O3陶瓷的彎曲強(qiáng)度和硬度隨晶粒尺寸的變化關(guān)系,對(duì)于氧化鋁陶瓷晶粒與力學(xué)性能的研究表明，在相同的致密情況下，晶粒越細(xì)， Al2O3陶瓷的彎曲強(qiáng)度和硬度就越高，因而刀具的切削性能也越好。,Company Logo,氧化鋁碳化物系復(fù)合陶瓷是在Al2O3基體中加入TiC、WC、TaC、NbC、Cr3C2等成分經(jīng)燒結(jié)而成的復(fù)合陶瓷體系。 在氧化鋁碳化物復(fù)合陶瓷刀具體系中發(fā)展最早的是Al2O3TiC復(fù)合陶瓷。這種復(fù)合陶瓷刀具，由于在基體中彌散了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15一40的硬質(zhì)紉顆粒TiC，不僅提高了材料的硬度，也提高了斷裂韌性。因?yàn)?/p>

4、當(dāng)基體中的裂紋受力擴(kuò)展時(shí)，必然會(huì)遇到TiC顆粒的阻礙，產(chǎn)生偏折拐彎，這樣就延長(zhǎng)了裂紋所走的路線(xiàn)，多消耗了一部分能量。因此復(fù)合Al2O3TiC陶瓷刀具的切削性能要比純Al2O3刀具提高很多。,（2）氧化鋁碳化物復(fù)合陶瓷刀具,Company Logo,Al2O3十Ti(C，N)系統(tǒng)陶瓷強(qiáng)度、斷裂韌性和硬度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在Al2O3中適當(dāng)加入Ti(C，N)，使得Al2O3的晶粒變細(xì)，同時(shí)提高了硬度，這種復(fù)合材料刀具有較高的硬度和切削能力。,Company Logo,此外，還有Al2O3(W，Ti)C梯度功能陶瓷刀具、 氧化鋁碳化欽金屬系復(fù)合陶瓷刀具、SiC晶須增韌Al2O3復(fù)合陶瓷刀具、ZrO2增初A

5、l2O3陶瓷刀具等。,Company Logo,1.2 氮化硅基陶瓷刀具,Si3N4系陶瓷為高溫強(qiáng)度和熱傳導(dǎo)率高、線(xiàn)膨脹系數(shù)小、共價(jià)性強(qiáng)的材料，有著與氧化鋁陶瓷完全不同的特性。將其作為切削刀具材料最大特點(diǎn)是能進(jìn)行高速切削，并且耐磨性好。,Company Logo,(1) Si3N4TiC復(fù)合陶瓷刀具,復(fù)合氮化硅(Si3N4+TiC)陶瓷刀具以TiC作為彌散相，TiC的引入提高了刀具材料的硬度和耐磨性。與硬質(zhì)合金刀具相比，Si3N4TiC復(fù)合陶瓷刀具的切削耐用度可提高幾十倍，切削速度可提高310倍。,Company Logo,幾種陶瓷月具材料在加工冷硬鑄鐵(HS7173)時(shí)的磨損曲線(xiàn),左圖是幾種

6、陶瓷刀具材料在加工冷頒鑄鐵(HS7173)時(shí)的磨損曲 線(xiàn)。由因可知，復(fù)合氮化硅陶瓷刀具有著較高的耐磨性。,Company Logo,（2）賽龍(Sialon)復(fù)相陶瓷刀具,由于碳化鈦和氯化硅的線(xiàn)膨脹系數(shù)相整較大，高速切削時(shí)因刀尖溫度急劇升高，會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，降低刀具的使用壽命。為此許多國(guó)家又研究開(kāi)發(fā)了以Si3N4為硬質(zhì)相、Al2O3為耐磨相、添加少量Y2O3作燒結(jié)助劑經(jīng)熱壓燒結(jié)制備一種Si3N4復(fù)合陶瓷刀具賽龍?zhí)沾傻毒摺?Company Logo,如美國(guó)生產(chǎn)的Sialon牌號(hào)KY3000，成分為：77 Si3N4 、13 Al2O3 、10Y2O3 ，硬度達(dá)HV1800，彎曲強(qiáng)度達(dá)12GP

7、a。 KY3000陶瓷刀片在高速下切削鎳基高溫合金時(shí)，材料切除率是涂層硬質(zhì)合金刀具的七倍。 此外，還有Si3N4 WC-ZrO2復(fù)合陶瓷刀具、 Si3N4晶須增韌陶瓷刀具,Company Logo,（3） 金屬陶瓷刀具,金屬陶瓷是一種既像鋼鐵一樣的堅(jiān)硬義像陶瓷一樣耐高溫、耐腐蝕的復(fù)合材料它兼有金屬和陶瓷兩種材料的優(yōu)點(diǎn)。 TiCTiN金屬陶瓷是一種理想的刀具材料，該材料具有很好的耐磨性和韌性，可用于銑刀的加工中。,Company Logo,為了制得性能優(yōu)良的金屬陶瓷，首要的問(wèn)題是找到好的膠黏劑。對(duì)于TiC，發(fā)現(xiàn)只有Ni、Co、Cr、Si等少數(shù)幾種金屬能黏結(jié)TiC，其中Ni和Co最好。Ni和Co能

8、在TiC顆粒周?chē)纬蓸O薄的金屬層，Cr雖然能潤(rùn)濕TiC，但不形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)而生成Cr3C2。Co和Ni的抗氧化性不好，強(qiáng)度也不高。 為了改善這一情況，常在Ni和Co中又加入一些其他金屬，如Cr、Mo、W等，加入這些金屬后，提高了黏結(jié)相的抗氧化性和高溫強(qiáng)度，同時(shí)改善了潤(rùn)濕性。,Company Logo,Ti(C，N) 具有很高的強(qiáng)度和斷裂韌性以及較高的硬度，有很寬的切削應(yīng)用范圍，在精加工或高速銑削鋼件時(shí)尤為有效。下表出了幾種國(guó)外生產(chǎn)的Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具的牌號(hào)、組成和性能。由于它需要較多的金屬如Mo、Ni作為燒結(jié)助劑，所以它的硬度并不理想。為了提高它的硬度和耐磨性，可加入WC、VC、TiB

9、2或Al2O3等添加劑。,Company Logo,幾種國(guó)外生產(chǎn)的Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具的牌號(hào)、組成和性能,Company Logo,（4）陶瓷涂層刀具,刀具表而涂層技術(shù)可使切削刀具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，不僅可有效地提高刀具使用壽命，而且還能大幅度地提高機(jī)械加工效率。 涂層技術(shù)的發(fā)展已從當(dāng)初單一的TiC、TiN涂層，經(jīng)歷了TiC、TiN、 Al2O3等多元復(fù)合涂層的發(fā)展階段，使涂層的性能有了重大的改進(jìn)，使用范圍不斷擴(kuò)大。 刀具涂層技術(shù)目前仍可劃分為兩大類(lèi)，即CVD(化學(xué)氣相沉積)和PVD技術(shù)(物理氣相沉積)。,Company Logo,CVD技術(shù)自20世紀(jì)60年代出現(xiàn)以來(lái)，在硬質(zhì)合金可

10、轉(zhuǎn)位刀具上得到了極為廣泛的應(yīng)用。在CVD工藝中，氣相沉積所需金屬源的制備相對(duì)容易，可實(shí)現(xiàn)TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、 Al2O3等單層及多元多層復(fù)合涂層，其涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，薄膜厚度可達(dá)79m，相對(duì)而言，CVD涂層具有更好的耐磨性。,Company Logo,與CVD工藝相比，PVD工藝處理在600以下對(duì)刀具材料的彎曲強(qiáng)度沒(méi)有影響；薄膜內(nèi)部為壓應(yīng)力，更適合于硬質(zhì)合金精密復(fù)雜類(lèi)刀具的涂層；PVD工藝對(duì)環(huán)境沒(méi)有不利影響，符合目前綠色工業(yè)的發(fā)展方向.,Company Logo,1.5 超硬刀具,超硬刀具材料是指比陶瓷材料更硬的刀具材料。包括：?jiǎn)尉Ы饎偸?、多晶合剛石?聚晶立方氮

11、化硼等。 超硬刀具主要是以金剛石和立方氯化硼為材料制作的刀具，其中以人造金剛石刀具及立方氮化硼刀具占主導(dǎo)地位。,Company Logo,(1)多晶金剛石,多晶金剛石是20世紀(jì)70年代利用高溫、高壓技術(shù)人工合成金剛石的切削刀具。多晶金剛石晶粒呈無(wú)序排列狀態(tài)，不具方向性，因而硬度均勻。它有很高的硬度和導(dǎo)熱性，低的熱脹系數(shù)。高的彈性模旦和較低的摩擦系數(shù)，刀刃非常鋒利。 多晶金剛石價(jià)格便宜，且刃磨遠(yuǎn)比天然金剛石方便，所以其應(yīng)用、推廣特別迅速。,Company Logo,(2) 立方氮化硼燒結(jié)體(PCBN),立方氮化硼燒結(jié)體(PCBN)是CBN顆粒與結(jié)合劑一起燒結(jié)而成，硬度僅次于金剛石，與黑色金屬無(wú)親

12、和力。 PCBN刀具材料性能如下: 具有較高的硬度和耐磨性 具有很高的熱穩(wěn)定性 具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性 具有較好的導(dǎo)熱性 具有較好的摩擦系數(shù),Company Logo,2.陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī),汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)一直用金屬材料制造。金屬的導(dǎo)熱性好而耐熱、耐腐蝕性能差，在高溫下極易氧化、變形面導(dǎo)致破壞。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室(汽缸)必須用水或空氣冷卻，這樣，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料產(chǎn)生的熱能，大約只有13轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)車(chē)軸的有用功率，其余13被冷卻劑帶走，另外13隨廢氣排出。 為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，減少能量損耗，這就需要取消或部分取消冷卻系統(tǒng)，使用耐高溫隔熱材料以減少燃燒室熱量的損失，使發(fā)動(dòng)機(jī)在更高的工作溫度下工作。,Compa

13、ny Logo,高性能結(jié)構(gòu)陶瓷材料由于其具有密度小、熱導(dǎo)率低、耐高溫、耐磨損以及耐腐蝕等待性，成為制造發(fā)動(dòng)機(jī)的理想材料。發(fā)動(dòng)機(jī)使用陶瓷材料有如下優(yōu)點(diǎn)： 提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率 減少輔助功率消耗，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 適應(yīng)多種燃料的燃燒 降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，減少排氣污染 減輕質(zhì)量 資源豐富,Company Logo,對(duì)于陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的研究主要有三個(gè)方面的內(nèi)容：陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)、低散熱陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)(隔熱陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī))和汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)陶瓷零部件。 陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展速度比人們想像得要慢，至今實(shí)用化了的部件不過(guò)十余種，其余的尚在試驗(yàn)階段。可靠性和成本價(jià)格是阻礙其發(fā)展的主要原因。,Company Logo,3.陶瓷裝甲,裝甲防護(hù)材料是

14、用于裝甲車(chē)輛、坦克、航母、艦艇、直升機(jī)等裝備以及人體的防護(hù)材料，它們能承受反裝甲武器的攻擊，可提高武器裝備和作戰(zhàn)人員的生存能力和作戰(zhàn)能力。 裝甲防護(hù)材料也從傳統(tǒng)的金屬材料(鋼、鋁)發(fā)展為先進(jìn)的金屬基、陶瓷基和高分子基復(fù)合材料。,Company Logo,眾所周知，金屬材料具有高的硬度和韌性，但是硬度較陶瓷材料低，特別是密度大； 玻璃鋼具有高強(qiáng)度和低密度的特點(diǎn)，但是硬度低。玻璃鋼只有用作背板或非金屬夾層時(shí)，才能顯示其效能。 陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、耐酸堿、硬度高和相對(duì)于金屬材料密度低的特點(diǎn)，但是它的韌性和強(qiáng)度都有待于提高。,Company Logo,特種陶瓷作為防彈材料，其防護(hù)系數(shù)是最高的，是最有希望的防彈材料之一。 裝甲陶瓷材料目前存在的主要問(wèn)題是韌性差和成本高。為此，對(duì)于裝甲陶瓷材料主要是進(jìn)行提高材料本身的性能和低成本制造技術(shù)的研究。,Company Logo,4.陶瓷軸承,陶瓷軸承可分為全陶瓷軸承和混合陶瓷軸承。全陶瓷軸承是指軸承全部由陶瓷材料組成，而混合陶瓷軸承是指軸承中的一部分是由陶瓷材料構(gòu)成，其余由軸承鋼