1、第八章 陶瓷材料 Ceramics,陶瓷材料指所有無機非金屬材料。是用天然或人工合成的粉狀化合物，經(jīng)成型和高溫燒結(jié)而制成的多晶固體材料。,第一節(jié) 概述,按原料來源分：普通陶瓷、特種陶瓷,普通陶瓷又稱傳統(tǒng)陶瓷。以天然硅酸鹽礦物為主要原料，如粘土、石英、長石等。主要制品有：日用陶瓷、建筑陶瓷、電器絕緣陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷。,一、陶瓷材料的分類與生產(chǎn),（一）分類,特種陶瓷是以純度較高的人工合成化合物為主要原料的人工合成化合物。 如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等。,按用途分類,高強度陶瓷 高溫陶瓷 壓電陶瓷 磁性陶瓷 半導(dǎo)體陶瓷 生物陶瓷,按性能可將陶瓷分,特種陶瓷可按化學組成分

2、為 氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 金屬陶瓷（硬質(zhì)合金）,坯料制備 通過機械或物理或化學方法制備粉料，在制備坯料時，要控制坯料粉的粒度、形狀、純度及脫水脫氣，以及配料比例和混料均勻等質(zhì)量要求。按不同的成型工藝要求，坯料可以是粉料、漿料或可塑泥團。,（二）陶瓷制品的生產(chǎn),陶瓷制品的生產(chǎn)都要經(jīng)過三個階段：坯料制備、成型、燒結(jié),成型 將坯料用一定工具或模具制成一定形狀、尺寸、密度和強度的制品坯型（亦稱生坯）。 燒結(jié) 生坯經(jīng)初步干燥后，進行涂釉燒結(jié)或直接燒結(jié)。高溫燒結(jié)時，陶瓷內(nèi)部會發(fā)生一系列物理化學變化及相變，如體積減小，密度增加，強度、硬度提高，晶粒發(fā)生相變等，使陶瓷制品達到所要求的物理性能和力

3、學性能。,8.2 工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料,又稱傳統(tǒng)陶瓷、粘土陶瓷。這種陶瓷以天然硅酸鹽礦物，如粘土、長石、石英等為主要原料配制、燒結(jié)而成的。 主晶相為莫來石晶體（3Al2O32SiO2），占2530，次晶相為SiO2； 玻璃相約為3560； 氣相為13。,一、普通陶瓷,硬度高，不會氧化生銹，不導(dǎo)電，耐1200高溫，加工成型性好，成本低廉。 玻璃相較多，強度較低，在較高溫度下易軟化，故耐高溫及絕緣性不及其它陶瓷。,性能特點,日用陶瓷 工業(yè)上主要用作絕緣的電瓷絕緣子和耐酸、堿的容器、反應(yīng)塔管道等，還可用于受力不大，工作溫度在200以下的結(jié)構(gòu)零件。,應(yīng)用,二、特種陶瓷,以Al2O3為主要成分，含少量SiO

4、2的陶瓷。 根據(jù)Al2O3含量不同，分為 75瓷（ ）又稱剛玉-莫來石瓷； 95瓷、99瓷，又稱剛玉瓷。 Al2O3含量愈高，玻璃相愈少，氣孔愈少，陶瓷的性能愈好，但工藝愈復(fù)雜，成本愈高。,（一）氧化鋁陶瓷,氧化鋁陶瓷的強度高，是普通陶瓷的26倍，抗拉強度可達250MPa； 耐磨性好，硬度次于金剛石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅，居第5； 耐高溫性能好，剛玉陶瓷可在1600下長期工作，在空氣中的最高使用溫度達1980； 耐蝕性和絕緣性好； 脆性大，抗熱振性差，不能承受環(huán)境溫度的突然變化。,主要用于制作內(nèi)燃機火花塞，火箭、導(dǎo)彈的導(dǎo)流罩，石油化工泵的密封環(huán)，耐磨零件，如軸承、紡織機上的導(dǎo)紗器，合成纖

5、維用的噴嘴等，作冶煉金屬用的坩堝等。,以Si3N4為主要成分；按生產(chǎn)工藝不同，分為熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷和反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷； 熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷 以Si3N4粉為原料，加入少量添加劑，裝入石墨模具中，在16001700高溫和2030MPa的高壓下燒結(jié)成型，得到組織致密，氣孔率接近0的氮化硅陶瓷。因受石墨模具所限制，只能加工形狀簡單的制品。,（二）氮化硅陶瓷,反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷 以硅粉或硅粉與Si3N4粉的混合料，壓制成型后，放入滲氮爐中進行滲氮處理，直到所有的硅都形成氮化硅，得到尺寸相當精密的氮化硅制品。但此制品中有2030的氣孔，故強度不及熱壓燒結(jié)制品，與95瓷相近。 性能優(yōu)異，易于加工。,硬

6、度高，摩擦系數(shù)?。?.10.2），有自潤滑性，是極優(yōu)的耐磨材料； 蠕變抗力高，熱脹系數(shù)小，抗熱振性能在陶瓷中是最好的； 化學穩(wěn)定性好，除氫氟酸外，能耐各種酸、王水和堿液的腐蝕，也能抗熔融金屬的侵蝕； 因氮化硅是共價鍵晶體，既無自由電子也無離子，具有優(yōu)異的電絕緣性能。,性能特點,反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷主要用于耐磨、耐高溫，耐腐蝕，形狀復(fù)雜且尺寸精度高的制品。如石油化工泵的密封環(huán)、高溫軸承、熱電偶套管、燃氣輪機轉(zhuǎn)子葉片等； 熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷用于制造形狀簡單的耐磨、耐高溫零件和工具。如切削刀具、轉(zhuǎn)子發(fā)動機刮片、高溫軸承等。,應(yīng)用,主晶相SiC，有反應(yīng)燒結(jié)和熱壓燒結(jié)兩種碳化硅陶瓷； 高溫強度高，工作溫度

7、可達16001700 1400時，抗彎強度為500600MPa ； 有很好的導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性、抗蠕變能力、耐磨性、耐蝕性，且耐輻射； 是良好的高溫結(jié)構(gòu)材料，主要用于制作火箭噴管的噴嘴，澆注金屬的澆道口、熱電偶套管、爐管，燃氣輪葉片，高溫軸承，熱交換器及核燃料包封材料等。,（三）碳化硅陶瓷,主晶相BN，共價晶體，晶體結(jié)構(gòu)為六方結(jié)構(gòu)，有白石墨之稱； 良好的耐熱性和導(dǎo)熱性，熱導(dǎo)率與不銹鋼相當，熱脹系數(shù)比金屬和其它陶瓷低得多，故抗熱振性和熱穩(wěn)定性好； 高溫絕緣性好，2000仍是絕緣體，是理想的高溫絕緣材料和散熱材料； 化學穩(wěn)定性高，能抗Fe、Al、Ni等熔融金屬的侵蝕； 硬度較其它陶瓷低，可切削加工；

8、 有自潤滑性，耐磨性好。,（四）氮化硼陶瓷,氮化硼陶瓷常用于制作熱電偶套管，熔煉半導(dǎo)體、金屬的坩堝和冶金用高溫容器和管道，高溫軸承，下班制品成型模，高溫絕緣材料； 因BN中含wB=43%，有很大的吸收中子的截面，可作核反應(yīng)堆中吸收熱中子的控制棒。,不同種類的特種陶瓷，各具不同的優(yōu)異性能，但作為主體結(jié)構(gòu)材料，其共同的弱點是：塑性、韌性差，強度低,氧化鎂陶瓷,氧化鋯陶瓷,氧化鈹陶瓷,8.3 金屬陶瓷,以金屬氧化物或碳化物為主要成分，加入適量的金屬粉末，通過粉末冶金的方法制成的，具有某些金屬性質(zhì)的陶瓷。 金屬陶瓷是金屬切削刀具、模具和耐磨零件的重要材料。,一、粉末冶金方法及其應(yīng)用,粉末冶金：陶瓷生產(chǎn)

9、工藝在冶金中的應(yīng)用,金屬材料的制備：熔煉、鑄造 高熔點的金屬及金屬化合物難以通過熔煉或鑄造的方法制備,粉末冶金,粉末制備,（一）粉末冶金法的基本工藝過程,包括粉末制取、配料、粉料混合等步驟。 粉末的純度、粒度、混合的均勻程度等對粉末冶金制品的質(zhì)量有重要影響。 粉末愈細、愈均勻、純度愈高，陶瓷的性能愈好。,. 粉末制備,多采用冷壓法，即將粉料裝入模具型腔內(nèi)，在壓力機下壓制成致密的具有一定強度的坯體。 為了改善粉末的可塑性和成型性，通常在粉料中會加入一定比例的增塑劑，如汽油橡膠溶液、石蠟等。,2. 壓制成型,將壓制成型的坯體放入通過保護氣氛的高溫爐或真空爐中進行燒結(jié)，在保持至少一種組元仍處于固態(tài)的

10、燒結(jié)溫度下，長時間保溫，通過擴散、再結(jié)晶、化學反應(yīng)等過程，獲得與一般合金相似的組織，并存在一些微小的孔隙的粉末冶金制品。,3. 燒結(jié),根據(jù)燒結(jié)過程中有無液相產(chǎn)生，燒結(jié)分為：固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。 固相燒結(jié)：在燒結(jié)時不形成液相。 無偏析高速鋼、燒結(jié)鋁（Al-Al2O3）、燒結(jié)鎢、青銅石墨、鐵石墨等 液相燒結(jié)：在燒結(jié)時形成部分液相的液-固共存狀態(tài)。 金屬陶瓷硬質(zhì)合金（WC-Co、WC-TiC-Co等）、高速鋼WC、鉻鉬鋼WC等,為改善或得到某些性能，有些粉末冶金制品在燒結(jié)后還要進行后處理加工。 如齒輪、球面軸承等在燒結(jié)后再進行冷擠壓，以提高其密度、尺寸精度等；鐵基粉末冶金零件進行淬火處理，以提高硬度

11、等等。,4. 后處理加工,（二）粉末冶金的應(yīng)用,減摩材料含油軸承 利用粉末冶金材料的多孔性，將材料浸在潤滑油中，在毛細力作用下，可吸附大量潤滑油（一般含油率達1230），從而減摩。常用含油軸承材料有鐵基（Fe+石墨、Fe+S+石墨）和銅基（Cu+Sb+Pb+Zn+石墨） 結(jié)構(gòu)材料 用碳鋼或合金鋼的粉末為原料，采用粉末冶金方法制造結(jié)構(gòu)零件。這種零件的精度較高、表面光潔，不須或少須切削加工即為成品零件。,高熔點金屬材料 W、Mo、WC、TiC等金屬及金屬化合物熔點高（2000），用熔煉和鑄造方法生產(chǎn)較難，且不易保證其純度和冶金質(zhì)量。 這些材料可以通過粉末冶金生產(chǎn)，如各種金屬陶瓷、鎢絲及Mo、Ta、

12、Nb等難熔金屬和高溫合金。 特殊電磁性能材料 如硬磁材料、軟磁材料，多孔過濾材料，假合金材料,二、金屬陶瓷硬質(zhì)合金,硬質(zhì)合金是金屬陶瓷的一種，它是以金屬碳化物（WC、TiC、TaC等）為基體，再加入適量的金屬粉末（如Co、Ni、Mo等）作為粘結(jié)劑制成的，具有金屬性質(zhì)的粉末冶金材料。,Co基體,WC,（一）硬質(zhì)合金的性能特點,高硬度、高熱硬性、耐磨性好（主要特點） 因以碳化物為骨架，常溫下硬度6981HRC，熱硬性達9001000，作為切削刀具，其耐磨性、壽命和切削速度比高速鋼顯著提高。 力學性能 抗壓強度高（6000MPa），抗彎強度低（只有鋼的1/31/2），彈性模量高（是高速鋼的23倍），

13、韌性差（約為淬火鋼的3050） 耐蝕性、抗氧化性好，熱脹系數(shù)比鋼低,因抗彎強度低、脆性大、導(dǎo)熱性差，故在加工、作用過程中要避免沖擊和溫度急劇變化； 硬度高，無法進行切削加工，可采用電加工（電火花、線切割）和專門砂輪磨削加工。,（二）硬質(zhì)合金的分類、編號和應(yīng)用,常用硬質(zhì)合金按成分和性能特點分為三類 鎢鈷類硬質(zhì)合金 鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金 通用硬質(zhì)合金,1. 分類與編號,鎢鈷類硬質(zhì)合金 由WC和Co組成 代號：YG YG“硬”、“鈷”，鈷的含量。 如：YG6表示wCo=6%，余量為WC的鎢鈷類硬質(zhì)合金 鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金 由WC、TiC和Co組成 代號：YT YT“硬”、“鈦”，TiC含量 如：YT15表

14、示wTiC=15%，余量為WC和Co的鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金,在硬質(zhì)合金中，WC越多，Co越少，則硬度、熱硬性及耐磨性越高，但強度及韌性越低。 當Co含量相同時，含TiC的硬質(zhì)合金硬度、耐磨性高，且因合金表面有一層TiO薄膜，切削時不易粘刀，熱硬性高；但強度和韌性比鎢鈷類硬質(zhì)合金低。 通用硬質(zhì)合金 添加TaC或NbC取代部分TiC 代號：YW YW“硬”、“萬”；順號 熱硬性高（1000），其它性能介于上兩類之間。既可加工鋼材，又能加工鑄鐵和有色金屬，故稱通用或萬能硬質(zhì)合金。,主要用于制造切削刀具、冷作模具、量具和耐磨零件。 鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具主要用來切削加工脆性材料，如鑄鐵、有色金屬、膠木及其它非金屬材料； 鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金主要用來切削加工韌性材料，如各種鋼。 含Co量多的硬質(zhì)合金韌性好，適宜粗加工，含Co量少的適于精加工。 通用硬質(zhì)合金既可切削脆性材料，亦可加工韌性材料,2. 應(yīng)用,（三）鋼結(jié)硬質(zhì)合金,以一種或幾種碳化物（WC、