金属陶瓷

金属陶瓷英文单词cermet或ceramet是由ceramic(陶瓷)和metal(金属)结合构成的。金属陶瓷是一种复合材料,它的定义在不同时期略有不同,如,有的定义为由陶瓷和金属组成的一种材料,或由粉末冶金方法制成的陶瓷与金属的复合材料。《辞海》定义为:由金属和陶瓷原料制成的材料,兼有金属和陶瓷的某些优点,如前者的韧性和抗弯性,后者的耐高温、高强度和抗氧化性能等。美国ASTM专业委员会定义为:一种由金属或合金与一种或多种陶瓷相组成的非均质的复合材料,其中后者约占15%~85%体积分数,同时在制备的温度下,金属和陶瓷相之问的溶解度相当小。从狭义的角度定义的金属陶瓷是指复合材料中金属和陶瓷相在三维空间上都存在界面的一类材料。

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,所以具体材料也很难划分界线,从材料的组成看,"硬质合金"应该归入"金属陶瓷",IE. Campbell就将"硬质合金"归入到"金属陶瓷"。

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(HRC 80~92),极高的抗压强度6000MPa (600kg.N/mm),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,从而提高材料的韧性;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。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。

金属陶瓷为了使陶瓷既可以耐高温又不容易破碎,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 ,又称弥散增强材料 。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料。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料。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。

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。金属基金属陶瓷通常具有高温强度高、密度小、易加工、耐腐蚀、导热性好等特点,因此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。陶瓷基金属陶瓷主要可以细分为以下几种类型:

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,与部分金属材料复合而成。

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料复合而成。其中硅化钼金属陶瓷在工业中得到广泛地应用。

金属陶瓷兼有金属和陶瓷的优点,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,也能防止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。

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

它是两相金属的机械混合物,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,因此这相金属在材料中起骨架作用。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,防止了熔化金属的大量喷溅,使触头电磨损大大减小。以下介绍几种常用的金属陶瓷材料:

1、银-氧化镉 这种材料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。这种材料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,并清洁触头表面;

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料的粘度,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,提高耐电磨损性能。

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

银-钨的缺点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 这种材料性能与银-钨相似,但比银-钨更容易氧化,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,缺点是电磨损大。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高。主要缺点是在大气中易生锈斑。