中國(guó)粉體網(wǎng)訊  眾所周知，金屬具有較好的韌性和力學(xué)性能，但高溫下化學(xué)穩(wěn)定性較差，易氧化。陶瓷能夠耐高溫，化學(xué)穩(wěn)定性好，但脆性大，抗機(jī)械沖擊能力差。金屬陶瓷作為一種高溫復(fù)合材料，其性能也是相當(dāng)“硬核”，它兼顧了金屬的高韌性、可塑性和陶瓷的高熔點(diǎn)、耐腐蝕和耐磨損等特性，在航空航天、溫度測(cè)量、核能及加工制造等領(lǐng)域中擁有廣闊的應(yīng)用前景。

可以說(shuō)，金屬陶瓷是一種具有金屬和陶瓷綜合性能的先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料，目前具體的應(yīng)用對(duì)象主要包括高溫耐磨部件、測(cè)溫元件、高溫涂層、高速切削刀具、沖壓模具等。

定義

金屬陶瓷屬于一種高溫復(fù)合材料，與金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料既有聯(lián)系又有區(qū)別，很難精確界定。有研究者給出的金屬陶瓷的定義是：由一種金屬或合金與一種或幾種陶瓷組成的非均質(zhì)復(fù)合材料，其中陶瓷占15％～85％（體積分?jǐn)?shù)），在制備溫度下金屬和陶瓷之間的溶解度較小，彼此之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，或僅限于表面發(fā)生輕微的化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散滲透。此外，有相關(guān)工作者把“硬質(zhì)合金”歸入“金屬陶瓷”中，從材料組成來(lái)看，這種觀點(diǎn)也有一定道理。

金屬陶瓷的制備原則

為了更好地彌散分布并與金屬結(jié)合，金屬陶瓷中的非金屬相（陶瓷）通常是近于等軸狀的細(xì)顆粒，粒度一般為1-100μm。而金屬陶瓷制備成功與否，取決于在制備過(guò)程中能否生成一種對(duì)其陶瓷、金屬組元都能潤(rùn)濕結(jié)合的“粘結(jié)劑”，并且這種“粘結(jié)劑”能夠與陶瓷通過(guò)擴(kuò)散生成有限固溶體。若“生成的粘結(jié)劑”與陶瓷發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，則會(huì)產(chǎn)生不良后果，造成材料性能降低，因?yàn)榉磻?yīng)生成的通常是脆性的金屬間化合物。在燒結(jié)制備過(guò)程中，以下4種因素對(duì)金屬陶瓷的性能有決定性影響：

（1）金屬和陶瓷的物理化學(xué)性質(zhì)，包括膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量和金屬材料的塑性等；

（2）金屬潤(rùn)濕陶瓷的程度；

（3）金屬與陶瓷的相和組織結(jié)構(gòu)特征，包括相分布、晶粒尺寸與形狀以及相的連續(xù)性等，相似的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)和鍵合類(lèi)型有助于形成固溶體；

（4）高溫制備過(guò)程中金屬與陶瓷間的反應(yīng)程度。

分類(lèi)及應(yīng)用

根據(jù)金屬陶瓷中主要非金屬相的種類(lèi)，金屬陶瓷可分為五種類(lèi)型：氧化物基、碳化物基、碳氮化物基、硼化物基和含有石墨或金剛石狀碳的金屬陶瓷。

1、氧化物基金屬陶瓷

（1）Al2O3基金屬陶瓷

Al₂O₃基金屬陶瓷可用作切削工具，適于高速切削。用Cr作金屬組分的Al₂O₃基金屬陶瓷比Al₂O₃陶瓷機(jī)械強(qiáng)度高，并隨組成中Cr含量增加，抗折和抗張強(qiáng)度有所增加。采用Cr-Mo合金效果更好，可在許多高溫條件下應(yīng)用。例如作為噴氣火焰控制器、導(dǎo)彈噴管的襯套、熔融金屬流量控制針、“T”形澆口、爐管、火焰防護(hù)桿以及熱電偶保護(hù)套管和機(jī)械密封環(huán)等。Al₂O₃-Fe基金屬陶瓷硬度高、耐磨、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性高，廣泛用作機(jī)械密封環(huán)，以及農(nóng)用潛水泵機(jī)械密封用，另外還可以在要求耐高溫、導(dǎo)熱、導(dǎo)電場(chǎng)合下作為高溫部件用。該環(huán)使用壽命長(zhǎng)，而且不會(huì)因臨時(shí)啟動(dòng)產(chǎn)生大量的熱而使環(huán)破碎。

（2）ZrO₂基金屬陶瓷

ZrO₂基金屬陶瓷是另一種能用金屬粘結(jié)的陶瓷，可以制成有用的耐火材料。用5%～10%原子濃度的Ti粘結(jié)的ZrO₂基金屬陶瓷，可以制成適用于制造稀有和活性金屬的坩堝材料。

（3）其它氧化物基金屬陶瓷

BeO基金屬陶瓷用W作粘結(jié)金屬，其熱抗熱震性較好，在較高溫度下才軟化，這種材料以用來(lái)制作坩堝。由W或Mo作粘結(jié)金屬的ThO₂基金屬陶瓷，可以制成許多用于電子工業(yè)的產(chǎn)品。由Al、不銹鋼或W粘結(jié)的可裂變的UO₂組成的金屬陶瓷可用作為核反應(yīng)堆堆芯的燃料元件。這種金屬陶瓷可以較好地抑制裂變產(chǎn)物，導(dǎo)熱性好，從而可防止在高溫工作時(shí)熔化。

2、碳化物基金屬陶瓷

（1）WC基金屬陶瓷

WC基金屬陶瓷是碳化物基金屬陶瓷中研究最多、應(yīng)用最廣的一類(lèi)金屬陶瓷。迄今，能保證材料高機(jī)械性能的最好的結(jié)構(gòu)組合和原子間相互作用的古典示例，仍然是WC-Co基金屬陶瓷。因?yàn)樗鼈冊(cè)?0℃時(shí)相組元的結(jié)構(gòu)參數(shù)相接近，并且Co的高溫變態(tài)是通過(guò)孿生法從面心立方晶格轉(zhuǎn)變到六方晶格。這種轉(zhuǎn)變是由Co排列缺陷的低能量引發(fā)的，在Co內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的位錯(cuò)分裂，從而保證高的屈服極限。

（2）TiC基金屬陶瓷

在碳化物基金屬陶瓷中，除WC外，以TiC為基的金屬陶瓷也研究得相當(dāng)成熟，其應(yīng)用也很廣。由于TiC陶瓷的熔點(diǎn)(3250℃)高于WC(2630℃)、耐磨性好、密度只有WC的1/3，抗氧化性遠(yuǎn)優(yōu)于WC，而且都能被Co潤(rùn)濕，可用來(lái)替代目前廣泛使用在切削刀具工業(yè)中的WC-Co基金屬陶瓷而大大降低成本，因而引起了人們的極大興趣。

（3）Cr3C2基金屬陶瓷

以Cr₃C₂為主要組分，用Ni、Ni-Cr或Ni-W作粘結(jié)金屬的金屬陶瓷具有密度低、耐磨、耐腐蝕性好、熱膨脹系數(shù)低、高溫抗氧化性好等一系列優(yōu)良的性能，從而在工具方面和化學(xué)工業(yè)中得到了應(yīng)用�？梢杂米鼷}水捕魚(yú)桿導(dǎo)圈、抗熱鹽水腐蝕與磨損的軸承與密封材料、塊規(guī)、千分尺接頭和其它測(cè)量工具、黃銅擠壓模具、高溫軸承、制造油井閥門(mén)的閥球等。

3、碳氮化物基金屬陶瓷

Ti(C,N)基金屬陶瓷是在TiC基金屬陶瓷基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種具有高硬度、高強(qiáng)度、優(yōu)良的高溫和耐磨性能、良好的韌性以及密度小、導(dǎo)熱率高的新型金屬陶瓷。其主要成分是TiC-TiN，以Co-Ni為粘結(jié)劑，以其它碳化物為添加劑，如WC，Mo₂C，(Ta,Nb)C，Cr₃C₂，VC等。

目前，Ti(C,N)基金屬陶瓷應(yīng)用于加工領(lǐng)域已成現(xiàn)實(shí)，以制成各種微型可轉(zhuǎn)位刀片，用于精鏜孔和精孔加工以及“以車(chē)代磨”等精加工領(lǐng)域，且由于Ti(C,N)基金屬陶瓷有低密度、低摩擦系數(shù)、高耐磨性、良好的耐酸堿腐蝕性能和穩(wěn)定的高溫性能，還可用于：各類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件，如小軸瓦、葉輪根部法蘭、閥門(mén)、閥座、推桿、搖臂、偏心輪軸、熱噴嘴以及活塞環(huán)等；也可用于石化工業(yè)中各種密封環(huán)和閥門(mén)，還適合作各種量具，如滑規(guī)、塞規(guī)、環(huán)規(guī)。

4、硼化物基金屬陶瓷

（1）TiB2基金屬陶瓷

由于TiB2陶瓷具有某些獨(dú)特的物理化學(xué)性能，例如：高溫硬度極高、密度和電阻率低、彈性模量高、熱傳導(dǎo)性好、與金屬的粘著性和摩擦系數(shù)低、抗氧化性高、化學(xué)穩(wěn)定性好等，因而被認(rèn)為是制造新一代金屬陶瓷的很有發(fā)展前途的硬質(zhì)相。

（2）ZrB2基金屬陶瓷

用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.02～0.05的B粘結(jié)ZrB₂的ZrB₂基金屬陶瓷可以在極高溫度下使用，包括燃燒室、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的反應(yīng)系統(tǒng)。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15的SiC和ZrB₂反應(yīng)，這種固結(jié)的金屬陶瓷可進(jìn)一步增強(qiáng)ZrB2的抗氧化性，能經(jīng)受得住1900～2500℃范圍內(nèi)的氧化環(huán)境。這種金屬陶瓷可應(yīng)用于處理熔融金屬的系統(tǒng)，如在壓鑄機(jī)上壓鑄液態(tài)合金所用泵的葉輪和軸承；霧化金屬粉末用的噴嘴以及與熔融活性金屬或蒸氣接觸的爐子零部件。

5、含石墨或金剛石狀碳的金屬陶瓷

制造電觸頭用的石墨-金屬組合物材料可用于：電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的金屬電刷，其金屬相為銅或青銅；較低摩擦速度和低接觸壓力下的滑動(dòng)觸頭，金屬相為銀。此外，這類(lèi)材料還廣泛用來(lái)制造制動(dòng)器襯面和離合器襯片。在金屬基體內(nèi)加入從粗的碎片到細(xì)的粉末狀金剛石組成的金屬陶瓷，可制造研磨、拋光、鋸開(kāi)、切割、修整和整形工具。

參考來(lái)源：

[1]張等勇.金屬陶瓷先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用及研究進(jìn)展

[2]徐強(qiáng).金屬陶瓷的研究進(jìn)展

[3]劉開(kāi)琪.金屬陶瓷的制備與應(yīng)用

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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