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金屬陶瓷英文單詞cermet或ceramet是由ceramic(陶瓷)和metal(金屬)結(jié)合構(gòu)成的。金屬陶瓷是一種復(fù)合材料,它的定義在不同時期略有不同,如,有的定義為由陶瓷和金屬組成的一種材料,或由粉末冶金方法制成的陶瓷與金屬的復(fù)合材料。《辭�！范�義為:由金屬和陶瓷原料制成的材料,兼有金屬和陶瓷的某些優(yōu)點(diǎn),如前者的韌性和抗彎性,后者的耐高溫、高強(qiáng)度和抗氧化性能等。美國ASTM專業(yè)委員會定義為:一種由金屬或合金與一種或多種陶瓷相組成的非均質(zhì)的復(fù)合材料,其中后者約占15%~85%體積分?jǐn)?shù),同時在制備的溫度下,金屬和陶瓷相之問的溶解度相當(dāng)小。從狹義的角度定義的金屬陶瓷是指復(fù)合材料中金屬和陶瓷相在三維空間上都存在界面的一類材料。

金屬陶瓷既保持了陶瓷的高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐高溫、抗氧化和化學(xué)穩(wěn)定性等特性,又具有較好的金屬韌性和可塑性。由于"金屬陶瓷"和"硬質(zhì)合金"兩個學(xué)科術(shù)語沒有明確的分界,所以具體材料也很難劃分界線,從材料的組成看,"硬質(zhì)合金"應(yīng)該歸入"金屬陶瓷",IE. Campbell就將"硬質(zhì)合金"歸入到"金屬陶瓷"。

WC-Co基金屬陶瓷作為研究最早的金屬陶瓷,由于具有很高的硬度(HRC 80~92),極高的抗壓強(qiáng)度6000MPa (600kg.N/mm),已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域。但是由于W和Co資源短缺,促使了無鎢金屬陶瓷的研制與開發(fā),迄今已歷經(jīng)三代:第一代是"二戰(zhàn)"期間,德國以Ni粘結(jié)TiC生產(chǎn)金屬陶瓷;第二代是20世紀(jì)60年代美國福特汽車公司添加Mo到Ni粘結(jié)相中改善TiC和其他碳化物的潤濕性,從而提高材料的韌性;第三代金屬陶瓷則將氮化物引入合金的硬質(zhì)相,改單一相為復(fù)合相。又通過添加Co相和其他元素改善了粘結(jié)相。金屬陶瓷研制的另一個新方向是硼化物基金屬陶瓷。由于硼化物陶瓷具有很高的硬度、熔點(diǎn)和優(yōu)良的導(dǎo)電性,耐腐蝕性,從而使硼化物基金屬陶瓷成為最有發(fā)展前途的金屬陶瓷。

金屬陶瓷為了使陶瓷既可以耐高溫又不容易破碎,人們在制作陶瓷的粘土里加了些金屬粉,因此制成了金屬陶瓷。金屬基金屬陶瓷是在金屬基體中加入氧化物細(xì)粉制得 ,又稱彌散增強(qiáng)材料 。主要有燒結(jié)鋁(鋁-氧化鋁) 、燒結(jié)鈹(鈹-氧化鈹)、TD鎳(鎳-氧化釷)等。由一種或幾種陶瓷相與金屬相或合金所組成的復(fù)合材料。廣義的金屬陶瓷還包括難熔化合物合金、硬質(zhì)合金、金屬粘結(jié)的金剛石工具材料。金屬陶瓷中的陶瓷相是具有高熔點(diǎn) 、高硬度的氧化物或難熔化合物,金屬相主要是過渡元素(鐵、鈷、鎳、鉻、鎢、鉬等)及其合金。

根據(jù)各組成相所占百分比不同,金屬陶瓷分為以陶瓷為基質(zhì)和以金屬為基質(zhì)兩類。金屬基金屬陶瓷通常具有高溫強(qiáng)度高、密度小、易加工、耐腐蝕、導(dǎo)熱性好等特點(diǎn),因此常用于制造飛機(jī)和導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機(jī)活塞、化工機(jī)械零件等。陶瓷基金屬陶瓷主要可以細(xì)分為以下幾種類型:

1、氧化物基金屬陶瓷。以氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈹?shù)葹榛�體,與金屬鎢、鉻或鈷復(fù)合而成,具有耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、導(dǎo)熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn),可用作導(dǎo)彈噴管襯套、熔煉金屬的坩堝和金屬切削刀具。

2、碳化物基金屬陶瓷。以碳化鈦、碳化硅、碳化鎢等為基體,與金屬鈷、鎳、鉻、鎢、鉬等金屬復(fù)合而成,具有高硬度、高耐磨性、耐高溫等特點(diǎn),用于制造切削刀具 、高溫軸承、密封環(huán)、撿絲模套及透平葉片。

3、氮化物基金屬陶瓷。以氮化鈦、氮化硼、氮化硅和氮化鉭為基體,具有超硬性、抗熱振性和良好的高溫蠕變性,應(yīng)用較少。

4、硼化物基金屬陶瓷。以硼化鈦、硼化鉭、硼化釩、硼化鉻、硼化鋯、硼化鎢、硼化鉬、硼化鈮、硼化鉿等為基體,與部分金屬材料復(fù)合而成。

5、硅化物基金屬陶瓷。以硅化錳、硅化鐵、硅化鈷、硅化鎳、硅化鈦、硅化鋯、硅化鈮、硅化釩、硅化鈮、硅化鉭、硅化鉬、硅化鎢、硅化鋇等為基體,與部分或微量金屬材料復(fù)合而成。其中硅化鉬金屬陶瓷在工業(yè)中得到廣泛地應(yīng)用。

金屬陶瓷兼有金屬和陶瓷的優(yōu)點(diǎn),它密度小、硬度高、耐磨、導(dǎo)熱性好,不會因?yàn)轶E冷或驟熱而脆裂。另外,在金屬表面涂一層氣密性好、熔點(diǎn)高、傳熱性能很差的陶瓷涂層,也能防止金屬或合金在高溫下氧化或腐蝕。金屬陶瓷既具有金屬的韌性、高導(dǎo)熱性和良好的熱穩(wěn)定性,又具有陶瓷的耐高溫 、耐腐蝕和耐磨損等特性。金屬陶瓷廣泛地應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈、超音速飛機(jī)的外殼、燃燒室的火焰噴口等地方。

為了滿足電器對觸頭材料提出的各種復(fù)雜的,甚至是矛盾的要求,發(fā)展了金屬陶瓷材料。

它是兩相金屬的機(jī)械混合物,每相金屬各相保留原有的物理性能。兩相金屬中一相為難熔相,它的硬度高、熔點(diǎn)高,在高溫和沖擊作用下不變形,在電弧作用下不熔化,因此這相金屬在材料中起骨架作用。這類金屬有鎢、鉬、金屬氧化物等。另一相金屬為載流相,它主要起導(dǎo)電和導(dǎo)熱作用。這類金屬銀、銅等。載流相金屬熔點(diǎn)都比較低,在電弧高溫作用下熔成液體,保留在難熔相金屬骨架構(gòu)成的空隙中,防止了熔化金屬的大量噴濺,使觸頭電磨損大大減小。以下介紹幾種常用的金屬陶瓷材料:

1、銀-氧化鎘 這種材料具有良好的耐電磨損、抗熔焊和接觸電阻低而穩(wěn)定的特點(diǎn)。它被廣泛應(yīng)用于中等功率的電器中。這種材料具有這些優(yōu)良性能的原因是:

①在電弧作用下氧化鎘分解,從固態(tài)升華成氣態(tài)(分解溫度約900℃),產(chǎn)生劇烈蒸發(fā),起著吹弧作用,并清潔觸頭表面;

②氧化鎘分解時吸收大量的熱,有利于電弧的冷卻與熄滅;

③彌散的氧化鎘微粒能增加熔融材料的粘度,減少金屬的飛濺損耗;

④鎘蒸汽一部分重新與氧結(jié)合形成固態(tài)氧化鎘,沉積在觸頭表面,組織觸頭的焊接。

氧化鎘含量在12%~15%時可以得到最佳性能。如果在銀-氧化鎘中添加一些微量元素,例如硅、鋁、鈣等能進(jìn)一步細(xì)化晶粒,提高耐電磨損性能。

2、銀-鎢 這種材料具有銀、鎢各自的優(yōu)點(diǎn)。隨著鎢含量的增加,耐電弧磨損和抗熔焊性能提高,但導(dǎo)電性下降。低壓開關(guān)常用含鎢30%~40%的材料,高壓開關(guān)用含鎢60%~80%的材料。

銀-鎢的缺點(diǎn)是接觸電阻隨觸頭開閉次數(shù)的增加而增大,嚴(yán)重者可達(dá)到初始值的十倍以上,因在分?jǐn)噙^程中,觸頭表面會產(chǎn)生三氧化鎢(WO3)或鎢酸銀(Ag2WO4)膜,這種膜不導(dǎo)電,使接觸電阻劇增。

3、銅-鎢 這種材料性能與銀-鎢相似,但比銀-鎢更容易氧化,形成鎢酸銅(CuWO4)膜,使接觸電阻劇增。它不宜作空氣開關(guān)觸頭,但可以作油開關(guān)觸頭。

4、銀-石墨 它的導(dǎo)電性好,接觸電阻小,抗熔焊性能很好,缺點(diǎn)是電磨損大。一般石墨含量不超過5%。

5、銀-鐵 有好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐電磨損等性能,用于中、小電流接觸器中比純銀觸頭的電壽命成倍提高。主要缺點(diǎn)是在大氣中易生銹斑。