结构陶瓷材料的应用

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结构陶瓷材料的应用1.陶瓷刀具2.陶瓷发动机3.陶瓷装甲4.陶瓷轴承 1.陶瓷刀具陶瓷刀具是以陶瓷材料为基础制作的用于金属切削的刀具，能在高速切削条件下保持高的强度、硬度和耐磨性，并具有长的使用寿命。CompanyLogo 陶瓷刀具与传统的高速钢和硬质合金刀具相比，具有更好的红硬性和耐磨性；与超硬材料金刚石和CBN相比，它具有更低的制造成本、更好的热稳定性和抗冲击能力。因而，在先进制造技术的发展过程中起着如下方面的重要作用。CompanyLogo ①它可以加工传统刀具难以加工或根本不能加工的工件。②它可以保证在自动化加工中较长时间较稳定的工作，保证工件的加工精度。③它可以进行高速切削，加工效率可提高几倍甚至几十倍。下面将着重介绍氧化铝基、氮化硅基、金属陶瓷、陶瓷徐层刀具和超硬刀具材料。CompanyLogo 1.1氧化铝基陶瓷刀具（1）纯氧化铝陶瓷刀具纯氧化铝陶瓷刀具，其中Al2O3的成分占99.9％以上，多呈白色，俗称白陶瓷。氧化铝陶瓷刀具是最早的一种陶瓷刀具。由于Al2O3陶瓷脆性大，强度低，质量不稳定，使用过程中容易崩刀，使得氧化铝陶瓷刀具在很长时间内不能成功推广应用。CompanyLogo 在氧化铝中添加MgO、TiO2等外加剂，一方面降低氧化铝陶瓷的烧结温度，更重要的是能抑制氧化铝晶粒的过快生长，形成细晶结构。另外，采用热压烧结技术也可以获得陶瓷材料的细品结构。CompanyLogo Al2O3陶瓷的弯曲强度和硬度随晶粒尺寸的变化关系对于氧化铝陶瓷晶粒与力学性能的研究表明，在相同的致密情况下，晶粒越细，Al2O3陶瓷的弯曲强度和硬度就越高，因而刀具的切削性能也越好。CompanyLogo 氧化铝—碳化物系复合陶瓷是在Al2O3基体中加入TiC、WC、TaC、NbC、Cr3C2等成分经烧结而成的复合陶瓷体系。在氧化铝—碳化物复合陶瓷刀具体系中发展最早的是Al2O3—TiC复合陶瓷。这种复合陶瓷刀具，由于在基体中弥散了质量分数为15％一40％的硬质纫颗粒TiC，不仅提高了材料的硬度，也提高了断裂韧性。因为当基体中的裂纹受力扩展时，必然会遇到TiC颗粒的阻碍，产生偏折拐弯，这样就延长了裂纹所走的路线，多消耗了一部分能量。因此复合Al2O3—TiC陶瓷刀具的切削性能要比纯Al2O3刀具提高很多。（2）氧化铝—碳化物复合陶瓷刀具CompanyLogo Al2O3十Ti(C，N)系统陶瓷强度、断裂韧性和硬度的实验结果在Al2O3中适当加入Ti(C，N)，使得Al2O3的晶粒变细，同时提高了硬度，这种复合材料刀具有较高的硬度和切削能力。CompanyLogo 此外，还有Al2O3／(W，Ti)C梯度功能陶瓷刀具、氧化铝—碳化钦—金属系复合陶瓷刀具、SiC晶须增韧Al2O3复合陶瓷刀具、ZrO2增初Al2O3陶瓷刀具等。CompanyLogo 1.2氮化硅基陶瓷刀具Si3N4系陶瓷为高温强度和热传导率高、线膨胀系数小、共价性强的材料，有着与氧化铝陶瓷完全不同的特性。将其作为切削刀具材料最大特点是能进行高速切削，并且耐磨性好。CompanyLogo (1)Si3N4／TiC复合陶瓷刀具复合氮化硅(Si3N4+TiC)陶瓷刀具以TiC作为弥散相，TiC的引入提高了刀具材料的硬度和耐磨性。与硬质合金刀具相比，Si3N4／TiC复合陶瓷刀具的切削耐用度可提高几十倍，切削速度可提高3—10倍。CompanyLogo 几种陶瓷月具材料在加工冷硬铸铁(HS71—73)时的磨损曲线左图是几种陶瓷刀具材料在加工冷颁铸铁(HS71—73)时的磨损曲线。由因可知，复合氮化硅陶瓷刀具有着较高的耐磨性。CompanyLogo （2）赛龙(Sialon)复相陶瓷刀具由于碳化钛和氯化硅的线膨胀系数相整较大，高速切削时因刀尖温度急剧升高，会产生较大的热应力，降低刀具的使用寿命。为此许多国家又研究开发了以Si3N4为硬质相、Al2O3为耐磨相、添加少量Y2O3作烧结助剂经热压烧结制备一种Si3N4复合陶瓷刀具－赛龙陶瓷刀具。CompanyLogo 如美国生产的Sialon牌号KY3000，成分为：77％Si3N4、13％Al2O3、10％Y2O3，硬度达HV1800，弯曲强度达1．2GPa。KY3000陶瓷刀片在高速下切削镍基高温合金时，材料切除率是涂层硬质合金刀具的七倍。此外，还有Si3N4–WC-ZrO2复合陶瓷刀具、Si3N4晶须增韧陶瓷刀具CompanyLogo （3）金属陶瓷刀具金属陶瓷是一种既像钢铁一样的坚硬义像陶瓷一样耐高温、耐腐蚀的复合材料．它兼有金属和陶瓷两种材料的优点。TiC—TiN金属陶瓷是一种理想的刀具材料，该材料具有很好的耐磨性和韧性，可用于铣刀的加工中。CompanyLogo 为了制得性能优良的金属陶瓷，首要的问题是找到好的胶黏剂。对于TiC，发现只有Ni、Co、Cr、Si等少数几种金属能黏结TiC，其中Ni和Co最好。Ni和Co能在TiC颗粒周围形成极薄的金属层，Cr虽然能润湿TiC，但不形成连续网络而生成Cr3C2。Co和Ni的抗氧化性不好，强度也不高。为了改善这一情况，常在Ni和Co中又加入一些其他金属，如Cr、Mo、W等，加入这些金属后，提高了黏结相的抗氧化性和高温强度，同时改善了润湿性。CompanyLogo Ti(C，N)具有很高的强度和断裂韧性以及较高的硬度，有很宽的切削应用范围，在精加工或高速铣削钢件时尤为有效。下表出了几种国外生产的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的牌号、组成和性能。由于它需要较多的金属如Mo、Ni作为烧结助剂，所以它的硬度并不理想。为了提高它的硬度和耐磨性，可加入WC、VC、TiB2或Al2O3等添加剂。CompanyLogo 几种国外生产的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的牌号、组成和性能CompanyLogo （4）陶瓷涂层刀具刀具表而涂层技术可使切削刀具获得优良的综合机械性能，不仅可有效地提高刀具使用寿命，而且还能大幅度地提高机械加工效率。涂层技术的发展已从当初单一的TiC、TiN涂层，经历了TiC、TiN、Al2O3等多元复合涂层的发展阶段，使涂层的性能有了重大的改进，使用范围不断扩大。刀具涂层技术目前仍可划分为两大类，即CVD(化学气相沉积)和PVD技术(物理气相沉积)。CompanyLogo CVD技术自20世纪60年代出现以来，在硬质合金可转位刀具上得到了极为广泛的应用。在CVD工艺中，气相沉积所需金属源的制备相对容易，可实现TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等单层及多元多层复合涂层，其涂层与基体结合强度高，薄膜厚度可达7—9μm，相对而言，CVD涂层具有更好的耐磨性。CompanyLogo 与CVD工艺相比，PVD工艺处理在600℃以下对刀具材料的弯曲强度没有影响；薄膜内部为压应力，更适合于硬质合金精密复杂类刀具的涂层；PVD工艺对环境没有不利影响，符合目前绿色工业的发展方向.CompanyLogo 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：单晶金刚石、多晶合刚石、聚晶立方氮化硼等。超硬刀具主要是以金刚石和立方氯化硼为材料制作的刀具，其中以人造金刚石刀具及立方氮化硼刀具占主导地位。CompanyLogo (1)多晶金刚石多晶金刚石是20世纪70年代利用高温、高压技术人工合成金刚石的切削刀具。多晶金刚石晶粒呈无序排列状态，不具方向性，因而硬度均匀。它有很高的硬度和导热性，低的热胀系数。高的弹性模旦和较低的摩擦系数，刀刃非常锋利。多晶金刚石价格便宜，且刃磨远比天然金刚石方便，所以其应用、推广特别迅速。CompanyLogo (2)立方氮化硼烧结体(PCBN)立方氮化硼烧结体(PCBN)是CBN颗粒与结合剂一起烧结而成，硬度仅次于金刚石，与黑色金属无亲和力。PCBN刀具材料性能如下:①具有较高的硬度和耐磨性②具有很高的热稳定性③具有优良的化学稳定性④具有较好的导热性⑤具有较好的摩擦系数CompanyLogo 2.陶瓷发动机汽车发动机一直用金属材料制造。金属的导热性好而耐热、耐腐蚀性能差，在高温下极易氧化、变形面导致破坏。因此，发动机的燃烧室(汽缸)必须用水或空气冷却，这样，进入发动机的燃料产生的热能，大约只有1／3转变为驱动车轴的有用功率，其余1／3被冷却剂带走，另外1／3随废气排出。为了提高发动机热效率，减少能量损耗，这就需要取消或部分取消冷却系统，使用耐高温隔热材料以减少燃烧室热量的损失，使发动机在更高的工作温度下工作。CompanyLogo 高性能结构陶瓷材料由于其具有密度小、热导率低、耐高温、耐磨损以及耐腐蚀等待性，成为制造发动机的理想材料。发动机使用陶瓷材料有如下优点：①提高发动机热效率②减少辅助功率消耗，发动机结构简化③适应多种燃料的燃烧④降低发动机噪声，减少排气污染⑤减轻质量⑥资源丰富CompanyLogo 对于陶瓷发动机的研究主要有三个方面的内容：陶瓷燃气轮机、低散热陶瓷发动机(隔热陶瓷发动机)和汽车发动机陶瓷零部件。陶瓷发动机的发展速度比人们想像得要慢，至今实用化了的部件不过十余种，其余的尚在试验阶段。可靠性和成本价格是阻碍其发展的主要原因。CompanyLogo 3.陶瓷装甲装甲防护材料是用于装甲车辆、坦克、航母、舰艇、直升机等装备以及人体的防护材料，它们能承受反装甲武器的攻击，可提高武器装备和作战人员的生存能力和作战能力。装甲防护材料也从传统的金属材料(钢、铝)发展为先进的金属基、陶瓷基和高分子基复合材料。CompanyLogo 众所周知，金属材料具有高的硬度和韧性，但是硬度较陶瓷材料低，特别是密度大；玻璃钢具有高强度和低密度的特点，但是硬度低。玻璃钢只有用作背板或非金属夹层时，才能显示其效能。陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐酸碱、硬度高和相对于金属材料密度低的特点，但是它的韧性和强度都有待于提高。CompanyLogo 特种陶瓷作为防弹材料，其防护系数是最高的，是最有希望的防弹材料之一。装甲陶瓷材料目前存在的主要问题是韧性差和成本高。为此，对于装甲陶瓷材料主要是进行提高材料本身的性能和低成本制造技术的研究。CompanyLogo 4.陶瓷轴承陶瓷轴承可分为全陶瓷轴承和混合陶瓷轴承。全陶瓷轴承是指轴承全部由陶瓷材料组成，而混合陶瓷轴承是指轴承中的一部分是由陶瓷材料构成，其余由轴承钢组成。CompanyLogo 同其他陶瓷部件相比，陶瓷轴承零件所受应力很高，因此，对于陶瓷轴承材料的要求更加苛刻。目前，大多数在正常工作环境下应用的轴承部是混合型的，对其中陶瓷滚动体材料有如下要求。①低密度②适中的弹性模量③高强度④高硬度和韧性⑤线膨胀系数小⑥耐高温⑦耐腐蚀CompanyLogo 由于陶瓷轴承制备工艺复杂，影响产品质量的工艺参数较多，存在着产品的稳定性、一致性控制困难以及成本较高等因素，在一定程度上影响了大批量化生产及推广应用。CompanyLogo