第二章 耐磨耐高温材料

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1、第二章耐磨耐高温材料第一节耐磨材料耐磨材料的特性：？在此主要介绍制造刀具的耐磨材料，常用的耐磨材料有碳化硅、氮化硼、氧化铝和硬质合金。它们都是硬度大，熔点高的物质，而且在较高的温度下仍能保持足够的硬度和耐磨性。一、碳化硅（SiC）碳化硅的晶体结构和金刚石相似，属于原子晶体。它可以看作是金刚石晶体中有半数的碳原子被硅原子所取代。mp=2827℃，硬度近似于金刚石，故又称为金刚砂。制备，将砂子（二氧化硅）和过量焦炭的混合物放在电炉中加热：加热SiO2+3C——→SiC+2CO电炉制得的碳化硅是蓝黑色发珠光的晶体,化学性质很稳定,

2、即使在高温下也不受氯、氧或硫的侵蚀,不和强酸作用,甚至发烟硝酸和氢氟酸的混合酸(HNO3+HF)也不能侵蚀它。但是SiC在空气中能被熔融的强碱或碳酸钠分解:加热①SiC+4KOH+2O2-----K2SiO3+K2CO3+2H2O加热②SiC+2Na2CO3-----Na2SiO3+Na2O+2CO+C应用:工业上SiC常用做磨料和制造砂轮或磨石的摩擦表面。Cr铬涞法SiC磨料的硬度高,棱角锋利,但性脆,抗张强度小,宜用来磨脆性材料。常用的SiC磨料有两种不同的晶体,一种是绿SiC,含SiC97%以上,主要用于磨硬质合金的工

3、具;另一种是黑SiC,有金属光泽,含SiC95%以上,强度比绿SiC大,但硬度较低,主要用于磨铸铁和非金属材料。一、氮化硼(BN)BN是白色耐高温的物质,不溶于水,可以由熔融B2O3+NH4Cl--------BN+HCl+H2O也可B在NH3中燃烧而制得,BN有两种晶体结构,一种与金刚石相似,另一种与石墨相似,这是由于(BN)n与单质碳(C2)n是等电子体,因此人们根据许多感性知识总结出一条经验规律:具有相同电子数(全部电子数或价电子数)和相同原子数(H，He，Li除外)的分子或离子，它们的电子式和原子的排列方式相似，性质

4、也相似。这条规律叫做等电子原理。由于B比C少一个电子，而N比C多一个电子，BN与单质碳电子数和原子数都相等，应该有相似的晶体结构。通常制得的BN是石墨型的，俗称白色石墨，它是比石墨更耐高温的固体润滑剂。和石墨转变为金刚石的原理相似，石墨型BN在高温（1800℃）、高压（800Mpa）下可转变为金刚石型BN。这种BN中B-N键长（0.156nm）与金刚石中C-C键长（0.154nm）相似，密度也和金刚石相近，它的硬度和金刚石不相上下，而耐热性比金刚石好，所以是新型耐高温的超硬材料，用来制作钻头，磨具和切割工具。一、刚玉刚玉是自

5、然界中以结晶状态存在的氧化铝，它的硬度很高，仅次于金刚石和金刚砂。人工高温烧结的氧化铝称为人造刚玉。刚玉也是常用的磨料，其抗弯强度较大，韧性较好，但硬度较低，适用于磨削抗张强度大和有韧性的材料如碳钢、合金刚等。刚玉中含有少量其他氧化物质，能呈现不同的颜色。例如，含有少量的Cr2O3时，形成红宝石，含有少量铁和钛的氧化物时，得到蓝宝石。现在可以用人工方法合成各种宝石，人造宝石常用作机器、仪表中轴承和手表中的钻石。一、硬质合金第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族金属和C、N、B等形成的化合物，硬度和熔点等特别高，统称为硬质合金。下面以碳化物为重点来

6、说明硬质合金的结构、特性和应用。碳与电负性比碳小的元素形成的二元化合物，除碳氢化合物外，都叫做碳化物。碳化物有三种类型：一类是碳和活泼金属形成的碳化物，例如CaC2是离子型碳化物，能和水或稀酸作用，生成碳氢化合物。CaC2+2H2O=C2H2+Ca（OH）2CaC2+2HCl=C2H2+CaCl2第二类是碳和非金属元素硅或硼形成的碳化物，它们是共价型碳化物，在固态时属于原子晶体。第三类是碳和第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族金属形成的金属型碳化物。这些过渡金属电负性不太小，不能与碳以离子键或共价键形成结合，但碳原子半径小，可溶于这些过渡金属形

7、成间充固溶体。在适宜条件下，当碳含量超过溶解度极限时，可出现一种突变，形成间充化合物，使原金属晶格转变为另一种形式的金属晶格，如Fe3C、WC等。这类金属型碳化物的共同特点是具有金属光泽，能导电传热，硬度大，熔点高，但脆性也大。从几何学方面考虑，要形成简单结构的间充化合物，间充原子和金属原子的半径比必须小于0.59。C的原子半径为0.077nm。金属原子的半径应大于0.130nm。Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W等都大于0.130nm，其碳化物的晶体结构与原金属相似。Cr、Mn、Fe、Co、Ni等原子半径小于0.1

8、30nm，晶格中空隙较小，形成碳化物时，使金属晶格发生较显著的变化，形成复杂结构的间充化合物。这些碳化物的化学键在不同程度上表现出向离子键过渡，因而具有一些接近离子型碳化物的性质。例如，Fe3C的硬度和熔点要低于TiC、WC等，化学稳定性也较差，和稀酸作用生成CH4和H2。Fe3C+6HC