結(jié)構(gòu)陶瓷材料的應(yīng)用

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1、單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,Company Logo,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,結(jié)構(gòu)陶瓷材料的應(yīng)用,1.,陶瓷刀具,2.,陶瓷發(fā)動機(jī),3.,陶瓷裝甲,4.,陶瓷軸承,1.,陶瓷刀具,陶瓷刀具是以陶瓷材料為基礎(chǔ)制作的用于金屬切削的刀具，能在高速切削條件下保持高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，并具有長的使用壽命。,Company Logo,陶瓷刀具與傳統(tǒng)的高速鋼和硬質(zhì)合金刀具相比，具有更好的紅硬性和耐磨性；與超硬材料金剛石和,CBN,相比，它具有更低的制造成本、更好的熱穩(wěn)定性和抗沖擊能力。因而，在先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展過程中起著如下方面的重要作用。,Company Logo,它

2、可以加工傳統(tǒng)刀具難以加工或根本不能加工的工件。,它可以保證在自動化加工中較長時間較穩(wěn)定的工作，保證工件的加工精度。,它可以進(jìn)行高速切削，加工效率可提高幾倍甚至幾十倍。,下面將著重介紹氧化鋁基、氮化硅基、金屬陶瓷、陶瓷徐層刀具和超硬刀具材料。,Company Logo,1.1,氧化鋁基陶瓷刀具,（,1,）純氧化鋁陶瓷刀具,純氧化鋁陶瓷刀具，其中,Al,2,O,3,的成分占,99.9,以上，多呈白色，俗稱白陶瓷。,氧化鋁陶瓷刀具是最早的一種陶瓷刀具。由于,Al,2,O,3,陶瓷脆性大，強(qiáng)度低，質(zhì)量不穩(wěn)定，使用過程中容易崩刀，使得氧化鋁陶瓷刀具在很長時間內(nèi)不能成功推廣應(yīng)用。,Company Logo

3、,在氧化鋁中添加,MgO,、,TiO,2,等外加劑，一方面降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度，更重要的是能抑制氧化鋁晶粒的過快生長，形成細(xì)晶結(jié)構(gòu)。,另外，采用熱壓燒結(jié)技術(shù)也可以獲得陶瓷材料的細(xì)品結(jié)構(gòu)。,Company Logo,Al,2,O,3,陶瓷的彎曲強(qiáng)度和硬度隨晶粒尺寸的變化關(guān)系,對于氧化鋁陶瓷晶粒與力學(xué)性能的研究表明，在相同的致密情況下，晶粒越細(xì)，,Al,2,O,3,陶瓷的彎曲強(qiáng)度和硬度就越高，因而刀具的切削性能也越好。,Company Logo,氧化鋁,碳化物系復(fù)合陶瓷是在,Al,2,O,3,基體中加入,TiC,、,WC,、,TaC,、,NbC,、,Cr,3,C,2,等成分經(jīng)燒結(jié)而成的復(fù)合陶瓷

4、體系。,在氧化鋁,碳化物復(fù)合陶瓷刀具體系中發(fā)展最早的是,Al,2,O,3,TiC,復(fù)合陶瓷。這種復(fù)合陶瓷刀具，由于在基體中彌散了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為,15,一,40,的硬質(zhì)紉顆粒,TiC,，不僅提高了材料的硬度，也提高了斷裂韌性。因為當(dāng)基體中的裂紋受力擴(kuò)展時，必然會遇到,TiC,顆粒的阻礙，產(chǎn)生偏折拐彎，這樣就延長了裂紋所走的路線，多消耗了一部分能量。因此復(fù)合,Al,2,O,3,TiC,陶瓷刀具的切削性能要比純,Al,2,O,3,刀具提高很多。,（,2,）氧化鋁,碳化物復(fù)合陶瓷刀具,Company Logo,Al,2,O,3,十,Ti(C,，,N),系統(tǒng)陶瓷強(qiáng)度、斷裂韌性和硬度的實驗結(jié)果,在,Al,2,

5、O,3,中適當(dāng)加入,Ti(C,，,N),，使得,Al,2,O,3,的晶粒變細(xì)，同時提高了硬度，這種復(fù)合材料刀具有較高的硬度和切削能力。,Company Logo,此外，還有,Al,2,O,3,(W,，,Ti)C,梯度功能陶瓷刀具、,氧化鋁,碳化欽,金屬系復(fù)合陶瓷,刀具,、,SiC,晶須增韌,Al,2,O,3,復(fù)合陶瓷刀具、,ZrO,2,增初,Al,2,O,3,陶瓷刀具等。,Company Logo,1.2,氮化硅基陶瓷刀具,Si,3,N,4,系陶瓷為高溫強(qiáng)度和熱傳導(dǎo)率高、線膨脹系數(shù)小、共價性強(qiáng)的材料，有著與氧化鋁陶瓷完全不同的特性。將其作為切削刀具材料最大特點(diǎn)是能進(jìn)行高速切削，并且耐磨性好。,

6、Company Logo,(1)Si,3,N,4,TiC,復(fù)合陶瓷刀具,復(fù)合氮化硅,(Si,3,N,4,+TiC),陶瓷刀具以,TiC,作為彌散相，,TiC,的引入提高了刀具材料的硬度和耐磨性。與硬質(zhì)合金刀具相比，,Si,3,N,4,TiC,復(fù)合陶瓷刀具的切削耐用度可提高幾十倍，切削速度可提高,310,倍。,Company Logo,幾種陶瓷月具材料在加工冷硬鑄鐵,(HS7173),時的磨損曲線,左圖是幾種陶瓷刀具材料在加工冷頒鑄鐵,(HS7173),時的磨損曲,線。由因可知，復(fù)合氮化硅陶瓷刀具有著較高的耐磨性。,Company Logo,（,2,）,賽龍,(,Sialon,),復(fù)相陶瓷刀具,

7、由于碳化鈦和氯化硅的線膨脹系數(shù)相整較大，高速切削時因刀尖溫度急劇升高，會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，降低刀具的使用壽命。為此許多國家又研究開發(fā)了以,Si,3,N,4,為硬質(zhì)相、,Al,2,O,3,為耐磨相、添加少量,Y,2,O,3,作燒結(jié)助劑經(jīng)熱壓燒結(jié)制備一種,Si,3,N,4,復(fù)合陶瓷刀具賽龍?zhí)沾傻毒摺?Company Logo,如美國生產(chǎn)的,Sialon,牌號,KY3000,，成分為：,77,Si,3,N,4,、,13,Al,2,O,3,、,10,Y,2,O,3,，硬度達(dá),HV1800,，彎曲強(qiáng)度達(dá),1,2GPa,。,KY3000,陶瓷刀片在高速下切削鎳基高溫合金時，材料切除率是涂層硬質(zhì)合金刀具的七

8、倍。,此外，還有,Si,3,N,4,WC-ZrO,2,復(fù)合陶瓷刀具、,Si,3,N,4,晶須增韌陶瓷刀具,Company Logo,（,3,）,金屬陶瓷刀具,金屬陶瓷是一種既像鋼鐵一樣的堅硬義像陶瓷一樣耐高溫、耐腐蝕的復(fù)合材料它兼有金屬和陶瓷兩種材料的優(yōu)點(diǎn)。,TiC,TiN,金屬陶瓷是一種理想的刀具材料，該材料具有很好的耐磨性和韌性，可用于銑刀的加工中。,Company Logo,為了制得性能優(yōu)良的金屬陶瓷，首要的問題是找到好的膠黏劑。對于,TiC,，發(fā)現(xiàn)只有,Ni,、,Co,、,Cr,、,Si,等少數(shù)幾種金屬能黏結(jié),TiC,，其中,Ni,和,Co,最好。,Ni,和,Co,能在,TiC,顆粒周

9、圍形成極薄的金屬層，,Cr,雖然能潤濕,TiC,，但不形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)而生成,Cr,3,C,2,。,Co,和,Ni,的抗氧化性不好，強(qiáng)度也不高。,為了改善這一情況，常在,Ni,和,Co,中又加入一些其他金屬，如,Cr,、,Mo,、,W,等，加入這些金屬后，提高了黏結(jié)相的抗氧化性和高溫強(qiáng)度，同時改善了潤濕性。,Company Logo,Ti(C,，,N),具有很高的強(qiáng)度和斷裂韌性以及較高的硬度，有很寬的切削應(yīng)用范圍，在精加工或高速銑削鋼件時尤為有效。下表出了幾種國外生產(chǎn)的,Ti(C,，,N),基金屬陶瓷刀具的牌號、組成和性能。由于它需要較多的金屬如,Mo,、,Ni,作為燒結(jié)助劑，所以它的硬度并不理想

10、。為了提高它的硬度和耐磨性，可加入,WC,、,VC,、,TiB,2,或,Al,2,O,3,等添加劑。,Company Logo,幾種國外生產(chǎn)的,Ti(C,，,N),基金屬陶瓷刀具的牌號、組成和性能,Company Logo,（,4,）陶瓷涂層刀具,刀具表而涂層技術(shù)可使切削刀具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，不僅可有效地提高刀具使用壽命，而且還能大幅度地提高機(jī)械加工效率。,涂層技術(shù)的發(fā)展已從當(dāng)初單一的,TiC,、,TiN,涂層，經(jīng)歷了,TiC,、,TiN,、,Al,2,O,3,等多元復(fù)合涂層的發(fā)展階段，使涂層的性能有了重大的改進(jìn)，使用范圍不斷擴(kuò)大。,刀具涂層技術(shù)目前仍可劃分為兩大類，即,CVD(,化學(xué)氣

11、相沉積,),和,PVD,技術(shù),(,物理氣相沉積,),。,Company Logo,CVD,技術(shù)自,20,世紀(jì),60,年代出現(xiàn)以來，在硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具上得到了極為廣泛的應(yīng)用。在,CVD,工藝中，氣相沉積所需金屬源的制備相對容易，可實現(xiàn),TiN,、,TiC,、,TiCN,、,TiBN,、,TiB,2,、,Al,2,O,3,等單層及多元多層復(fù)合涂層，其涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，薄膜厚度可達(dá),79,m,，相對而言，,CVD,涂層具有更好的耐磨性。,Company Logo,與,CVD,工藝相比，,PVD,工藝處理在,600,以下對刀具材料的彎曲強(qiáng)度沒有影響；薄膜內(nèi)部為壓應(yīng)力，更適合于硬質(zhì)合金精密復(fù)雜類刀

12、具的涂層；,PVD,工藝對環(huán)境沒有不利影響，符合目前綠色工業(yè)的發(fā)展方向,.,Company Logo,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：單晶金剛石、多晶合剛石、聚晶立方氮化硼等。,超硬刀具主要是以金剛石,和立方氯化硼為材料制作的刀具，其中以人造金剛石刀具及立方氮化硼刀具占主導(dǎo)地位。,Company Logo,(1),多晶金剛石,多晶金剛石是,20,世紀(jì),70,年代利用高溫、高壓技術(shù)人工合成金剛石的切削刀具。多晶金剛石晶粒呈無序排列狀態(tài)，不具方向性，因而硬度均勻。它有很高的硬度和導(dǎo)熱性，低的熱脹系數(shù)。高的彈性模旦和較低的摩擦系數(shù)，刀刃非常鋒利。,多晶金剛石價格便宜

13、，且刃磨遠(yuǎn)比天然金剛石方便，所以其應(yīng)用、推廣特別迅速。,Company Logo,(2),立方氮化硼燒結(jié)體,(PCBN),立方氮化硼燒結(jié)體,(PCBN),是,CBN,顆粒與結(jié)合劑一起燒結(jié)而成，硬度僅次于金剛石，與黑色金屬無親和力。,PCBN,刀具材料性能如下,:,具有較高的硬度和耐磨性,具有很高的熱穩(wěn)定性,具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性,具有較好的導(dǎo)熱性,具有較好的摩擦系數(shù),Company Logo,2.,陶瓷發(fā)動機(jī),汽車發(fā)動機(jī)一直用金屬材料制造。金屬的導(dǎo)熱性好而耐熱、耐腐蝕性能差，在高溫下極易氧化、變形面導(dǎo)致破壞。因此，發(fā)動機(jī)的燃燒室,(,汽缸,),必須用水或空氣冷卻，這樣，進(jìn)入發(fā)動機(jī)的燃料產(chǎn)生的熱能

14、，大約只有,1,3,轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動車軸的有用功率，其余,1,3,被冷卻劑帶走，另外,1,3,隨廢氣排出。,為了提高發(fā)動機(jī)熱效率，減少能量損耗，這就需要取消或部分取消冷卻系統(tǒng)，使用耐高溫隔熱材料以減少燃燒室熱量的損失，使發(fā)動機(jī)在更高的工作溫度下工作。,Company Logo,高性能結(jié)構(gòu)陶瓷材料由于其具有密度小、熱導(dǎo)率低、耐高溫、耐磨損以及耐腐蝕等待性，成為制造發(fā)動機(jī)的理想材料。發(fā)動機(jī)使用陶瓷材料有如下優(yōu)點(diǎn)：,提高發(fā)動機(jī)熱效率,減少輔助功率消耗，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡化,適應(yīng)多種燃料的燃燒,降低發(fā)動機(jī)噪聲，減少排氣污染,減輕質(zhì)量,資源豐富,Company Logo,對于陶瓷發(fā)動機(jī)的研究主要有三個方面的內(nèi)容：陶

15、瓷燃?xì)廨啓C(jī)、低散熱陶瓷發(fā)動機(jī),(,隔熱陶瓷發(fā)動機(jī),),和汽車發(fā)動機(jī)陶瓷零部件。,陶瓷發(fā)動機(jī)的發(fā)展速度比人們想像得要慢，至今實用化了的部件不過十余種，其余的尚在試驗階段?？煽啃院统杀緝r格是阻礙其發(fā)展的主要原因。,Company Logo,3.,陶瓷裝甲,裝甲防護(hù)材料是用于裝甲車輛、坦克、航母、艦艇、直升機(jī)等裝備以及人體的防護(hù)材料，它們能承受反裝甲武器的攻擊，可提高武器裝備和作戰(zhàn)人員的生存能力和作戰(zhàn)能力。,裝甲防護(hù)材料也從傳統(tǒng)的金屬材料,(,鋼、鋁,),發(fā)展為先進(jìn)的金屬基、陶瓷基和高分子基復(fù)合材料。,Company Logo,眾所周知，金屬材料具有高的硬度和韌性，但是硬度較陶瓷材料低，特別是密度大

16、；,玻璃鋼具有高強(qiáng)度和低密度的特點(diǎn)，但是硬度低。玻璃鋼只有用作背板或非金屬夾層時，才能顯示其效能。,陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、耐酸堿、硬度高和相對于金屬材料密度低的特點(diǎn)，但是它的韌性和強(qiáng)度都有待于提高。,Company Logo,特種陶瓷作為防彈材料，其防護(hù)系數(shù)是最高的，是最有希望的防彈材料之一。,裝甲陶瓷材料目前存在的主要問題是韌性差和成本高。為此，對于裝甲陶瓷材料主要是進(jìn)行提高材料本身的性能和低成本制造技術(shù)的研究。,Company Logo,4.,陶瓷軸承,陶瓷軸承可分為全陶瓷軸承和混合陶瓷軸承。全陶瓷軸承是指軸承全部由陶瓷材料組成，而混合陶瓷軸承是指軸承中的一部分是由陶瓷材料構(gòu)成，其余由軸承鋼組成。,Company Logo,同其他陶瓷部件相比，陶瓷軸承零件所受應(yīng)力很高，因此，對于陶瓷軸承材料的要求更加苛刻。目前，大多數(shù)在正常工作環(huán)境下應(yīng)用的軸承部是混合型的，對其中陶瓷滾動體材料有如下要求。,低密度,適中的彈性模量,高強(qiáng)度,高硬度和韌性,線膨脹系數(shù)小,耐高溫,耐腐蝕,Company Logo,由于陶瓷軸承制備工藝復(fù)雜，影響產(chǎn)品質(zhì)量的工藝參數(shù)較多，存在著產(chǎn)品的穩(wěn)定性、一致性控制困