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陶瓷的分类及特征

陶瓷

  陶瓷的分类及特点_化学_自然科学_专业资料。第八章 陶瓷材料 一、陶瓷材料的分类与生产 (一)分类 按原料来源分:普通陶瓷、特种陶瓷 普通陶瓷又称传统陶瓷。以天然 硅酸盐矿物为主要原料,如粘土、石 英、长石等。主要制品有:日用陶瓷、 建筑

  第八章 陶瓷材料 一、陶瓷材料的分类与生产 (一)分类 按原料来源分:普通陶瓷、特种陶瓷 普通陶瓷又称传统陶瓷。以天然 硅酸盐矿物为主要原料,如粘土、石 英、长石等。主要制品有:日用陶瓷、 建筑陶瓷、电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、 多孔陶瓷。 特种陶瓷是以纯度较高的人工合成化合 物为主要原料的人工合成化合物。 如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等。 日用陶瓷 按用途分类 工程结构陶瓷 工业陶瓷 功能陶瓷 按性能可将陶瓷分 ? ? ? ? ? ? 高强度陶瓷 高温陶瓷 压电陶瓷 磁性陶瓷 半导体陶瓷 生物陶瓷 ? ? ? ? ? 特种陶瓷可按化学组成分为 氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 金属陶瓷(硬质合金) (二)陶瓷制品的生产 陶瓷制品的生产都要经过三个阶段:坯料制 备、成型、烧结 坯料制备 通过机械或物理或化学方法制备粉料,在 制备坯料时,要控制坯料粉的粒度、形状、 纯度及脱水脱气,以及配料比例和混料均匀 等质量要求。按不同的成型工艺要求,坯料 可以是粉料、浆料或可塑泥团。 ? 成型 将坯料用一定工具或模具制成一定形状、 尺寸、密度和强度的制品坯型(亦称生坯)。 ? 烧结 生坯经初步干燥后,进行涂釉烧结或直接 烧结。高温烧结时,陶瓷内部会发生一系列物 理化学变化及相变,如体积减小,密度增加, 强度、硬度提高,晶粒发生相变等,使陶瓷制 品达到所要求的物理性能和力学性能。 ? 一、普通陶瓷 又称传统陶瓷、粘土陶瓷。这种陶瓷以天 然硅酸盐矿物,如粘土、长石、石英等为主要 原料配制、烧结而成的。 主晶相为莫来石晶体(3Al2O3﹒2SiO2), 占25~30%,次晶相为SiO2; 玻璃相约为35~60%; 气相为1~3%。 性能特点 硬度高,不会氧化生锈,不导电, 耐1200℃高温,加工成型性好, 成本低廉。 ? 玻璃相较多,强度较低,在较高 温度下易软化,故耐高温及绝缘 性不及其它陶瓷。 ? 应用 日用陶瓷 ? 工业上主要用作绝缘的电瓷绝缘 子和耐酸、碱的容器、反应塔管道 等,还可用于受力不大,工作温度 在200℃以下的结构零件。 ? (一)氧化铝陶瓷 ? 以Al2O3为主要成分,含少量SiO2的陶瓷。 ? 根据Al2O3含量不同,分为 75瓷(w )又称刚玉-莫来石瓷; ? 75% Al2O3 95瓷、99瓷,又称刚玉瓷。 ? Al2O3含量愈高,玻璃相愈少,气孔愈少,陶 瓷的性能愈好,但工艺愈复杂,成本愈高。 ? 氧化铝陶瓷的强度高,是普通陶瓷的2~6倍, 抗拉强度可达250MPa; ? 耐磨性好,硬度次于金刚石、碳化硼、立方 氮化硼和碳化硅,居第5; ? 耐高温性能好,刚玉陶瓷可在1600℃下长期 工作,在空气中的最高使用温度达1980℃; ? 耐蚀性和绝缘性好; ? 脆性大,抗热振性差,不能承受环境温度的 突然变化。 ?主要用于制作内燃机火花塞,火 箭、导弹的导流罩,石油化工泵 的密封环,耐磨零件,如轴承、 纺织机上的导纱器,合成纤维用 的喷嘴等,作冶炼金属用的坩埚 等。 (二)氮化硅陶瓷 ? 以 Si3N4 为主要成分;按生产工艺不同,分为 热压烧结氮化硅陶瓷和反应烧结氮化硅陶瓷; ? 热压烧结氮化硅陶瓷 以 Si3N4粉为原料,加入少量添加剂,装 入石墨模具中,在 1600 ~ 1700℃ 高温和 20 ~ 30MPa的高压下烧结成型,得到组织致密,气 孔率接近 0 的氮化硅陶瓷。因受石墨模具所限 制,只能加工形状简单的制品。 ? 反应烧结氮化硅陶瓷 以硅粉或硅粉与 Si3N4粉的混合料,压制 成型后,放入渗氮炉中进行渗氮处理,直到所 有的硅都形成氮化硅,得到尺寸相当精密的氮 化硅制品。但此制品中有20~30%的气孔,故 强度不及热压烧结制品,与95瓷相近。 性能优异,易于加工。 性能特点 ? 硬度高,摩擦系数小( 0.1 ~ 0.2 ),有自润 滑性,是极优的耐磨材料; ? 蠕变抗力高,热胀系数小,抗热振性能在陶 瓷中是最好的; ? 化学稳定性好,除氢氟酸外,能耐各种酸、 王水和碱液的腐蚀,也能抗熔融金属的侵蚀; ? 因氮化硅是共价键晶体,既无自由电子也无 离子,具有优异的电绝缘性能。 应用 ?反应烧结氮化硅陶瓷主要用于耐磨、耐 高温,耐腐蚀,形状复杂且尺寸精度高 的制品。如石油化工泵的密封环、高温 轴承、热电偶套管、燃气轮机转子叶片 等; ?热压烧结氮化硅陶瓷用于制造形状简单 的耐磨、耐高温零件和工具。如切削刀 具、转子发动机刮片、高温轴承等。 (三)碳化硅陶瓷 ? 主晶相 SiC ,有反应烧结和热压烧结两种碳化 硅陶瓷; ? 高 温 强 度 高 , 工 作 温 度 可 达 1600 ~ 1700℃ 1400℃时,抗弯强度为500~600MPa ; ? 有很好的导热性、热稳定性、抗蠕变能力、耐 磨性、耐蚀性,且耐辐射; ? 是良好的高温结构材料,主要用于制作火箭喷 管的喷嘴,浇注金属的浇道口、热电偶套管、 炉管,燃气轮叶片,高温轴承,热交换器及核 燃料包封材料等。 (四)氮化硼陶瓷 有白石墨之称; ? 良好的耐热性和导热性,热导率与不锈钢相 当,热胀系数比金属和其它陶瓷低得多,故 抗热振性和热稳定性好; ? 高温绝缘性好, 2000℃ 仍是绝缘体,是理想 的高温绝缘材料和散热材料; ? 化学稳定性高,能抗 Fe 、 Al 、 Ni 等熔融金属 的侵蚀; ? 硬度较其它陶瓷低,可切削加工; ? 有自润滑性,耐磨性好。 ? 主晶相 BN ,共价晶体,晶体结构为六方结构, ?氮化硼陶瓷常用于制作热电偶套管, 熔炼半导体、金属的坩埚和冶金用 高温容器和管道,高温轴承,下班 制品成型模,高温绝缘材料; ?因 BN 中含 wB=43% ,有很大的吸收 中子的截面,可作核反应堆中吸收 热中子的控制棒。 氧化镁陶瓷 氧化锆陶瓷 氧化铍陶瓷 不同种类的特种陶瓷,各具不同的优 异性能,但作为主体结构材料,其共同的 弱点是:塑性、韧性差,强度低 以金属氧化物或碳化物为主要 成分,加入适量的金属粉末,通过 粉末冶金的方法制成的,具有某些 金属性质的陶瓷。 金属陶瓷是金属切削刀具、模 具和耐磨零件的重要材料。 ? 金属材料的制备:熔炼、铸造 ? 高熔点的金属及金属化合物难以通过熔炼 或铸造的方法制备 粉末冶金:陶瓷生产工艺在冶金中的应用 粉末冶金 粉末制备 压制成型 烧结成零件或毛坯 1. 粉末制备 包括粉末制取、配料、粉料混合等步 骤。 粉末的纯度、粒度、混合的均匀程度 等对粉末冶金制品的质量有重要影响。 粉末愈细、愈均匀、纯度愈高,陶瓷 的性能愈好。 2. 压制成型 多采用冷压法,即将粉料装入模具 型腔内,在压力机下压制成致密的具有 一定强度的坯体。 为了改善粉末的可塑性和成型性, 通常在粉料中会加入一定比例的增塑剂, 如汽油橡胶溶液、石蜡等。 3. 烧结 将压制成型的坯体放入通过保护气 氛的高温炉或真空炉中进行烧结,在保 持至少一种组元仍处于固态的烧结温度 下,长时间保温,通过扩散、再结晶、 化学反应等过程,获得与一般合金相似 的组织,并存在一些微小的孔隙的粉末 冶金制品。 根据烧结过程中有无液相产生,烧结分 为:固相烧结和液相烧结。 ? 固相烧结:在烧结时不形成液相。 无偏析高速钢、烧结铝( Al-Al2O3 )、 烧结钨、青铜-石墨、铁-石墨等 ? 液相烧结:在烧结时形成部分液相的液-固 共存状态。 金属陶瓷硬质合金( WC-Co 、 WC-TiCCo等)、高速钢-WC、铬钼钢-WC等 4. 后处理加工 为改善或得到某些性能,有些粉 末冶金制品在烧结后还要进行后处理 加工。 如齿轮、球面轴承等在烧结后再 进行冷挤压,以提高其密度、尺寸精 度等;铁基粉末冶金零件进行淬火处 理,以提高硬度等等。 减摩材料 含油轴承 利用粉末冶金材料的多孔性,将材料浸在润 滑油中,在毛细力作用下,可吸附大量润滑油 (一般含油率达 12 ~ 30 %),从而减摩。常用含 油轴承材料有铁基(Fe+石墨、Fe+S+石墨)和铜 基(Cu+Sb+Pb+Zn+石墨) ? 结构材料 用碳钢或合金钢的粉末为原料,采用粉末冶 金方法制造结构零件。这种零件的精度较高、表 面光洁,不须或少须切削加工即为成品零件。 ? 高熔点金属材料 W、Mo、WC、TiC等金属及金属化合物 熔点高(> 2000℃ ),用熔炼和铸造方法生 产较难,且不易保证其纯度和冶金质量。 这些材料可以通过粉末冶金生产,如各 种金属陶瓷、钨丝及Mo、Ta、Nb等难熔金属 和高温合金。 ? 特殊电磁性能材料 如硬磁材料、软磁材料,多孔过滤材料, 假合金材料 ? 硬质合金是金属陶瓷的一种, 它是以金属碳化物(WC、TiC、 TaC 等)为基体,再加入适量的 金属粉末(如 Co 、 Ni 、 Mo 等) 作为粘结剂制成的,具有金属性 质的粉末冶金材料。 WC Co 基体 高硬度、高热硬性、耐磨性好(主要特点) 因 以 碳 化 物 为 骨 架 , 常 温 下 硬 度 69 ~ 81 HRC ,热硬性达 900 ~ 1000℃ ,作为切削刀具, 其耐磨性、寿命和切削速度比高速钢显著提高。 ② 力学性能 抗压强度高(6000MPa),抗弯强度低(只 有钢的1/3~1/2),弹性模量高(是高速钢的2~ 3倍),韧性差(约为淬火钢的30~50%) ③ 耐蚀性、抗氧化性好,热胀系数比钢低 ① ? ? 因抗弯强度低、脆性大、导热性差, 故在加工、作用过程中要避免冲击和 温度急剧变化; 硬度高,无法进行切削加工,可采用 电加工(电火花、线切割)和专门砂 轮磨削加工。 1. 分类与编号 常用硬质合金按成分和性能特 点分为三类 ? 钨钴类硬质合金 ? 钨钴钛类硬质合金 ? 通用硬质合金 钨钴类硬质合金 由WC和Co组成 代号:YG× YG-“硬”、“钴”,×-钴的含量。 如: YG6 表示 wCo=6% ,余量为 WC 的钨钴 类硬质合金 ② 钨钴钛类硬质合金 由WC、TiC和Co组成 代号:YT× YT-“硬”、“钛”,×-TiC含量 如:YT15表示wTiC=15%,余量为WC和Co 的钨钴钛类硬质合金 ① 在硬质合金中,WC越多,Co越少,则硬度、热 硬性及耐磨性越高,但强度及韧性越低。 ? 当Co含量相同时,含TiC的硬质合金硬度、耐磨 性高,且因合金表面有一层 TiO 薄膜,切削时不易 粘刀,热硬性高;但强度和韧性比钨钴类硬质合金 低。 ③ 通用硬质合金 添加TaC或NbC取代部分TiC 代号:YW× YW-“硬”、“万”;×-顺号 热硬性高(1000℃),其它性能介于上两类 之间。既可加工钢材,又能加工铸铁和有色金属, 故称通用或万能硬质合金。 ? 2. 应用 主要用于制造切削刀具、冷作模具、量具 和耐磨零件。 ? 钨钴类硬质合金刀具主要用来切削加工脆性 材料,如铸铁、有色金属、胶木及其它非金属 材料; ? 钨钴钛类硬质合金主要用来切削加工韧性材 料,如各种钢。 ? 含 Co 量多的硬质合金韧性好,适宜粗加工, 含Co量少的适于精加工。 ? 通用硬质合金既可切削脆性材料,亦可加工 韧性材料 以一种或几种碳化物( WC 、 TiC )为硬 化相,以合金钢(高速钢、铬钼钢)粉末为 粘结剂,经配料、压型、烧结而成的一种新 型硬质合金。 与普通硬质合金相比,钢结硬质合金可 锻造、焊接、热处理,并可切削加工。 在锻造退火后,其硬度约 40 ~ 45HRC , 可用一般方法切削加工,加工成型后,经淬 火+低温回火,硬度达69~73HRC。 ?使用寿命与钨钴类硬质合金相当; ?可用于制造形状复杂的刀具,如麻 花钻、铣刀。 ?可用于制造在较高温度下工作的模 具和耐磨零件。

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