机械工程材料 第5版 课件 第8章 陶瓷材料

第八章陶瓷材料CERAMICSMATERIALS第八章工程材料基础

陶器与瓷器的区别在于：1）使用材料；2）烧成温度。陶器可以使用包括瓷土在内的各种矿物粘土制作，烧成温度较低，多在700—1000℃之间，胎体基本烧结，不再遇水分解，但气孔率和吸水率较高。在显微镜下观察胎体，极少存在玻璃相莫来石结晶体，换句话说就是没有瓷化，敲击之声较沉闷。瓷器使用的是氧化铝含量较高的瓷土即高龄土烧制。瓷器的烧成温度至少在1100℃以上，胎质基本瓷化，显微观察有大量莫来石结晶体存在，气孔率和吸水率较低，敲击之声清脆。第八章陶瓷材料第一节概述

陶瓷材料—

用一些无机化合物粉末，通过成型和高温烧结而制成的具有高硬度高脆性等特性的多晶固体材料

一、陶瓷材料的分类按原料来源普通陶瓷（黏土，石英，长石）特种陶瓷（SiC,BN,Al2O3…）按用途日用陶瓷工业陶瓷功能陶瓷工程结构陶瓷按性能高强度陶瓷高温陶瓷耐酸陶瓷…按化学成分氧化物陶瓷碳化物陶瓷氮化物陶瓷…第八章陶瓷材料

二、陶瓷制品的制备坯料制备→成型→烧结制粉制粉压制坯料烧结成品后期处理第八章陶瓷材料

三、陶瓷材料的结构与性能特点

1.陶瓷材料的结构陶瓷显微组织示意图晶相＋玻璃相＋气相THEEND第八章陶瓷材料1)晶相：陶瓷材料中的主要组成相晶相中的结合键共价键：SiC,BN…离子键：CaO,Al2O3…2)玻璃相

一种熔点较低的非晶态固体．黏

结分散的晶相颗粒；降低烧结温度；减小晶体相颗粒尺寸；填充气孔。玻璃相热稳定性差，降低陶瓷的抗蠕变性能和绝缘性能。含量20-40%。3)气相：气孔有害：↓强度，↓电性能有利：↓比重，吸震，储油THEEND第八章陶瓷材料

2.陶瓷材料的性能特点

高硬度,高耐磨1)

力学性能

高脆性

低抗拉强度,较高抗压强度,高的高温强度

高弹性模量,低弹性陶瓷与金属的拉伸曲线示意图

低抗热振性THEEND抗压不抗拉（抗压强度为抗拉强度的10-40倍）第八章陶瓷材料

热性能：高熔点，低热胀系数，低导热，2)物理化学性能

电性能：绝缘体，半导体，超导体

磁性能：磁性材料，如铁氧体

光性能：光导纤维，固体激光器

化学稳定性：抗高温氧化，抗腐蚀第八章陶瓷材料第二节工程结构陶瓷材料

一、普通陶瓷

原料：黏土，石英，长石

组织：

25～30%35～60%1～3%（3Al2O3·2SiO2莫来石＋

玻璃相

＋

气相

性能特点：高硬度，耐磨损，耐腐蚀，绝缘，成本低

用途：绝缘子，导纱器，耐蚀容器，酸碱容器和反应塔等第八章陶瓷材料陶瓷绝缘产品陶瓷在电器上的使用第八章陶瓷材料

二、特种陶瓷（先进陶瓷）

1.氧化铝陶瓷Al2O3

主晶相:

性能：高硬度，高强度，高耐磨，良好的高

温性能，耐蚀，绝缘，高脆性，低抗

热振性

用途：内燃机火花塞的绝缘体，坩埚，刀

具，活塞，轴承，密封环…可在1600度长期工作，短时工作温度最高1980度少量的SiO2常用的有75瓷（wAl2O3%=75%）、95瓷、99瓷（刚玉瓷）。第八章陶瓷材料内燃机火花塞绝缘体第八章陶瓷材料

2.氮化硅陶瓷

性能：高硬度，低摩擦系数(0.1-0.2)，有自润滑性能，高蠕变抗力，绝缘，高抗热震性，耐蚀

用途：燃气轮机转子叶片，高温轴承，密封环，热电偶套管等

主晶相：Si3N4用Si3N4粉末烧结（1600-1700C），20-30MPa压力Si/Si+Si3N4（粉）+渗氮密度高密度低生产工艺热压陶瓷反应烧结陶瓷陶瓷车刀陶瓷钻头第八章陶瓷材料第八章陶瓷材料

3.碳化硅陶瓷

性能：高温强度高，导热性好，高热稳定

性，高蠕变抗力，绝缘，耐蚀，耐放射性元素辐射

主晶相：SiC

用途：燃气轮机叶片，火箭尾喷管的喷嘴，高温轴承，热电偶套管，核燃料包封材料1400C抗弯强度500-600MPa，工作温度1600-1700C制备工艺热压烧结反应烧结第八章陶瓷材料4氮化硼陶瓷（1）主要成分：BN六方晶体结构，类似于石墨，“白石墨”（2）性能特点良好的导热性和耐热性，低的膨胀率，抗热振性能优异，高温绝缘性好（2000度仍是绝缘体），化学稳定性高，耐熔融金属浸蚀，硬度较低，有自润滑性，中子吸收截面大。（3）工业应用热电偶套管，熔炼金属的容器，高温轴承，高温绝缘材料，核反应堆中吸收热中子的控制棒等（B元素的作用）第八章陶瓷材料第八章陶瓷材料陶瓷材料的应用实例脉冲固体火箭发动机隔舱短时耐3000度高温第一级点火燃烧时耐P>2107Pa正向压力隔舱材料完好无损，良好的气密性第二级点火燃烧时隔舱受到反向压力P>5106Pa正向压力，瞬间产生粉碎性破坏，最大碎片尺寸6mm.选择陶瓷材料！原因是陶瓷材料抗压不抗拉P>2107PaP=5106Pa第一级点火第二级点火第八章陶瓷材料第三节金属陶瓷

一、粉末冶金方法及其应用

1.粉末冶金法的基本工艺过程

——以金属氧化物（如、等）或金属碳化物（如TiC、WC、TaC、NbC等）为主要成分，再加入适量的金属粉末（如Co、Cr、Fe、Ni、Mo等），通过粉末冶金方法制成的具有某些金属性质的陶瓷。Al2O3ZrO2粉末冶金：用粉末为原料、压制成型并经过烧结而制成零件或者毛坯，这种方法称为粉末冶金。第八章陶瓷材料2)结构材料如，用碳钢、合金钢粉末烧结成油泵齿轮、电钻齿轮、凸轮、衬套…3)高熔点金属材料如,金属陶瓷，W，Mo,Ta,Nb等高熔点金属及合金…

2.粉末冶金的应用1)减摩材料如，含油轴承铁基,如Fe+石墨,Fe+S+石墨铜基,如Cu+Sb+Pb+Zn+石墨粉末制备→压制成型→烧结→后处理工艺过程第八章陶瓷材料

粉

末

冶

金

制

品第八章陶瓷材料

二、金属陶瓷硬质合金

1.硬质合金的性能特点及加工装夹硬质合金—以金属碳化物(如WC,TiC,TaC等）为基体，再加入适量金属(如Co,Ni,Mo等)粉末作黏结剂烧结而成的、具有高硬度的粉末冶金材料

高硬度,86～93HRA(相当于69～81HRC)

高热硬性,可维持到

900～1000℃1)优点

高耐磨性

高抗压强度，可达6000MPa,高于高速钢

高弹性模量，约为高速钢的2～3倍

良好的耐蚀性、抗氧化性,热膨胀系数小第八章陶瓷材料

抗弯强度低,只有高速钢的1/3～1/2左右

韧性很差,约为淬火钢的

30%～50%2)缺点

导热性差3)加工及装夹

电加工和切削电火花加工线切割金刚砂轮磨削

装夹粘结钎焊机械装夹第八章陶瓷材料

2.硬质合金的分类、编号及应用1)硬质合金分类及编号(1)

钨钴类硬质合金(WC+Co)(2)钨钴钛类硬质合金(WC+TiC+Co)(3)通用硬质合金(WC+TiC+TaC+NbC+Co)YW×

硬万顺序号比钨钴类:高硬度，耐磨,热硬性好,强度低热硬性高，其他介于钨钴类和钨钴钛类之间YG××

硬

钴C:粗颗粒，如YG8CX:细颗粒，如YG6XA:加少量TaC，如YG6AYT×

硬钛YT15YW1YW1第八章陶瓷材料第八章陶瓷材料2)硬质合金的应用冷作模具:冷拔模,冷冲模,冷挤压模,冷镦模量具:镶嵌于易磨损工作面

耐磨零件:机床顶尖，导板切削刀具钨钴类：适于切削脆性材料，如铸铁、有色金属、胶木及其他非金属材料钨钴钛类：适于切削韧性材料，如各种钢.通用硬质合金（万能硬质合金）：既可切削韧性材料，又可切削脆性材料，如不锈钢、耐热钢、高锰钢.第八章陶瓷材料硬质合金制作的冷冲压模和冷拉模具THEEND第八章陶瓷材料挤压型材拉伸模钻齿回转顶尖第八章陶瓷材料

3.钢结硬质合金

组成：碳化物（WC,TiC）＋合金钢(高速钢）

硬化相

粘结剂2)特点可机加工：锻造，焊接，机械切削可热处理锻造退火后，40～45HRC淬火低温回火,69～73HRC3)应用形状复杂的刀具，如麻花钻、铣刀等较高温度下工作的模具、耐磨零件等THEEND作为刃具，其寿命与硬质合金相当，远高于合金钢第八章陶瓷材料陶瓷材料抗拉强度低、抗压强度高的典型工程应用脉冲固体火箭发动机隔舱短时耐3000度高温第二级点火:燃烧时隔舱受到反向压力5106Pa正向压力，瞬间产生粉碎性破坏，最大碎片尺寸6mm.选择陶瓷材料，结构设计！熔点高；陶瓷材料抗压不抗拉（抗压强度高于抗拉强度1个数量级）第一级点火：燃烧时耐2107Pa正向压力