工程材料基础陶瓷材料全解幻灯片课件.ppt
SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY工程材料基础陶瓷材料全解SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 一、陶瓷的分类一、陶瓷的分类 Classification of ceramics按用途按用途日用陶瓷日用陶瓷工业陶瓷工业陶瓷功能陶瓷功能陶瓷工程结构陶瓷工程结构陶瓷按性能按性能高强度陶瓷高强度陶瓷高温陶瓷高温陶瓷耐酸陶瓷耐酸陶瓷按化学成分按化学成分氧化物陶瓷氧化物陶瓷碳化物陶瓷碳化物陶瓷氮化物陶瓷氮化物陶瓷按原料来源按原料来源普通陶瓷（黏土，石英，长石）普通陶瓷（黏土，石英，长石）特种陶瓷（特种陶瓷（SiC,BN,）Al2O3SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY普普通通陶陶瓷瓷又又称称传传统统陶陶瓷瓷。以以天天然然硅硅酸酸盐盐矿矿物物为为主主要要原原料料，如如粘粘土土、石石英英、长长石石等等。主主要要制制品品有有：日日用用陶陶瓷瓷、建筑陶瓷、电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷建筑陶瓷、电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等等特特种种陶陶瓷瓷以以纯纯度度较较高高的的人人工工合合成成化化合合物物为为主主要要原原料料的人工合成化合物的人工合成化合物SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 二、陶瓷制品的生产二、陶瓷制品的生产 Production of ceramic products 坯料制备坯料制备成型成型烧结烧结通通过过机机械械或或物物理理或或化化学学方方法法制制备备粉粉料料，在在制制备备坯坯料料时时，要要控控制制坯坯料料粉粉的的粒粒度度、形形状状、纯纯度度及及脱脱水水脱脱气气，以以及及配配料料比比例例和和混混料料均均匀匀等等质质量量要要求求。按按不不同同的的成成型型工工艺艺要要求求，坯坯料料可可以以是是粉料粉料、浆料浆料或或可塑泥团可塑泥团坯料制备坯料制备粉粉末末的的粒粒径径是是描描述述粉粉末末品品质质的的最最重重要要的的参参数数，粒粒径径越越小小，表表面面积积越越大大，高高温温烧烧结结时时固固相相扩扩散散物物质质迁迁移移的的界界面面越越多多，也也就就越致密化。越致密化。微米级；纳米粉末微米级；纳米粉末SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY生生坯坯经经初初步步干干燥燥后后，进进行行涂涂釉釉烧烧结结或或直直接接烧烧结结。高高温温烧烧结结时时，陶陶瓷瓷内内部部会会发发生生一一系系列列物物理理化化学学变变化化及及相相变变，如如体体积积减减小小，密密度度增增加加，强强度度、硬硬度度提提高高，晶晶粒粒发发生生相相变变等，使陶瓷制品达到所要求的物理性能和力学性能等，使陶瓷制品达到所要求的物理性能和力学性能成型成型烧结烧结将将坯坯料料用用一一定定工工具具或或模模具具制制成成一一定定形形状状、尺尺寸寸、密密度度和和强度的制品坯型（亦称生坯）强度的制品坯型（亦称生坯）保护气体中烧结保护气体中烧结、真空中烧结真空中烧结、加压烧结加压烧结SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY制粉制粉压制压制坯料坯料烧结烧结成品成品制粉制粉压制压制坯料坯料烧结烧结成品成品SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 三、陶瓷材料的结构与性能特点三、陶瓷材料的结构与性能特点 Structure and property characteristics of ceramics 1.1.陶瓷材料的结构陶瓷材料的结构陶瓷显微组织示意图陶瓷显微组织示意图晶相晶相 玻璃相玻璃相 气相气相陶陶瓷瓷材材料料是是多多相相多多晶晶材材料料，陶瓷结构中同时存在陶瓷结构中同时存在晶体相晶体相玻璃相玻璃相气相气相各各组组成成相相的的结结构构、数数量量、形形态态、大大小小及及分分布布决决定定了了陶陶瓷瓷的性能。的性能。SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY1)1)晶相晶相：陶瓷材料中的主要组成相陶瓷材料中的主要组成相,对陶瓷的性能起决对陶瓷的性能起决定性作用定性作用晶相中的结合键晶相中的结合键共价键共价键：SiC,BN 离子键离子键：CaO,Al2O3混合键混合键实实际际陶陶瓷瓷晶晶体体与与金金属属晶晶体体一一样样也也存存在在晶晶体体缺缺陷陷，这这些些缺陷可加速陶瓷的烧结扩散过程，还影响陶瓷性能。缺陷可加速陶瓷的烧结扩散过程，还影响陶瓷性能。晶晶粒粒愈愈细细，陶陶瓷瓷的的强强度度愈愈高高。如如刚刚玉玉（Al2O3）晶晶粒粒平平均均尺尺寸寸为为200m时时，抗抗弯弯强强度度为为74MPa，1.8m时时抗抗弯弯强度可高达强度可高达570MPa陶陶瓷瓷材材料料中中往往往往同同时时存存在在多多种种晶晶相相，对对陶陶瓷瓷性性能能起起决决定作用的晶相称定作用的晶相称主晶相主晶相，其余为，其余为次晶相次晶相SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY2)2)玻璃相：玻璃相：玻玻璃璃相相一一种种非非晶晶态态固固体体，是是陶陶瓷瓷烧烧结结时时，各各组组成成相相与与杂杂质质产产生生一一系系列列物物理理化化学学反反应应形形成成的的液液相相在在冷冷却却凝凝固时形成的固时形成的玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的组成相玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的组成相将分散的晶相粘结在一起将分散的晶相粘结在一起降低烧结温度降低烧结温度抑制晶相的晶粒长大抑制晶相的晶粒长大填充气孔填充气孔玻玻璃璃相相熔熔点点低低、热热稳稳定定性性差差，在在较较低低温温度度下下开开始始软软化化，导导致致陶陶瓷瓷在在高温下发生蠕变，且其中常有一些金属离子而降低陶瓷的绝缘性。高温下发生蠕变，且其中常有一些金属离子而降低陶瓷的绝缘性。故工业陶瓷中玻璃相的数量要予以控制，一故工业陶瓷中玻璃相的数量要予以控制，一 般般1500Hv（淬火钢（淬火钢500800Hv，高聚物，高聚物2P2 10107 7PaPa正向压力正向压力隔舱材料完好无损，良好的气密性隔舱材料完好无损，良好的气密性第二级点火燃烧时隔舱受到反向压力第二级点火燃烧时隔舱受到反向压力P5P5 10106 6PaPa正向压正向压力，瞬间产生粉碎性破坏，最大碎片尺寸力，瞬间产生粉碎性破坏，最大碎片尺寸6mm.6mm.选择陶瓷材料！选择陶瓷材料！原因是陶瓷材料抗压不抗拉原因是陶瓷材料抗压不抗拉P2P2 10107 7PaPaP=5P=5 10106 6PaPa第一级点火第一级点火第二级点火第二级点火SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第三节第三节 金属陶瓷金属陶瓷CERMETS 金属陶瓷金属陶瓷 以金属氧化物（如以金属氧化物（如 、等）或金属碳化物（如等）或金属碳化物（如TiC、WC、TaC、NbC 等）为等）为主要成分，再加入适量金属粉末（如主要成分，再加入适量金属粉末（如Co、Cr、Fe、Ni、Mo等），等），通过通过粉末冶金粉末冶金方法制成的具有某些金属性方法制成的具有某些金属性质的陶瓷质的陶瓷Al2O3ZrO2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陶瓷是金属切削刀具、模具和耐磨零件的重要材料SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 一、粉末冶金方法及其应用一、粉末冶金方法及其应用 Powder metallurgy method and its application 1.1.粉末冶金法的基本工艺过程粉末冶金法的基本工艺过程1 1原始粉末原始粉末2添加剂粉末添加剂粉末3 3混料混料4压制压制5烧结烧结6成品成品粉粉末末冶冶金金：陶陶瓷瓷生生产产工工艺艺在在冶冶金金中中的的应应用用。用用粉粉末末制制备备、压压制制成成型型并并经经过过烧烧结结而而制制成成零零件件或或者者毛毛坯，这种方法称为坯，这种方法称为粉末冶金粉末冶金粉末制备粉末制备压制成型压制成型烧结烧结后处理后处理SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY包括粉末制取、配料、粉料混合等步骤包括粉末制取、配料、粉料混合等步骤粉粉末末的的纯纯度度、粒粒度度、混混合合的的均均匀匀程程度度等等对对粉粉末末冶冶金金制制品品的质量有重要影响的质量有重要影响粉末愈细、愈均匀、纯度愈高，性能愈好粉末愈细、愈均匀、纯度愈高，性能愈好.粉末制备粉末制备多多采采用用冷冷压压法法，即即将将粉粉料料装装入入模模具具型型腔腔内内，在在压压力力机机下下压压制制成成致致密密的具有一定强度的坯体的具有一定强度的坯体为为了了改改善善粉粉末末的的可可塑塑性性和和成成型型性性，通通常常在在粉粉料料中中会会加加入入一一定定比比例例的的增增塑剂，如汽油橡胶溶液、石蜡等。塑剂，如汽油橡胶溶液、石蜡等。2.2.压制成型压制成型SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY将将压压制制成成型型的的坯坯体体放放入入通通过过保保护护气气氛氛的的高高温温炉炉或或真真空空炉炉中中进进行行烧烧结结，在在保保持持至至少少一一种种组组元元仍仍处处于于固固态态的的烧烧结结温温度度下下，长长时时间间保保温温，通通过过扩扩散散、再再结结晶晶、化化学学反反应应等等过过程程，获获得得与与一一般般合合金金相相似似的的组组织织，并并存存在在一一些些微小的微小的孔隙孔隙的粉末冶金制品的粉末冶金制品3.烧结烧结为为改改善善或或得得到到某某些些性性能能，有有些些粉粉末末冶冶金金制制品品在在烧烧结结后还要进行后处理加工后还要进行后处理加工如如齿齿轮轮、球球面面轴轴承承等等在在烧烧结结后后再再进进行行冷冷挤挤压压，以以提提高高其其密密度度、尺尺寸寸精精度度等等；铁铁基基粉粉末末冶冶金金零零件件进进行行淬淬火火处理，以提高硬度等等处理，以提高硬度等等4.4.后处理加工后处理加工SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 2.2.粉末冶金的应用粉末冶金的应用用用碳碳钢钢或或合合金金钢钢的的粉粉末末为为原原料料，采采用用粉粉末末冶冶金金方方法法制制造造结结构构零零件件。这这种种零零件件的的精精度度较较高高、表表面面光光洁洁，不不须须或少须切削加工即为成品零件或少须切削加工即为成品零件减摩材料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1230），从而减摩含油轴承材料含油轴承材料铁基（铁基（Fe+石墨、石墨、Fe+S+石墨）石墨）铜基（铜基（Cu+Sb+Pb+Zn+石墨）石墨）结构材料结构材料如，用碳钢、合金钢粉末烧结成油泵齿轮、电钻齿轮、凸轮、衬套SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY高熔点金属材料高熔点金属材料W、Mo、WC、TiC等等金金属属及及金金属属化化合合物物熔熔点点高高（2000），用用熔熔炼炼和和铸铸造造方方法法生生产产较较难难，且且不不易易保保证证其其纯纯度度和和冶冶金金质质量量。这这些些材材料料可可以以通通过过粉粉末末冶冶金金生生产产，如如各各种种金金属属陶陶瓷瓷、钨钨丝丝及及Mo、Ta、Nb等等难难熔熔金金属属和和高温合金。高温合金。特殊电磁性能材料特殊电磁性能材料如硬磁材料、软磁材料，多孔过滤材料，假合金材料如硬磁材料、软磁材料，多孔过滤材料，假合金材料SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 粉粉 末末 冶冶 金金 制制 品品SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 二、金属陶瓷硬质合金二、金属陶瓷硬质合金 Cermet hard alloys以金属碳化物以金属碳化物(如如WC,TiC,TaC等）为基体，等）为基体，再加入适量金属再加入适量金属(如如Co,Ni,Mo等等)粉末作黏结剂烧结而粉末作黏结剂烧结而成的成的、具有高硬度、具有高硬度、金属性质金属性质的的粉末冶金材料粉末冶金材料Co基体基体WCSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 1.1.硬质合金的性能特点及加工装夹硬质合金的性能特点及加工装夹 高硬度高硬度,8693HRA（相当于相当于6981HRC）高热硬性高热硬性,可维持到可维持到 90010001)1)优点优点 高耐磨性高耐磨性 高抗压强度，高弹性模量高抗压强度，高弹性模量作作为为切切削削刀刀具具，其其耐耐磨磨性性、寿寿命命和和切切削削速速度度比比高高速速钢钢显著提高显著提高抗抗压压强强度度高高（6000MPa），抗抗弯弯强强度度低低（只只有有钢钢的的1/31/2），弹弹性性模模量量高高（是是高高速速钢钢的的23倍倍），韧韧性性差差（约为淬火钢的（约为淬火钢的3050）SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 良好的耐蚀性良好的耐蚀性、抗氧化性抗氧化性,热膨胀系数小热膨胀系数小抗弯强度低抗弯强度低,只有高速钢的只有高速钢的1/31/2左右左右 韧性很差韧性很差,约为淬火钢的约为淬火钢的 30%50%2)2)缺点缺点 导热性差导热性差因因抗抗弯弯强强度度低低、脆脆性性大大、导导热热性性差差，故故在在加加工工、作作用用过过程中要避免冲击和温度急剧变化程中要避免冲击和温度急剧变化硬硬度度高高，无无法法进进行行切切削削加加工工，可可采采用用电电加加工工（电电火花、线切割）和专门砂轮磨削加工火花、线切割）和专门砂轮磨削加工SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY3)3)加工及装夹加工及装夹 电加工和切削电加工和切削电火花加工电火花加工线切割线切割金刚砂轮磨削金刚砂轮磨削 装夹装夹粘结粘结钎焊钎焊机械装夹机械装夹SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 2.2.硬质合金的分类硬质合金的分类、编号及应用编号及应用1)1)硬质合金分类及编号硬质合金分类及编号(1)(1)钨钴类硬质合金钨钴类硬质合金(WC+Co)(2)(2)钨钴钛类硬质合金钨钴钛类硬质合金(WC+TiC+Co)(3)(3)通用硬质合金通用硬质合金(WC+TiC+TaC+NbC+Co)YW 硬硬 万万 顺序号顺序号比钨钴类：高硬度比钨钴类：高硬度,耐磨耐磨,热热 硬性好硬性好,强度低强度低热硬性高，其介于钨钴类热硬性高，其介于钨钴类和钨钴钛类之间和钨钴钛类之间YT 硬硬 钛钛YG硬硬 钴钴C：粗颗粒，：粗颗粒，如如YG8CX：细颗粒，：细颗粒，如如 YG6X A：加少量：加少量TaC,如如 YG6ASCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY钨钴类硬质合金钨钴类硬质合金由由WC和和Co组成组成代号：代号：YGYG“硬硬”、“钴钴”，钴的含量。钴的含量。如如：YG6表表示示wCo=6%，余余量量为为WC的的钨钨钴钴类类硬硬质质合金合金钨钴钛类硬质合金钨钴钛类硬质合金由由WC、TiC和和Co组成组成代号：代号：YTYT“硬硬”、“钛钛”，TiC含量含量如如：YT15表表示示wTiC=15%，余余量量为为WC和和Co的的钨钨钴钛类硬质合金钴钛类硬质合金SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY在在硬硬质质合合金金中中，WC越越多多，Co越越少少，则则硬硬度度、热热硬硬性及耐磨性越高，但强度及韧性越低性及耐磨性越高，但强度及韧性越低当当Co含含量量相相同同时时，含含TiC的的硬硬质质合合金金硬硬度度、耐耐磨磨性性高高，且且因因合合金金表表面面有有一一层层TiO薄薄膜膜，切切削削时时不不易易粘粘刀刀，热硬性高；但强度和韧性比钨钴类硬质合金低热硬性高；但强度和韧性比钨钴类硬质合金低通用硬质合金通用硬质合金添加添加TaC或或NbC取代部分取代部分TiC代号：代号：YWYW“硬硬”、“万万”；顺顺序序号号热热硬硬性性高高（1000），其其它它性性能能介介于于上上两两类类之之间间。既既可可加加工工钢钢材材，又又能能加加工工铸铸铁铁和和有有色色金金属属，故故称称通通用用或万能硬质合金。或万能硬质合金。SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY2)2)硬质合金的应用硬质合金的应用冷作模具：冷拔模冷作模具：冷拔模,冷冲模冷冲模,冷挤压模冷挤压模,冷镦模冷镦模量量 具：镶嵌于易磨损工作面具：镶嵌于易磨损工作面 耐磨零件：机床顶尖，无心磨导杠耐磨零件：机床顶尖，无心磨导杠、导板导板切削刀具切削刀具钨钴类：适于切削脆性材料，如，铸钨钴类：适于切削脆性材料，如，铸 铁铁、有色金属有色金属、胶木及其他胶木及其他 非金属材料非金属材料钨钴钛类：适于切削韧性材料，如各钨钴钛类：适于切削韧性材料，如各 种钢种钢通用硬质合金：既可切削韧性材料，通用硬质合金：既可切削韧性材料，又可切削脆性材料，又可切削脆性材料，如，不锈钢如，不锈钢、耐热耐热 钢钢、高锰钢高锰钢SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY拉伸模拉伸模钻钻 齿齿回转顶尖回转顶尖挤压型材挤压型材SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 3.3.钢结硬质合金钢结硬质合金以以一一种种或或几几种种碳碳化化物物（WC、TiC）为为硬硬化化相相，以以合合金金钢钢（高高速速钢钢、铬铬钼钼钢钢）粉粉末末为为粘粘结结剂剂，经经配配料料、压压型、烧结而成的一种新型硬质合金型、烧结而成的一种新型硬质合金与与普普通通硬硬质质合合金金相相比比，钢钢结结硬硬质质合合金金可可锻锻造造、焊焊接接、热处理，并可切削加工。热处理，并可切削加工。在在锻锻造造退退火火后后，其其硬硬度度约约4045HRC，可可用用一一般般方方法法切切削削加加工工，加加工工成成型型后后，经经淬淬火火低低温温回回火火，硬硬度度达达6973HRCSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY1)1)组成：碳化物（组成：碳化物（WC,TiC）合金钢合金钢 硬化相硬化相 粘结剂粘结剂2)2)特点特点可机加工：可机加工：锻造，焊接，机械切削锻造，焊接，机械切削可热处理可热处理锻造退火后，锻造退火后，4045HRC淬火低温回火，淬火低温回火，6973HRC3)3)应用应用形状复杂的刀具，如麻花钻形状复杂的刀具，如麻花钻、铣刀等、铣刀等较高温度下工作的模具较高温度下工作的模具、耐磨零件等、耐磨零件等SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢
