如今，能源、信息、材料已成為人類現(xiàn)代文明進(jìn)步的標(biāo)志，而材料更是人類賴以生存和得以發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。繼金屬、陶瓷、高分子材料以后，金屬陶瓷材料正以其卓越的性能、繁多的品種和廣泛的用途進(jìn)入各行各業(yè)。金屬陶瓷材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐磨損、耐高溫等優(yōu)良性能，在眾多場(chǎng)合已被作為新材料的代名詞，成為現(xiàn)代高新技術(shù)、新興產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是發(fā)展現(xiàn)代國(guó)防所不可缺少的重要部分，引起了世界各國(guó)的高度重視，把金屬陶瓷材料作為高技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。

圖1 金屬陶瓷刀具

1. 金屬陶瓷的定義及特點(diǎn)

金屬陶瓷是由陶瓷硬質(zhì)相與金屬或合金粘結(jié)相組成的結(jié)構(gòu)材料。從金屬陶瓷英文單詞Cermets來，是由Ceramic（陶瓷）和Metal（金屬）結(jié)合構(gòu)成的。金屬陶瓷既保持了陶瓷的高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐高溫、抗氧化和化學(xué)穩(wěn)定性等特性，又具有較好的金屬韌性和可塑性。由于“金屬陶瓷”和“硬質(zhì)合金”兩個(gè)學(xué)科術(shù)語沒有明確的分界，所以具體材料也很難劃分界線，所以從材料組元?jiǎng)澐郑坝操|(zhì)合金”也歸于“金屬陶瓷”。

圖2 金屬陶瓷復(fù)合材料性能圖

金屬陶瓷的特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）金屬對(duì)陶瓷相的潤(rùn)濕性好

金屬與陶瓷顆粒間的潤(rùn)濕能力是衡量金屬陶瓷組織結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)劣的主要條件之一。潤(rùn)濕能力愈強(qiáng)，則金屬形成連續(xù)相的可能性愈大，金屬陶瓷的性能愈好。

（2）金屬相與陶瓷相應(yīng)無劇烈的化學(xué)反應(yīng)

金屬陶瓷制備時(shí)如果界面反應(yīng)劇烈，形成化合物，就無法利用金屬相改善陶瓷抵抗機(jī)械沖擊和熱震的性能。

（3）金屬相與陶瓷相的膨脹系數(shù)相差不會(huì)過大

金屬陶瓷中的金屬相和陶瓷相的膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，會(huì)造成較大的內(nèi)應(yīng)力，降低金屬陶瓷的熱穩(wěn)定性。

2. 金屬陶瓷的制備方法

金屬陶瓷材料的制備方法主要包括熱壓法、粉末燒結(jié)法及浸漬法，具體過程如下圖3所示。

圖3 金屬陶瓷材料制備方法工藝流程圖

3. 金屬陶瓷的分類

3.1 氧化物基金屬陶瓷

氧化物基金屬陶瓷是以氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈹?shù)葹榛w，與金屬鎢、鉻或鈷復(fù)合而成，具有耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、導(dǎo)熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)。這里介紹一下Al₂O₃-Cr系金屬陶瓷。

Cr與Al₂O₃之間的潤(rùn)濕性并不好，但金屬鉻粉表面容易生成一層致密的Cr₂O₃，因此可通過形成Al₂O₃-Cr₂O₃固溶體來降低他們之間的界面能，改善潤(rùn)濕性。為了使金屬鉻部分氧化，工藝上常采取的措施有：燒結(jié)氣氛中引入微量的水汽或氧氣、配料中使用一部分Al(OH)₃代替氧化鋁、在配料中用一部分氧化鉻代替金屬鉻等。Al₂O₃-Cr金屬陶瓷所用原料是純度為99.5%的α-Al₂O₃和純度為99%的電解Cr粉，將Al₂O₃和Cr粉共同干磨或濕磨至必須的粒度組成，其可以用任何一種成型方法成型。

圖4 金屬陶瓷熱電偶保護(hù)套

3.2 碳化物基金屬陶瓷

碳化物基金屬陶瓷。以碳化鈦、碳化硅、碳化鎢等為基體，與金屬鈷、鎳、鉻、鎢、鉬等金屬復(fù)合而成，具有高硬度、高耐磨性、耐高溫等特點(diǎn)。這里介紹一下碳化鈦(TiC)基金屬陶瓷。

碳化鈦(TiC)具有高熔點(diǎn)、高硬度和高彈性模量以及良好的抗熱震性和化學(xué)穩(wěn)定性，且其高溫抗氧化性能僅低于碳化硅。碳化鈦是硬質(zhì)合金的重要原料，因此在結(jié)構(gòu)材料中作為硬質(zhì)相而被廣泛用作制作耐磨材料、切削刀具材料、機(jī)械零件等碳化鈦基金屬陶瓷，是一種由金屬或合金同碳化鈦陶瓷相所組成的非均質(zhì)的復(fù)合材料，它既保持有陶瓷的高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐高溫、抗氧化和化學(xué)穩(wěn)定性等特性，又有較好。的金屬韌性，正是由于這些優(yōu)良的物理化學(xué)性能使得碳化鈦基金屬陶瓷備受關(guān)注。

圖5 氮化鈦基金屬陶瓷鋼結(jié)硬質(zhì)合金棒

3.3 碳氮化鈦基金屬陶瓷

1956年美國(guó)福特汽車公司發(fā)現(xiàn)在TiC-Ni基金屬陶瓷中加入Mo后，可以改善Ni對(duì)TiC的潤(rùn)濕性，大大提高合金強(qiáng)度。1971年Kieffer等人發(fā)現(xiàn)在TiC-Mo-Ni系金屬陶瓷中添加TiN，不僅可顯著細(xì)化硬質(zhì)相晶粒，改善金屬陶瓷的室溫和高溫力學(xué)性能，而且還可大幅度地提高金屬陶瓷的高溫耐腐蝕和抗氧化性能，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)碳氮化鈦基[Ti(C,N)]金屬陶瓷非常重視，進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。自20世紀(jì)80年代以來，Ti(C,N)基金屬陶瓷獲得了迅速的發(fā)展，世界各國(guó)硬質(zhì)合金生產(chǎn)廠家先后推出了系列的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具。30多年來，隨著粉末冶金技術(shù)的發(fā)展，成分的演化趨于穩(wěn)定，燒結(jié)技術(shù)不斷更新，粉末粒徑不斷細(xì)化，Ti(C,N)基金屬陶瓷發(fā)展到一個(gè)比較成熟的階段。在日本，近年來Ti(C,N)基金屬陶瓷材料已占可轉(zhuǎn)位刀片的30%，我國(guó)在“八五”期間也研制了多種Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，而有部分上市產(chǎn)品，但性能欠穩(wěn)定。進(jìn)入21世紀(jì)，諸多企業(yè)和科研院所加大了研究力度，取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但與國(guó)際先進(jìn)水平仍有一定差距。

圖6 Ti(C,N)基金屬陶瓷結(jié)構(gòu)件

3.4 三元硼化物金屬陶瓷

硼化物陶瓷是間隙相化合物，硼和硼之間可形成多種復(fù)雜的共價(jià)鍵，同時(shí)，硼又與許多金屬原子可形成離子鍵，這一特點(diǎn)決定了硼化物具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性和高抗腐蝕性能，因此被廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金材料、耐磨材料、耐腐蝕材料及耐磨耐蝕的機(jī)械零件。在硼化物陶瓷材料中，TiB₂、ZrB₂和CrB₂等二元硼化物因其性能優(yōu)異而被認(rèn)為是最有希望得到廣泛應(yīng)用的硼化物陶瓷，但由于TiB₂等二元硼化物陶瓷和金屬基體容易發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)性能惡化。經(jīng)過多年研究，其實(shí)用化程度雖然在不斷提高，但是與普通的碳化物基硬質(zhì)合金相比，這類硬質(zhì)材料的強(qiáng)度及斷裂韌性值低，用作結(jié)構(gòu)材料還存在很多問題。

直到上世紀(jì)80年代，日本開發(fā)了一種稱為原位反應(yīng)液相燒結(jié)三元硼化物的新型燒結(jié)工藝，成功地研制出了Mo₂FeB₂、Mo₂NiB₂、WCoB等三種三元硼化物基金屬陶瓷。其中以Mo₂FeB₂為陶瓷相的材料具有很好的耐磨性；以Mo₂NiB₂為陶瓷相的材料有很高的耐腐蝕性；以WCoB為陶瓷相的材料有很好的高溫性能。

圖7 耐磨耐腐蝕金屬陶瓷管道

我國(guó)在近幾年才開始研究三元硼化物金屬陶瓷，目前主要集中對(duì)結(jié)構(gòu)、性能和制備的研究，在工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用方面的研究還有待進(jìn)一步深入。目前存在的問題主要包括：

（1）由于三元硼化物金屬陶瓷主要以鉬粉、硼鐵合金粉以及鎳粉、鉻粉為主要原料，生產(chǎn)成本高；

（2）所制備的三元硼化物金屬陶瓷性能的可靠性和重現(xiàn)性差。

4. 金屬陶瓷的應(yīng)用

（1）切削加工領(lǐng)域

金屬陶瓷刀具都具有高的硬度、紅硬性和耐磨性、在高速切削和干切削時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能，在相同的切削條件下，金屬陶瓷刀具的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通硬質(zhì)合金。

（2）航天航空工業(yè)方面

從20世紀(jì)50年代開始，人們就開始了TiC-Ni系金屬陶瓷在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片用高溫材料的研究，但在燒結(jié)時(shí)由于鎳不能完全潤(rùn)濕TiC，發(fā)生TiC顆粒聚集長(zhǎng)大，導(dǎo)致材料的韌性很差，結(jié)果未達(dá)到作耐熱材料使用的目的。TiC本身具有高硬度、高熔點(diǎn)、低比重、好的熱穩(wěn)定性，而金屬銅具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和良好的塑性，有TiC和金屬銅組成的TiC/Cu復(fù)合材料綜合了兩者的優(yōu)異性，具有作為導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料、耐磨材料及火箭喉襯用材料的應(yīng)用價(jià)值。

（3）其他方面的應(yīng)用

金屬陶瓷復(fù)合涂層能改變金屬基體外表面的外貌、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，并賦予基體新的性能。金屬陶瓷復(fù)合涂層既有金屬的強(qiáng)度和韌性，又有陶瓷的耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)異的復(fù)合材料，它已成功地應(yīng)用航天、航空、國(guó)防、化工、機(jī)械、電力和電子等工業(yè)。

內(nèi)襯金屬陶瓷復(fù)合管具有比內(nèi)襯陶瓷復(fù)合管更優(yōu)異的性能。用自蔓延高溫合成法離心鑄造合成內(nèi)襯陶瓷，可以作為抗腐蝕管道用于石油或化工產(chǎn)物、半產(chǎn)物的運(yùn)輸，也可作為抗磨管道用于礦山，選礦廠作礦漿運(yùn)輸管道，還可用于多泥砂水的輸水管道等。

參考文獻(xiàn)

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