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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題樣式,結構陶瓷材料的應用,1.,陶瓷刀具,2.,陶瓷發動機,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,陶瓷刀具與傳統的高速鋼和硬質合金刀具相比，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、更好的熱穩定性和抗沖擊能力。因而，在先進制造技術的發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定的工作，保證工件的加工精度。,它可以進行高速切削，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，強度低，質量不穩定，使用過程中容易崩刀，使得氧化鋁陶瓷刀具在很長時間內不能成功推廣應用。,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溫度，更重要的是能抑制氧化鋁晶粒的過快生長，形成細晶結構。,另外，采用熱壓燒結技術也可以獲得陶瓷材料的細品結構。,Company Logo,Al,2,O,3,陶瓷的彎曲強度和硬度隨晶粒尺寸的變化關系,對于氧化鋁陶瓷晶粒與力學性能的研究表明，在相同的致密情況下，晶粒越細，,Al,2,O,3,陶瓷的彎曲強度和硬度就越高，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,等成分經燒結而成的復合陶瓷
4、體系。,在氧化鋁,碳化物復合陶瓷刀具體系中發展最早的是,Al,2,O,3,TiC,復合陶瓷。這種復合陶瓷刀具，由于在基體中彌散了質量分數為,15,一,40,的硬質紉顆粒,TiC,，不僅提高了材料的硬度，也提高了斷裂韌性。因為當基體中的裂紋受力擴展時，必然會遇到,TiC,顆粒的阻礙，產生偏折拐彎，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,碳化物復合陶瓷刀具,Company Logo,Al,2,O,3,十,Ti(C,，,N),系統陶瓷強度、斷裂韌性和硬度的實驗結果,在,Al,2,
5、O,3,中適當加入,Ti(C,，,N),，使得,Al,2,O,3,的晶粒變細，同時提高了硬度，這種復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,金屬系復合陶瓷,刀具,、,SiC,晶須增韌,Al,2,O,3,復合陶瓷刀具、,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,系陶瓷為高溫強度和熱傳導率高、線膨脹系數小、共價性強的材料，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是能進行高速切削，并且耐磨性好。,
6、Company Logo,(1)Si,3,N,4,TiC,復合陶瓷刀具,復合氮化硅,(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。與硬質合金刀具相比，,Si,3,N,4,TiC,復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，復合氮化硅陶瓷刀具有著較高的耐磨性。,Company Logo,（,2,）,賽龍,(,Sialon,),復相陶瓷刀具,
7、由于碳化鈦和氯化硅的線膨脹系數相整較大，高速切削時因刀尖溫度急劇升高，會產生較大的熱應力，降低刀具的使用壽命。為此許多國家又研究開發了以,Si,3,N,4,為硬質相、,Al,2,O,3,為耐磨相、添加少量,Y,2,O,3,作燒結助劑經熱壓燒結制備一種,Si,3,N,4,復合陶瓷刀具賽龍陶瓷刀具。,Company Logo,如美國生產的,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,HV1800,，彎曲強度達,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合金刀具的七
8、倍。,此外，還有,Si,3,N,4,WC-ZrO,2,復合陶瓷刀具、,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、耐腐蝕的復合材料它兼有金屬和陶瓷兩種材料的優點。,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,為了制得性能優良的金屬陶瓷，首要的問題是找到好的膠黏劑。對于,TiC,，發現只有,Ni,、,Co,、,Cr,、,Si,等少數幾種金屬能黏結,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,，但不形成連續網絡而生成,Cr,3,C,2,。,Co,和,Ni,的抗氧化性不好，強度也不高。,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，提高了黏結相的抗氧化性和高溫強度，同時改善了潤濕性。,Company Logo,Ti(C,，,N),具有很高的強度和斷裂韌性以及較高的硬度，有很寬的切削應用范圍，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,刀具表而涂層技術可使切削刀具獲得優良的綜合機械性能，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械加工效率。,涂層技術的發展已從當初單一的,TiC,、,TiN,涂層，經歷了,TiC,、,TiN,、,Al,2,O,3,等多元復合涂層的發展階段，使涂層的性能有了重大的改進，使用范圍不斷擴大。,刀具涂層技術目前仍可劃分為兩大類，即,CVD(,化學氣
11、相沉積,),和,PVD,技術,(,物理氣相沉積,),。,Company Logo,CVD,技術自,20,世紀,60,年代出現以來，在硬質合金可轉位刀具上得到了極為廣泛的應用。在,CVD,工藝中，氣相沉積所需金屬源的制備相對容易，可實現,TiN,、,TiC,、,TiCN,、,TiBN,、,TiB,2,、,Al,2,O,3,等單層及多元多層復合涂層，其涂層與基體結合強度高，薄膜厚度可達,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度沒有影響；薄膜內部為壓應力，更適合于硬質合金精密復雜類刀
12、具的涂層；,PVD,工藝對環境沒有不利影響，符合目前綠色工業的發展方向,.,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地位。,Company Logo,(1),多晶金剛石,多晶金剛石是,20,世紀,70,年代利用高溫、高壓技術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，不具方向性，因而硬度均勻。它有很高的硬度和導熱性，低的熱脹系數。高的彈性模旦和較低的摩擦系數，刀刃非常鋒利。,多晶金剛石價格便宜
13、，且刃磨遠比天然金剛石方便，所以其應用、推廣特別迅速。,Company Logo,(2),立方氮化硼燒結體,(PCBN),立方氮化硼燒結體,(PCBN),是,CBN,顆粒與結合劑一起燒結而成，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,具有很高的熱穩定性,具有優良的化學穩定性,具有較好的導熱性,具有較好的摩擦系數,Company Logo,2.,陶瓷發動機,汽車發動機一直用金屬材料制造。金屬的導熱性好而耐熱、耐腐蝕性能差，在高溫下極易氧化、變形面導致破壞。因此，發動機的燃燒室,(,汽缸,),必須用水或空氣冷卻，這樣，進入發動機的燃料產生的熱能
14、，大約只有,1,3,轉變為驅動車軸的有用功率，其余,1,3,被冷卻劑帶走，另外,1,3,隨廢氣排出。,為了提高發動機熱效率，減少能量損耗，這就需要取消或部分取消冷卻系統，使用耐高溫隔熱材料以減少燃燒室熱量的損失，使發動機在更高的工作溫度下工作。,Company Logo,高性能結構陶瓷材料由于其具有密度小、熱導率低、耐高溫、耐磨損以及耐腐蝕等待性，成為制造發動機的理想材料。發動機使用陶瓷材料有如下優點：,提高發動機熱效率,減少輔助功率消耗，發動機結構簡化,適應多種燃料的燃燒,降低發動機噪聲，減少排氣污染,減輕質量,資源豐富,Company Logo,對于陶瓷發動機的研究主要有三個方面的內容：陶
15、瓷燃氣輪機、低散熱陶瓷發動機,(,隔熱陶瓷發動機,),和汽車發動機陶瓷零部件。,陶瓷發動機的發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。可靠性和成本價格是阻礙其發展的主要原因。,Company Logo,3.,陶瓷裝甲,裝甲防護材料是用于裝甲車輛、坦克、航母、艦艇、直升機等裝備以及人體的防護材料，它們能承受反裝甲武器的攻擊，可提高武器裝備和作戰人員的生存能力和作戰能力。,裝甲防護材料也從傳統的金屬材料,(,鋼、鋁,),發展為先進的金屬基、陶瓷基和高分子基復合材料。,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、；,玻璃鋼具有高強度和低密度的特點，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，但是它的韌性和強度都有待于提高。,Company Logo,特種陶瓷作為防彈材料，其防護系數是最高的，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行提高材料本身的性能和低成本制造技術的研究。,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，大多數在正常工作環境下應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,高強度,高硬度和韌性,線膨脹系數小,耐高溫,耐腐蝕,Company Logo,由于陶瓷軸承制備工藝復雜，影響產品質量的工藝參數較多，存在著產品的穩定性、一致性控制困
結構陶瓷材料的應用
