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1、第一节 概 述,第十章 陶瓷材料,第二节 陶瓷材料的结构和性能,第三节 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,第四节 常用陶瓷材料,第一节 概 述,传统的陶瓷材料是粘土、石英、长石等硅酸盐类材料，而现代陶瓷材料是无机非金属材料的统称。其原料已不再是单纯的天然矿物材料，而是扩大到人工化合物（如Al2O3、SiO2、ZrO2等）。,一、陶瓷材料的概念,（一）按化学成分分类 1.氧化物陶瓷 2.碳化物陶瓷 3.氮化物陶瓷 4.硼化物陶瓷 应用不广，主要作为其它陶瓷的第二相或添加剂。 5.复合瓷、金属陶瓷和纤维增强陶瓷等,二、陶瓷材料的分类,陶瓷材料的分类 ,可分为普通陶瓷（硅酸盐材料）和特种陶瓷（人工合成材料）
2、。特种陶瓷按化学成分也分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、金属陶瓷、纤维增强陶瓷等。,（二）按原料分类,陶瓷材料的分类 ,按用途可分为日用陶瓷、结构陶瓷和功能陶瓷等。按性能可分为高强度陶瓷、高温陶瓷、耐磨陶瓷、耐酸陶瓷、压电陶瓷、光学陶瓷、半导体陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷等。,（三）按用途和性能分类,第二节 陶瓷材料的结构和性能,陶瓷材料是多相多晶材料，一般由晶相、玻璃相和气相组成。其显微结构是由原料、组成和制造工艺所决定的。 晶相是陶瓷材料的主要组成相，有化合物或固溶体。晶相分为主晶相、次晶相和第三晶相等。主晶相对陶瓷材料的性能起决定性作用。陶瓷中的晶相主要有硅酸盐、氧化物、非
3、氧化物三种。,一、陶瓷材料的结构,陶瓷材料的结构 ,玻璃相是一种低熔点的非晶态固相。它的作用是粘接非晶态晶相，填充晶相间的空隙，提高致密度，降低烧结温度，抑制晶粒长大等。玻璃相的组成随着坯料组成、分散度、烧结时间以及炉（窑）内气氛的不同而变化。玻璃相会降低陶瓷的强度、耐热耐火性和绝缘性，故陶瓷中玻璃相的体积分数一般为20%40%。,陶瓷材料的结构 ,气相（气孔）是指陶瓷孔隙中的气体。气孔的数量、形状、分布会影响陶瓷的性能，如降低陶瓷的强度，增大介电损耗，降低绝缘性，降低致密度，提高绝热性和抗振性等，对功能陶瓷的光、电、磁等性能也会产生影响。普通陶瓷的气孔率为 5%10%（体积分数），特种陶瓷和
4、功能陶瓷为5%以下。,（一）力学性能 陶瓷材料具有极高的硬度，其硬度一般为10005000HV，而淬火钢一般为500800HV，因而具有优良的耐磨性。陶瓷的弹性模量高、刚度大，是各种材料中最高的。由于缺陷的存在，陶瓷的实际强度比理论值要低得多，其强度和应力状态有密切关系。陶瓷的抗拉强度很低，抗弯强度稍高，而抗压强度很高（一般比抗拉强度高10倍）。另外，陶瓷的塑性、韧性低，脆性大，在室温下几乎没有塑性，故难以进行塑性加工。,二、陶瓷材料的性能,陶瓷材料的性能,陶瓷的熔点很高，大多在2000以上，因此具有很高的耐热性能；线膨胀系数小，导热性和抗热振性都较差，受热冲击时容易破裂；陶瓷的化学稳定性高，
5、抗氧化性优良，对酸、碱、盐具有良好的耐腐蚀性。陶瓷还有各种电学性能，大多数陶瓷具有高电阻率，少数陶瓷具有半导体性质。许多陶瓷具有特殊的性能，如光学性能、电磁性能等。,（二）物理、化学性能,第三节 陶瓷生产工艺与粉末冶金,粉末冶金法是一种用粉末制备，经压制成型、烧结而制成零件的方法。陶瓷的生产工艺和粉末冶金的生产工艺一般都经过原料配制、坯料成型、制品烧结、后加工处理等四个阶段，因此粉末冶金法可看成是陶瓷生产工艺在冶金中的应用。,（一）原料配制 原料配制包括粉末制取、配料、混料、制成坯料等步骤。通过机械、物理及化学的方法制备粉末：其中机械法有球磨法、雾化法等；物理化学法有还原法、电解法、化学置换法
6、等。粉末的形状、粒度、纯度以及混料混合的均匀程度都会对产品的质量产生显著影响，一般粉末越细、越纯、越均匀，产品的性能越好。 生成的坯料根据成型方法不同有可塑泥料、浆料和粉料等。粉料中通常要加入一些成型剂和增塑剂，如汽油橡胶溶液和石蜡等。,一、陶瓷生产与粉末冶金生产的工艺,陶瓷生产与粉末冶金生产的工艺 ,将坯料装入模具内，通过一定方法制成具有一定形状、尺寸和密度的生坯。生坯含水较多，强度不高，需进行干燥。 成型方法有可塑成型、注浆成型、压制成型等。压制成型又有干压成型、热压成型、注射成型、冷等静压成型、热等静压成型、爆炸成型等。成型方法的选择主要取决于制品的形状和性能要求及粉末自身的性质。,（二
7、）坯料成型,陶瓷生产与粉末冶金生产的工艺 ,烧结是将干燥后的生坯加热到高温，通过一系列的物理化学变化，获得所要求的性能。 烧结方法有常压烧结、热压烧结、反应烧结、气氛加压烧结和热等静压烧结等。 普通陶瓷烧结一般在窑炉中常压进行，特种陶瓷和粉末冶金的烧结一般在通保护气氛的高温炉或真空炉中进行,（三）制品烧结,陶瓷生产与粉末冶金生产的工艺 ,陶瓷制品烧结后一般不再加工，若要求高的精度，则可研磨加工。 有些粉末冶金制品在烧结后还要进行加工处理，如冷挤压、热处理、浸油、机械加工等。,（四）后加工处理,粉末冶金材料包括金属材料及合金、一些陶瓷材料及复合材料等，按用途可分为机器零件材料、工具材料、高温材料
8、、电工材料、磁性材料等。,二、粉末冶金材料,粉末冶金材料,机器零件材料包括减摩材料、结构材料、多孔材料、密封材料、摩擦材料等。 1.减摩材料 按润滑条件可分为铁基、铜基含油轴承材料，铜铅钢背双金属复合材料，金属塑料材料，固体润滑轴承材料等。用于制造滑动轴承，垫圈，球头座，密封圈等。,（一）粉末冶金机器零件材料,粉末冶金材料,2.结构材料 以碳钢粉或合金钢粉为主要原料，用粉末冶金工艺制造结构零件的材料。用粉料能直接压制成形状、尺寸精度、粗糙度等都符合要求的零件，具有少、无切削加工的特点。制品还可通过锻造、热处理来提高性能。用于制造汽车发动机、变速箱、农机、电动工具等的齿轮、凸轮轴、连杆、轴承、衬
9、套、垫圈、离合器等。,（一）粉末冶金机器零件材料,粉末冶金材料,3.多孔材料 主要有青铜、不锈钢、镍等制成的粉末冶金多孔材料。广泛用于机械、冶金、化工、医药和食品等工业部门，用于过滤、分离、催化、阻尼、渗透、气流分配、热交换等方面。,（一）粉末冶金机器零件材料,粉末冶金材料,4.摩擦材料 有铜基、铁基等金属类及碳基、塑胶基、石棉塑料基等有机物类。用于汽车、重型机械、飞机中制造刹车片、制动片、离合器片、变速箱摩擦片等。,（一）粉末冶金机器零件材料,粉末冶金材料,粉末冶金工具材料包括各种硬质合金、粉末高速钢、精细陶瓷（特种陶瓷）、金刚石-金属基复合材料等，是主要的工具材料。 硬质合金是由难熔的金属
10、碳化物（WC、TiC、TaC等）为基体加入适量金属或合金粉末（如Co、Ni、高速钢等）为粘接相而制成的、具有金属性质的粉末冶金材料。硬质合金分为金属陶瓷硬质合金、碳化铬硬质合金、钢结硬质合金等。,（二）粉末冶金工具材料,粉末冶金材料,1.金属陶瓷硬质合金 以WC、TiC、TaC为基体，以Co粉为粘接相形成的硬质合金称为金属陶瓷硬质合金。通常所说的硬质合金即为金属陶瓷硬质合金。硬质合金具有高的硬度、热硬性和耐磨性。常温硬度为8393HRA，1000时硬度为650850HV。具有高的抗压强度和弹性模量，抗弯强度较高，但冲击韧性低，脆性大，导热性差。,（二）粉末冶金工具材料,粉末冶金材料,（1）钨钴
11、类硬质合金 由WC和Co组成，有些牌号也加少量TaC、VC等。用YG+钴的质量分数表示（wCo100）。常用代号有 YG3、YG6、YG8等，如YG6表示 wCo= 6%、其余为 WC的钨钴类硬质合金。这类合金具有较高的强度和韧性，主要用于制造刀具、模具、量具、耐磨零件等。其刀具主要用来切削脆性材料，如铸铁和有色金属等。,（二）粉末冶金工具材料,粉末冶金材料,（2）钨钴钛类硬质合金 由WC、TiC和Co组成，用YT+TiC的质量分数（wTiC100）表示，常用代号有YT5、YT15、YT30等。这类合金具有较高的硬度、耐磨性和热硬性，但强度和韧性低于钨钴类合金。其刀具主要用来切削韧性材料，如各
12、种钢。,（二）粉末冶金工具材料,粉末冶金材料,（3）钨钴钛钽类硬质合金 由WC、TiC、TaC（或NbC）和Co组成。用YW+顺序号表示。如YW1、YW2等。这类合金热硬性高，性能介于YG类和YT类之间。其刀具可用来加工各种钢，又可加工铸铁和有色金属，因此又称为万能硬质合金。,（二）粉末冶金工具材料,粉末冶金材料,2.碳化铬硬质合金 碳化铬硬质合金是以Cr3C2为基体（或加入少量 WC），以Ni或Ni基合金为粘接相形成的硬质合金。它具有极高的抗高温氧化性，加热到1100C以上仅表面变色。具有高的耐磨性和耐蚀性，但强度较低（加磷和碳化钨可提高强度）。碳化铬硬质合金用YLN及YLWN+Ni的质量分
13、数（ w100）表示。如 YLN15（P）、YLWN15等。碳化铬硬质合金可用于电真空玻璃器皿成型模、铜材热挤压模、燃油喷嘴、油井阀阀球、轴承、机械密封摩擦副等。,（二）粉末冶金工具材料,粉末冶金材料,3.钢结硬质合金 以 WC或TiC为硬质相，以合金钢粉为粘接相（质量分数占50%以上）而形式的硬质合金。钢结硬质合金和钢一样可以锻造、焊接、热处理和机械加工。淬火后硬度可达6273HRC。其刀具的寿命与YG类硬质合金差不多，比合金工具钢高得多。用于制造麻花钻、铣刀等形状复杂的刀具及模具和耐磨零件，典型牌号有GT35、GW50等。,（二）粉末冶金工具材料,第四节 常用陶瓷材料,（一）普通陶瓷 普通
14、陶瓷是指以粘土、长石、石英等为原料烧结而成的陶瓷。这类陶瓷质地坚硬、不氧化、耐腐蚀、不导电、成本低，但强度较低，耐热性及绝缘性不如其它陶瓷。 普通工业陶瓷有建筑陶瓷、电瓷、化工陶瓷等。电瓷主要用于制作隔电、机械支持及连接用瓷质绝缘器件。化工陶瓷主要用于化学、石油化工、食品、制药工业中制造实验器皿、耐蚀容器、反应塔、管道等。,一、工程结构陶瓷材料,工程结构陶瓷材料,1.氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷又称高铝陶瓷，主要成分为Al2O3，含有少量SiO2。根据Al2O3含量可分为刚玉-莫来瓷（75瓷，wAl2O3=75 %）和刚玉瓷（95瓷，99瓷）。 氧化铝陶瓷的强度高于普通陶瓷，硬度很高，耐磨性很好，耐
15、高温，可在1600 高温下长期工作，还具有良好的耐腐蚀性和绝缘性能，在高频下的电绝缘性能尤为突出。但这种陶瓷的韧性低，脆性大，抗热振性差。氧化铝陶瓷还具有光学特性和离子导电特性。,（二）特种陶瓷,工程结构陶瓷材料,氧化铝陶瓷用于制作装饰瓷，内燃机的火花塞，电路基板，管座，石油化工泵的密封环，机轴套，导纱器，喷嘴，火箭、导弹的导流罩，切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石，耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等。还可用于制作人工骨骼、透光材料、激光振荡元件、微波整流罩、太阳能电池材料和蓄电池材料等功能元器件。,（二）特种陶瓷,工程结构陶瓷材料,2.氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷是以Si3N4为主要成分的陶瓷
16、。根据制作 方法可分为热压烧结陶瓷和反应烧结陶瓷。 氮化硅陶瓷具有很高的硬度，摩擦系数小，耐磨性好，抗热振性大大高于其它陶瓷。它具有优良的化学稳定性，能耐除氢氟酸、氢氧化钠外的其它酸和碱性溶液的腐蚀，以及抗熔融金属的侵蚀。它还具有优良的绝缘性能。,（二）特种陶瓷,工程结构陶瓷材料,热压烧结氮化硅陶瓷的强度、韧性都高于反应烧结氮化硅陶瓷，主要用于制造形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。反应烧结氮化硅陶瓷用于制造形状复杂、精度要求高的零件，用于要求耐磨、耐蚀、耐热、绝缘等场合，如泵密封环、热电偶保护套、高温轴套、电热塞、增压器转子、缸套、活塞顶、电磁泵管道和阀门等。氮化硅陶瓷还是制造新型陶瓷发动机的重要材料。,（二）特种陶瓷,工程结构陶瓷材料,3.碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷是以 SiC为主要成分的陶瓷。碳化硅陶瓷按制造方法分为反应烧结陶瓷、热压烧结陶瓷和常压烧结陶瓷。 碳化硅陶瓷具有很高的高温强度，在1400时抗弯强度仍保持在50060
