金属陶瓷

-1-金属陶瓷材料一、金属陶瓷的定义材料是人类文明的里程碑，是人类赖以生存和得以发展的重要物质基础。正是材料的使用、发现和发明，才使人类在与自然界的斗争中，走出混沌蒙昧的时代，发展到科学技术高度发达的今天。当今世界，能源、信息、材料已成为人类现代文明进步的标志，继金属、有机高分子材料以后，金属陶瓷材料正以其卓越的性能、繁多的品种和广泛的用途进入各行各业，其发展之快，作用之大，令世人瞩目。金属陶瓷材料具有比强度高、比模量高、耐磨损、耐高温等优良性能，在众多场合已被作为新材料的代名词，成为现代高新技术、新兴产业和传统工业技术改造的物质基础，也是发展现代国防所不可缺少的重要部分，引起了世界各国尤其是发达国家的高度重视，纷纷投入巨资进行研究开发，把金属陶瓷材料作为本国高技术发展的一个重要领域。图1金属陶瓷复合材料性能图TiC碳化钛Co/Ni钴/镍Mo2C/WC碳化钼/碳化钨硬度耐磨性烧结性热冲击硬度TiN/Ti(C,N)氮化钛/碳氮化钛(Ta,Nb)C碳化钽铌金属陶瓷-2-1、金属陶瓷的概念金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的结构材料。从金属陶瓷英文单词Cermets来，是由Ceramic（陶瓷）和Metal（金属）结合构成的。金属陶瓷既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性。由于“金属陶瓷”和“硬质合金”两个学科术语没有明确的分界，所以具体材料也很难划分界线，从材料的组元看，“硬质合金”应该归入“金属陶瓷”，IE.Campbell就将“硬质合金”归入到“金属陶瓷”。2、金属陶瓷的历史WC-Co基金属陶瓷作为研究最早的金属陶瓷，由于具有很高的硬度（HRA80~92），极高的抗压强度6000MPa（600kg/mm2），已经应用于许多领域。但是由于W和Co资源短缺，促使了无钨金属陶瓷的研制与开发，迄今已历经三代：第一代是“二战”期间，德国以Ni粘结TiC生产金属陶瓷；第二代是20世纪60年代美国福特汽车公司添加Mo到Ni粘结相中改善TiC和其他碳化物的润湿性，从而提高材料的韧性；第三代金属陶瓷则将氮化物引入合金的硬质相，改单一相为复合相。又通过添加Co相和其他元素改善了粘结相。近年来，金属陶瓷研制的另一个新方向是硼化物基金属陶瓷。由于硼化物陶瓷具有很高的硬度、熔点和优良的导电性，耐腐蚀性，从而使硼化物基金属陶瓷成为最有发展前途的金属陶瓷。3、金属陶瓷的设计为了使金属陶瓷同时具有金属和陶瓷的优良特性，首先必须有一个理想的组织结构，要达到理想的组织结构，得注意以下几个主要原则：（1）金属对陶瓷相的润湿性要好。金属与陶瓷颗粒间的润湿能力是衡量金属陶瓷组织结构与性能优劣的主要条件之一。润湿能力愈强，则金属形成连续相的可能性愈大，金属陶瓷的性能愈好。-3-（2）金属相与陶瓷相应无剧烈的化学反应。金属陶瓷制备时如果界面反应剧烈，形成化合物，就无法利用金属相改善陶瓷抵抗机械冲击和热震的性能。（3）金属相与陶瓷相的膨胀系数相差不可过大。金属陶瓷中的金属相和陶瓷相的膨胀系数相差较大时，会造成较大的内应力，降低金属陶瓷的热稳定性。二、金属陶瓷的行业现状金属陶瓷是一类非常重要的工具材料和结构材料，其用途极其广泛，几乎涉及到国民经济的各个部门和现代技术的各个领域，对工业的发展和生产率的提高起着重要的推动作用，对金属陶瓷的研究已成为材料领域一个非常重要的研究分支。传统所说的WC-Co硬质合金，其实就是由陶瓷硬质相WC与金属Co相结合而成的，业内习惯将其称为硬质合金，而将TiC或Ti(C,N)基合金称为金属陶瓷。1、中国硬质合金工业1.1产业分布、生产企业和研发机构中国硬质合金工业起步较晚，新中国成立前没有硬质合金生产。经过60年从无到有、从小到大、不断发展，取得了很大进步，形成了生产、研发、贸易完整的工业体系，成为世界硬质合金第一生产大国。中国硬质合金工业主要集中在湖南、四川，两省产量占全国总产量的54%，其次浙江、江西、福建、江苏和山东，产量为7%~10%。中国硬质合金企业众多，规模偏小，产业集中度不高，企业总数300多家，年产量超过2000吨的企业只有株硬和自硬两家公司，年产量超过100吨的企业不足50家。表1中国年产100吨以上硬质合金的主要生产企业序号企业名称年产量（吨）所在地1株洲硬质合金集团有限公司3475湖南株洲2自贡硬质合金有限责任公司2175四川自贡-4-3株洲长江硬质合金工具有限公司935湖南株洲4浙江天石粉末冶金有限公司828浙江乐清5厦门金鹭特种合金有限公司807福建厦门6济南市冶金科学研究所704山东济南7崇义章源钨业股份有限公司535江西赣州8河北六隆硬质合金集团有限公司506河北清河9苏州江钻新锐硬质合金有限公司423江苏苏州10南昌硬质合金有限责任公司373江西南昌11株洲精诚实业有限责任公司310湖南株洲12浙江晶鑫合金有限公司300浙江乐清13河源富马硬质合金股份有限公司263广东河源14深圳金洲精工科技股份有限公司231广东深圳15长沙中南凯大粉末冶金有限公司176湖南长沙16长沙华信合金机电有限公司175湖南长沙17无锡恒丰硬质合金制品有限公司171江苏无锡18龙岩永发粉末冶金有限公司147福建龙岩19临朐县卧龙硬质合金有限公司142山东临朐20宝来德硬质合金（无锡）有限公司117江苏无锡21烟台开发区东星工业有限公司117山东烟台22台州三鑫硬质合金有限公司117浙江台州23清河县金龙工贸有限公司金刚硬质合金厂110河北清河24湖南世纪特种合金有限公司110湖南衡阳中国硬质合金企业的另一个特点是国有、民营、外商独资、中外合资合作等多种经济形式并存。近几年民营企业不断崛起，外资企业在中国的投资建成也逐渐增多，全球五大硬质合金刀片、工具及工程机械公司纷纷在中国落户。美国肯纳金属公司分别在上海浦东和天津开发区投资建厂，生产硬质合金刀片、钴头、-5-刀柄等；以色列伊斯卡金属切削集团在大连开发区独资建设集研发设计、生产制造于一体的经营机构——IMC国际金属切削大连有限公司，主要从事硬质合金刀具和相关产品的设计、开发及制造；山特维克集团分别在河北廊坊和上海嘉定设立工厂；意大利SAMP公司和上海工具厂有限公司合资在嘉定建厂；日本株式会社泰珂洛成立泰珂洛超硬工具（上海）有限公司合泰珂洛超硬工具（上海）有限公司天津分公司。随着硬质合金工业体系的不断完善，中国逐步形成了企业、科研院所和高校相结合的多层次研究体系。企业建立了技术研发中心，国际研究机构设立了专门的粉末冶金或硬质合金研究室，高等院校设立了硬质合金材料、粉末冶金学科和重点实验室。迄今为止，中国从事硬质合金和粉末冶金新工艺、新设备、新产品研发、人才培养的高等院校和科研院所30余家，国家级企业研发中心及省级企业技术中心等20余个。表2中国主要硬质合金、粉末冶金科研院所及企业技术中心序号企业名称所在地1中南大学粉末冶金国家重点实验室长沙2北京钢铁研究总院北京3北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所北京4北京工业大学教育部新型功能材料重点实验室北京5北京科技大学材料科学与工程学院粉末冶金研究所北京6广州有色金属研究院广州7西北有色金属研究院西安8上海材料研究所上海9核工业第八研究所上海10上海有色金属研究所上海11厦门钨业股份有限公司国家钨材料工程技术研究中心厦门12株洲硬质合金集团有限公司国家级技术中心株洲-6-13江西稀有稀土金属钨业集团有限公司省级技术中心南昌14自贡硬质合金有限责任公司研发中心自贡15崇义章源钨业股份有限公司研发中心赣州16深圳金洲精工科技股份有限公司研发中心深圳17南昌硬质合金有限责任公司省级技术中心南昌1.2中国硬质合金生产能力和实际产量进入21世纪，中国硬质合金工业快速发展，硬质合金及半成品的生产能力和实际产量保持持续增长。表3中国硬质合金及半成品生产能力和实际产量（吨）年份硬质合金APT（仲钨酸铵）钨粉产能产量产能产量产能产量2000900081808500031100290003800200528400144731310005476253600220812006307001496714650051800546002060020073390816500162000549005760021900200834900165001800005290061600241001.3硬质合金主要原料供应钨是生产硬质合金不可或缺的主要原料，硬质合金消耗钨大致占全国总消耗的51%。此外，合金钢占钨消耗30%，金属钨加工产品占13%，化工及其它占6%。中国钨资源丰富，据国土资源部信息中心统计，截止2007年底，中国钨基础储量占全球的48.91%，居世界第一，为中国发展硬质合金提供了重要的资源基础。金属钴也是硬质合金生产的主要原料之一，中国硬质合金企业每年消耗钴超过1500吨。而中国钴资源匮乏，主要产地在甘肃金川，加上每年回收钴2000吨，中国年产金属钴约为4000吨。国产钴除了其它行业应用外，远不能满足硬质合金生产的需要。因此中国每年要从南美和非洲进口钴精矿（折合金属量）1000吨以-7-上。硬质合金所需的镍、钽、铌、钛等原料国内基本可以配套供应。1.4硬质合金品种及规格型号按应用范畴分，中国硬质合金品种主要有切削刀具、凿岩和工程工具、耐磨零件三大类。其中切削工具占31%，凿岩和工程工具占30%，耐磨零件占39%。按成分分，中国硬质合金主要有钨钴类、钨钴钛类、钨钴钛钽铌类、钢结合金类等。按几何形状分，规格型号有3万多个，单重最小的在0.5g以下，最重的可达200多kg，尺寸最小的印刷板微钻可加工到直径小于0.1mm，最大的密封环直径超过500mm，最长的硬质合金棒可达1300mm。1.5硬质合金产值利税及出口创汇中国硬质合金产量高，但产品附加值和技术含量不高。尽管产量居世界第一，但产值利税并不可观。中国硬质合金除了满足国内需求，还有一定数量出口量，近年来呈上升趋势。表4中国硬质合金行业产值利税及出口创汇年份产值/万元利税/万元出口量/吨创汇/万美元200463313352262.824477835200590675298123.712706115532006111279879730.330451250820071338021110171.3370518788200812758331133053925227992、碳化钛基金属陶瓷碳化钛（TiC）具有高熔点、高硬度和高弹性模量，良好的抗热震性和化学稳定性，高温抗氧化性能仅低于碳化硅，碳化钛是硬质合金的重要原料，因此在结构材料中作为硬质相而被广泛用作制作耐磨材料、切削刀具材料、机械零件等，-8-还可制作熔炼锡、铅、镉、锌等金属的坩埚，透明碳化钛陶瓷是优良的光学材料。碳化钛优良的耐热冲击性能，使它适合于在中性或还原性气氛中用作特殊的耐火材料。碳化钛基金属陶瓷，是一种由金属或合金同碳化钛陶瓷相所组成的非均质的复合材料，它既保持有陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又有较好的金属韧性，正是由于这些优良的物理化学性能使得碳化钛基金属陶瓷备受关注。2.1切削加工领域的应用金属陶瓷刀具都具有高的硬度、红硬性和耐磨性、在高速切削和干切削时表现出优异的切削性能。新型碳化钛基金属陶瓷是近年来发展较快的一种刀具材料，其综合机械性能高，在相同的切削条件下，碳化钛基金属陶瓷刀具的耐磨性远远高于普通硬质合金。2.2航天航空工业方面的应用从20世纪50年代开始，人们就开始了TiC-Ni系金属陶瓷在喷气发动机的叶片用高温材料的研究，发现TiC-Ni系金属陶瓷具有优良的高温力学性能和比重低的特点。但是，在烧结时由于镍不能完全润湿TiC，发生TiC颗粒聚集长大，导致材料的韧性很差，结果未达到作耐热材料使用的目的。TiC本身具有高硬度、高熔点、低比重、好的热稳定性，而金属铜具有优异的导电、导热性能和良好的塑性，有TiC和金属铜组成的TiC/Cu复合材料综合了两者的有异性，具有作为导电、导热材料、耐磨材料及火箭喉衬用材料的应用价值。铁-镍作为粘结相的碳