金屬陶瓷

金屬陶瓷既保持了陶瓷的高強度、高硬度、耐磨損、耐高溫、抗氧化和化學穩定性等特性，又具有較好的金屬韌性和可塑性。由於“金屬陶瓷”和“硬質合金”兩個學科術語沒有明確的分界，所以具體材料也很難劃分界線，從材料的組成看，“硬質合金”應該歸入“金屬陶瓷”，IE.Campbell就將“硬質合金”歸入到“金屬陶瓷”。

WC-Co基金屬陶瓷作為研究最早的金屬陶瓷，由於具有很高的硬度（HRC80~92），極高的抗壓強度6000MPa（600kg.N/mm），已經應用於許多領域。但是由於W和Co資源短缺，促使了無鎢金屬陶瓷的研製與開發，迄今已歷經三代：第一代是“二戰”期間，德國以Ni粘結TiC生產金屬陶瓷；第二代是20世紀60年代美國福特汽車公司添加Mo到Ni粘結相中改善TiC和其他碳化物的潤濕性，從而提高材料的韌性；第三代金屬陶瓷則將氮化物引入合金的硬質相，改單一相為複合相。又通過添加Co相和其他元素改善了粘結相。金屬陶瓷研製的另一個新方向是硼化物基金屬陶瓷。由於硼化物陶瓷具有很高的硬度、熔點和優良的導電性，耐腐蝕性，從而使硼化物基金屬陶瓷成為最有發展前途的金屬陶瓷。

金屬陶瓷為了使陶瓷既可以耐高溫又不容易破碎，人們在製作陶瓷的粘土裡加了些金屬粉，因此製成了金屬陶瓷。金屬基金屬陶瓷是在金屬基體中加入氧化物細粉製得，又稱彌散增強材料。主要有燒結鋁（鋁-氧化鋁）、燒結鈹（鈹-氧化鈹）、TD鎳（鎳-氧化釷）等。由一種或幾種陶瓷相與金屬相或合金所組成的複合材料。廣義的金屬陶瓷還包括難熔化合物合金、硬質合金、金屬粘結的金剛石工具材料。金屬陶瓷中的陶瓷相是具有高熔點、高硬度的氧化物或難熔化合物，金屬相主要是過渡元素（鐵、鈷、鎳、鉻、鎢、鉬等）及其合金。

根據各組成相所佔百分比不同，金屬陶瓷分為以陶瓷為基質和以金屬為基質兩類。

金屬基金屬陶瓷通常具有高溫強度高、密度小、易加工、耐腐蝕、導熱性好等特點，因此常用於製造飛機和導彈的結構件、發動機活塞、化工機械零件等。陶瓷基金屬陶瓷主要可以細分為以下幾種類型：

1、氧化物基金屬陶瓷。以氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈹等為基體，與金屬鎢、鉻或鈷複合而成，具有耐高溫、抗化學腐蝕、導熱性好、機械強度高等特點，可用作導彈噴管襯套、熔煉金屬的坩堝和金屬切削刀具。

2、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、鉬等金屬複合而成，具有高硬度、高耐磨性、耐高溫等特點，用於製造切削刀具、高溫軸承、密封環、撿絲模套及透平葉片。

3、氮化物基金屬陶瓷。以氮化鈦、氮化硼、氮化硅和氮化鉭為基體，具有超硬性、抗熱振性和良好的高溫蠕變性，應用較少。

4、硼化物基金屬陶瓷。以硼化鈦、硼化鉭、硼化釩、硼化鉻、硼化鋯、硼化鎢、硼化鉬、硼化鈮、硼化鉿等為基體，與部分金屬材料複合而成。

5、硅化物基金屬陶瓷。以硅化錳、硅化鐵、硅化鈷、硅化鎳、硅化鈦、硅化鋯、硅化鈮、硅化釩、硅化鈮、硅化鉭、硅化鉬、硅化鎢、硅化鋇等為基體，與部分或微量金屬材料複合而成。其中硅化鉬金屬陶瓷在工業中得到廣泛地應用。

為了滿足電器對觸頭材料提出的各種複雜的，甚至是矛盾的要求，發展了金屬陶瓷材料。

它是兩相金屬的機械混合物，每相金屬各相保留原有的物理性能。兩相金屬中一相為難熔相，它的硬度高、熔點高，在高溫和衝擊作用下不變形，在電弧作用下不熔化，因此這相金屬在材料中起骨架作用。這類金屬有鎢、鉬、金屬氧化物等。另一相金屬為載流相，它主要起導電和導熱作用。這類金屬銀、銅等。載流相金屬熔點都比較低，在電弧高溫作用下熔成液體，保留在難熔相金屬骨架構成的空隙中，防止了熔化金屬的大量噴濺，使觸頭電磨損大大減小。以下介紹幾種常用的金屬陶瓷材料：

（1）銀-氧化鎘這種材料具有良好的耐電磨損、抗熔焊和接觸電阻低而穩定的特點。它被廣泛應用於中等功率的電器中。這種材料具有這些優良性能的原因是：

1）在電弧作用下氧化鎘分解，從固態升華成氣態（分解溫度約900℃），產生劇烈蒸發，起著吹弧作用，並清潔觸頭表面；

2）氧化鎘分解時吸收大量的熱，有利於電弧的冷卻與熄滅；

3）彌散的氧化鎘微粒能增加熔融材料的粘度，減少金屬的飛濺損耗；

4）鎘蒸汽一部分重新與氧結合形成固態氧化鎘，沉積在觸頭表面，阻止觸頭的焊接。

氧化鎘含量在12%~15%時可以得到最佳性能。如果在銀-氧化鎘中添加一些微量元素，例如硅、鋁、鈣等能進一步細化晶粒，提高耐電磨損性能。

（2）銀-鎢這種材料具有銀、鎢各自的優點。隨著鎢含量的增加，耐電弧磨損和抗熔焊性能提高，但導電性下降。低壓開關常用含鎢30%～40%的材料，高壓開關用含鎢60%～80%的材料。

銀-鎢的缺點是接觸電阻隨觸頭開閉次數的增加而增大，嚴重者可達到初始值的十倍以上，因在分斷過程中，觸頭表面會產生三氧化鎢（WO）或鎢酸銀（AgWO）膜，這種膜不導電，使接觸電阻劇增。

（3）銅-鎢這種材料性能與銀-鎢相似，但比銀-鎢更容易氧化，形成鎢酸銅（CuWO）膜，使接觸電阻劇增。它不宜作空氣開關觸頭，但可以作油開關觸頭。

（4）銀-石墨它的導電性好，接觸電阻小，抗熔焊性能很好，缺點是電磨損大。一般石墨含量不超過5%。

（5）銀-鐵有好的導電、導熱、耐電磨損等性能，用於中、小電流接觸器中比純銀觸頭的電壽命成倍提高。主要缺點是在大氣中易生鏽斑。

金屬陶瓷兼有金屬和陶瓷的優點，它密度小、硬度高、耐磨、導熱性好，不會因為驟冷或驟熱而脆裂。另外，在金屬表面塗一層氣密性好、熔點高、傳熱性能很差的陶瓷塗層，也能防止金屬或合金在高溫下氧化或腐蝕。金屬陶瓷既具有金屬的韌性、高導熱性和良好的熱穩定性，又具有陶瓷的耐高溫、耐腐蝕和耐磨損等特性。金屬陶瓷廣泛地應用於火箭、導彈、超音速飛機的外殼、燃燒室的火焰噴口等地方。