金属陶瓷技术工艺发展分析

第一节 金属陶瓷基本生产技术、工艺或流程

金属陶瓷是由陶瓷和粘接金属组成的非均质的复合材料。陶瓷主要是氧化铝、氧化锆等耐高温氧化物或它们的固溶体，粘接金属主要是铬、钼、钨、钛等高熔点金属。将陶瓷和粘接金属研磨混合均匀，成型后在不活泼气氛中烧结，就可制得金属陶瓷。

制备金属陶瓷常见方法有粉末冶金法、浸渗法、粉末燃烧合成法以及原位扩散法等。很多情况下，为了获得结构致密的金属陶瓷，常需要将上述两种甚至多种方法结合起来。

1、固相烧结法

固相烧结是早期制备金属陶瓷的常用方法，烧结材料的孔隙率较高，后来发展了热压烧结和热等静压烧结使这种状况得到大大改善。由于传统的固相烧结工艺制备均质材料的周期长，所得烧结体的致密度低，该方法已逐渐被液相烧结和其他烧结方法所取代。

2、液相烧结法

液相烧结可以在较短的时间内使组织致密化，用这种方法制备金属陶瓷的周期短、成本低。

粉末燃烧合成以及近些年发展起来的放电等离子烧结都属于特殊的液相烧结工艺。采用这些工艺制备金属陶瓷时，烧结过程可以控制在很短的时间内完成，因而坯体的原始梯度结构能较完整地保存下来。

3、原位扩散法

碳和氮的含量对TiC、Ti(CN)基金属陶瓷的显微组织和性能具有显著影响，渗碳和渗氮以及它们的反过程——脱碳和脱氮均属于原位扩散过程，其中渗碳、渗氮已经被用来制备金属陶瓷；而脱氮、脱碳则常作为制备涂层材料的预处理步骤，其目的是提高基体表层的韧性，阻止裂纹向基体内部扩展。

4、浸渗法

在液相烧结制备金属陶瓷时，由于对流以及元素在液相中较快的扩散速率，梯度结构很容易因均匀化过程而消失。浸渗方法可以较好地解决这一问题，即先制取一具有多孔特征的难熔相预制块，随后将易熔相熔化后浸入该预制块，并填充满预制块的孔隙，形成致密体。通常需要将预制块进行预烧结，先获得一定的强度，以维持其自重以及抵抗在液相浸入时引起的收缩，防止由于液体内部扩散或对流运动使难熔相出现均匀化的倾。

在制备功能梯度TiC基金属陶瓷时，还有一种十分巧妙的方法：首先制备出孔隙率处处相同而碳含量呈梯度变化的TiCx预制块，随后将其浸入到Fe-.8%C合金液中，此时低碳区非化学计量比的TiCx与液相中的游离碳结合形成更稳定的TiC，使得这些区域的粘结相成分从奥氏体区逐渐向珠光体和铁素体区转变，对其进行淬火处理后，可以得到粘结相从铁素体向马氏体渐变的梯度材料。虽然这种方法所适用的材料范围较窄，却为用相变方法制备功能梯度材料提供了可能性。

第二节 金属陶瓷新技术研发、应用情况

1、超细金属陶瓷研究与应用情况

近年来，国内外制备超细金属陶瓷的研究取得了不少成果。

日本在金属陶瓷切削刀具的开发研制方面居世界领先地位，其金属陶瓷刀具占全部刀具生产量的30%。日本三菱公司报道了超细金属陶瓷的研发进展并推出了商品牌号NX2525和NX1010超细金属陶瓷。这两种超细金属陶瓷的典型特征是硬质相的平均晶粒度小于1μm，综合性能非常优异。

据分析，三菱公司NX2525和NX1010超细金属陶瓷的制备方法是：优质超细Ti(CN)粉或TiC+TiN粉+Ni、Co、Mo2C、TaC、NbC、WC细粉→湿磨→选粒→压制→气氛烧结→热等静压→成品。

2、金属陶瓷材料粉末冶金技术的新技术和新工艺及新装备

为适应硬质合金提高产品质量和增加产品品种的需要，在进一步改进与完善硬质合金的生产工艺与装备同时，也开发出新技术和新工艺及新装备。如高温自蔓延合成技术、等离子体制粉技术、流化床制粒技术、注射成形技术及其他的新型成形技术、等离子体烧结技术、微波烧结技术、各种新型化学和物理气相沉积技术及各种强化处理技术等。

第三节 金属陶瓷国外技术发展现状

粉末冶金技术是制取现代高技术材料的先进技术，在金属材料、金属陶瓷材料、陶瓷结构材料等领域中正得到越来越广泛的应用。

金属陶瓷材料粉末冶金技术主要包括金属陶瓷材料粉末冶金技术的超细硬质合金、特殊硬质相硬质合金、梯度功能硬质合金、硬质合金热处理、涂层硬质合金、新技术和新工艺及新装备，以及Ti(C，N)基金属陶瓷等内容。

1、金属陶瓷材料粉末冶金技术的超细硬质合金

为使整体硬质合金材料同时具有良好的韧性与耐磨性，目前主要进行超细直至纳米晶硬质合金材料的研究。细化晶粒的主要方法是添加限制晶粒长大的抑制剂。特别是控制小部分WC晶粒的疯长，它是裂纹源之一。

2、金属陶瓷材料粉末冶金技术的特殊硬质相硬质合金

金属陶瓷材料粉末冶金技术的特殊硬质相硬质合金主要包括盘状硬质相强化硬质合金与双峰结构硬质合金。盘状硬质相强化硬质合金是指将普通硬质合金中呈三棱柱体或多棱柱体的WC晶粒的底面(0001)面择优长大，从而转变为三角板状。

3、金属陶瓷材料粉末冶金技术的梯度功能硬质合金

为改善工具的切削性能，将梯度功能材料的功能设计概念引入硬质合金工具材料领域，以实现材料表面区域具有良好的耐磨性，内部具有良好的断裂韧性，梯度组成层内获得压缩残余应力。尽管涂层硬质合金作为兼具两种特性的材料，但因需要进行陶瓷涂层的特别工艺，存在着成本居高不下的问题。研究表面，这种新的材料具有比均匀组成的普通金属涂层高的耐磨性、断裂韧性和抗热裂纹性。

4、金属陶瓷材料粉末冶金技术的硬质合金热处理

硬质合金热处理由于使硬质合金制品整个体积内部发生结构与性能的变化，从而可提高合金的整体性能。研究表明，由于热处理明显改善了力学性能、耐磨性能和疲劳强度，从而使硬质合金的使用寿命大幅度提高。

5、金属陶瓷材料粉末冶金技术的涂层硬质合金

金属陶瓷材料粉末冶金技术的硬质合金制品表面涂覆——涂层技术是近年来发展起来的一项先进技术，是硬质合金领域中具有划时代意义的重要技术突破。硬质合金制品表面涂覆——涂层技术的出现为解决硬质合金耐磨性和韧性相互矛盾的问题提供了一条较为有效的途径。目前，提高涂层效果的研究与研制工作基本上沿着两个方向进行：一是完善制取耐磨涂层的设备与工艺方法；二是研制涂层的新成分，探索耐磨涂层的新材料。

6、金属陶瓷材料粉末冶金技术的Ti(C，N)基金属陶瓷

金属陶瓷材料粉末冶金技术的Ti(C，N)基金属陶瓷是在TiC基金属陶瓷基础上发展起来的，使得Ti(C，N)基金属陶瓷具有优良高温和耐磨性能、良好的韧性和强度的新型金属陶瓷。奥地利维也纳工业大学Kieffer发现TiN在TiC-Ni系材料中的显著作用后，才出现了TiC基金属陶瓷中引入TiN的报道。

第四节 金属陶瓷技术开发热点、难点分析

目前，金属陶瓷仍处于积极研究中，利用物质传输和物质(组成相)之间热力学性质的差异，已发展了多种制备金属陶瓷的方法，然而对梯度烧结过程、梯度结构的形成机理还没有系统、深入的认识，许多基础理论问题也未能得到解决。此外，在复杂外力作用下，梯度结构呈现出与均质材料截然不同的断裂特征和失效形式，为此也需要建立新的断裂机制和理论体系。

第五节 金属陶瓷未来技术发展趋势

金属陶瓷作为一种刀具材料，具有特定的性能，在用于精加工时具有许多优点。然而，金属陶瓷的韧性不够高和切削刃抗塑性变形的能力不够强，不适用于粗加工，也不适用于淬硬钢和冷硬铸铁等硬脆材料的加工。近年来，为了增加金属陶瓷材料的韧性，很多学者都进行了相关的研究，并取得了一定的成效，从而使金属陶瓷刀具的应用前景更加广阔。

通过细化金属陶瓷的晶粒度，金属陶瓷的使用性能将得到较大改善，获得性能更优异的金属陶瓷材料。纳米改性、纳米复合成功解决了晶粒的异常长大问题，纳米级粒子钉扎或进入位错区使基体晶粒内形成亚晶界，导致基体晶粒细化。纳米改性、纳米复合及超细晶粒陶瓷刀具材料的研究与开发将是今后刀具材料发展的主要方向。

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