金屬陶瓷英文單詞cermet或ceramet是由ceramic(陶瓷)和metal(金屬)結合構成的。金屬陶瓷是一種復合材料,它的定義在不同時期略有不同,如,有的定義為由陶瓷和金屬組成的一種材料,或由粉末冶金方法制成的陶瓷與金屬的復合材料�！掇o�！范�義為:由金屬和陶瓷原料制成的材料,兼有金屬和陶瓷的某些優點,如前者的韌性和抗彎性,后者的耐高溫、高強度和抗氧化性能等。美國ASTM專業委員會定義為:一種由金屬或合金與一種或多種陶瓷相組成的非均質的復合材料,其中后者約占15%~85%體積分數,同時在制備的溫度下,金屬和陶瓷相之問的溶解度相當小。從狹義的角度定義的金屬陶瓷是指復合材料中金屬和陶瓷相在三維空間上都存在界面的一類材料。

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。由于"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,由于具有很高的硬度(HRC 80~92),極高的抗壓強度6000MPa (600kg.N/mm),已經應用于許多領域。但是由于W和Co資源短缺,促使了無鎢金屬陶瓷的研制與開發,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,改單一相為復合相。又通過添加Co相和其他元素改善了粘結相。金屬陶瓷研制的另一個新方向是硼化物基金屬陶瓷。由于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,人們在制作陶瓷的粘土里加了些金屬粉,因此制成了金屬陶瓷。金屬基金屬陶瓷是在金屬基體中加入氧化物細粉制得 ,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復合材料。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。

根據各組成相所占百分比不同,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,因此常用于制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、鉻或鈷復合而成,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、鉬等金屬復合而成,具有高硬度、高耐磨性、耐高溫等特點,用于制造切削刀具 、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,與部分金屬材料復合而成。

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復合而成。其中硅化鉬金屬陶瓷在工業中得到廣泛地應用。

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,在金屬表面涂一層氣密性好、熔點高、傳熱性能很差的陶瓷涂層,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于火箭、導彈、超音速飛機的外殼、燃燒室的火焰噴口等地方。

為了滿足電器對觸頭材料提出的各種復雜的,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,在高溫和沖擊作用下不變形,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。它被廣泛應用于中等功率的電器中。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,并清潔觸頭表面;

②氧化鎘分解時吸收大量的熱,有利于電弧的冷卻與熄滅;

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,組織觸頭的焊接。

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(WO3)或鎢酸銀(Ag2WO4)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(CuWO4)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,用于中、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銹斑。