金属陶瓷

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

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。

（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

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、