如今，能源、信息、材料已成為人類現(xiàn)代文明進步的標志，而材料更是人類賴以生存和得以發(fā)展的重要物質基礎。繼金屬、陶瓷、高分子材料以后，金屬陶瓷材料正以其卓越的性能、繁多的品種和廣泛的用途進入各行各業(yè)。金屬陶瓷材料具有比強度高、比模量高、耐磨損、耐高溫等優(yōu)良性能，在眾多場合已被作為新材料的代名詞，成為現(xiàn)代高新技術、新興產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)工業(yè)技術改造的物質基礎，也是發(fā)展現(xiàn)代國防所不可缺少的重要部分，引起了世界各國的高度重視，把金屬陶瓷材料作為高技術發(fā)展的一個重要領域。

 圖1 金屬陶瓷刀具

   1. 金屬陶瓷的定義及特點

    金屬陶瓷是由陶瓷硬質相與金屬或合金粘結相組成的結構材料。從金屬陶瓷英文單詞Cermets來，是由Ceramic（陶瓷）和Metal（金屬）結合構成的。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(wěn)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，所以從材料組元劃分，“硬質合金”也歸于“金屬陶瓷”。

 金屬陶瓷的特點主要包括以下幾個方面：

    （1）金屬對陶瓷相的潤濕性好

    金屬與陶瓷顆粒間的潤濕能力是衡量金屬陶瓷組織結構與性能優(yōu)劣的主要條件之一。潤濕能力愈強，則金屬形成連續(xù)相的可能性愈大，金屬陶瓷的性能愈好。

    （2）金屬相與陶瓷相應無劇烈的化學反應

    金屬陶瓷制備時如果界面反應劇烈，形成化合物，就無法利用金屬相改善陶瓷抵抗機械沖擊和熱震的性能。

    （3）金屬相與陶瓷相的膨脹系數(shù)相差不會過大

    金屬陶瓷中的金屬相和陶瓷相的膨脹系數(shù)相差較大時，會造成較大的內應力，降低金屬陶瓷的熱穩(wěn)定性。

    2. 金屬陶瓷的制備方法

    金屬陶瓷材料的制備方法主要包括熱壓法、粉末燒結法及浸漬法，具體過程如下圖3所示。

    3. 金屬陶瓷的分類

    3.1 氧化物基金屬陶瓷

    氧化物基金屬陶瓷是以氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈹?shù)葹榛w，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。這里介紹一下Al2O3-Cr系金屬陶瓷。

    Cr與Al2O3之間的潤濕性并不好，但金屬鉻粉表面容易生成一層致密的Cr2O3，因此可通過形成Al2O3-Cr2O3固溶體來降低他們之間的界面能，改善潤濕性。為了使金屬鉻部分氧化，工藝上常采取的措施有：燒結氣氛中引入微量的水汽或氧氣、配料中使用一部分Al（OH）3代替氧化鋁、在配料中用一部分氧化鉻代替金屬鉻等。Al2O3-Cr金屬陶瓷所用原料是純度為99.5%的α-Al2O3和純度為99%的電解Cr粉，將Al2O3和Cr粉共同干磨或濕磨至必須的粒度組成，其可以用任何一種成型方法成型。

    圖4 金屬陶瓷熱電偶保護套

    3.2 碳化物基金屬陶瓷

    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。這里介紹一下碳化鈦（TiC）基金屬陶瓷。

    碳化鈦（TiC）具有高熔點、高硬度和高彈性模量以及良好的抗熱震性和化學穩(wěn)定性，且其高溫抗氧化性能僅低于碳化硅。碳化鈦是硬質合金的重要原料，因此在結構材料中作為硬質相而被廣泛用作制作耐磨材料、切削刀具材料、機械零件等碳化鈦基金屬陶瓷，是一種由金屬或合金同碳化鈦陶瓷相所組成的非均質的復合材料，它既保持有陶瓷的高強度、高硬度、耐磨損、耐高溫、抗氧化和化學穩(wěn)定性等特性，又有較好的金屬韌性，正是由于這些優(yōu)良的物理化學性能使得碳化鈦基金屬陶瓷備受關注。

    圖5 氮化鈦基金屬陶瓷鋼結硬質合金棒

    3.3 碳氮化鈦基金屬陶瓷

    1956年美國福特汽車公司發(fā)現(xiàn)在TiC-Ni基金屬陶瓷中加入Mo后，可以改善Ni對TiC的潤濕性，大大提高合金強度。1971年Kieffer等人發(fā)現(xiàn)在TiC-Mo-Ni系金屬陶瓷中添加TiN，不僅可顯著細化硬質相晶粒，改善金屬陶瓷的室溫和高溫力學性能，而且還可大幅度地提高金屬陶瓷的高溫耐腐蝕和抗氧化性能，因此國內外對碳氮化鈦基[Ti（C,N）]金屬陶瓷非常重視，進行了深入系統(tǒng)的研究。自20世紀80年代以來，Ti（C,N）基金屬陶瓷獲得了迅速的發(fā)展，世界各國硬質合金生產(chǎn)廠家先后推出了系列的Ti（C,N）基金屬陶瓷刀具。30多年來，隨著粉末冶金技術的發(fā)展，成分的演化趨于穩(wěn)定，燒結技術不斷更新，粉末粒徑不斷細化，Ti（C,N）基金屬陶瓷發(fā)展到一個比較成熟的階段。在日本，近年來Ti（C,N）基金屬陶瓷材料已占可轉位刀片的30%，我國在“八五”期間也研制了多種Ti（C,N）基金屬陶瓷刀具，而有部分上市產(chǎn)品，但性能欠穩(wěn)定。進入21世紀，諸多企業(yè)和科研院所加大了研究力度，取得了長足進步，但與國際先進水平仍有一定差距。

    圖6 Ti（C,N）基金屬陶瓷結構件

    3.4 三元硼化物金屬陶瓷

    硼化物陶瓷是間隙相化合物，硼和硼之間可形成多種復雜的共價鍵，同時，硼又與許多金屬原子可形成離子鍵，這一特點決定了硼化物具有高熔點、高硬度、高耐磨性和高抗腐蝕性能，因此被廣泛應用于硬質合金材料、耐磨材料、耐腐蝕材料及耐磨耐蝕的機械零件。在硼化物陶瓷材料中，TiB2、ZrB2和CrB2等二元硼化物因其性能優(yōu)異而被認為是*有希望得到廣泛應用的硼化物陶瓷，但由于TiB2等二元硼化物陶瓷和金屬基體容易發(fā)生強烈的化學反應，會導致燒結性能惡化。經(jīng)過多年研究，其實用化程度雖然在不斷提高，但是與普通的碳化物基硬質合金相比，這類硬質材料的強度及斷裂韌性值低，用作結構材料還存在很多問題。

    直到上世紀80年代，日本開發(fā)了一種稱為原位反應液相燒結三元硼化物的新型燒結工藝，成功地研制出了Mo2FeB2、Mo2NiB2、WCoB等三種三元硼化物基金屬陶瓷。其中以Mo2FeB2為陶瓷相的材料具有很好的耐磨性；以Mo2NiB2為陶瓷相的材料有很高的耐腐蝕性；以WCoB為陶瓷相的材料有很好的高溫性能。

    圖7 耐磨耐腐蝕金屬陶瓷管道

    我國在近幾年才開始研究三元硼化物金屬陶瓷，目前主要集中對結構、性能和制備的研究，在工業(yè)領域的實際應用方面的研究還有待進一步深入。目前存在的問題主要包括：

    （1）由于三元硼化物金屬陶瓷主要以鉬粉、硼鐵合金粉以及鎳粉、鉻粉為主要原料，生產(chǎn)成本高；

    （2）所制備的三元硼化物金屬陶瓷性能的可靠性和重現(xiàn)性差。

    4. 金屬陶瓷的應用

    （1）切削加工領域

    金屬陶瓷刀具都具有高的硬度、紅硬性和耐磨性、在高速切削和干切削時表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能，在相同的切削條件下，金屬陶瓷刀具的耐磨性遠遠高于普通硬質合金。

    （2）航天航空工業(yè)方面

    從20世紀50年代開始，人們就開始了TiC-Ni系金屬陶瓷在噴氣發(fā)動機的葉片用高溫材料的研究，但在燒結時由于鎳不能完全潤濕TiC，發(fā)生TiC顆粒聚集長大，導致材料的韌性很差，結果未達到作耐熱材料使用的目的。TiC本身具有高硬度、高熔點、低比重、好的熱穩(wěn)定性，而金屬銅具有優(yōu)異的導電、導熱性能和良好的塑性，有TiC和金屬銅組成的TiC/Cu復合材料綜合了兩者的優(yōu)異性，具有作為導電、導熱材料、耐磨材料及火箭喉襯用材料的應用價值。

    （3）其他方面的應用

    金屬陶瓷復合涂層能改變金屬基體外表面的外貌、結構和化學組成，并賦予基體新的性能。金屬陶瓷復合涂層既有金屬的強度和韌性，又有陶瓷的耐高溫等優(yōu)點，是一種優(yōu)異的復合材料，它已成功地應用航天、航空、國防、化工、機械、電力和電子等工業(yè)。

    內襯金屬陶瓷復合管具有比內襯陶瓷復合管更優(yōu)異的性能。用自蔓延高溫合成法離心鑄造合成內襯陶瓷，可以作為抗腐蝕管道用于石油或化工產(chǎn)物、半產(chǎn)物的運輸，也可作為抗磨管道用于礦山，選礦廠作礦漿運輸管道，還可用于多泥砂水的輸水管道等。