第二章耐磨耐高温材料Word文档格式.docx

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经常使用的SiC磨料有两种不同的晶体,一种是绿SiC,含SiC97%以上,要紧用于磨硬质合金的工具;

另一种是黑SiC,有金属光泽,含SiC95%以上,强度比绿SiC大,但硬度较低,要紧用于磨铸铁和非金属材料。

二、氮化硼（BN）

BN是白色耐高温的物质,不溶于水,能够由

熔融

B2O3+NH4Cl--------BN+HCl+H2O

也可B在NH3中燃烧而制得,BN有两种晶体结构,一种与金刚石相似,另一种与石墨相似,这是由于（BN）n与单质碳（C2）n是等电子体,因这人们依照许多感性知识总结出一条体会规律:

具有相同电子数（全数电子数或价电子数）和相同原子数（H，He，Li除外）的分子或离子，它们的电子式和原子的排列方式相似，性质也相似。

这条规律叫做等电子原理。

由于B比C少一个电子，而N比C多一个电子，BN与单质碳电子数和原子数都相等，应该有相似的晶体结构。

通常制得的BN是石墨型的，俗称白色石墨，它是比石墨更耐高温的固体润滑剂。

和石墨转变成金刚石的原理相似，石墨型BN在高温（1800℃）、高压（800Mpa）下可转变成金刚石型BN。

这种BN中B-N键长（nm）与金刚石中C-C键长（nm）相似，密度也和金刚石相近，它的硬度和金刚石八两半斤，而耐热性比金刚石好，因此是新型耐高温的超硬材料，用来制作钻头，磨具和切割工具。

三、刚玉

刚玉是自然界中以结晶状态存在的氧化铝，它的硬度很高，仅次于金刚石和金刚砂。

人工高温烧结的氧化铝称为人造刚玉。

刚玉也是经常使用的磨料，其抗弯强度较大，韧性较好，但硬度较低，适用于磨削抗张强度大和有韧性的材料如碳钢、合金刚等。

刚玉中含有少量其他氧化物质，能呈现不同的颜色。

例如，含有少量的Cr2O3时，形成红宝石，含有少量铁和钛的氧化物时，取得蓝宝石。

此刻能够用人工方式合成各类宝石，人造宝石经常使用作机械、仪表中轴承和腕表中的钻石。

四、硬质合金

第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族金属和C、N、B等形成的化合物，硬度和熔点等专门高，统称为硬质合金。

下面以碳化物为重点来讲明硬质合金的结构、特性和应用。

碳与电负性比碳小的元素形成的二元化合物，除碳氢化合物外，都叫做碳化物。

碳化物有三种类型：

一类是碳和活泼金属形成的碳化物，例如CaC2是离子型碳化物，能和水或稀酸作用，生成碳氢化合物。

CaC2+2H2O=C2H2+Ca（OH）2

CaC2+2HCl=C2H2+CaCl2

第二类是碳和非金属元素硅或硼形成的碳化物，它们是共价型碳化物，在固态时属于原子晶体。

第三类是碳和第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族金属形成的金属型碳化物。

这些过渡金属电负性只是小，不能与碳以离子键或共价键形成结合，但碳原子半径小，可溶于这些过渡金属形成间充固溶体。

在适宜条件下，当碳含量超过溶解度极限时，可显现一种突变，形成间充化合物，使原金属晶格转变成另一种形式的金属晶格，如Fe3C、WC等。

这种金属型碳化物的一起特点是具有金属光泽，能导电传热，硬度大，熔点高，但脆性也大。

从几何学方面考虑，要形成简单结构的间充化合物，间充原子和金属原子的半径比必需小于。

C的原子半径为nm。

金属原子的半径应大于nm。

Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W等都大于nm，其碳化物的晶体结构与原金属相似。

Cr、Mn、Fe、Co、Ni等原子半径小于nm，晶格中间隙较小，形成碳化物时，使金属晶格发生较显著的转变，形成复杂结构的间充化合物。

这些碳化物的化学键在不同程度上表现出向离子键过渡，因此具有一些接近离子型碳化物的性质。

例如，Fe3C的硬度和熔点要低于TiC、WC等，化学稳固性也较差，和稀酸作用生成CH4和H2。

Fe3C+6HCl

=3FeCl2+CH4+H2

与离子型化合物或共价形化合物不同，间充化合物的化学式是不符合正常化合价规那么的，间充化合物本身还能溶解其它的组成元素而形成以间充化合物为溶剂的固溶体，其成份能够在必然范围内转变。

同一周期的过渡元素，由第Ⅳ副族开始，从左至右形成的碳化物稳固性依次降低。

例如，第4周期元素中，Ti、V能形成很稳固的碳化物,Cr、Mn、Fe的碳化物稳固性较差，Co、Ni的碳化物就不大稳固，Cu那么不能形成碳化物。

这是因为形成金属碳化物的实质是碳原子的价电子进入过渡元素次外层d亚层的空轨道上，金属原子次外层d亚层上电子数越少（d亚层的空轨道越多）该金属和碳结合力就越强，这种碳化物的稳固性也就越高。

从原子结构来看，同周期中由第Ⅳ副族开始，从左至右，次外层d亚层的电子数慢慢增加，形成的碳化物稳固性便依次降低。

金属型碳化物是许多合金钢中的重要组成部份，对合金钢的性能有较大阻碍。

例如，一样工具钢当温度达到300℃以上时，硬度显著降低，使切割进程不能进行；

但含W18%，Cr4%，V1%的高速钢制成的刀具有较高的红硬性，当温度接近600℃时，仍能维持足够的硬度和耐磨性，因此可在较高的切割速度下进行切割，并提高了刀具的寿命。

这主若是由于高速钢中含有大量W、Cr、V的碳化物。

碳化钛具有高熔点，高硬度，抗高温氧化，密度小和价廉等优势，是一种超级重要的金属型碳化物，并取得了普遍的应用。

除碳原子外，周期表中与碳相邻的氮N原子和硼B原子也能进入金属晶格的间隙中形成间充型碳化物相似的性质：

能导电、传热、熔点高、硬度大。

由于N原子半径（nm）比C原子半径（nm）还略小些，不仅Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W等能和N形成晶体结构与原金属相似的间充化合物，确实是Cr、Mn、Fe、Co、Ni也能和N形成晶体结构与原金属相似的间充化合物，但Mn、Fe、Co、Ni等氮化物的晶格已发生某种程度的变形。

渗氮

B原子半径（nm）比C原子半径略大，因此硼化物的晶体结构就比较复杂。

经常使用的硬质合金可分为两大类：

一类是钨钴硬质合金：

例如，YG6是含WC94%，Co6%的硬质合金，其中Co起粘合剂的作用，钴含量越高，韧性越好，能抗冲击，但硬度和耐热性降低。

另一类是钨钴钛硬质合金：

例如YT14是含WC78%、TiC14%、Co8%的硬质合金，加入Ti能提高合金的红硬性，在1000～1100℃时还能维持其硬度。

硬质合金刀具的切削速度可比高速钢刀具提高4～7倍，因此硬质合金是制造高速切削和钻探等工具要紧部份的优良材料。

钢铁制件在化学热处置进程中，使碳、氮或硼等渗入低碳钢的表面，能在钢的表层生成具有高硬度和耐磨性的碳化物，氮化物或硼化物，而钢的内部仍维持塑性和韧性。

最近几年来制成一种新型工具材料--钢结硬质合金。

它是以TiC、WC等碳化物为硬质材料，用铬钼钢或高速钢作“粘合剂”而制成的。

它兼有硬质合金和钢的性能，既有一样合金钢的可加工、热处置、焊接的性能，又有硬质合金的高硬度、高耐磨性等优势，克服了工具钢不耐磨和硬质合金难加工的缺点，而且本钱较低，是很有进展前途的材料。

另外，通过气相沉积的方式在合金钢表面涂一薄层耐磨的TiC或TiN涂层以形成涂层硬质合金，它也兼有硬质合金和钢的性能。

第二节耐高温材料

一、耐热合金

耐热合金用作各类热机和化工装置的高温部件，是提高这种机械性能和效率不可缺少的材料。

耐热合金应具有以下的性能：

1、在高温条件下，仍有较好的机械性能。

2、组织的稳固性：

在高温条件下，可不能由于相变而引发韧性或断裂强度降低。

3、耐高温侵蚀、高温时能抗击周围介质中氧气、硫和其他杂质的侵蚀。

第Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ副族元素是高熔点金属。

因为这些元素原子中未成对的价电子数很多，在金属晶体中形成了顽强的化学键，而且它的原子半径较小，晶格结点上粒子间的距离短，彼此作使劲大，因此熔点高，硬度大。

耐热合金主若是Ⅴ～Ⅶ副族元素和第Ⅷ族元素形成的合金。

按化学成份可分为铁基合金、镍基合金、钴基合金和铬基合金等几种类型。

耐热合金钢是以铁为要紧成份的铁基合金，耐热合金钢中含有必然量铬，因为铬易形成具有爱惜性的氧化物，可提高钢的抗氧化性和耐侵蚀性。

一样随着铬含量的增多，耐热钢的耐高温侵蚀性相应提高。

耐热钢中加入适量的Mo（～%）,对增加蠕变强度是很有效的。

最近几年来,随着科学技术和工农业生产的进展,对耐热合金的要求愈来愈高,希望提高利用温度,延长在高温下利用的时刻,并减轻质量,因此慢慢从镍铁基合金代替铁基合金。

镍铁基合金含有Ni25～60%和Fe15～60%，还含有Cr、Mo、W、Ti、Nb等元素，增加了高温强度。

在大多数镍铁基耐热合金中，Ni和Fe含量必需维持适当比例，这会阻碍合金的本钱和有效的利用温度范围。

一样来讲，Ni含量高那么利用温度高，稳固性也取得改善，但本钱较高。

二、耐火材料

耐火材料是指能耐1580℃以上的高温，并在高温下能耐气体，熔融金属，熔融炉渣等物质侵蚀，而且有必然机械强度的无机非金属材料。

耐火度是材料受热软化时的温度，它是耐火材料的重要性能之一。

经常使用的耐火材料是一些高熔点的氧化物、碳化物和氮化物。

按耐火度的高低，可分为：

一般耐火材料耐火度为1580～1770℃

高级耐火材料1770～2000℃

特级耐火材料>

2000℃

按化学性质可分为：

酸性耐火材料、碱性耐火材料和中性耐火材料，另外还有碳质耐火材料。

1、酸性耐火材料:

要紧成份是一些高熔点的酸性氧化物。

例如SiO2（mp1610℃）能耐酸性物质的侵蚀,但在高温下易和碱性氧化物,熔融的碱或Na2CO3发生发应而受到侵蚀。

SiO2+CaO=CaSiO3

SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

SiO2+Na2CO3=Na2SiO3+CO2↑

经常使用的酸性耐火材料有

硅酸SiO2>

93%耐火度1670～1710℃

半硅酸SiO2>

65%Al2O320～30%1650～1710℃

粘土砖SiO250～60%弱酸性1650～1710℃

Al2O330～48%

2、碱性耐火材料，要紧成份是一些高熔点的碱性氧化物。

例如MgO（mp2802℃）,CaO（mp2587℃）能耐碱性物质的侵蚀，但在高温下易受酸性物质的侵蚀：

MgO+SiO2=MgSiO3

CaO+SiO2=CaSiO3

经常使用的碱性耐火材料有

镁砖MgO>

87%（镁砂）耐火度2000℃

铬镁砖MgO>

30-70%Cr2O3>

10-30%

3、中性耐火材料：

要紧成份是Al2O3（mp2027℃），Cr2O3（mp2265℃）等两性氧化物，它们在高温条件下显得十分稳固，既不易和酸性氧化物作用，也不易和碱性氧化物作用，因此抗酸碱侵蚀的性能较好。

经常使用的中性耐火材料有高铝砖Al2O3>

48%1750-1790℃

刚玉砖Al2O3>

48%1840-1850℃价钱较贵

Si3N4

4、碳质耐火材料，要紧成份为石墨，碳化硅等。

SiC硅>

2000℃中性用作小电炉的盖子

石墨砖，中性>

3500℃在高温下抗氧化性能较差

高熔点氧化物的绝热性良好，很多保温材料（绝热材料）的要紧成份确实是MgO，Al2O3、SiO2等氧化物。

例如，硅藻土（非晶体SiO2）、石棉（要紧成份为CaO、3MgO、4SiO2）等，这些材料密度较小，内部有很多小气孔，易吸附空气，是专门好的绝热体。

另外，耐火混凝土也是经常使用的一种耐火材料，它是用必然量的粒状耐火材料加入胶粘物质（如水玻璃、粘土、磷酸等）和水配成的混合物，由于具有很强的粘合性，且在高温下可烧结成致密、牢固的硬块，经常使用作砌炉时的粘合剂。

三、金属陶瓷

有一种陶瓷刀具是用微细的Al2O3和10%粘合剂的混合物在不活泼气氛（如稀有气体、N2等不易与其他物质发生化学作用的气体）中，于高温下烧结制成的。

它的优势是高温硬度较高，到1100℃时仍维持高硬度。

其抗弯程度在低温下虽较差，但随温度升高抗弯强度降低较少，因此对高速切削很有利。

最近几年来随着火箭、人造卫星及原子能等尖端技术的进展，对耐高温材料提出了新的要求，希望能在高温时有很高的硬度、强度，经得起猛烈的机械震动和温度转变，又有耐氧化侵蚀、高绝缘等性能。

不管高熔点金属或陶瓷都很难同时知足这些要求。

金属易导电，传热，在高温时易氧化；

陶瓷强度，韧性较差，在机械震动下脆裂，金属陶瓷是陶瓷相和粘结金属相所组成的非均质的复合材料。

陶瓷相是Al2O3，ZrO2等耐高温氧化物，有时采纳几种固熔体；

粘结金属相是某些耐高温金属如Cr、Mo、W、Ti等。

将他们研细，混合均匀，加工成型后在不活泼气氛中再烧结，就制得金属陶瓷。

它兼有金属和陶瓷的优势，密度较小，硬度较大，耐磨，导热性较好，可不能由于骤冷骤热而脆裂。

另外，在金属表面加涂一层气密性专门好的陶瓷涂层，也能避免金属或合金在高温下氧化或侵蚀，涂层的成份主若是ZrO2、TiO2、Al2O3、SiO2等。

火箭、导弹和超音速飞机的外壳、燃烧室和尾喷口等处的温度往往高达几千度，没有一种金属或合金能长期经受如此的高温，因此必需通过绝热的方法，使这些部位的金属部件维持较低的温度。

为此，利用熔点高，传热性小的陶瓷材料（如氧化铝、氧化锆和氧化镁），使之在金属表面上形成具有无数小孔的涂层，由于小孔内吸附空气，因此具有很高的绝热性能。

四、碳纤维

碳纤维是一种由碳元素组成的，结构象人造丝，合成纤维一样的纤维状材料，它是一种强度比钢大，密度比铝小的新颖材料。

碳纤维有很多宝贵的电学、热学和力学性能，在现代科学技术、现代工业和现代国防的进展中起着重要的作用。

碳纤维目前还不能直接从炭或石墨抽丝制造，它是将有机纤维（如尼龙、丙纶或人造棉等）放在惰性气体中，在维持原纤维形状的情形下烧制而成的。

有机化合物要紧有C、H、O、S、N等元素组成，在缺氧的情形下加热时，其中除C之外的元素都分解逸出，制得只含碳元素的材料，因此，合成纤维或人造纤维在隔间氧的条件下加热，就可转变成碳纤维。

碳纤维的种类很多，由于采纳的原料和制造工艺的不同，制得的碳纤维性能也不同。

按制造工艺，碳纤维可分为碳纤维和石墨纤维。

有机纤维在2000℃以下碳化而制得的纤维称碳纤维。

这种纤维由于处置温度较低，本钱较低，含碳量也较低，约为75-95%，晶体结构没有变成石墨型，属于无定形碳，因此称碳纤维。

有机纤维在2000℃以上的高温下碳化而制得的纤维称为石墨纤维，其含碳量很高，约为98-99%，晶体结构与石墨相似。

按性能的不同碳纤维还可分为一般碳纤维和高弹性模量、高强度碳纤维。

有机纤维在不加张力的情形下，碳化制得的是一般碳纤维。

这种纤维的制造本钱较低，可是强度和弹性模量不高，只能用于高温电路的保温材料及一样的防侵蚀材料。

有机纤维在受热进程中都要产生收缩，扰乱和破坏了纤维内部份子整齐有序的排列，如此制得的碳纤维弹性模量和强度都不高。

假设在制造进程中，一面加热，一面施加张力，使纤维不产生收缩，保证纤维内部份子趋向于整齐有序的排列，如此制得的碳纤维弹性模量和强度都很高，称为高弹性模量、高强度碳纤维。

制造进程中的温度越高，生成的碳纤维弹性模量也越高。

弹性模量是表示材料受力后产生变形大小的一个力学性能指标。

材料受力后产生的变形越大，说明它抗击变形的能力越差，弹性模量越低。

弹性模量越高的材料越能经受大的外力。

强度是表示在外力作用下，材料抗击断裂破坏能力大小的力学性能指标。

使材料断裂破坏时需要的力越大，强度就越高。

在现代工业技术应用中往往要求材料既牢固耐用又轻巧，如此就要考虑单位质量材料的弹性模量和强度。

把弹性模量和抗性强度别离除以密度所得的值称为比弹性模量和比强度。

碳纤维的比强度是钢铁的16倍，铝合金的12倍。

比弹性模量也较钢铁或铝合金大4-5倍。

由于碳纤维的比强度和比弹性模量专门高，因此要求减轻自重的物体如飞机、宇宙航行器，船舶等机械设备就有更大的意义。

碳纤维能耐低温，在-180℃的低温下，许多材料变得很脆。

乃至钢铁比室温时玻璃更易破碎，而石墨纤维材料却依旧柔顺。

碳纤维也耐高温，在3000-4000℃高温下，在没有氧气存在的情形下，性能依旧不变。

一样材料的强度随温度升高要大幅度降低，碳纤维材料是唯一的在高温下随温度升高而强度增大的材料。

碳纤维虽有很多优良性能，但也存在一些缺点，一个缺点确实是抗氧化性差，另一个缺点是在断裂破坏之前没有明显的征兆。

把碳纤维埋在磨到必然细度的硅粉中，在惰性气氛中加热到硅的熔点，表面就生成碳化硅涂层，碳化硅是高温下抗氧化性能最好的材料之一，如此可大大改善碳纤维的抗氧化性。

把高强度纤维材料和一些可塑性好，整体性强的基体材料结合在一路形成了复合材料。

经常使用的基体材料有金属、塑料、陶瓷、水泥等。

碳纤维和基体材料制成的复合材料中，碳纤维不仅起到钢骨水泥中钢筋那样的增强作用，而且因为碳纤维被基体材料包裹住，克服了高温下易被氧化的缺点，充分发挥了碳纤维的耐高温特性。

碳纳米管