碳化物基金属陶瓷

碳可以生成各种不同的化合物，常用的碳化物有WC、TiC、Cr3C2、B4C、SiC等。碳化物可用于制造具有独特性能的金属陶瓷。碳化物基金属陶瓷是一种广泛应用的金属陶瓷，1923年，WC基金属陶瓷开始出现，习惯上称WC-Co为硬质合金；20世纪50年代出现了TiC基金属陶瓷，常用种类有TiC-Co、TiC-Ni、TiC-Cr等；20世纪60年代初期，中国开始研制和生产碳化物基金属陶瓷，主要是TiC和WC基两大类。

WC基金属陶瓷WC是一种难熔金属碳化物，熔点为2630℃，硬度高，特别是热硬度最高，它能很好地被Co、Ni、Fe等金属熔体润湿，钴溶体对WC的润湿性最好。具有良好的热强性、红硬性和耐磨性。但是抗氧化能力差，在500~800℃空气中严重氧化，在氧化性气氛中受强热易分解为W2C和C，即所谓的失碳。WC在Ar气氛中加热至2850℃仍然稳定，在高温氮气中亦不受影响。不溶于酸，耐蚀性优良，但容易溶于氟化物。

WC基金属陶瓷是碳化物基金属陶瓷中研究最多、应用最广泛的一类金属陶瓷。迄今为止，能保证材料高力学性能的最好的结构组合和原子间相互作用的古典事例，仍然是WC-Co金属陶瓷。因为它们在20℃时相组元的结构参数相近，并且Co的变态是通过孪生法从面心立方晶格转变到六方晶格。这种转变是由Co排列缺陷的低能量引发的，在Co内产生强烈的位错分裂，从而保证高的屈服极限。1

TiC基金属陶瓷以TiC为基的金属陶瓷国内外研究得相当成熟，其应用很广泛。TiC陶瓷熔点高，具有很高的常温硬度，是常温下使用耐磨性较好的材料。但由于Ti原子和O的亲和力大于C原子对O的亲和力，Ti原子在高温氧化性气氛中能生成致密的结合牢固的TiO2薄膜，因而有很好的抗高温氧化能力，仅次于Cr3C2。TiC与Co、Ni、Fe等金属溶体的润湿性不好，在这些金属中溶解度亦小，因此，很难获得TiC弥散在Co、Ni、Fe金属基相中的耐磨涂层。但TiC能与钢结硬质合金的铁合金成分结合，制成具有重要用途的钢结硬质合金，其最大的特点是退火状态硬度低，易加工成形，然后通过淬火使其硬化，获得高耐磨制件。TiC 陶瓷可与WC陶瓷生成复合碳化物(WTiC2)，具有TiC和WC的综合性能。2

TiC-Cu金属陶瓷TiC具有高硬度、高熔点、好的热稳定性，金属Cu具有优异的导电、导热性能和良好的塑性。由TiC和金属Cu组成的TiC-Cu复合材料综合了两者的优异性能，具有作为导电、导热、耐磨及火箭喉衬用材料的应用价值。1

TiC-Ni金属陶瓷TiC-Ni金属陶瓷问世于1929年，最初是作为WC-Co合金的代用材料，主要用做切削刀具，但是由于金属Ni不能完全润湿TiC，导致早期的产品脆性较大，因而使其应用受到极大的限制。20世纪50年代，为了研制喷气发动机的叶片用高温材料，人们发现TiC-Ni系金属陶瓷具有优良的高温力学性能和密度小的特点，但是由于这种材料的韧性太差，最终未达到耐热材料应用的地步。1956 年，美国福特汽车公司的研究人员发现TiC-Ni基金属陶瓷中添加Mo可以显著地改善Ni对TiC的润湿性，从而细化晶粒，使合金的强度大大提高。从20世纪六七十年代起，更多学者积极从事TiC-Ni金属陶瓷的研究。2

Cr3C2基金属陶瓷与传统的WC-Co、TiC 基金属陶瓷相比，Cr3C2基金属陶瓷具有一系列优越的特性：

①抗腐蚀性能高，在酸、碱、海水、石油工业以及其他腐蚀介质中都具有优良的抗腐蚀性能；

②抗氧化性能好，在1000℃加热2h不发生任何变化，抛光后的合金试样在1100℃下保持24h表面不生成氧化皮；

③耐磨性能优异，由于含有硬质的Cr3C2骨架相，Cr3C2基金属陶瓷材料的室温硬度为HRA88以上，与碳化钨系金属陶瓷材料YG8的硬度及耐磨性能相当；

④高温硬度高，在1100℃下其硬度( HV)大于2000MPa；

⑤膨胀系数高于其他金属陶瓷材料而与钢相近，因而特别适于制造各种耐磨的精密量具、刃具和高温模具；

⑥密度低，仅为碳化钨系金属陶瓷的50%左右。2

本词条内容贡献者为:

侯传涛 - 副教授 - 青岛大学