【文章內(nèi)容簡介】 20世紀 50年代陶瓷刀具才真正達到實用化。我國也于20世紀 50年代末期開始了 Al2O3陶瓷刀具的研究，但是由于 Al2O3陶瓷的強度和韌性都較差，抗熱震性也不好，它的發(fā)展和應用受到了嚴重的限制。 20世紀 70年代人們研制成功了 Al2O3+TiO2系統(tǒng)復合陶瓷刀具，使 Al2O3陶瓷刀具走出了緩慢發(fā)展的低谷，成為解決超硬材冷加工的一種新型刀具材料。 ?20世紀 70年代初美國生產(chǎn)的多晶金剛石刀具和多晶立方氮化硼刀具開始投放市場，它們超群的硬度和耐磨性是其他刀具難以比擬的。但是由于人造金剛石和立方氮化硼的制造工藝復雜，價格昂貴，至今沒有廣泛地使用。 ?20世紀 80年代初清華大學用熱壓氮化硅陶瓷和英國 Lucas公司用 Sialon陶瓷（ Si3N4和 Al2O3的固溶體）制作刀具都取得良好的切削效果。由于 Si3N4陶瓷有較高的強度、硬度和斷裂韌性，又有較小的線膨脹系數(shù)，因而作為金屬切削刀具使用時，表現(xiàn)出很好的耐磨性、紅硬性、抗機械沖擊性和抗熱沖擊性。 ?20世紀 90年代以來，像納米顆粒和晶須增強陶瓷刀具、陶瓷涂層刀具、梯度功能陶瓷刀具、超硬刀具材料等都得到了快速的發(fā)展，促進了加工制造業(yè)的技術進步。 氮化硅陶瓷刀具 陶瓷涂層刀具 αAl2O3與 κAl2O3交替涂層的刀具 陶瓷刀具適用于加工以下多種材質(zhì)的產(chǎn)品：高錳鋼；高鉻、鎳、鉬合金鋼；冷硬鑄鐵 （ HS8090）； 各 類 淬 硬 鋼 （ HRC5565）； 各 類 鑄 鐵（ HB200400）等。 陶瓷刀具與傳統(tǒng)的高速鋼和硬質(zhì)合金刀具相比，具有更好的紅硬性和耐磨性；與超硬材料金剛石和 CBN相比，它具有更低的制造成本、更好的熱穩(wěn)定性和抗沖擊能力。因而，在先進制造技術的發(fā)展過程中起著如下方面的重要作用。 ? 它可以加工傳統(tǒng)刀具難以加工或根本不能加工的工件，以車代磨、以銑代磨，從而免除了退火軟化加工所消耗的大量電力，并可提高工件的硬度，延長機器設備的使用壽命。 ? 它可以保證在自動化加工中較長時間較穩(wěn)定的工作，保證工件的加工精度。 ? 它可以進行高速切削，加工效率可以提高幾倍甚至幾十倍，達到節(jié)約工時、能源和機床占用臺數(shù)的效果。 近 20多年來，世界各發(fā)達國家都很重視陶瓷刀具的應用和發(fā)展。 美、日、德等國家陶瓷刀具的應用已占刀具構(gòu)成比例的 5%~10%。 在我國，陶瓷刀具已在機械、冶金、礦山、汽車（齒輪、飛輪、軸、軸承等加工） 、拖拉機、軸承、泵（葉輪、渦殼、護板、護套等加工）、交通、能源、精密儀器、航空航天等 20多個行業(yè)的幾百家工廠推廣應用，解決了各行各業(yè)中高硬度難加工材料的切削加工，并能提高工作效率，大幅度地節(jié)約加工工時及電力，獲得了巨大的經(jīng)濟效益。 例如一汽、二汽等單位都用陶瓷刀具切削難加工材料，一汽在加工含硼和含磷的汽車缸套時，以實現(xiàn)了全部陶瓷刀具化，對提高工效和保證產(chǎn)品質(zhì)量起著重要作用。 陶瓷發(fā)動機 自從 19世紀后期德國的 Otto和 Diesel先后發(fā)明汽油機和柴油機以來，汽車發(fā)動機一直用金屬材料制造。金屬的導熱性好而耐熱、耐腐蝕性能差，在高溫下極易氧化、變形而導致破壞。因此，發(fā)動機的燃燒室（汽缸）必須用水或空氣冷卻，否則就會迅速被高溫燃氣燒壞而停止工作。這樣，進入發(fā)動機的燃料產(chǎn)生的人能，大約只有 1/3轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動車軸的有用功率，其余 1/3被冷卻劑帶走，另外 1/3隨廢氣排出。 100多年來，汽車發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和性能有了很大的改進和提高，有的已達到盡善盡美的境地，但是它的能量利用格局卻沒有根本性的突破。 為了提高發(fā)動機熱效率，減少能量損耗，這就需要取消或部分取消冷卻系統(tǒng)，使用耐高溫隔熱材料以減少燃燒室熱量的損失，使發(fā)動機在更高的工作溫度下工作。 然而，當發(fā)動機取消冷卻系統(tǒng)以后，燃燒室各部分壁溫會大大增加，而在傳統(tǒng)柴油機或燃氣輪機用的金屬零件中，鋁合金的耐熱極限為 350℃ ，鋼和鑄鐵的為 450℃ ，最好的超級耐熱合金的耐溫極限也不超過 1093℃ 。因此，金屬材料難以滿足上述苛刻條件的要求。 高性能結(jié)構(gòu)陶瓷材料由于其具有密度小、熱導率低、耐高溫、耐磨損以及耐腐蝕等特性，成為制造發(fā)動機的理想材料。發(fā)動機使用陶瓷材料有如下優(yōu)點： 提高發(fā)動機熱效率 發(fā)動機燃燒室采用陶瓷隔熱零件并取消冷卻系統(tǒng)后，會降低熱量損失，增加工作的循環(huán)平均溫度，從而使循環(huán)熱效率得到提高。 減少輔助功率消耗，發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡化 當燃燒室采用陶瓷隔熱技術后，可以部分取消或完全取消冷卻系統(tǒng)。使發(fā)動機不再需要水管、水泵、風扇、散熱器等一系列零部件，結(jié)構(gòu)上也可以取消水套。這樣，整機結(jié)構(gòu)簡化，質(zhì)量、體積減小，原來用于驅(qū)動水泵、風扇的輔助工作亦被取消，輸出功率增加。在使用上可擺脫冷卻系統(tǒng)故障所帶來的麻煩，并幾乎不受惡劣氣候的影響，其軍事用途尤為明顯。 適應多種燃料的燃燒 陶瓷發(fā)動機的燃燒室壁溫顯著升高，有利于燃料的蒸發(fā)、著火和燃燒。陶瓷材料抗化學腐蝕性強，可使用質(zhì)量較差的燃油。 降低發(fā)動機的噪聲，減少排氣污染 取消或部分取消冷卻系統(tǒng)，使風扇噪聲降低。另外，由于燃燒室燃燒溫度高（最高 1370℃ ），燃燒完全，可減少對環(huán)境的污染。 減輕質(zhì)量 陶瓷材料比金屬輕 60%左右，可減輕發(fā)動機的質(zhì)量。 資源豐富 陶瓷材料資源豐富，可減少對 Co、 Ni、 Cr等戰(zhàn)略物資的依賴。 早在 20世紀 40年代，就有人用陶瓷取代金屬制造發(fā)動機燃燒室部件進行實驗，這類研究到 20世紀 50年代末形成熱潮，但限于當時的歷史條件和技術水平，沒有取得成功。 20世紀 70年代，世界石油危機，節(jié)能問題使得利用陶瓷材料制作發(fā)動機部件的研究再次引起人們重視。另一方面，人們環(huán)境保護意識的增強，也加速了陶瓷發(fā)動機的研究進程。自從美國 Cummins公司提出陶瓷隔熱渦輪復合發(fā)動機（陶瓷絕熱發(fā)動機）的設想受到美國軍方和能源部的支持之后，在世界范圍內(nèi)掀起了陶瓷發(fā)動機研究的熱潮。經(jīng)過近 30年的努力，陶瓷發(fā)動機的研究取得了令人矚目的成就。 貝殼與陶瓷發(fā)動機的故事 英國帝國化學工業(yè)公司的威廉 克萊格博士 貝殼 — 堅硬，很不容易摔破 — 原理？ 貝殼由許多層狀的碳酸鈣組成的，但在每層碳酸鈣中間夾著一層有機質(zhì)，把層層碳酸鈣粘在一起。 把碳化硅燒結(jié)成薄薄的陶瓷片，然后在每片碳化硅陶瓷上涂上石墨層，再把涂上石墨層的碳化硅陶瓷一層層疊起來加熱擠壓，使堅硬的碳化硅陶瓷粘在石墨層上，石墨和貝殼中的有機質(zhì)一樣，起黏結(jié)劑作用，而且粘得很牢固。在正常情況下能把所有的碳化硅層緊緊粘在一起，只是在遇到?jīng)_擊力產(chǎn)生裂紋時才分開。但這種沖擊力也只能使表面的幾層脫掉，而在表面很薄的幾層脫掉時就已把大部分沖擊能量吸收掉了，避免了使整個零件碎裂。 貝殼與陶瓷發(fā)動機的故事 折斷這種涂有石墨層的碳化硅陶瓷，所花的力比折斷沒有石墨結(jié)合的整塊碳化硅陶瓷所花的力約大 100倍。涂石墨的碳化硅陶瓷不僅成本低，而且熔點極高，韌性和木頭的韌性很接近，因此不怕顛簸和振動。 1990年英國帝國化學工業(yè)公司制造了一臺能耐高溫而不需要冷卻系統(tǒng)的陶瓷汽車發(fā)動機，并在實驗室進行了成功的試驗。 現(xiàn)在，能制造陶瓷發(fā)動機的國家很少，目前只有美國、德國、日本、英國和中國。 我國第一輛用陶瓷發(fā)動機做動力的大客車，于 1991年 3月在上海 ——北京之間的公路上行駛了 3500千米，沿途不用加冷卻水，因為它不需要冷卻系統(tǒng)。 1991年 3月 22日， 《 光明日報 》 在第一版顯著位置上報道了這個振奮人心的消息。 世界各先進工業(yè)國都將研究的重點集中于常規(guī)發(fā)動機用陶瓷部件的研究開發(fā)上。這些部件研制成功以后，可以直接取代金屬部件，應用于現(xiàn)有的各種常規(guī)車用汽油機和柴油機上，達到改善發(fā)動機性能，延長部件使用壽命，減低燃料消耗，減少環(huán)境污染的目的。迄今為止，世界上有近十種陶瓷部件，經(jīng)過長時間實驗后證明性能可靠，已投入實際使用和商業(yè)生產(chǎn)。 汽車用陶瓷零件 柴油機啟動用陶瓷電熱塞 柴油機全陶瓷電熱塞 第一代電熱塞用金屬制造，第二代是把鎢絲埋在氮化硅陶瓷內(nèi)制成的金屬陶瓷電熱塞，第三代電熱塞是發(fā)熱體全部用導電陶瓷制造的全陶瓷電熱塞。其啟動時間、點火穩(wěn)定性和壽命等都是一代勝過一代。 陶瓷渦流室 將整個渦流室噴涂氮化硅陶瓷并在周圍設有空氣隔層，制成全陶瓷的渦流室，可使渦流室內(nèi)的燃氣溫度升高，燃燒得到改善，并降低有害排放物中顆粒物的排放量。 全陶瓷渦流室 陶瓷排氣管襯里和排氣歧管 發(fā)動機的排氣管的冷熱溫度是急劇變化的，巨大的熱應力可使排氣管產(chǎn)生裂紋， 以低熱導率 (1Wm1K 1)的鈦酸鋁和磷酸鋯鈉陶瓷制作發(fā)動機排氣管，具有良好的隔熱效果，可延長其使用壽命。 鈦酸鋁陶瓷具有耐高溫抗熱震隔熱性好 (如在 600800℃ ，導熱系數(shù)僅為 1一 2Wm1K 1)的特點，是一種用于汽車發(fā)動機排氣管、排氣道理想的隔熱材料。 用鈦酸鋁制作的排氣管、排氣道組裝于發(fā)動機上，可以保持排氣的高溫，防止熱量流失，提高發(fā)動機的熱效率。這對于沙漠車、軍用越野車、坦克車來說，具有特別重要的實際意義。 德國道依茨 （ Devtz）公司的 B/FL513CP發(fā)動機上采用了鈦酸鋁陶瓷氣缸蓋排氣道，降低了氣缸蓋的熱負荷，避免了進一步強化后氣缸蓋的熱開裂，并保持了排氣高溫，有利于能量回收，進一步提高了增壓器的工作效率，從而使單缸功率由 。 日本日產(chǎn)公司開發(fā)了陶瓷 鋁復合排氣管用于發(fā)動機，提高了排氣管內(nèi)溫度，使該排氣管排氣凈化效果提高了兩倍。 山東工業(yè)陶瓷研究設計院研制的鈦酸鋁陶瓷排氣管組裝在沙漠車無水冷陶瓷發(fā)動機上，通過了由新疆汽車廠沙漠汽車研究所負責進行的沙漠車在新疆沙漠地區(qū)實際裝車 11212km的道路使用試驗。 陶瓷排氣管襯里和排氣歧管 渦輪增