Металлокерамика

Металлокерамика — это композиционный материал, состоящий из металлической основы (матрицы) и керамического наполнителя, получаемый методами порошковой металлургии. Материал сочетает в себе высокую прочность, вязкость и пластичность металла с твёрдостью, износостойкостью, жаропрочностью и коррозионной стойкостью керамики. Металлокерамика широко применяется в машиностроении, авиастроении, электротехнике, стоматологии и других отраслях, где требуется работа в условиях высоких температур, абразивного износа или агрессивных сред.

История

Первые попытки создания композитов на основе металла и керамики относятся к началу XX века. В 1910-х годах немецкие инженеры разработали технологию пропитки пористых керамических каркасов расплавленным металлом для получения износостойких деталей. Однако систематические исследования начались в 1930-х годах в связи с потребностями авиационной и ракетной техники в материалах, способных выдерживать экстремальные температуры.

Значительный прогресс был достигнут в 1950-х годах в СССР и США. В СССР разработкой металлокерамики занимались в Институте металлургии имени А. А. Байкова АН СССР и в ряде отраслевых институтов. Были созданы жаропрочные сплавы на основе карбидов вольфрама и титана с кобальтовой или никелевой связкой, которые применялись в узлах ракетных двигателей и газовых турбин. В 1960-х годах металлокерамика начала массово использоваться в стоматологии в качестве материала для коронок и мостовидных протезов.

Классификация

Металлокерамические материалы классифицируют по нескольким признакам.

По типу керамической фазы

Карбидные — на основе карбидов вольфрама (WC), титана (TiC), тантала (TaC), хрома (Cr₃C₂). Обладают высокой твёрдостью и износостойкостью.
Оксидные — на основе оксида алюминия (Al₂O₃), оксида циркония (ZrO₂), оксида магния (MgO). Отличаются высокой химической стойкостью и термостойкостью.
Нитридные — на основе нитридов кремния (Si₃N₄), титана (TiN), бора (BN). Применяются в условиях высоких температур и агрессивных сред.
Боридные — на основе боридов титана (TiB₂), циркония (ZrB₂). Используются в сверхвысокотемпературных приложениях.

По типу металлической матрицы

На основе кобальта — наиболее распространены в стоматологии и режущем инструменте.
На основе никеля — применяются в жаропрочных узлах газовых турбин и авиадвигателей.
На основе железа — используются в износостойких деталях горного оборудования.
На основе меди — применяются в электротехнике для токопроводящих и контактных элементов.

По способу получения

Спечённые — изготавливаются прессованием и последующим спеканием порошковых смесей.
Пропитанные — пористый керамический каркас пропитывают расплавленным металлом.
Горячепрессованные — спекание под давлением при высокой температуре.
Литьевые — смесь расплавленного металла с керамическими частицами заливается в форму.

Свойства и характеристики

Металлокерамика обладает комплексом свойств, недостижимых для чистых металлов или керамик по отдельности.

Твёрдость — обычно 80–95 HRA (по шкале Роквелла), что значительно выше, чем у закалённых сталей.
Износостойкость — в 5–10 раз выше, чем у инструментальных сталей.
Жаропрочность — сохраняет работоспособность до 1000–1200 °C (в зависимости от состава).
Коррозионная стойкость — устойчива к действию кислот, щелочей и морской воды.
Электропроводность — варьируется от проводящей (на основе меди) до полупроводниковой (на основе нитридов).
Теплопроводность — обычно выше, чем у керамики, но ниже, чем у чистых металлов.
Плотность — 6–15 г/см³, в зависимости от состава.

Основным недостатком металлокерамики является хрупкость при ударных нагрузках, а также сложность механической обработки (требуется алмазный инструмент).

Применение

Промышленность

Режущий инструмент — твёрдосплавные пластины для токарных, фрезерных и сверлильных станков. Наиболее распространены сплавы на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой (марки ВК, ТК, ТТК).
Горное оборудование — буровые коронки, зубья ковшей экскаваторов, фрезы для проходческих комбайнов.
Авиа- и ракетостроение — лопатки газовых турбин, сопла ракетных двигателей, теплозащитные экраны.
Электротехника — контакты электрических аппаратов, электроды для сварки, нагревательные элементы.

Стоматология

Металлокерамика является одним из основных материалов для изготовления зубных коронок, мостовидных протезов и виниров. Технология заключается в нанесении керамической массы на металлический каркас (обычно из кобальто-хромового или никель-хромового сплава) с последующим обжигом. Преимущества: высокая прочность, эстетичность (цвет керамики имитирует натуральный зуб), биосовместимость. Недостатки: возможное просвечивание металла через керамику, риск сколов при неправильном прикусе.

Другие области

Ядерная энергетика — оболочки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) из карбида кремния с металлической матрицей.
Автомобилестроение — детали тормозных систем (керамические тормозные диски с металлическими вставками), свечи зажигания.
Оборонная промышленность — бронеэлементы для защиты техники и личного состава (например, пластины из карбида бора с алюминиевой матрицей).

Технология производства

Основные этапы изготовления металлокерамических изделий включают:

Подготовка порошков — металлические и керамические порошки смешиваются в заданных пропорциях, часто с добавлением временных связующих (парафин, поливиниловый спирт).
Прессование — смесь прессуется в форму под давлением 100–500 МПа для получения заготовки (прессовки).
Спекание — заготовка нагревается в защитной атмосфере (вакуум, аргон, водород) до температуры 1200–1600 °C. В процессе спекания частицы металла сплавляются, образуя прочную матрицу, а керамические частицы остаются твёрдыми.
Дополнительная обработка — при необходимости изделие подвергается горячему изостатическому прессованию (ГИП), калибровке, шлифовке и полировке.

Интересные факты

Первые металлокерамические режущие пластины были созданы в 1920-х годах в Германии под торговой маркой «Widia» (от немецкого «wie Diamant» — как алмаз). Они позволяли обрабатывать сталь на скоростях, в 3–5 раз превышающих возможности быстрорежущей стали.
В СССР металлокерамика активно применялась при создании космического корабля «Буран» — теплозащитные плитки на его поверхности содержали керамические волокна с металлическим напылением.
В стоматологии металлокерамика остаётся «золотым стандартом» для протезирования, несмотря на появление более эстетичных безметалловых керамик (диоксид циркония, стеклокерамика). Это связано с оптимальным соотношением цены, прочности и долговечности.

Критика и ограничения

Основные претензии к металлокерамике связаны с её хрупкостью и сложностью утилизации. При ударных нагрузках возможно образование трещин и сколов, особенно в тонких стенках (например, в стоматологических коронках). Кроме того, металлокерамические отходы (например, отработанные режущие пластины) трудно перерабатываются из-за разнородности состава, что создаёт экологические проблемы. В стоматологии отмечается, что металлический каркас может вызывать аллергические реакции у пациентов с повышенной чувствительностью к никелю или кобальту.

Источники

Кипарисов С. С., Либенсон Г. А. Порошковая металлургия. — М.: Металлургия, 1980.
Третьяков В. И. Основы металловедения и технологии производства спечённых твёрдых сплавов. — М.: Металлургия, 1976.
ГОСТ 3882-88. Сплавы твёрдые спечённые. Марки.
Стоматологическое материаловедение / Под ред. В. А. Попкова. — М.: Медицина, 2005.
Материалы для высокотемпературных применений: учебное пособие / Под ред. А. Г. Мержанова. — М.: Наука, 1990.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →