氧化铝-氧化铈陶瓷复合刀具的开发-中国钕铁硼网

氧化铝-氧化铈陶瓷复合刀具的开发

发表时间：2009-12-30 文章来源：

陶瓷的迅速发展为许多工程应用引进了各种陶瓷复合材料。陶瓷复合材料的发展在很大程度上是由于基本陶瓷显微组织的改进，这就引起了显微组织增强陶瓷的开发。添加颗粒和晶须/纤维能够改善脆性陶瓷的断裂韧性，可能引起断裂韧性改善的机理是相变及伴生应力诱导相变增韧和微裂纹增韧、韧性增强、孪生和纤维/晶须增强。氧化铝（Al2O3）是一种特别重要的陶瓷材料，在技术上有很多用途。氧化铝具有硬度大、化学性质稳定、耐磨和熔点高等多种特殊性能。氧化铝陶瓷即便在高达1100℃的温度下也能维持其强度的90%。氧化铝在耐火材料、研磨剂、切削刀具、高温轴承及各种机械零件中都有广泛的应用。氧化铝具有不同的相，其中α-Al2O3是一种稳定相。除了热力学稳定的α-Al2O3或刚玉之外，氧化铝还有许多亚稳结构，像γ-Al2O3被广泛用作催化剂。刚玉或α-Al2O3具有六方晶胞。γ-Al2O3通常被认为是一种尖晶石次品，具有正方晶胞。氧化铈通常呈淡黄色，广泛用来研磨光学玻璃和工艺美术品，在玻璃生产中也用作褪色剂和清洗剂。氧化铈由于其在催化剂、固态氧化物燃料电池的电解质材料、高折射率材料和硅衬底绝缘层等方面的诸多用途，一直被进行着广泛的研究。与广泛用于切削刀具的传统氧化铝相比，氧化铈被认为是一种软质陶瓷材料。氧化铈也被用作一种稳定剂，可将氧化锆完全稳定在其正方相（t-相），即所谓的正方氧化锆多晶。

　　从γ-Al2O3向α-Al2O3相变的特点是表面积减少。氧化铈被用来防止α-氧化铝相变，有助于在温度高达1000℃的还原条件下有效地保持较高的表面积。氧化铝—氧化铈复合材料广泛应用于催化转化器。γ-Al2O3具有大的表面积，但由于相变能发挥有效作用的温度范围有限，Alessandro等人对CeO2含量为2%～25%的Al2O3/CeO2复合材料在不同气氛中的热稳定性和结构稳定性作过研究。据称，在氧化条件下氧化铈作为γ-Al2O3的稳定剂几乎完全失效，在还原条件下其效果则有明显的提高。在还原条件下Ce3＋（主要为CeAlO3）的形成能阻止晶体生长且能防止导致表面积减少的α-Al2O3的生成。Damyanova等人以不同的CeO2含量（在0.5～12wt.%范围内）制备了Al2O3/CeO2混合氧化物。将样品在500℃和800℃进行煅烧，并用不同的方法加以表征。试验表明，CeO2含量和煅烧温度不同，样品表面上形成的氧化铈种类不尽相同。CeO2含量高于6wt.%，则氧化铝表面形成纳米氧化铈，且氧化铈浓度较低时为非晶态。如果添加1wt.%CeO2, 氧化铝和氧化铈之间存在的强相互作用则导致表面类CeAlO3相的形成。Sayle等人研究过氧化铈涂层对氧化铝的影响，并对界面缺陷进行了分析。据称，界面氧空位对Al2O3界面CeO2单层不太稳定。据Holles等人报道，带有金属铂的氧化铝－氧化铈复合材料（Pd/CeOx/Al2O3和Rh/CeOx/Al2O3）被用作催化转化器，可清除汽车排放的一氧化碳、氮氧化合物及未燃烧的碳氢化合物等废气。也有报道称，氧化铈的存在可提高催化转化器的性能。Zhang等人以传统方法用CeO2、Al2O3及GdO2粉末制备了复合氧化物粉末，并在大气中于1550℃烧结5小时。对显微硬度和压痕断裂韧性进行的测定表明，Ce0.8Gd0.2O2陶瓷的威氏硬度为9.23GPa, 压痕断裂韧性为1.47MPam1/2。样品的Al2O3含量若高于10%，则硬度和断裂韧性均有显着的提高。

　　实验程序

　　将平均粒度分别为1.2μm和5μm的95wt.%氧化铝粉末和5wt.%氧化铈粉末加以混合。将氧化铝－氧化铈混合物与聚乙烯醇混合，以200MPa压力单向冷压成菱形刀片。将生坯在大气中于1600℃烧结2.5小时。为便于比较，按上述程序在相同条件下冷压和烧结纯氧化铝粉末。烧结试样在磨床上用金刚石砂轮进行精加工。刀片的最终形状和尺寸符合国际标准ISO CNGN120708的要求。氧化铝－氧化铈生坯的密度为理论密度的62%，烧结试样的密度则为理论密度的96%。纯氧化铝生坯的密度为理论密度的59%，烧结试样的密度则为理论密度的92%。烧结氧化铝－氧化铈刀片的XRD（X射线衍射）花样证实，烧结氧化铝－氧化铈刀片存在α-Al2O3（corundum）和CeO2（cerianite）。氧化铝－氧化铈刀片的硬度为1680HV，而纯氧化铝刀片的硬度为1650HV。氧化铝－氧化铈刀片由于致密化程度得到提高，硬度稍高于纯氧化铝刀片。氧化铝－氧化铈刀片的断裂韧性为4.7MPam1/2，而纯氧化铝刀片的断裂韧性为3.4MPam1/2。氧化铝－氧化铈的断裂韧性值高于纯氧化铝源于复合材料的颗粒增韧。Kim等人认为，该复合材料的硬度、断裂韧性、弹性模量和强度等机械性能的提高是由于烧结密度的改善。

　　在精密车床上用在实验室制备的新开发氧化铝－氧化铈陶瓷刀片对灰铸铁工件（硬度170BHN）进行切削试验。为便于比较，切削试验还用实验室制备的纯氧化铝刀片和工业氧化锆增韧氧化铝（ZTA）刀片。工业ZTA刀片含有96.5wt.%氧化铝和3.5wt.%氧化锆。其密度高于理论密度的99%。ZTA的硬度为1730HV，断裂韧性为4.5MPam1/2。因陶瓷一般用来加工铸铁，故切削试验选用灰铸铁。切削用量：切削速度120、170、270m/min，进给量0.12mm/r，切削深度0.5mm，加工时间15min，干切。刀杆规格为ISO CCLNR 2525 M 1207。陶瓷刀片的性能通过测量刀片后面磨损和已加工工件表面光洁度来评价。

　　实验结果与讨论

　　刀具磨损对刀具耐用度、加工表面质量及尺寸精度产生不利影响，从而影响切削加工的经济效益。在不同形式的刀具磨损中，后面磨损乃是衡量刀具磨损的一个重要尺度，因为它影响工件的尺寸精度。从陶瓷刀片后面磨损随加工时间的变化图和陶瓷刀片后面磨损随切削速度的变化图可以看出，氧化铝－氧化铈刀片的后面磨损与工业ZTA刀片不相上下，低于纯氧化铝刀片。后面磨损中主要的磨损机理是磨料磨损和黏着磨损。陶瓷刀具的后面磨损随着切削速度的提高而增加。如同其它陶瓷刀具一样，氧化铝－氧化铈陶瓷刀片的后面磨损也是渐进性的，在给定加工条件下加工灰铸铁并未观察到严重的磨损花纹。新开发的氧化铝－氧化铈刀片的抗后面磨损性由于机械性能的改善而优于纯氧化铝刀片。

　　表面光洁度不仅影响加工件的尺寸精度，而且还影响其性能。车削既要保持尺寸精度又要保持表面质量。尺寸精度由车刀的后面磨损控制，表面质量则主要取决于刀尖的形状稳定性。车削中的理想刀具能在工件表面上充分地复现其刀尖，因此车削工件表面质量在很大程度上决定于刀尖的形状稳定性。从陶瓷刀片加工15min后表面粗糙度Ra与切削速度的关系可以看出，陶瓷刀片加工出的表面光洁度随着切削速度的增加而改善。氧化铝－氧化铈刀片加工出的表面光洁度可与工业ZTA刀片媲美，且优于纯氧化铝刀片。氧化铝－氧化铈陶瓷刀片在加工工件上表现的表面光洁度优于纯氧化铝刀片，其原因在于机械性能的改善使刀尖形状稳定性得到提高。