Właściwości mechaniczne kompozytów narzędziowych z tlenku glinu, wzmacnianych węglikoazotkiem tytanu *

STRESZCZENIE: Przedstawiono właściwości mechaniczne kompozytów na osnowie z tlenku glinu, wzmacnianych Ti(C,N) w ilości 30% masy, wytworzonych na bazie proszków komercyjnych, o mikrometrycznych i nanometrycznych rozmiarach cząstek. Zastosowano bezciśnieniowe spiekanie PS w próżni i spiekanie reakcyjne SPS. Wykonano pomiary: twardości Vickersa, gęstości, modułu Younga i odporności na ścieranie. Odporność na pękanie (K_IC) wyznaczono w temperaturze pokojowej i podwyższonej do 1073 K – charakterystycznej dla pracy narzędzia. Właściwości fizyczne i mechaniczne kompozytów Al₂O₃/Ti(C,N)/ZrO₂, wytworzonych na bazie mikroproszków, porównano z właściwościami kompozytów zawierających proszki mieszane, mikrometryczne i nanometryczne, z udziałem proszków nanometrycznych od 17% do 36% masy. Kompozyty Al₂O₃/Ti(C,N)/ZrO₂ z udziałem proszków nanometrycznych wykazują w temperaturze otoczenia niższe wartości K_IC (o ok. 10÷30%) w porównaniu z kompozytami wytworzonymi na bazie proszków mikrometrycznych. Natomiast w temperaturze podwyższonej do 1073 K ich odporność na pękanie wzrasta nawet o 30%. Obserwacje mikrostruktury badanych kompozytów przeprowadzono za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej.

SŁOWA KLUCZOWE: kompozyty ceramiczne Al₂O₃/Ti(C,N)/ZrO₂, nanoproszki, mikroproszki, spiekanie reakcyjne SPS, spiekanie bezciśnieniowe PS, odporność na pękanie

ABSTRACT: The present study reports mechanical properties obtained by reinforcing alumina composites with Ti(C,N) in amount 30 wt.% prepared on the basis micro and nanoscale trade powders. The pressureless sintering PS in a vacuum and SPS method of sintering were used. Vickers hardness, density, Young modulus, wear resistance were evaluated. Fracture toughness (K_IC) at ambient and elevated temperatures up to 1073 K, characteristic for tool work was measured. Physical and mechanical properties of the composites Al₂O₃/Ti(C,N)/ZrO₂ based on the powders in microscale were compared with composites containing nanoscale powders in a range from 17 to 36 wt.%. Tested composites with nanoscale powders content reveal lower K_IC (approx. 10÷30%) at ambient temperature in comparison to composites based on powders in microscale. However, in the elevated temperatures their fracture toughness increases up to 30%. The observation of the microstructure of tested composites was carried out using scanning electron microscopy.

KEYWORDS: ceramic composites Al₂O₃/Ti(C,N)/ZrO₂, nanopowders, micropowders, reaction sintering SPS, pressureless sintering PS, fracture toughness

BIBLIOGRAFIA / BIBLIOGRAPHY:

• N.N. Cutting Tools. New York: Dedalus Consulting, 2014, www.dedalusconsulting.com.
• Bobzin K. “High-performance coatings for cutting tools”. CIRP J. Manuf. Sci. and Tech. 18 (2017): s. 1–9.
• Pampuch R. „Kompozyty ceramiczne”. Kompozyty (Composites). 2 (2002): s. 3–16.
• Yin Z., Huanda Ch., Zoua B., Liua H., Zhua H., Wang J. “Preparation and characterization of Al₂O₃/TiC micro-nano-ceramic tool materials”. Ceramics International. 39, 4 (2013): s. 4253–4262.
• Acchar W., Cairob C.A. “The influence of (Ti,W) C and NbC on the mechanical behavior of alumina”. Materials Research. 9, 2 (2006): s. 171–176.
• Song S.-X., Ai X., Zhao J., Huang Ch.-Z. “Al₂O₃/Ti(C0.3N0.7) cutting tool material”. Materials Science Engineering. A-Structure. 356 (2002): s. 43–47.
• Wu F., Chen T., Wang H., Liu D. “Effect of Mo on microstructures and wear properties of in situ synthesized Ti(C,N)/Ni-based composite coatings by laser cladding”. Materials. 10, 9 (2017): s. 1–12.
• Peng Y., Miao H.Z., Peng Z.J. “Development of TiCN-based cermets: mechanical properties and wear mechanism”. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 39 (2013): s. 78–89.
• Jemielniak K. „Obróbka skrawaniem”. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 1998.
• Zengbin Y., Juntang Y., Zhenhua W., Hanpeng H., Yu Ch., Xiaoqiu H. “Preparation and properties of an Al₂O₃/Ti(C,N) micro-nano-composite ceramic tool material by microwave sintering”. Ceramics International. 42 (2016): s. 4099–4106.
• Xiong H., Zhi You Li., Gan X., Chai L. “Morphology evolution of TiC-based cermets via different sintering schedules”. Ceramics International. 43 (2017): s. 5805–5812.
• Zheng Y., Wang S., You M., Tan H., Xiong W. “Fabrication of nanocomposite Ti(C,N)-based cermet by spark plasma sintering”. Materials Chemistry and Physics. 92 (2005): s. 64–70.
• Szutkowska M., Smuk B., Boniecki M. “Titanium carbide reinforced composite tool ceramics based on alumina”. Advances in Science and Technology. 65 (2010): s. 50–55.
• PN-EN 623-2-2001. Techniczna ceramika zaawansowana. Ceramika monolityczna. Właściwości ogólne i strukturalne. Część 2: Oznaczanie gęstości i porowatości.
• PN-EN ISO 15732:2005(U). Ceramika wysokiej jakości (ceramika zaawansowana, techniczna ceramika zaawansowana) – Metoda badania odporności na kruche pękanie ceramiki monolitycznej w temperaturze pokojowej metodą belki wstępnie pękniętej z jednej strony (SEPB).
• Fett T., Munz D. “Subcritical crack growth of macrocracks in alumina with R-curve behavior”. Journal of American Ceramic Society. 75, 4 (1992): s. 958–963.

DOI: https://doi.org/10.17814/mechanik.2018.5-6.55

* Artykuł recenzowany