Структура, свойства и применение керамического композита, полученного из наноструктурированных порошков состава ZrO₂ + 3 % Y₂O₃
Представлены результаты исследований керамического композита, спеченного из порошков на основе ZrO₂, полученных методом ультразвукового распылительного пиролиза. С применением методов склерометрирования и микрорезания единичным алмазным зерном дана оценка прочностным и деформационным свойствам повер...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| Hauptverfasser: | , , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2013
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126076 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Структура, свойства и применение керамического композита, полученного из наноструктурированных порошков состава ZrO₂ + 3 % Y₂O₃ / А.Г. Колмаков, В.И. Антипов, С.А. Клименко, А.С. Манохин, М.Ю. Копейкина, В.Н. Ткач, М.Л. Хейфец, Л. Танович // Сверхтвердые материалы. — 2013. — № 6. — С. 91-101. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-126076 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Колмаков, А.Г. Антипов, В.И. Клименко, С.А. Манохин, А.С. Копейкина, М.Ю. Ткач, В.Н. Хейфец, М.Л. Танович, Л. 2017-11-12T19:04:23Z 2017-11-12T19:04:23Z 2013 Структура, свойства и применение керамического композита, полученного из наноструктурированных порошков состава ZrO₂ + 3 % Y₂O₃ / А.Г. Колмаков, В.И. Антипов, С.А. Клименко, А.С. Манохин, М.Ю. Копейкина, В.Н. Ткач, М.Л. Хейфец, Л. Танович // Сверхтвердые материалы. — 2013. — № 6. — С. 91-101. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126076 621.9.025.7:666.3-1 Представлены результаты исследований керамического композита, спеченного из порошков на основе ZrO₂, полученных методом ультразвукового распылительного пиролиза. С применением методов склерометрирования и микрорезания единичным алмазным зерном дана оценка прочностным и деформационным свойствам поверхностных слоев композита, полученного из данных порошков, а также показана возможность его применения в процессах финишной обработки цветных металлов. Представлено результати дослідження керамічного композиту, спеченого з порошків на основі ZrO₂, отриманих методом ультразвукового розпилювального піролізу. Із застосуванням методів склерометрування та мікрорізання одиничним алмазним зерном дано оцінку властивостям міцності та деформаційним властивостям шарів композитів, отриманих з даних порошків, а також показано можливість їх застосування в процесах фінішної обробки кольорових металів. The results of the investigations of a ceramic composite sintered from ZrO₂- based powders produced by ultrasonic spray pyrolysis have been considered. The scratch tests and microcutting with a single diamond grain have been used to evaluate the strength and deformation properties of surface layers of the resultant composite. The possibility to apply these composites in finishing products of non-ferrous metals has been discussed. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Инструмент, порошки, пасты Структура, свойства и применение керамического композита, полученного из наноструктурированных порошков состава ZrO₂ + 3 % Y₂O₃ Structure, properties, and applications of ceramic composite produced of nanostructured powders of composition ZrO₂ + 3% Y₂O₃ Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Структура, свойства и применение керамического композита, полученного из наноструктурированных порошков состава ZrO₂ + 3 % Y₂O₃ |
| spellingShingle |
Структура, свойства и применение керамического композита, полученного из наноструктурированных порошков состава ZrO₂ + 3 % Y₂O₃ Колмаков, А.Г. Антипов, В.И. Клименко, С.А. Манохин, А.С. Копейкина, М.Ю. Ткач, В.Н. Хейфец, М.Л. Танович, Л. Инструмент, порошки, пасты |
| title_short |
Структура, свойства и применение керамического композита, полученного из наноструктурированных порошков состава ZrO₂ + 3 % Y₂O₃ |
| title_full |
Структура, свойства и применение керамического композита, полученного из наноструктурированных порошков состава ZrO₂ + 3 % Y₂O₃ |
| title_fullStr |
Структура, свойства и применение керамического композита, полученного из наноструктурированных порошков состава ZrO₂ + 3 % Y₂O₃ |
| title_full_unstemmed |
Структура, свойства и применение керамического композита, полученного из наноструктурированных порошков состава ZrO₂ + 3 % Y₂O₃ |
| title_sort |
структура, свойства и применение керамического композита, полученного из наноструктурированных порошков состава zro₂ + 3 % y₂o₃ |
| author |
Колмаков, А.Г. Антипов, В.И. Клименко, С.А. Манохин, А.С. Копейкина, М.Ю. Ткач, В.Н. Хейфец, М.Л. Танович, Л. |
| author_facet |
Колмаков, А.Г. Антипов, В.И. Клименко, С.А. Манохин, А.С. Копейкина, М.Ю. Ткач, В.Н. Хейфец, М.Л. Танович, Л. |
| topic |
Инструмент, порошки, пасты |
| topic_facet |
Инструмент, порошки, пасты |
| publishDate |
2013 |
| language |
Russian |
| container_title |
Сверхтвердые материалы |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Structure, properties, and applications of ceramic composite produced of nanostructured powders of composition ZrO₂ + 3% Y₂O₃ |
| description |
Представлены результаты исследований керамического композита, спеченного из порошков на основе ZrO₂, полученных методом ультразвукового распылительного пиролиза. С применением методов склерометрирования и микрорезания единичным алмазным зерном дана оценка прочностным и деформационным свойствам поверхностных слоев композита, полученного из данных порошков, а также показана возможность его применения в процессах финишной обработки цветных металлов.
Представлено результати дослідження керамічного композиту, спеченого з порошків на основі ZrO₂, отриманих методом ультразвукового розпилювального піролізу. Із застосуванням методів склерометрування та мікрорізання одиничним алмазним зерном дано оцінку властивостям міцності та деформаційним властивостям шарів композитів, отриманих з даних порошків, а також показано можливість їх застосування в процесах фінішної обробки кольорових металів.
The results of the investigations of a ceramic composite sintered from ZrO₂- based powders produced by ultrasonic spray pyrolysis have been considered. The scratch tests and microcutting with a single diamond grain have been used to evaluate the strength and deformation properties of surface layers of the resultant composite. The possibility to apply these composites in finishing products of non-ferrous metals has been discussed.
|
| issn |
0203-3119 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126076 |
| citation_txt |
Структура, свойства и применение керамического композита, полученного из наноструктурированных порошков состава ZrO₂ + 3 % Y₂O₃ / А.Г. Колмаков, В.И. Антипов, С.А. Клименко, А.С. Манохин, М.Ю. Копейкина, В.Н. Ткач, М.Л. Хейфец, Л. Танович // Сверхтвердые материалы. — 2013. — № 6. — С. 91-101. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT kolmakovag strukturasvoistvaiprimeneniekeramičeskogokompozitapolučennogoiznanostrukturirovannyhporoškovsostavazro23y2o3 AT antipovvi strukturasvoistvaiprimeneniekeramičeskogokompozitapolučennogoiznanostrukturirovannyhporoškovsostavazro23y2o3 AT klimenkosa strukturasvoistvaiprimeneniekeramičeskogokompozitapolučennogoiznanostrukturirovannyhporoškovsostavazro23y2o3 AT manohinas strukturasvoistvaiprimeneniekeramičeskogokompozitapolučennogoiznanostrukturirovannyhporoškovsostavazro23y2o3 AT kopeikinamû strukturasvoistvaiprimeneniekeramičeskogokompozitapolučennogoiznanostrukturirovannyhporoškovsostavazro23y2o3 AT tkačvn strukturasvoistvaiprimeneniekeramičeskogokompozitapolučennogoiznanostrukturirovannyhporoškovsostavazro23y2o3 AT heifecml strukturasvoistvaiprimeneniekeramičeskogokompozitapolučennogoiznanostrukturirovannyhporoškovsostavazro23y2o3 AT tanovičl strukturasvoistvaiprimeneniekeramičeskogokompozitapolučennogoiznanostrukturirovannyhporoškovsostavazro23y2o3 AT kolmakovag structurepropertiesandapplicationsofceramiccompositeproducedofnanostructuredpowdersofcompositionzro23y2o3 AT antipovvi structurepropertiesandapplicationsofceramiccompositeproducedofnanostructuredpowdersofcompositionzro23y2o3 AT klimenkosa structurepropertiesandapplicationsofceramiccompositeproducedofnanostructuredpowdersofcompositionzro23y2o3 AT manohinas structurepropertiesandapplicationsofceramiccompositeproducedofnanostructuredpowdersofcompositionzro23y2o3 AT kopeikinamû structurepropertiesandapplicationsofceramiccompositeproducedofnanostructuredpowdersofcompositionzro23y2o3 AT tkačvn structurepropertiesandapplicationsofceramiccompositeproducedofnanostructuredpowdersofcompositionzro23y2o3 AT heifecml structurepropertiesandapplicationsofceramiccompositeproducedofnanostructuredpowdersofcompositionzro23y2o3 AT tanovičl structurepropertiesandapplicationsofceramiccompositeproducedofnanostructuredpowdersofcompositionzro23y2o3 |
| first_indexed |
2025-11-26T00:18:48Z |
| last_indexed |
2025-11-26T00:18:48Z |
| _version_ |
1850599862392848384 |
| fulltext |
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 6 91
Инструмент, порошки, пасты
УДК 621.9.025.7:666.3-1
А. Г. Колмаков, В. И. Антипов (г. Москва, Россия)
С. А. Клименко*, А. С. Манохин, М. Ю. Копейкина,
В. Н. Ткач (г. Киев)
М. Л. Хейфец (Минск, Беларусь)
Л. Танович (Белград, Сербия)
* klm@ism.kiev.ua
Структура, свойства и применение
керамического композита, полученного
из наноструктурированных порошков
состава ZrO2 + 3 % Y2O3
Представлены результаты исследований керамического компо-
зита, спеченного из порошков на основе ZrO2, полученных методом ультразвуко-
вого распылительного пиролиза. С применением методов склерометрирования и
микрорезания единичным алмазным зерном дана оценка прочностным и дефор-
мационным свойствам поверхностных слоев композита, полученного из данных
порошков, а также показана возможность его применения в процессах финиш-
ной обработки цветных металлов.
Ключевые слова: керамический композит, режущий инстру-
мент, деформация, склерометрирование, наноструктура.
ВВЕДЕНИЕ
Разработка новых керамических материалов инструменталь-
ного назначения с физико-механическими свойствами (твердостью, прочно-
стью, трещиностойкостью, теплопроводностью и т. д.), которые характери-
зуются высокой гомогенностью в микрообъемах (при общей макрогетероген-
ности композитов), минимальной пористостью, минимизацией дефектов как
по размерам, так и по объемному содержанию, максимальной мелкозерни-
стостью, способствующая надежной и долговечной работе инструмента при
эксплуатации, является одним из важных условий развития современного
машиностроения. В работах многих ведущих специалистов в области изго-
товления и применения инструментальных материалов отмечается, что при-
менение керамики в режущих инструментах позволяет решать проблемы
резания широкой номенклатуры труднообрабатываемых материалов.
© А. Г. КОЛМАКОВ, В. И. АНТИПОВ, С. А. КЛИМЕНКО, А. С. МАНОХИН, М. Ю. КОПЕЙКИНА, В. Н. ТКАЧ,
М. Л. ХЕЙФЕЦ, Л. ТАНОВИЧ, 2013
www.ism.kiev.ua/stm 92
Современная керамика инструментального назначения сочетает в себе
комплекс таких свойств, которые в наибольшей степени отвечают современ-
ным тенденциям развития лезвийной обработки материалов: повышению
скорости резания, расширению номенклатуры труднообрабатываемых мате-
риалов, высоким требованиям к качеству обработанной поверхности. Одним
из важных критериев выбора исходных компонентов для керамических ком-
позитов является высокая химическая стойкость инструментального мате-
риала при взаимодействии его с обрабатываемым материалом в зоне резания.
В значительной степени этим требованиям отвечает оксидная керамика на
основе Al2О3. Такие композиты имеют высокую износостойкость в инстру-
менте при резании большинства обрабатываемых материалов, а возможность
использования высокопроизводительной технологии свободного спекания
при изготовлении рабочих элементов инструментов, а также доступность и
относительно низкая стоимость исходного сырья, на протяжении многих лет
являются основными критериями, определяющими перспективность исполь-
зования оксидной керамики в инструментальном производстве. Существен-
ным недостатком керамики на основе Al2О3 является низкая прочность и
недостаточная трещиностойкость (KIс = 4–4,5 МПа⋅м1/2), что ограничивает ее
применение в инструментах на операциях тонкого чистового точения углеро-
дистых сталей и чугунов высокой твердости даже в отсутствии переменных
нагрузок.
Эффективным решением проблемы повышения прочностных свойств ке-
рамических композитов инструментального назначения является применение
для их изготовления порошкf оксида циркония ZrO2 наноразмерного ряда [1].
Свойства керамических материалов в значительной мере определяются
характеристиками исходного порошкового сырья. Обычно под характеристи-
ками порошков понимают их элементный и фазовый состав, морфологию,
степень агломерации частиц в порошке и их размер. В последнее время за-
метное внимание исследователей привлекает еще одна характеристика –
структурное состояние отдельных частиц порошка (аморфное, монокри-
стальное, поликристаллическое). Внимание к этим характеристикам объясня-
ется тем обстоятельством, что широко распространенные конденсационные
методы синтеза порошков (химический жидкофазный метод, плазмохимиче-
ский и лазерный синтез и др.) не позволяют формировать в частицах поли-
кристаллическую структуру, поскольку в этих технологиях каждая индиви-
дуальная частица порошка образуется путем зародышеобразования из жид-
кой или газообразной среды, когда последующий рост зародыша происходит
за счет конденсации массы из пересыщенного раствора или паровой фазы.
Для образования же поликристаллической структуры необходимо множест-
венное зародышеобразование кристаллитов в локальном объеме отдельной
частицы без нарушения ее сплошности. Одним из методов, позволяющих
получать наноструктурированные поликристаллические порошки, является
способ ультразвукового распылительного пиролиза [2]. Получаемые данным
способом порошки обладают тем уникальным свойством, что субмикронные
частицы в них не образуют трудно разрушаемые агломераты, и, в тоже время,
имеют повышенную активность при спекании, близкую к ультрадисперсным
порошкам [3]. Эффективность “аэрозольных” порошков объясняется специ-
фикой процесса диффузионного массопереноса в системе из поликристалли-
ческих частиц порошка, где свой дополнительный вклад в диффузионные
процессы вносит нанофрагментарная структура внутри частиц.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 6 93
Целью настоящей работы было исследование свойств образцов керамики
инструментального назначения на основе ZrO2 (3 % (мол.) Y2O3), спеченной
из поликристаллических порошков, полученных способом ультразвукового
распылительного пиролиза.
МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Получение исходных порошков
Исходные “аэрозольные” порошки (рис. 1) получены на установке ультра-
звукового распылительного пиролиза, в которой для образования аэрозоля
использован ультразвуковой ингалятор “Альбедо” ИН-72 с резонансной час-
тотой 2,6 МГц и производительностью 4 мл/мин. Синтез порошка осуществ-
ляли в потоке воздуха в трубчатом кварцевом реакторе с длиной активной
рабочей зоны 1 м в интервале температур 900–1100 °С. Скорость потока аэ-
розоля поддерживали на уровне 8 л/мин, что соответствовало времени нахо-
ждения аэрозольной капли в горячей зоне (продолжительность синтеза) рав-
номy ∼ 12 с.
а
1000
900
800
500
600
700
300
400
100
200
0
0,6 2,61,6 3,6 4,6 5,6 6,6
0
40
20
100
60
80
Карман, мкм
Ч
ас
то
та
И
н
те
гр
ал
ьн
ы
й
п
ро
ц
ен
т,
%
1 2
б
в
Рис. 1. “Аэрозольный” порошок состава ZrO2 + 3 % Y2O3 (а), гистограмма (частота (1) и
интегральный % (2)) размеров частиц (б), скол единичной частицы (в).
В качестве рабочего раствора для образования аэрозоля использовали
водный раствор минеральных солей циркония и иттрия, состав которого
обеспечивал содержание в порошке 3 % (мол.) Y2O3.
Частицы порошка представляют собой сферы со средним размером
∼ 1,1 мкм. Они сформированы из агломерированных в процессе синтеза на-
ночастиц и имеют сложную внутреннюю фрактальную структуру со сфери-
ческими порами размерами 0,01–1,0 мкм.
www.ism.kiev.ua/stm 94
Рентгенофазовый анализ показал, что во всех частицах ZrO2 содержится в
тетрагональной модификации. Частицы обладают нанофрагментированной
поликристаллической структурой со средним размером фрагментов 11,2 нм.
Спекание композита. Заготовки для спекания получали водным шликер-
ным литьем. Шликер подготавливали ультразвуковым диспергированием
порошков в дистиллированной воде при pH 3,5. В качестве диспергирующей
добавки использовали HCl. Цикл спекания композита при температуре
1550 °С составлял 1,5 ч.
На рис. 2 представлен график изменения плотности порошковых компак-
тов как функции температуры спекания. В высокотемпературной области
скорость прироста плотности образцов резко падает. При максимальной
(1450 °С) температуре спекания их плотность составила 99,3 % теоретиче-
ской плотности.
0 200
0,40
400
0,60
0,80
T, °C600 800 1000 1200 1400
1,00
ρ
Рис. 2. Влияние температуры спекания на относительную плотность спеченных образцов
(часовая выдержка).
Прочность при изгибе и модуль Юнга образцов композита определяли на
универсальной испытательной машине INSTRON 5800 фирмы “Instron”,
США: Rbm = 863 МПа, Е = 211 ГПа. Коэффициент трещиностойкости компо-
зита KIc = 13,7 MПa·м1/2. Микротвердость образцов определяли с использова-
нием микротвердомера Wolpert Group 402MVD фирмы “Wolpert Group”, Ве-
ликобритания: H100 = 13,9 ГПа.
Оценка свойств композита. При создании композитов, применяемых в
режущих инструментах, важно иметь представление не только об объемных
прочностных параметрах материалов, но и о прочностных и деформационных
свойствах их поверхностного слоя. Это важно как с точки зрения выбора
эффективной области применения режущего инструмента, так и для выбора
условий изготовления самих инструментов, в частности технологий их заточ-
ки.
Проведен ряд экспериментов по склерометрированию поверхностного
слоя керамических образцов алмазным индентором и по моделированию
процесса обработки керамических образцов микрорезанием единичным абра-
зивным зерном, представленным коническим алмазным индентором. Приме-
няли инденторы с углом 120° и радиусом при вершине 0,2 мм.
При склерометрировании поверхностного слоя керамических образцов
использовали установку “Микрон-γ” конструкции Национального авиацион-
ного университета, г. Киев. Сканирование проводили алмазным индентором
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 6 95
при нагрузках 20 и 50 сН. Шерохова-
тость поверхности исследуемых об-
разцов соответствовала Ra = 0,008–
0,015 мкм.
При моделировании процесса об-
работки микрорезанием единичным
зерном [4] индентор закрепляли на
диске диаметром 150 мм, после чего
инструмент статически и динамиче-
ски балансировали. На рабочем столе
станка HMC 500 устанавливали ди-
намометр Kistler 9257B с зажимным
приспособлением, в котором закреп-
ляли исследуемый образец. Зажимное
приспособление позволяло устанав-
ливать образец с наклоном 1:400.
Процесс микрорезания моделировали
при вращательном движении инстру-
мента (скорость резания vs = 15 м/с) и
продольном перемещении образца
(рис. 3). Глубину резания изменяли
до 0,025 мм.
Результаты измерений регистри-
ровали в режиме реального времени.
Исследование следов деформации
и разрушения керамического композита при склерометрировании и модели-
ровании процесса обработки микрорезанием единичным зерном выполняли
на растровом электронном микроскопе AG-EVO фирмы “Carl Zeiss”, Герма-
ния.
Применение композита в режущем инструменте. Для оценки эксплуата-
ционных свойств инструментов, оснащенных керамическим композитом на
основе ZrO2, на станке повышенной точности 16Б05АФ1 со скоростью реза-
ния v = 3,6 м/с, подачей 0,015 мм/об и глубиной резания 0,01 мм обрабатыва-
ли образцы из алюминиевого сплава АМг-5. Шероховатость обработанной
поверхности оценивали на оптическом профилографе “Микрон-β” конструк-
ции Национального авиационного университета, г. Киев.
Анализ результатов исследований
Согласно современным представлениям, возникновение на рабочих по-
верхностях изделий при контактном нагружении микродефектов связано с
формированием в локальном объеме материала критической плотности внут-
ренней энергии, накопленной при предельной деформации. Указанное экви-
валентно условию перехода термодинамической системы через точку бифур-
кации после преодоления активационного барьера материалом поверхностно-
го слоя изделия при достижении в процессе нагружения критического значе-
ния энтропии [5].
Время достижения критического значения энтропии зависит от состояния
материала поверхности изделия:
[ ] ∫
τ
+=
0
0 )( dttHHH ,
1
2
3
α
v
s
v
w
Рис. 3. Схема процесса микрорезания еди-
ничным зерном со скоростью вращательно-
го движения зерна vs и прямолинейного
движение заготовки vw: индентор (1), обра-
зец (2), динамометр (3).
www.ism.kiev.ua/stm 96
где [Н] – критическое значение энтропии; Н0 – величина энтропии в материа-
ле поверхности изделия, обусловленная ее технологической наследственно-
стью; Н(t) – функция, описывающая генерацию энтропии в процессе функ-
ционирования поверхности; τ – время достижения критического значения
энтропии.
Таким образом, для оценки состояния рабочего поверхностного слоя из-
делия необходимо установить значение такого статистического термодина-
мического параметра материала, как активационный барьер, который опреде-
ляется тангенциальной составляющей сопротивления материала образцов
разрушению и способностью к производству энтропии в условиях внешнего
воздействия.
При склерометрировании эти параметры связаны с сопротивлением
структурных фрагментов композита перемещению индентора и дисперсией
силы контактного взаимодействия индентора с исследуемым образцом. Ус-
ловия контакта индентор–образец можно приблизить к наблюдаемым при
нагружении инструмента в процессе эксплуатации выбором нормальной на-
грузки F на индентор.
Изменение глубины сканирования образцов при увеличении нагрузки на
индентор от 20 до 50 сН позволило оценить характер влияния глубины ин-
дентирования на особенности деформации и разрушения поверхностного
слоя керамического композита.
Результаты исследований приведены в таблице.
Характеристики прочностных и деформационных свойств
поверхностного слоя керамического композита на основе ZrO2
Нагрузка на индентор, сН
20 50
P, сН D, сН2 l, мкм qР, МПа P, сН D, сН2 l, мкм qР, МПа
0,87 0,01 4,85 1270 2,27 0,14 9,04 981
Примечание. P – средняя величина тангенциальной силы сопротивления структурных
фрагментов композита перемещению индентора; D – дисперсия силы контактного взаимо-
действия индентора с исследуемым образцом; l – ширина следа, оставленного индентором
на образце; qР – удельное сопротивление деформированию.
На фотоснимках, представленных на рис. 4, отчетливо видны следы от
индентора. Механизм деформации керамического композита ZrO2 при инден-
тировании с нагрузкой 20 сН включает пластическую деформацию материала
с образованием на образцах продольных следов без заметного выкрашивания
или образования микротрещин на наиболее глубоком участке центральной
зоны следа.
Увеличение нагрузки до 50 сН приводит к увеличению количества микро-
выкрашиваний частиц материала по всему следу от индентора. В этом случае
процесс деформации и разрушения керамического образца при его контакт-
ном взаимодействии с алмазным индентором обусловлен тремя механизма-
ми: упругой деформацией, пластической деформацией и хрупким разрушени-
ем.
Глубина погружения индентора определяет вклад каждого из этих меха-
низмов – с ее увеличением растет объем контактной зоны и степень дефор-
мации, локальные напряжения достигают предела прочности исследуемого
композита (в наибольшей степени это проявляется в точках под вершиной
индентора). Можно предположить, что массив материала в объеме перед
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 6 97
индентором пронизывает сетка трещин, которые в дальнейшем являются
причиной хрупкого разрушения и частичного пластического вытеснения.
Хрупкий механизм разрушения проявляется в данном случае в большей сте-
пени и, как следствие, удельное сопротивление деформированию qР имеет
меньшее значение.
а
б
Рис. 4. Следы от индентора на образце, полученные при склерометрировании при нагрузке
20 (а) и 50 (б) сН.
Для установления значения удельной энергии разрушения и механизма
стружкообразования при механической обработке выполнен комплекс иссле-
дований по моделированию процесса обработки микрорезанием единичным
зерном. Изучение явлений, сопровождающих процесс микрорезания керами-
ческих материалов, позволяет определить характеристики их деформации и
разрушения, а именно, зависимость механизма разрушения (пластического,
хрупкого) от условий нагружения – вида напряженно-деформированного
состояния и давления в зоне резания.
Механизм контактного взаимодействия индентора с керамическим образ-
цом при резании единичным зерном состоит из трех этапов: трения, пласти-
ческой деформации и хрупкого разрушения. Поля напряжений охватывают
напряжения сжатия, растяжения и скалывания, что обусловлено действием
нормальной и тангенциальной сил взаимодействия керамического образца с
индентором.
При глубине внедрения индентора до 3 мкм происходит пластическая де-
формация материала поверхностного слоя образца. При увеличении глубины
внедрения индентора до 7 мкм в образце образуются трещины и имеет место
боковое перемещение материала образца вдоль следа от индентора. Трещи-
ны, возникающие при индентировании керамического композита, можно
разделить на три вида: радиальные, боковые и проникающие (рис. 5).
Формирование радиальных трещин в поверхностном слое образца обу-
словлено напряжениями растяжения за режущим зерном. Проникающие и
боковые трещины связаны с изменениями в материале в зоне пластической
деформации под индентором. Боковые трещины формуются и распространя-
ются в плоскости, параллельной поверхности образца. При глубине внедре-
ния зерна, превышающей пороговое значение, величина которого зависит от
свойств керамики и напряженно-деформированного состояния материала,
происходит объединение микротрещин, что обусловливает хрупкое разруше-
ние со скалыванием блоков материала.
Основным параметром, полученным при проведении экспериментов, яв-
ляется удельная энергия микрорезания – энергия, затраченная на единицу
www.ism.kiev.ua/stm 98
объема материала, удаляемого при
микрорезании образца единичным
зерном (индентором) и образова-
нии канавки (следа). Зависимость
удельной энергии микрорезания от
площади сечения следа от инден-
тора представлена на рис. 6.
Анализ зависимости позволяет
сделать вывод об интенсивном
увеличении удельной энергии
микрорезания единичным зерном
при уменьшении площади сечения
следа < 500 мкм2, отвечающей
глубине внедрения зерна 7 мкм.
Отмеченное обусловлено тем, что
глубина микрорезания достигает
критичного значения при переходе
от пластической деформации к
хрупкому разрушению поверхно-
стного слоя керамического компо-
зита. Удельная энергия микроре-
зания, соответствующая критиче-
ской глубине внедрения зерна,
составляет 125–130 Дж/мкм3.
250
200
E, Дж/мм
3
150
100
50
0 500 1000 1500 2000 W, мкм
2
Рис. 6. Зависимость удельной энергии микрорезания единичным зерном от площади сече-
ния следа в поверхностном слое образца; vs = 15 м/с.
Фотоснимки следов индентора на образце, представленные на рис. 7, сви-
детельствуют о том, что на начальной стадий врезания зерна деформация
образца в большей степени носит пластический характер (см. рис. 7, а). При
увеличении глубины микрорезания деформация пластического характера
сменяется хрупким разрушением – частицы керамического композита скалы-
ваются и вырываются абразивным зерном, вскрывается сформированная из
субмикронных зерен внутренняя структура материала (см. рис. 7, б).
2
1
6
5
4
3
F
v
Рис. 5. Схема разрушения керамического об-
разца при микрорезании единичным зерном:
алмазный индентор (1), радиальные (2), прони-
кающие (4), боковые (5) и потенциальные (6)
трещины, пластичная зона (3).
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 6 99
а
б
в
г
Рис. 7. След от единичного зерна на образце из керамического композита на основе ZrO2:
в зоне врезания (а), в середине следа (б), кромка образца между исследуемой поверхно-
стью и поверхностью поперечного шлифа (в, г).
Видно, что деформация по ширине контактного участка индентор–образец
неоднородна – имеют место как участки с хрупким разрушением, так и уча-
стки пластически деформированного материала, что связано с гетерогенно-
стью структуры керамического композита (см. рис. 7, в, г).
Кроме механического, значительную роль в формировании характера
взаимодействия в контактной зоне играет температурный фактор. На рис. 7,
а, б на дне канавки часто встречаются участки, сформированные в результате
оплавления и пластического течения отдельных фрагментов композита. При-
чиной такого характера разрушения является высокая скорость деформации
материала в условиях его сложнонапряженного состояния при высоких зна-
чениях тангенциальной составляющей нагрузки на контактных поверхностях
индентора и керамического образца.
Полученные результаты позволяют заключить, что обработка поверхно-
стей керамических образцов с сечением единичного среза, формируемым при
глубине индентора > 8 мкм, способствует хрупкому разрушению композита,
а обработка с высокой скоростью резания – снижению температуростойкости
композита. Таким образом, обработку изделий из керамического композита
на основе ZrO2 следует выполнять в условиях низких и средних скоростей
резания с малой площадью поперечного сечения срезаемого слоя.
Принимая во внимание отмеченные выше механические свойства компо-
зиционного керамического материала на основе ZrO2, авторы полагают, что
его можно эффективно использовать в режущих инструментах при финиш-
ной обработке изделий из цветных металлов и сплавов, например алюминие-
www.ism.kiev.ua/stm 100
вых, а также в инструментах для резания неметаллических материалов, на-
пример хирургических скальпелях.
Структурные характеристики исходного порошка, используемого при из-
готовлении керамического композита, средний размер частиц которого
~ 1 мкм, позволяют при использовании алмазной доводки изготовить на ре-
жущим инструменте кромку с малой величиной радиуса округления.
Результаты экспериментальных исследований показали, что формирова-
ние на режущем инструменте доведенной режущей кромки с радиусом ок-
ругления 1–4 мкм снижает высотные параметры шероховатости обработан-
ной поверхности на 20–25 % по сравнению с инструментом, имеющим ради-
ус округления кромки 6–8 мкм (рис. 8).
0,10
0,08
Ra мкм
0,06
0,04
0,02
0
I
II
Рис. 8. Шероховатость поверхности образцов из алюминиевого сплава АМг-5, обработан-
ных инструментами, оснащенными керамическим композитом на основе ZrО2, с радиусом
округления режущей кромки r = 1,0–1,3 (I) и 6,0–8,0 (II) мкм.
ВЫВОДЫ
Показано, что порошки на основе ZrО2, полученные методом аэрозольно-
го ультразвукового пиролиза, характеризуются правильной сферической
формой отдельных субмикронных частиц со средним размером ~ 1 мкм. Час-
тицы состоят из агломерированных в процессе синтеза наночастиц со сред-
ним размером ~ 10 нм и имеют сложную пористую внутреннюю структуру.
Правильная форма частиц порошков обеспечивает высокую технологич-
ность процесса получения из них керамического композита, который имеет
высокие плотность и механические свойства, характерные для наноструктур-
ных материалов.
При моделировании процесса обработки керамического композита микро-
резанием единичным зерном показано, что при глубине внедрения зерна до
3 мкм наблюдается пластическая деформация материала поверхностного слоя
образца. С увеличением глубины до 7 мкм образуются трещины и возникает
боковое перемещение материала вдоль следа индентора. Удельная энергия
разрушения при микрорезании единичным зерном, которая отвечает крити-
ческой глубине его внедрения, составляет 125–130 Дж/мкм3.
Абразивная обработка изделий из керамического композита на основе
ZrO2 должна выполняться в условиях низких и средних скоростей резания с
малой площадью поперечного сечения срезаемого слоя.
Исследованный керамический композит, полученный из наноструктури-
рованного порошка, может быть эффективно использован в режущих инст-
рументах для финишной обработки изделий из цветных сплавов. Субмикрон-
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 6 101
ная структура материала позволяет сформировать режущую кромку с радиу-
сом округления ∼ 1 мкм, что обеспечивает получение в процессе обработки
поверхности с шероховатостью Ra = 0,06–0,08 мкм.
Представлено результати дослідження керамічного композиту, спече-
ного з порошків на основі ZrO2, отриманих методом ультразвукового розпилювального
піролізу. Із застосуванням методів склерометрування та мікрорізання одиничним алмаз-
ним зерном дано оцінку властивостям міцності та деформаційним властивостям шарів
композитів, отриманих з даних порошків, а також показано можливість їх застосування
в процесах фінішної обробки кольорових металів.
Ключові слова: керамічні композити, різальний інструмент,
деформація, скануюче індентування (склерометрія), наноструктура.
The results of the investigations of a ceramic composite sintered from ZrO2-
based powders produced by ultrasonic spray pyrolysis have been considered. The scratch tests
and microcutting with a single diamond grain have been used to evaluate the strength and de-
formation properties of surface layers of the resultant composite. The possibility to apply these
composites in finishing products of non-ferrous metals has been discussed.
Keywords: ceramic composite, cutting tools, deformation, scratch tests,
nanostructure.
1. Солнцев К. А., Колмаков А. Г., Галахов А. В. и др. Свойства наноструктурированных
субмикронных порошков ZrO2–Y2O3, синтезированных ультразвуковым распылитель-
ным пиролизом и керамика на их основе // Наноструктуры в конденсированных средах:
Сб. науч. тр. – Мн.: ИТМО им. А. В. Лыкова НАН Беларуси, 2013. – С. 159–168.
2. Gaudon M., Djurado E., Menzler N. H. Morphology and sintering behaviour of yttria stabi-
lised zirconia (8-YSZ) powders synthesised by spray pyrolysis // Ceramics Int. – 2004. – 30,
N 11. – P. 2295–2303.
3. Галахов А. В., Антипов В. И., Виноградов Л. В. и др. Исследование свойств и оценка
спекаемости наноструктурированных субмикронных порошков состава ZrO2 + 3 мол. %
Y2O3, синтезированных методом ультразвукового распылительного пиролиза // Пер-
спект. материалы. – 2012. – № 4. – С. 70–76.
4. Tanovic L. J., Bojanic P., Puzovic R., Klimenko S. Experimental investigation of micro-cutting
mechanisms in marble grinding // Int. J. Manufac. Sci. Eng. – 2009. – 131, N 6. – Р. 1–5.
5. Lyashko V. A., Potemkin M. M., Klimenko S. A. Comparative durability of materials in wear //
Wear. – 1998. – 216. – P. 239–243.
Ин-т металлургии и материаловедения Поступила 09.08.13
им. А. А. Байкова РАН
Ин-т сверхтвердых материалов
им. В. Н. Бакуля НАН Украины
ГНПО “Центр” НАН Беларуси
Машиностроительный факультет Белградского ун-та
|