Electrical discharge machinable alumina zirconia niobium carbide composites - Influence of stabilizer content

• Autorzy: Schmitt-Radloff U. , Kern F. , Gadow R.

Warianty tytułu

PL

Kompozyty tlenek glinu - tlenek cyrkonu - węglik niobu do obróbki elektroerozyjnej - wpływ zawartości stabilizatora

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Manufacturing of customized components of hard and tough structural ceramics by conventional technologies suffers from high cost in the final hard machining step. Electric discharge machining can be a cost efficient alternative as the machining process is contact-free and thus material removal becomes independent on mechanical properties. To be ED-machinable, ceramics require a certain electrical conductivity, which can be achieved by addition of an electrically conductive phase. In this study materials containing a micron-size conductive dispersion of 24 vol.% of niobium carbide in a sub-micron-size matrix of zirconia toughened alumina containing 17 vol.% of zirconia of various yttria stabilizer contents were studied. Starting powders were alloyed by a mixing and milling process in 2-propanol and samples were produced by subsequent hot pressing at 1525 °C for 2 h at 40 MPa axial pressure in a graphite die. Mechanical properties, microstructure and phase composition were studied. The ED-machinability in a wire cutting process was investigated with respect to machining speed, surface quality and ED-induced subsurface damage. It was found that yttria stabilizer content affects mechanical properties. A maximum fracture resistance was found at a stabilizer content of 1 mol.% while bending strength varied little with stabilizer content. ED-machinability was unaffected by stabilizer content.

PL

Wysokie koszty finalnej obróbki skrawaniem negatywnie oddziałują na wytwarzanie na zamówienie komponentów z twardej i wytrzymałej ceramiki konstrukcyjnej za pomocą tradycyjnych technologii. Obróbka elektroerozyja może stanowić kosztowo efektywną alternatywę, ponieważ proces obróbki jest bezkontaktowy i dlatego usuwanie materiału staje się niezależne od właściwości mechanicznych. Aby być obrabialną elektroerozyjnie, ceramika wymaga pewnej przewodności elektrycznej, którą można osiągnąć poprzez dodanie fazy przewodzącej elektrycznie. W niniejszej pracy badano materiały zawierające przewodzącą dyspersję węglika niobu w ilości 24% obj. w submikronowej osnowie tlenku glinu wzmacnianego tlenkiem cyrkonu, która zawierała 17% obj. tego tlenku z różną zawartością stabilizatora. Wyjściowe proszki homogenizowano drogą mieszania i mielenia w 2-propanolu, a próbki wytwarzano poprzez następcze prasowanie na gorąco w 1525 °C przez 2 h pod jednoosiowym ciśnieniem 40 MPa w formie grafitowej. Zbadano właściwości mechaniczne, mikrostrukturę i skład fazowy. Obrabialność elektroerozyjną w procesie cięcia włóknem badano w odniesieniu do szybkości obróbki, jakości uzyskanej powierzchni i podpowierzchniowego uszkadzania, wywołanego obróbką elektroerozyjną. Stwierdzono, że zawartość stabilizatora w postaci tlenku itru oddziałuje na właściwości mechaniczne. Maksymaną odporność na pękanie stwierdzono przy udziale stabilizatora wynoszącym 1% mol., podczas gdy wytrzymałość na zginanie zmieniała się nieznacznie wraz z zawartością stabilizatora. Obrabialność elektroerozyjna nie zależała od zawartości stabilizatora.

Słowa kluczowe

EN

ZTA; ZrO2; Al2O3; NbC; electrical discharge machining; mechanical properties

PL

ZTA; ZrO2; Al2O3; NbC; obróbka elektroektroerozyjna; właściwości mechaniczne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 69, nr 3
• Strony: 272--278
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Schmitt-Radloff U.

• University of Stuttgart, Institute for Manufacturing Technologies of Ceramic Components and Composites (IFKB), Alimandring 7b, 70569 Stuttgart, Germany

autor

Kern F.

• University of Stuttgart, Institute for Manufacturing Technologies of Ceramic Components and Composites (IFKB), Alimandring 7b, 70569 Stuttgart, Germany

autor

Gadow R.

• University of Stuttgart, Institute for Manufacturing Technologies of Ceramic Components and Composites (IFKB), Alimandring 7b, 70569 Stuttgart, Germany

Bibliografia

• [1] Wang, J. Stevens, R.: Zirconia-toughened alumina (ZTA) ceramics, J. Mater. Sci., 24, (1989), 3421–3440.
• [2] Sommer, F., Landfried, R., Kern, F., Gadow, R.: Mechanical properties of zirconia toughened alumina with 10–24 vol.% 1.5 mol% Y-TZP reinforcement, J. Eur. Ceram. Soc., 32, (2012). 3905–3910.
• [3] Sommer, F., Landfried, R., Kern, F., Gadow, R.: Mechanical properties of zirconia toughened alumina with 10–24 vol.% 1Y-TZP reinforcement, J. Eur. Ceram. Soc., 32, (2012), 4177–4184.
• [4] Landfried, R.: Funkenerosiv bearbeitbare Keramiken für den Werkzeug- und Formenbau, Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2014, Shaker, Aachen, 2014.
• [5] Landfried, R., Kern, F., Burger, W., Leonhardt, W., Gadow, R.: Development of Electrical Discharge Machinable ZTA Ceramics with 24 vol% of TiC, TiN, TiCN, TiB2 and WC as Electrically Conductive Phase, Int. J. Appl. Ceram. Technol., 10, (2013), 509–518.
• [6] Acchar, W., Greil, P., Martinelli, A. E., Vieira, F. A., Bressiani, A., Bressiani, J. C.: Effect of Y2O3 addition on the densification and mechanical properties of alumina–niobium carbide composites, Ceram. Int., 27, (2001), 225–230.
• [7] Pasotti, R. M., Bressiani, A. H. A., Bressiani, J.: Sintering of alumina-niobium carbide composite, Int. J. Refract. Metals Hard Mater., 16, (1998), 423–427.
• [8] Acchar, W., Cairo, C. A., Segadães, A. M.: TEM study of a hot-pressed Al2O3-NbC composite material, Mater. Res., 8, (2005), 109–112.
• [9] Acchar, W., Camara, C. R. F., Cairo, C. A. A., Filgueira, M.: Mechanical performance of alumina reinforced with NbC, TiC and WC, Mater. Res., 15, (2012), 821–824.
• [10] Faryna, M., Litynska, L., Kozubowski, J. A., Pedzich, Z. (Eds.), Tantalum and niobium carbides reinforced zirconia, Jagiellonian University, Kraków, 1999.
• [11] Santos, C., Maeda, L. D., Cairo, C.: Acchar, W.: Mechanical properties of hot-pressed ZrO2–NbC ceramic composites, Int. J. Refract. Metals Hard Mater., 26, (2008), 14–18.
• [12] Schmitt-Radloff, U., Kern, F., Gadow, R.: Wire-electrical discharge machinable alumina zirconia niobium carbide composites – Influence of NbC content, J. Eur. Ceram. Soc., (2017). DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.07.014
• [13] Toraya, H., Yoshimura, M., Somiya, S.: Calibration Curve for Quantitative Analysis of the Monoclinic-Tetragonal ZrO2 System by X-Ray Diffraction, J. Am. Ceram. Soc., 67, (1984), C-119-C-121.
• [14] Chen, M., Hallstedt, B., Gauckler, L.: Thermodynamic modeling of the ZrO2–YO1.5 system, Solid State Ionics, 170, (2004), 255–274.
• [15] Gregori, G., Burger, W., Sergo, V.: Piezo-spectroscopic analysis of the residual stresses in zirconia-toughened alumina ceramics: The influence of the tetragonal-to-monoclinic transformation, Mater. Sci. Eng. A, 271, (1999), 401–406.
• [16] Kern, F., Koummarasy, S., Gadow, R.: The Influence of Stabilizer Concentration on the Mechanical Properties of Alumina – 17 vol.% Zirconia (0.6Y-2Y) Composites, J. Ceram. Sci. Techn., 7, (2016), 295–300.
• [17] Griffith, A. A.: The Phenomena of Rupture and Flow in Solids, Philosophical Trans. Royal Soc. A: Math. Phys. Eng. Sci., 221, (1921), 163–198.
• [18] Irwin, G. R.: Analysis of Stresses and Strains Near the End of a Crack Traversing a Plate, J. Appl. Mech., (1957), 361–364.
• [19] Malliaris, A., Turner, D. T.: Influence of Particle Size on the Electrical Resistivity of Compacted Mixtures of Polymeric and Metallic Powders, J. Appl. Phys., 42, (1971), 614–618.
• [20] Lux, F.: Models proposed to explain the electrical conductivity of mixtures made of conductive and insulating materials, J. Mater. Sci., 28, (1993), 285–301.
• [21] Ran, S., Gao, L.: Electrical properties and microstructural evolution of ZrO2–Al2O3–TiN nanocomposites prepared by spark plasma sintering, Ceram. Int., 38, (2012), 4923–4928.
• [22] Landfried, R., Kern, F., Burger, W., Leonhardt, W., Gadow, R.: Wire-EDM of ZTA-TiC Composites with Variable Content of Electrically Conductive Phase, Key Eng. Mater., 504-506, (2012), 1165–1170.