The abrasive wear susceptibility of innovative ATZ type composites produced by sintering mix of zirconia powders with different chemical composition

• Autorzy: Grabowy Marek , Wojteczko Kamil , Wojteczko Agnieszka , Dębiński Piotr , Almansour Sana Ahmad , Minh Le Huy , Bućko Mirosław M. , Pędzich Zbigniew

Warianty tytułu

PL

Podatność na zużycie abrazyjne kompozytów typu ATZ otrzymanych w procesie spiekania mieszaniny proszków dwutlenku cyrkonu o różnym składzie chemicznym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Composites based on tetragonal zirconia polycrystals modified with corundum inclusions ATZ (alumina toughened zirconia), are one of the basic and more commonly used ceramic structural materials. They are used especially willingly as parts of devices and machinery working in both dry and wet wear conditions in the presence of hard abrasive particles intensifying wear processes. The mechanical properties of such composites, strength and fracture toughness mainly, strongly depend on their chemical and phase compositions as well as microstructure. The aim of the present work was to investigate an innovative type of ATZ material composed of a mixture of two ZrO2 powders with different chemical composition and a small addition (2.3 vol.%) of nanometric corundum powder. The proper composite materials additionally contained 10 or 20 vol.% commercially available corundum particles. Tests were carried out on the mentioned materials for abrasive wear susceptibility according to the ASTM Dry Sand Test and ASTM Miller Test, using silicon carbide particles as the abrasive medium. As a reference materials, typical TZP (tetragonal zirconia polycrystals) material prepared using commercial powder and ZTA (zirconia toughened alumina) material containing 5 vol.% zirconia dispersed in an alumina matrix were used. The obtained results allowed the usability of the individual composite materials to be verified under various operating conditions.

PL

Kompozyty na osnowie tetragonalnego dwutlenku cyrkonu, modyfikowane wtrąceniami korundowymi (alumina toughened zirconia, ATZ), są jednym z podstawowych i częściej stosowanych ceramicznych tworzyw konstrukcyjnych. Szczególnie chętnie są stosowane jako elementy maszyn i urządzeń pracujące w warunkach tarcia suchego lub w obecności wody, często w obecności twardych cząstek intensyfikujących procesy zużycia. Właściwości mechaniczne tego typu kompozytów, głównie wytrzymałość i odporność na kruche pękanie, silnie zależą od ich składu chemicznego, fazowego i mikrostruktury. Celem niniejszej pracy było zbadanie innowacyjnego typu kompozytów ATZ, w którym jako osnowę zastosowano mieszaninę dwóch proszków ZrO2 o różnym składzie chemicznym z niewielkim (2,3% obj.) dodatkiem nanometrycznego proszku korundu. Właściwe materiały kompozytowe zawierały ponadto komercyjnie dostępne ziarna korundu w ilości 10 lub 20% obj. Wykonano dla tych materiałów testy podatności na zużycie ścierne luźnym ścierniwem węglika krzemu według norm ASTM - Dry Sand Test i Miller Test. Jako materiałów odniesienia użyto typowego materiału TZP (tetragonal zirconia polycrystals) uzyskanego z komercyjnego proszku oraz materiału typu ZTA (zirconia toughened alumina). Otrzymane wyniki pozwoliły zweryfikować użyteczność poszczególnych typów kompozytu w różnych warunkach pracy.

Słowa kluczowe

EN

zirconia; alumina; composites; zirconia toughened alumina; abrasive wear susceptibility

PL

dwutlenek cyrkonu; tlenek glinu; kompozyty; dwutlenek cyrkonu wzmocniony tlenkiem glinu; podatność na zużycie ścierne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2020
• Tom: R. 20, nr 1
• Strony: 11--16
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Grabowy Marek

• IEN Institute of Power Engineering, Ceramics Division CEREL, ul. Techniczna 1, 36-040 Boguchwała, Poland

autor

Wojteczko Kamil

• AGH - University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Department of Ceramics and Refractory Materials al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Wojteczko Agnieszka

• AGH - University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Department of Ceramics and Refractory Materials al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Dębiński Piotr

• AGH - University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Department of Machine Design and Technology al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Almansour Sana Ahmad

• AGH - University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Department of Ceramics and Refractory Materials al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland
• HIAST Higher Institute for Applied Science and Technology, Department of Physics, H838+WJ Damascus, Syria

autor

Minh Le Huy

• AGH - University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Department of Ceramics and Refractory Materials al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland
• Hanoi University of Mining and Geology, Advanced Programme in Chemical Engineering, 18 Pho Vien St., Duc Thang Ward, Bac Tu Liem District, 100000 Hanoi, Vietnam

autor

Bućko Mirosław M.

• IEN Institute of Power Engineering, Ceramics Division CEREL, ul. Techniczna 1, 36-040 Boguchwała, Poland

autor

Pędzich Zbigniew

• IEN Institute of Power Engineering, Ceramics Division CEREL, ul. Techniczna 1, 36-040 Boguchwała, Poland

Bibliografia

• [1] Okada A., Automotive and industrial applications of structural ceramics in Japan, J. Eur. Ceram. Soc. 2008, 28, 5, 1097-1104.
• [2] Wang J., Stevens R., Zirconia-toughened alumina (ZTA) ceramics, J. Mater. Sci. 1989, 24, 3421-3440.
• [3] Claussen N., Fracture toughness of Al2O3 with an unstabilized ZrO2 dispersed phase, J. Amer. Ceram. Soc. 1976, 59, 1-2, 49-51.
• [4] Chevalier J., What future for zirconia as a biomaterial? Biomaterials 2006, 27, 4, 535-543.
• [5] Pabst W., Gregorová E., Effective thermal and thermoelastic properties of alumina, zirconia and alumina-zirconiacomposite ceramics, New Develop. Mater. Sci. Res. 2006, 90-110.
• [6] Chaim R., Pressureless sintered ATZ and ZTA ceramic composites, J. Mater. Sci. 1992, 27, 5597-5602.
• [7] Basu B., Vleugels J., Van Der Biest O., ZrO2-Al2O3 composites with tailored toughness, J. Alloys Compds. 2004, 372, 278-284.
• [8] Magnani G., Brillante A., Effect of the composition and sintering process on mechanical properties and residualstresses in zirconia-alumina composites, J. Eur. Ceram. Soc. 2005, 25, 15, 3383-3392.
• [9] Casellas D., Ràfols I., Llanes L., Anglada M., Fracture toughness of zirconia-alumina composites, Int. J. Refr. Metals Hard Mater. 1999, 17, 11-20.
• [10] Tuan W.H., Chen R.Z., Wang T.C., Cheng C.H., Kuo P.S., Mechanical properties of Al2O3/ZrO2 composites, J. Eur. Ceram. Soc. 2002, 22, 16, 2827-2833.
• [11] Grabowy M., Maciewicz K., Łuszcz M., Pędzich Z., Bućko M.M., Mechanical properties of ATZ-type composites obtained in the sintering process of zirconia powders with different chemical composition, Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials 2019, 71, 3, 286-294.
• [12] ASTM G65 Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus 1991.
• [13] ASTM G75 Standard Test Method for Determination of Slurry Abrasivity (Miller Number) and Slurry Abrasion Response of Materials (SAR Number) 2001.
• [14] Pędzich Z., Wear of composite materials with alumina and zirconia matrices in different environments of work, Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials 2009, 61, 1, 151-155.
• [15] Wojteczko A., Lach R., Wojteczko K., Pędzich Z., Investigation of subcritical crack growth phenomenon and estimation of life time of alumina and alumina-zirconia composites with different phase arrangement, Ceram. Int. 2016, 42, 8, 9438-9442.
• [16] Dudek A., Grabowski G., Lach R., Kot M., Ziąbka M., Wojteczko K., Pędzich, Z., The influence of thermal residual stress state on the abrasive wear rates of oxide matrices particulate composites in different work environments, In: Brandt A.M., Olek J., Glinicki M.A., Leung C.K.Y., Lis J. (Eds.), Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Brittle Matrix Composites 2015, 11, 75-81.
• [17] Pędzich Z., Jasionowski K., Ziąbka M., Cavitation wear of structural oxide ceramics and selected composite materials, J. Eur. Ceram. Soc. 2014, 34, 14, 3351-56.
• [18] Xie S., Iglesia E., Bell A.T., Water-assisted tetragonal-to-monoclinic phase transformation of ZrO2 at low temperatures, Chem. Mater. 2000, 12, 2442-2447.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).