Effects of nano-nickel and MgO addition to alumina based matrices on properties of the resultant composites

• Autorzy: Golonka A. , Moskała N. , Putyra P. , Pyda W.

Warianty tytułu

PL

Wpływ dodatku nano-niklu i MgO do osnowy Al2O3 na właściwości wynikowych kompozytów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Ni/Al2O3 composites were produced by using alumina nano- and micropowders, and 1.7 vol.% Ni nano-particles prepared by an oxalate method. Uniform mixtures of alumina and nano-nickel particles were consolidated by the SPS method for 7 min at 1400 °C in argon. Effects of second-phase nano-particles, MgO-dopant and particle size of alumina powder on the microstructure and, in turn on, the resultant density, hardness, fracture toughness and wear resistance of the composites were studied. XRD, SEM, EDS, image analysis, Vickers indenting and wear resistance testing were used to determine the microstructural and mechanical properties of the studied materials. The MgO-dopant controlled the microstructure of Al2O3 polycrystals limiting abnormal grain growth, but in case of the Ni/Al2O3 composites a pinning effect, coming from nickel nano-particles, was more pronounced in reducing alumina grain sizes than a solute drag mechanism incorporated by the MgO additive. The alumina matrix composite hardened with nickel nano-particles was produced which showed a hardness of 18.3 GPa and very high wear resistance, as a result of the Hall-Petch effect.

PL

Wytworzono kompozyty Ni/Al2O3, wykorzystując nano- i mikroproszki tlenku glinu oraz nanocząstki niklu w ilości 1.7% obj., które otrzymano metodą szczawianową. Jednorodne mieszaniny cząstek tlenku glinu nano-niklu konsolidowano metodą SPS przez 7 min w 1400 °C w argonie. Zbadano wpływ nanocząstek drugiej fazy, dodatku MgO i rozmiaru wyjściowego cząstek tlenku glinu na mikrostrukturę kompozytów i, jako skutek, na ich gęstość, twardość, odporność na pękanie i odporność na ścieranie. Wykorzystano metody XRD, SEM, EDS, analizę obrazu, metodę Vickersa i badania odporności na ścieranie, aby scharakteryzować mikrostrukturę i właściwości mechaniczne badanych materiałów. Dodatek MgO kontrolował mikrostrukturę polikryształów Al2O3, ograniczając nieciągły rozrost ziaren tlenku glinu, ale w przypadku kompozytów okazał sie mniej skuteczny niż dodatek nanocząstek niklu, które działały poprzez mechanizm kotwiczenia granic. Wytworzono kompozyt z osnową tlenku glinu utwardzony nanocząstkami niklu o twardości 18.3 GPa i bardzo dobrej odporności na ścieranie, jako wynik działania efektu Hall-Petcha.

Słowa kluczowe

EN

Al2O3; nickel nano-particle; nanocomposite; microstructure final; cutting tool

PL

Al2O3; nanocząstka niklu; nanokompozyt; mikrostruktura finalna; nóż do obróbki skrawaniem

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2014
• Tom: T. 66, nr 2
• Strony: 175--184
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Golonka A.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Material Science and Ceramics, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Moskała N.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Material Science and Ceramics, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Putyra P.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Material Science and Ceramics, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Pyda W.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Material Science and Ceramics, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Moya, J. S., Lopez-Esteban, S., Pecharromán, C.: The challenge of ceramic/metal microcomposites and nanocomposites, Prog. Mater. Sci., 52, 7, (2007), 1017–1090.
• [2] Lopez-Esteban, S., Rodriguez-Suarez, T., Esteban-Betegón, F., Pecharromán C., Moya J. S.: Mechanical properties and interfaces of zirconia/nickel in micro- and nanocomposites, J. Mater. Sci., 41, 16, (2006), 5194-5199.
• [3] Esteban-Betegón, F., Lopez-Esteban, S., Requena, J., Pecharromán, C., Moya, J. S.: Obtaining Ni Nanoparticles on 3Y-TZP Powder from Nickel Salts, J. Am. Ceram. Soc., 89, 1, (2006), 144–150.
• [4] Rodriguez-Suarez, T., Díaz, L. A., Torrecillas, R., Lopez- Esteban, S., Tuan, W. H., Nygren, M., Moya, J. S.: Alumina/tungsten nanocomposites obtained by Spark Plasma Sintering, Comp. Sci. Tech., 69, (2009), 2467–2473.
• [5] Pecharromán, C., Esteban-Betegón, F., Bartolomé, J. F., Richter, G., Moya, J. S.: Theoretical Model of Hardening in Zirconia-Nickel Nanoparticle Composites, Nano Letters, 4, (2004), 747-751.
• [6] Konopka, K., Miazga, A., Właszczuk, J.: Fracture toughness of Al2O3-Ni composites with nickel aluminate spinel phase NiAl2O4, Composites, 11:3, (2011), 197-201.
• [7] Konopka, K., Kuczyński, P., Miazga, A., Riegert, D.: Effect of Sintering Atmosphere on Microstructure and Properties Al2O3-Ni Composites, Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials, 64, 1, (2012), 89-93.
• [8] Wang, T. C., Chen, R. Z., Tuan, W. H.: Oxidation resistance of Ni-toughened Al2O3, J. Eur. Ceram. Soc., 23, (2003), 927-934.
• [9] Golonka, A., Drożdż-Cieśla, E., Moskała, N., Pyda, W.: Effects of the nickel oxalate precursor and SPS consolidation process on properties of Ni/Al2O3 composites, Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials, 65, 2, (2013), 227-234.
• [10] Rahaman M. N.: Sintering of Ceramics, CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, FL, 2008.
• [11] Coble, R. L.: Sintering crystalline solids. II Experimental test of diffusion models in powder compacts, J. Appl. Phys., 32, (1961), 793.
• [12] Yao, X., Huang, Z., Chen, L., Jiang, D., Tan, S., Michel, D., Wang, G., Mazerolles, L., Pastol, J.-L.: Alumina–nickel composites densified by spark plasma sintering, Materials Lett., 59, 18, (2005), 2314-2318.
• [13] Saltykov, S. A.: Stereometric Metallography, 3rd edn., Metallurgy, Moscow, 1970 (in Russian)
• [14] Ravichandran, K. S.: Elastic Properties of Two – Phase Composites, J. Am. Ceram. Soc., 77, (1994), 1178–1184.
• [15] Rollet. A. D., Srolovitz, D. J., Anderson, M. P.: Simulation and theory of abnormal grain growth – anisotropic grain boundary energies and mobilities, Acta Metall., 37, (1989), 1227.
• [16] Yang, W., Chen, L., Messing, G. L., Computer simulation of anisotropic grain growth, Mater. Sci. Eng. A, 195, (1995), 179.
• [17] Kunaver, U., Kolar. D.: Three-dimensional computer simulation of anisotropic grain growth in ceramics, Acta Mater., 46, (1998), 4629.
• [18] Harmer, M.P.: A history of the role of MgO in the sintering of α-Al2O3, Ceram. Trans., 7, (1990), 13.
• [19] Berry, K. A., Harmer, M. P.: Effect of MgO solute on microstructure development in Al2O3, J. Am. Ceram. Soc., 69, (1986), 143.
• [20] Handwerker, C. A., Dynys, J. M., Cannon, P. M., Coble, R. L., Dihedral angles in magnesia and alumina: distributions from surface thermal grooves, J. Am. Ceram. Soc., 73, (1990), 1371.
• [21] Bennison, S. J., Harmer, M. P., Effect of MgO solute on the kinetics of grain growth in Al2O3, J. Am. Ceram. Soc., 66, (1983), C90.
• [22] Cahn, J. W.: The impurity drag effect in grain boundary motion, Acta Metall., 10, (1962) 789.
• [23] Smith, C. S.: Grains, phases, and interfaces: an interpretation of microstructure, Trans. AIME, 175, (1948), 15.
• [24] Srolovitz, D. J., Anderson, M. P., Grest, G. S., Sahni, P. S.: Computer simulation of grain growth – III. Influence of particles dispersion, Acta Metall., 32, (1984), 1429.
• [25] Doherty, R. D., Srolovitz, D. J., Rollett, A. D., Anderson, M. P.: On the volume fraction dependence of particle-inhibited grain growth, Scripta Metall., 21, (1987), 675.
• [26] Anderson, M. P., Grest, G. S., Doherty, R. D., Li, K., Srolovitz, D. J.: Inhibition of grain growth by second-phase particles: three-dimensional Monte Carlo simulations, Scripta Metall., 23, (1989), 753.
• [27] Samsonov, G. V.: Handbook of the physicochemical properties of the elements, New York, USA, IFIPlenum. 1968.