納米氧化鋯增韌氧化鋁基陶瓷刀具材料的效果

Al2O3陶瓷是一種高性能的結(jié)構(gòu)陶瓷,具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度抗氧化性、耐磨性、耐腐蝕性等,并且易于燒結(jié)、價(jià)格低廉,因而獲得了廣泛應(yīng)用。但是,由于氧化鋁陶瓷的室溫強(qiáng)度較低、斷裂韌度較差,使其應(yīng)用范圍受到一定限制。

以宣城晶瑞新材料有限公司生產(chǎn)的99.99%氧化鋁粉體（VK-L30,VK-L100,VK-L200,VK-L300）為基體，添加宣城瑞新材料有限公司生產(chǎn)的納米ZrO2粉體(VK-R30, VK-R50)，主晶相為單斜相，加入Y2O3 作為穩(wěn)定劑 ，添加MgO作為助燒劑。按納米ZrO2的不同添加量分別進(jìn)行配料。將納米粉體分散后,把所有混合液裝入球磨罐中進(jìn)行高能球磨, 然后將球磨后的復(fù)合料在真空干燥箱中干燥,并將干燥后的復(fù)合粉料過篩。將粉料裝入石墨磨具中進(jìn)行熱壓燒結(jié)對(duì)燒結(jié)后的試樣進(jìn)行切片、粗磨、細(xì)磨、研磨和拋光,制備成標(biāo)準(zhǔn)試樣。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在氧化鋁基體（VK-L30,VK-L100,VK-L200,VK-L300）中添加適量的納米四方相氧化鋯(VK-R30Y3, VK-R50Y3,VK-R30Y5, VK-R50Y5),在適當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝下，可以明顯提高基體材料的抗彎強(qiáng)度,其值比純氧化鋁陶瓷提高2~3倍。由于加入納米氧化鋯(VK-R30, VK-R50)后,納米顆粒對(duì)基體晶界的釘扎作用意制了基體氧化鋁晶粒的長(zhǎng)大,根據(jù)Hall2Pach理論,材料的抗彎強(qiáng)度與晶粒尺寸的平方根成反比,因此使材料抗彎強(qiáng)度大幅提高。此外,納米顆粒對(duì)基體晶界的釘扎作用可以顯著降低基體晶粒異常長(zhǎng)大的發(fā)生,使材料的微觀結(jié)構(gòu)更加均勻,有利于材料中臨界缺陷尺寸的減小,從而提高材料的抗彎強(qiáng)度。隨著納米氧化鋯(VK-R30, VK-R50)含量的增大，這幾種作用逐步加強(qiáng),材料的抗彎強(qiáng)度隨之增大;但隨著納米氧化鋯含量繼續(xù)增大，由于納米粉體的自由表面能較大,致使納米粉體團(tuán)聚加劇,影響了材料的燒結(jié)致密度,使復(fù)合材料致密度下降,造成材料的抗彎強(qiáng)度隨之下降。陶瓷材料在燒結(jié)溫度為1600℃時(shí)獲得的斷裂韌度可達(dá)6. 13MPa m/2,比純Al2O3陶瓷提高了一倍。

納米氧化鋯(VK-R30, VK-R50,VK-R30Y3, VK-R50Y3,VK-R30Y5, VK-R50Y5)可以明顯意制基體氧化鋁晶粒的生長(zhǎng)，這是材料的主要增強(qiáng)機(jī)制。

納米3Y- ZrO2(VK-R30Y3, VK-R50Y3)的含量在15wt %時(shí),材料的綜合力學(xué)性能(抗彎強(qiáng)度766174MPa ,斷裂韌度6113MPa m'2 ,維氏硬度18132GPa) ,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了單相氧化鋁材料的力學(xué)性能,表明加入納米氧化鋯(VK-R30, VK-R50,VK-R30Y3, VK-R50Y3,VK-R30Y5, VK-R50Y5)可使材料的力學(xué)性能大幅提高。