сгенерировать QR код
Открытый доступ
Только для подписчиков
Исследование характеристик керамического режущего инструмента на основе оксида алюминия (обзор)
https://doi.org/10.26896/1028-6861-2026-92-4-43-49
Аннотация
Керамические материалы на основе оксида алюминия (Al2O3) широко применяют в промышленности благодаря уникальному сочетанию высокой твердости, термостойкости и химической инертности. Цель работы — обзор исследований эксплуатационных характеристик керамического режущего инструмента на основе оксида алюминия. Рассмотрены такие ключевые факторы, определяющие эксплуатационные характеристики инструмента, как химическая чистота исходных порошков, модификация состава керамики с учетом условий эксплуатации, микроструктура материала (размер зерна, пористость, состояние границ зерен) и остаточные напряжения, возникающие при спекании керамик. Показано, что износостойкость керамик на основе Al2O3 в первую очередь определяется стабильностью границ зерен (отсутствием расположенных вдоль границ зерен аморфных фаз и пор). Твердость, зависящая от размера зерна, также оказывает влияние. Выявлено, что наименьший износ наблюдается в керамике с размером зерна 0,4 – 0,65 мкм. Предложена процедура оценки прочности керамик, включающая расчет критического напряжения, необходимого для движения трещин вдоль границ зерен. Установлено, что после шлифовки прочность спеченной на воздухе керамики возрастает на 30 %, тогда как прочность керамики, спеченной в среде водорода, падает на 10 %. Результаты исследований могут быть использованы при разработке новых методов управления структурой границ зерен и снижения влияния структурных дефектов на эксплуатационные характеристики керамического инструмента.
При поддержке: Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 20-73-10113-П).
Об авторах
М. С. Болдин
Национальный исследовательский нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского
Россия
Россия
Максим Сергеевич Болдин
603022, г. Нижний Новгород, просп. Гагарина, д. 23
Е. А. Исупова
Национальный исследовательский нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского
Россия
Россия
Евгения Александровна Исупова
603022, г. Нижний Новгород, просп. Гагарина, д. 23
Список литературы
1. Rahaman M. N. Ceramic processing and sintering. — New York: Marcel Dekker, 2003. — 741 p. DOI: 10.1201/9781315274126
2. Melekhin N. V., Boldin M. S., Filippov A. R., et al. Investigation of the effect of grain size on the dynamic strength of finegrained aluminum oxide obtained by spark plasma sintering / Probl. Prochn. Plastich. 2023. Vol. 85. No. 1. P. 14 – 25 [in Russian]. DOI: 10.32326/1814-9146-2023-85-1-14-25
3. Ruys A. Alumina ceramics biomedical and clinical applications. — Duxford: Woodhead Publishing, 2019. — 558 p. DOI: 10.1016/c2017-0-01189-8
4. Sarin V., Mari D., Llanes L., Nebel C. Comprehensive hard materials. Ceramics. Vol. 2. — Kidlington: Elsever, 2014. — 506 p.
5. Shabani M., Gjoni A. Advancements in hard turning: leveraging ceramic cutting tools for sustainable and high-quality metalworking. Materials science. — IntechOpen, 2025. — 364 p. DOI: 10.5772/intechopen.1007455
6. Yushin D., Smirnov A., Pinargote N., Peretyagin P., Kuznetsov V., Torrecillas R. Spark plasma sintering of cutting plates / Russ. Eng. Res. 2016. Vol. 36. No. 5. P. 410 – 413. DOI: 10.3103/s1068798x16050233
7. Boldin M. S., Tikhonova D. A., Borkova A. D., et al. Comparative analysis of the structure and properties of alumina ceramics obtained by conventional pressureless sintering and SPS / Fiz. Khimiya Obrab. Mater. 2024. No. 1. P. 14 – 29 [in Russian]. DOI: 10.30791/0015-3214-2024-1-14-29
8. Yang G., Zhang Z., Li W., et al. Finite element simulation and experimental analysis of B4C-TiB2-SiC ceramic cutting tools / Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2023. Vol. 20. P. 3267 – 3278. DOI: 10.1111/ijac.14428
9. Wu. H., Liu W., Xu Y., et al. Vat photopolymerization based 3D printing of complex-shaped and high-performance Al2O3 ceramic tool with chip-breaking grooves: Cutting performance and wear mechanism / J. Asian Ceram. Soc. 2023. Vol. 11. No. 1. P. 159 – 169. DOI: 10.1080/21870764.2023.2168343
10. Liu W., Wu H., Xu Y., et al. Cutting performance and wear mechanism of zirconia toughened alumina ceramic cutting tools formed by vat photopolymerization based 3D printing / Ceram. Int. 2023. Vol. 49. No. 14A. P. 23238 – 23240. DOI: 10.1016/j.ceramint.2023.04.153
11. Wu. H., Liu W., Lin L., et al. Realization of complex-shaped and high-performance alumina ceramic cutting tools via Vat photopolymerization based 3D printing: a novel surface modification strategy through coupling agents aluminic acid ester and silane coupling agent / J. Eur. Ceram. Soc. 2023. Vol. 43. No. 3. P. 1051 – 1063. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2022.10.064
12. Schubert J., Friederich P., Burchard B., Zanger F. Development of aluminum oxide slurries for additive manufacturing by Bayesian optimization / Open Ceram. 2024. Vol. 20. 100705. DOI: 10.1016/j.oceram.2024.100705
13. Shcherbak G. V., Murashov A. A., Smetanina K. E., et al. Study of the anisotropy of the properties of the ceramic cutting insert obtained by the LCM technology of 3D printing from the composite Al2O3/ZrO2 (ZTA) / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2021. Vol. 87. No. 11. P. 64 – 69 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-11-64-69
14. Vleugels J. Fabrication, wear and performance of ceramic cutting tools / Adv. Sci. Technol. 2006. Vol. 45. P. 1776 – 1785. DOI: 10.4028/www.scientific.net/ast.45.1776
15. Brandt G., Mikus M., Senesan Z., Hogmark S. Wear mechanisms when machining grey cast iron with ceramic tools / Surface Eng. 1987. Vol. 3. No. 3. P. 211 – 225. DOI: 10.1179/sur.1987.3.3.211
16. Garshin A. P., Gropianov V. M., Zaicev G. P., Semenov S. S. Ceramics for mechanical engineering. — Moscow: Nauchtekhlitizdat, 2003. — 384 p. [in Russian].
17. Krell A., Bakun O. High-temperature hardness of Al2O3-base ceramics / Acta Metallurg. Mater. 1986. Vol. 34. No. 7. P. 1315 – 1319. DOI: 10.1016/0001-6160(86)90018-0
18. Krell A., Blank P. On abrasive wear of zirconia-toughened alumina / Wear. 1988. Vol. 124. P. 327 – 330. DOI: 10.1016/0043-1648(88)90221-9
19. Krell A. Alumina structure with improved fracture properties / Phys. Status Solid. A. 1981. Vol. 63. P. 183 – 192. DOI: 10.1002/pssa.2210630125
20. Schneider D., Krell A., Weiss T., Reich Th. Investigation of creep in (Al2O3 + ZrO2)-ceramics by ultrasonic surface waves / Acta Metallurg. Mater. 1992. Vol. 40. No. 5. P. 971 – 976. DOI: 10.1016/0956-7151(92)90074-o
21. Krell A., Pippel E., Woltersdorf J. On crack-propagation-related phenomena in Al2O3 + ZrO2 and Al2O3 sintered in air and hydrogen / Philos. Mag. A. 1986. Vol. 53. No. 1. P. L11 – L16. DOI: 10.1080/01418618608242803
22. Krell A., Blank P., Weiss T. Influence of microcracking and homogeneity on the mechanical behaviour of (Al2O3 + ZrO2) ceramics / J. Mater. Sci. 1987. Vol. 22. P. 3304 – 3308. DOI: 10.1007/bf01161196
23. Krell A. Proof testing zirconia-toughened alumina / Mater. Sci. Eng. 1988. Vol. A104. P. L1 – L5. DOI: 10.1016/0025-5416(88)90430-2
24. Krell A., Blank P. Grain size dependence of hardness in dense submicrimeter alumina / J. Am. Ceram. Soc. 1995. Vol. 78. No. 4. P. 1118 – 1120. DOI: 0.1111/j.1151-2916.1995.tb08452.x
25. Krell A., Woltersdorf J., Pippel E., Schulze D. On grain boundary strength in sintered Al2O3 / Philos. Mag. A. 1985. Vol. 51. No. 5. P. 765 – 776. DOI: 10.1080/01418618508245286
26. Krell A., Pompe W. Grain boundary microdamage due to visco-elastic relaxation of residual stresses in alumina ceramics / Phys. Status Solid. A. 1989. Vol. 111. P. 109 – 117. DOI: 10.1002/pssa.2211110111
27. Krell A., Klaffke D. Effect of grain size and humidity on fretting wear in fine-grained alumina, Al2O3/TiC, and zirconia / J. Am. Ceram. Soc. 1996. Vol. 79. No. 5. P. 1139 – 1146. DOI: 10.1002/chin.199640002
28. Krell A. Improved hardness and hierarchic influences on wear in submicron sintered alumina / Mater. Sci. Eng. 1996. A209. P. 156 – 163. DOI: 10.1016/0921-5093(95)10155-1
29. Krell A. Fracture origin and strength in advanced pressureless-sintered alumina / J. Am. Ceram. Soc. 1998. Vol. 81. No. 7. P. 1900 – 1906. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1998.tb02564.x
30. Krell A., Blank P. The influence of shaping method on the grain size dependence of strength in dense submicrometre alumina / J. Eur. Ceram. Soc. 1996. Vol. 16. P. 1189 – 1200. DOI: 10.1016/0955-2219(96)00044-1
31. Krell A., Kreher W. On subcritical crack growth in ceramics as influenced by grain size and energy-dissipative mechanisms / J. Mater. Sci. 1983. Vol. 18. P. 2311 – 2318. DOI: 10.1007/bf00541835
32. Krell A., Blank P. Inherent Reinforcement of Ceramic Microstructures by Grain Boundary Engineering / J. Eur. Ceram. Soc. 1992. Vol. 9. P. 309 – 322. DOI: 10.1016/0955-2219(92)90066-m
33. Krell A., Lippmann K. Response of polycrystalline A12O3 to diamond grinding / Wear. 1984. Vol. 97. P. 203 – 207. DOI: 10.1016/0043-1648(84)90127-3
34. Krell A., Blank P. Advances in the grinding efficiency of sintered alumina abrasives / J. Am. Ceram. Soc. 1996. Vol. 79. No. 3. P. 763 – 769. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1996.tb07940.x
35. Krell A. A new look at the influences of load, grain size, and grain boundaries on the room temperature hardness of ceramics / Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 1998. Vol. 16. P. 331 – 335. DOI: 10.1016/s0263-4368(98)00056-0
36. Krell A. A new look at grain size and load effects in the hardness of ceramics / Mater. Sci. Eng. 1998. A245. P. 277 – 284. DOI: 10.1016/s0921-5093(97)00724-7
37. Krell A., Schadlich S. Nanoindentation hardness of submicrometer alumina ceramics / Mater. Sci. Eng. 2001. A307. P. 172 – 181. DOI: 10.1016/s0921-5093(00)01818-9
Рецензия
Для цитирования:
Болдин М.С., Исупова Е.А. Исследование характеристик керамического режущего инструмента на основе оксида алюминия (обзор). Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2026;92(4):43-49. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2026-92-4-43-49
For citation:
Boldin M.S., Isupova E.A. Study of ceramic cutting tools based on aluminum oxide (review). Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2026;92(4):43-49. (In Russ.) https://doi.org/10.26896/1028-6861-2026-92-4-43-49
Просмотров:
100
JATS XML
Послать статью по эл. почте 