陶瓷的迅速發(fā)展為許多工程應(yīng)用引進(jìn)了各種陶瓷復(fù)合材料。陶瓷復(fù)合材料的發(fā)展在很大程度上是由于基本陶瓷顯微組織的改進(jìn)，這就引起了顯微組織增強(qiáng)陶瓷的開發(fā)。添加顆粒和晶須/纖維能夠改善脆性陶瓷的斷裂韌性，可能引起斷裂韌性改善的機(jī)理是相變及伴生應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g和微裂紋增韌、韌性增強(qiáng)、孿生和纖維/晶須增強(qiáng)。氧化鋁（Al2O3）是一種特別重要的陶瓷材料，在技術(shù)上有很多用途。氧化鋁具有硬度大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐磨和熔點(diǎn)高等多種特殊性能。氧化鋁陶瓷即便在高達(dá)1100℃的溫度下也能維持其強(qiáng)度的90%。氧化鋁在耐火材料、研磨劑、切削刀具、高溫軸承及各種機(jī)械零件中都有廣泛的應(yīng)用。氧化鋁具有不同的相，其中α-Al2O3是一種穩(wěn)定相。除了熱力學(xué)穩(wěn)定的α-Al2O3或剛玉之外，氧化鋁還有許多亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)，像γ-Al2O3被廣泛用作催化劑。剛玉或α-Al2O3具有六方晶胞。γ-Al2O3通常被認(rèn)為是一種尖晶石次品，具有正方晶胞。氧化鈰通常呈淡黃色，廣泛用來研磨光學(xué)玻璃和工藝美術(shù)品，在玻璃生產(chǎn)中也用作褪色劑和清洗劑。氧化鈰由于其在催化劑、固態(tài)氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料、高折射率材料和硅襯底絕緣層等方面的諸多用途，一直被進(jìn)行著廣泛的研究。與廣泛用于切削刀具的傳統(tǒng)氧化鋁相比，氧化鈰被認(rèn)為是一種軟質(zhì)陶瓷材料。氧化鈰也被用作一種穩(wěn)定劑，可將氧化鋯完全穩(wěn)定在其正方相（t-相），即所謂的正方氧化鋯多晶。

　　從γ-Al2O3向α-Al2O3相變的特點(diǎn)是表面積減少。氧化鈰被用來防止α-氧化鋁相變，有助于在溫度高達(dá)1000℃的還原條件下有效地保持較高的表面積。氧化鋁—氧化鈰復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于催化轉(zhuǎn)化器。γ-Al2O3具有大的表面積，但由于相變能發(fā)揮有效作用的溫度范圍有限，Alessandro等人對(duì)CeO2含量為2%～25%的Al2O3/CeO2復(fù)合材料在不同氣氛中的熱穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性作過研究。據(jù)稱，在氧化條件下氧化鈰作為γ-Al2O3的穩(wěn)定劑幾乎完全失效，在還原條件下其效果則有明顯的提高。在還原條件下Ce3＋（主要為CeAlO3）的形成能阻止晶體生長且能防止導(dǎo)致表面積減少的α-Al2O3的生成。Damyanova等人以不同的CeO2含量（在0.5～12wt.%范圍內(nèi)）制備了Al2O3/CeO2混合氧化物。將樣品在500℃和800℃進(jìn)行煅燒，并用不同的方法加以表征。試驗(yàn)表明，CeO2含量和煅燒溫度不同，樣品表面上形成的氧化鈰種類不盡相同。CeO2含量高于6wt.%，則氧化鋁表面形成納米氧化鈰，且氧化鈰濃度較低時(shí)為非晶態(tài)。如果添加1wt.%CeO2, 氧化鋁和氧化鈰之間存在的強(qiáng)相互作用則導(dǎo)致表面類CeAlO3相的形成。Sayle等人研究過氧化鈰涂層對(duì)氧化鋁的影響，并對(duì)界面缺陷進(jìn)行了分析。據(jù)稱，界面氧空位對(duì)Al2O3界面CeO2單層不太穩(wěn)定。據(jù)Holles等人報(bào)道，帶有金屬鉑的氧化鋁－氧化鈰復(fù)合材料（Pd/CeOx/Al2O3和Rh/CeOx/Al2O3）被用作催化轉(zhuǎn)化器，可清除汽車排放的一氧化碳、氮氧化合物及未燃燒的碳?xì)浠衔锏葟U氣。也有報(bào)道稱，氧化鈰的存在可提高催化轉(zhuǎn)化器的性能。Zhang等人以傳統(tǒng)方法用CeO2、Al2O3及GdO2粉末制備了復(fù)合氧化物粉末，并在大氣中于1550℃燒結(jié)5小時(shí)。對(duì)顯微硬度和壓痕斷裂韌性進(jìn)行的測定表明，Ce0.8Gd0.2O2陶瓷的威氏硬度為9.23GPa, 壓痕斷裂韌性為1.47MPam1/2。樣品的Al2O3含量若高于10%，則硬度和斷裂韌性均有顯著的提高。

　　實(shí)驗(yàn)程序

　　將平均粒度分別為1.2μm和5μm的95wt.%氧化鋁粉末和5wt.%氧化鈰粉末加以混合。將氧化鋁－氧化鈰混合物與聚乙烯醇混合，以200MPa壓力單向冷壓成菱形刀片。將生坯在大氣中于1600℃燒結(jié)2.5小時(shí)。為便于比較，按上述程序在相同條件下冷壓和燒結(jié)純氧化鋁粉末。燒結(jié)試樣在磨床上用金剛石砂輪進(jìn)行精加工。刀片的最終形狀和尺寸符合國際標(biāo)準(zhǔn)ISO CNGN120708的要求。氧化鋁－氧化鈰生坯的密度為理論密度的62%，燒結(jié)試樣的密度則為理論密度的96%。純氧化鋁生坯的密度為理論密度的59%，燒結(jié)試樣的密度則為理論密度的92%。燒結(jié)氧化鋁－氧化鈰刀片的XRD（X射線衍射）花樣證實(shí)，燒結(jié)氧化鋁－氧化鈰刀片存在α-Al2O3（corundum）和CeO2（cerianite）。氧化鋁－氧化鈰刀片的硬度為1680HV，而純氧化鋁刀片的硬度為1650HV。氧化鋁－氧化鈰刀片由于致密化程度得到提高，硬度稍高于純氧化鋁刀片。氧化鋁－氧化鈰刀片的斷裂韌性為4.7MPam1/2，而純氧化鋁刀片的斷裂韌性為3.4MPam1/2。氧化鋁－氧化鈰的斷裂韌性值高于純氧化鋁源于復(fù)合材料的顆粒增韌。Kim等人認(rèn)為，該復(fù)合材料的硬度、斷裂韌性、彈性模量和強(qiáng)度等機(jī)械性能的提高是由于燒結(jié)密度的改善。

　　在精密車床上用在實(shí)驗(yàn)室制備的新開發(fā)氧化鋁－氧化鈰陶瓷刀片對(duì)灰鑄鐵工件（硬度170BHN）進(jìn)行切削試驗(yàn)。為便于比較，切削試驗(yàn)還用實(shí)驗(yàn)室制備的純氧化鋁刀片和工業(yè)氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）刀片。工業(yè)ZTA刀片含有96.5wt.%氧化鋁和3.5wt.%氧化鋯。其密度高于理論密度的99%。ZTA的硬度為1730HV，斷裂韌性為4.5MPam1/2。因陶瓷一般用來加工鑄鐵，故切削試驗(yàn)選用灰鑄鐵。切削用量：切削速度120、170、270m/min，進(jìn)給量0.12mm/r，切削深度0.5mm，加工時(shí)間15min，干切。刀桿規(guī)格為ISO CCLNR 2525 M 1207。陶瓷刀片的性能通過測量刀片后面磨損和已加工工件表面光潔度來評(píng)價(jià)。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

　　刀具磨損對(duì)刀具耐用度、加工表面質(zhì)量及尺寸精度產(chǎn)生不利影響，從而影響切削加工的經(jīng)濟(jì)效益。在不同形式的刀具磨損中，后面磨損乃是衡量刀具磨損的一個(gè)重要尺度，因?yàn)樗绊懝ぜ某叽缇?。從陶瓷刀片后面磨損隨加工時(shí)間的變化圖和陶瓷刀片后面磨損隨切削速度的變化圖可以看出，氧化鋁－氧化鈰刀片的后面磨損與工業(yè)ZTA刀片不相上下，低于純氧化鋁刀片。后面磨損中主要的磨損機(jī)理是磨料磨損和黏著磨損。陶瓷刀具的后面磨損隨著切削速度的提高而增加。如同其它陶瓷刀具一樣，氧化鋁－氧化鈰陶瓷刀片的后面磨損也是漸進(jìn)性的，在給定加工條件下加工灰鑄鐵并未觀察到嚴(yán)重的磨損花紋。新開發(fā)的氧化鋁－氧化鈰刀片的抗后面磨損性由于機(jī)械性能的改善而優(yōu)于純氧化鋁刀片。

　　表面光潔度不僅影響加工件的尺寸精度，而且還影響其性能。車削既要保持尺寸精度又要保持表面質(zhì)量。尺寸精度由車刀的后面磨損控制，表面質(zhì)量則主要取決于刀尖的形狀穩(wěn)定性。車削中的理想刀具能在工件表面上充分地復(fù)現(xiàn)其刀尖，因此車削工件表面質(zhì)量在很大程度上決定于刀尖的形狀穩(wěn)定性。從陶瓷刀片加工15min后表面粗糙度Ra與切削速度的關(guān)系可以看出，陶瓷刀片加工出的表面光潔度隨著切削速度的增加而改善。氧化鋁－氧化鈰刀片加工出的表面光潔度可與工業(yè)ZTA刀片媲美，且優(yōu)于純氧化鋁刀片。氧化鋁－氧化鈰陶瓷刀片在加工工件上表現(xiàn)的表面光潔度優(yōu)于純氧化鋁刀片，其原因在于機(jī)械性能的改善使刀尖形狀穩(wěn)定性得到提高。