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(kāi)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(lái)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(lái)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(guò)研究。據(jù)稱(chēng)，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(zhǎng)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(lèi)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(lèi)CeAlO3相的形成。Sayle等人研究過(guò)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(chēng)，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(chē)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(chēng)，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(cè)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(guó)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(xiàn)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(chē)床上用在實(shí)驗(yàn)室制備的新開(kāi)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(lái)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(guò)測(cè)量刀片后面磨損和已加工工件表面光潔度來(lái)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取奶沾傻镀竺婺p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(kāi)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(chē)削既要保持尺寸精度又要保持表面質(zhì)量。尺寸精度由車(chē)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(chē)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(chē)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。