The status of structural ceramics in Japan is presented. Use of ceramics for structural components had been limited due to their brittleness, and the successful application was wear resistant parts such as thread guides and ceramic cutting tools up to around 1980. Since then, considerable work has been done for applying ceramics to mechanical parts, and automotive components made of silicon nitride were developed and commercialized in 1980s. Unfortunately, the application of silicon nitride to automotive engines is not so popular in these days. Instead, a variety of structural ceramics such as alumina, silicon carbide and zirconia have recently extended the market, and the expanded application includes vacuum process parts for manufacturing semiconductor and liquid crystal devices, refractory tubes for casting aluminum alloy, and dies for optical lens forming. In addition, cordierite honeycombs and diesel particulate filters are widely used in automobiles. In the present review, the recent application of structural ceramics to automobiles and industries in Japan is summarized.
Radiation of Nd-YAG laser changes and refines the surface microstructure of steels, which gives rise to enhancement of hardness and resulting wear resistance. In the present work, the effect of processing parameters during the surface modification with laser on the wear behavior of the SM45C steel was studied by means of wear testing. The counter material was alumina ceramics. The microstructure observation revealed the dependence of molten depth and width on the defocusing distance. The laser modification of steel surface give rise to improved wear resistance in the testing speed range of either <0.2 m/s or >0.9 m/s Material transfer from steel was wear observated the surface of counter material when testing speed was lower than 0.7 m/s.
The fracture characteristics and tool life of ceramics and WC, CBN cutting tool when turning heat treated steel STD11($H_RC$ 60) were investigated experimentally to clarify the machinability and optimum tool materials in cutting of difficult-to-cut material with high hardness. Forthermore, the behaviors of the tool wear and failure were examined with regard to cutting force. The hardened steel wore the cutting tool edge rapidily and increased the cutting forces, especially radial force. The tool was worn by the abrasive action. Flank Weat of $Al_2O_3-TiC$ ceramic and WC tool become relatively large and CBN & $Al_2O_3$, ceramic tool had a long life among the tool materials tested. The tool fracture patterns were just like minor cutting wear, flank wear, crater wear, notch wear, chipping. Flank wear rate was accelerated by occurrence of chipping. During the proceeding of machining, it was possible to foresee the catastrophic fracture of tool by abrupt increase of radial force.
Through the observation of wear scar of two ceramic materials, microstructural wear mechanisms was investigated. As for the $Al_2O_3$-5 vol% SiC nanocomposite, the grain boundary fracture was suppressed by the presence of SiC nano-particles. The intragranular SiC particles have inhibited the extension of plastic deformation through the whole grain. Part of plastic deformation was accommodated around SiC particles, which made a cavity at the interface between SiC and matrix alumina. On the other hand, gas-pressure sintered silicon nitride showed extensive grain boundary fracture due to the thermal fatigue. The lamination of wear scar was initiated by the dissolution of grain boundary phase. These two extreme cases showed the importance of microstructures in wear behavior.
한국결정성장학회 2000년도 Proceedings of 2000 International Nano Crystals/Ceramics Forum and International Symposium on Intermaterials
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pp.165-177
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2000
Ceramic on ceramic total hip prostheses are developed to apply to young patients because lifetime of polyethylene joint prostheses is limited by loosening due to biological response. As mating faces of all-ceramic joint must be highly conformed to reduce stress concentration, wear properties of flat surfaces are investigated in this study. Through wear tests at 2 MPa of contact pressure and 36 mm/s of sliding velocity, alumina and silicon carbide keep low wear rate, high hardness and smooth surface. Soft surface film was detected after the test in bovine serum. This suggests that boundary lubrication is effective to reduce wear in all-ceramic joint.
Wear behaviors of unidirectionally oriented $Si_3N_{4w)/Si_3N_4$ composites, sintered at different temperatures with different alignments of whiskers, have been studied in parallel and perpendicular sliding directions with respect to the orientation of the whiskers by using a ball-on-disk reciprocating sliding apparatus. The results show that wear rate in parallel direction is much greater than that in perpendicular direction. With decreasing alignment of the whiskers, the wear rate decreases in parallel sliding direction and increases in perpendicular direction. With increasing sintering temperature, the wear rate increases obviously in both parallel and perpendicular directions.
Crack of breaking toughness of most Ceramics material is 1-5MPa .root.m but that of Zirconia Ceramics is improved to be 6-8MPa .root.m and its development of machining difficult-to-machine material is on the rise as urgent subject. For general Zirconia Ceramics machining, diamond grinding wheel is generally used by selecting an appropriate one and establishing grinding condition but due to such limitations as economics, grinding efficiency and machining geometry, great interest in machining method being used for diamond tool is emphasized. But it is reported that diamond tool is oxidized by cutting heat in the air and is graphitized in vacuum, which causes bad effects on tool life. In this study, to restraint cutting heat the internal side of tool is cooled, and restraint low temperature cooling system and being experimented. Further, the machinability of diamond tool for Zirconia Ceramics machining is analyzed with respect to tool wear and stress.
Tribologcal property of the ceramics used in severe condition was investigated and both $Al_2O_3$ ball and Al/SiC composite made by thermal spray process[TSP] were used as a specimen in this study. Four kinds of material couple in ball and disk specimens were tested in the dry condition by using ball-on-disk type tribo-tester. Friction coefficient, surface roughness, wear rate, and photograph of the worn surface were investigated. Generally, High SiC contents[$40{\sim}50%$] specimens showed very low friction coefficient below 0.05 and little wear rate in dry condition. And also, low SiC contents[0%] specimens showed a moderate wear rate and high coefficient of friction at the same condition.
현재 구조용 세라믹에 대한 연구는 여려 가지 작동 조건에 의해 도출된 마멸 데이터를 정량적으로 제시하고 이들의 마멸기구의 변화가 일어나는 사용 조건의 시점을 파악하였다. 이전의 연구들은 주로 동질 재료끼리 마찰 마멸 실험으로 제한되었다. 그러나 상대 운동하는 세라믹 재료들의 특성 상 기계적, 화학적 물성차이에 의해 마멸 기구와 트라이볼로지적 거동(마찰계수, 마멸율)등 이 다르게 나타날 확률이 높다. 이에, 본 연구에서는 볼 온 디스크 마멸 실험을 통해 여러 가지 작동환경에 따라 서로 상대 운동하는 세라믹의 재료를 달리하여 실험하여 다른 세라믹 재료간의 트라이볼로지적 특성을 고찰하였다. 지르코니아 시편에 대해 지르코니아, 알루미나, 실리콘카바이드 3종의 상대재를 사용하여 속도와 하중조건을 변화하여 마멸실험을 수행한 결과, 지르코니아-실리콘카바이드 조합의 실험에서 저마찰 저마멸 특성이 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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