Performance of Y-TZP-Al2O3 composite ceramics in dry high-speed turning of thermally hardened steel 0.4 C-Cr (AISI 5135)

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Analysis of contemporary data in the fields of materials science and the application of ceramic cutting tools for machining difficult-to-machine iron- and nickel-based alloys reveals a limited amount of experimental data concerning the use of the promising Y-TZP-Al2O3 ceramic, which is based on submicron yttria-partially-stabilized zirconia and reinforced with alumina. Purpose of the work. To study the performance of RNGN 120400-01 removable cutting inserts made from Y-TZP-A12O3 ceramic during dry high-speed (200 m/min) cutting of 0.4 C-Cr (AISI 5135) steel (HRC 43…48). Research Methods. Characterization of the initial powders and the sintered ceramic, both before and after cutting tests, was performed using X-ray fluorescence (XRF) and X-ray diffraction (XRD) analyses, as well as scanning electron microscopy (SEM) in BSE mode. The physical and mechanical properties of the sintered ceramic were determined using the hydrostatic weighing method, three-point bending, and Vickers microhardness and fracture toughness measurements. Cutting tests were conducted on a high-rigidity lathe in a production shop conditions, involving dry high-speed turning of hardened 0.4C-Cr steel (AISI 5153) (HRC 43…48) in two stages. The first stage involved establishing the allowable variation limits for cutting modes (cutting speed and feed rate) and investigating the wear and failure characteristics of the cutting insert rake and flank faces. The second stage utilized ceramic cutting inserts with a chamfered cutting edge. Results and discussion. It was established that for Y-TZP-A12O3 ceramic, the use of cutting modes V > 200 m/min, S > 0.4 mm/rev, and t > 0.2 mm is not advisable due to the short service life of the cutting edge. A chamfer on the cutting edge is necessary to provide controlled edge blunting. The observed wear patterns and analysis of failure areas indicate a dominant brittle fatigue failure mechanism, caused by the thermal effects of high-speed friction combined with tangential stresses from the chip flow. It is concluded that the Y-TZP-Al2O3 ceramic composite is promising for use as a cutting tool material for dry high-speed turning of both hardened steels and, potentially, wear-resistant cast irons. Based on the conducted research and described observations, recommendations are formulated for the use of Y-TZP-Al2O3 ceramic in future studies.

About the authors

A. S. Babaev

Email: temkams@mail.ru
Ph.D. (Engineering), National Research Tomsk State University, 36 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, temkams@mail.ru

N. L. Savchenko

Email: savnick@ispms.tsc.ru
D.Sc. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, savnick@ispms.tsc.ru

V. N. Kozlov

Email: kozlov-viktor@bk.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, kozlov-viktor@bk.ru

A. R. Semenov

Email: asemenov2102@gmail.com
National Research Tomsk State University, 36 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, asemenov2102@gmail.com

M. V. Grigoriev

Email: mvgrigoriev@yandex.ru
Ph.D. (Engineering), National Research Tomsk State University, 36 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, mvgrigoriev@yandex.ru

References

  1. Basu B. Toughening of yttria-stabilised tetragonal zirconia ceramics // International Materials Reviews. – 2005. – Vol. 50 (4). – P. 239–256. – doi: 10.1179/174328005X41113.
  2. Patel H., Patil H. Tribological performance based machinability investigations of Al2O3-ZrO2 ceramic cutting tool in dry machining of Ti-6Al-4V alloy // Tribology International. – 2022. – Vol. 176. – P. 107776. – doi: 10.1016/j.triboint.2022.107776.
  3. Perry C., Liu D., Ingel R.P. Phase characterization of partially stabilized zirconia by Raman spectroscopy // Journal of the American Ceramic Society. – 1985. – Vol. 68 (8). – P. C-184–C-187. – doi: 10.1111/j.1151-2916.1985.tb10176.x.
  4. Nettleship I., Stevens R. Tetragonal zirconia polycrystal (TZP) – A review // International Journal of High Technology Ceramics. – 1987. – Vol. 3. – P. 1–32. – doi: 10.1016/0267-3762(87)90060-9.
  5. Production and characterization of ZrO2 ceramics and composites to be used for hip prosthesis / M. Arin, G. Goller, J. Vleugels, K. Vanmeensel // Journal of Materials Science. – 2008. – Vol. 43 (5). – P. 1599–1611. – doi: 10.1007/s10853-007-2343-x.
  6. Comparison of different 3Y-TZP substrates for the manufacture of all-ceramic micro end mills with respect to the cutting edge radius and the tool wear / T. Mayer, S. Kieren-Ehses, B. Kirsch, J.C. Aurich // Manufacturing Letters. – 2023. – Vol. 38. – P. 44–46. – doi: 10.1016/j.mfglet.2023.09.001.
  7. Новая режущая керамика в системе Al2O3–ZrО2(Y2O3)–Ti(C,N) / Я.Г. Дятлова, Н.Ю. Ковеленов, В.И. Румянцев, С.С. Орданьян // Металообработка. – 2014. – № 1 (79). – C. 32–36.
  8. Senthil Kumar A., Raja Durai A., Sornakumar T. Machinability of hardened steel using alumina based ceramic cutting tools // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2003. – Vol. 21 (3–4). – P. 109–117. – doi: 10.1016/S0263-4368(03)00004-0.
  9. A review on synthesis of zirconia toughened alumina (ZTA) for cutting tool applications / M.M. Basha, S.M. Basha, B.K. Singh, N. Mandal, M.R. Sankar // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 26, pt. 2. – P. 534–541. – doi: 10.1016/j.matpr.2019.12.134.
  10. Smuk B., Szutkowska M., Walter J. Alumina ceramics with partially stabilized zirconia for cutting tools // Journal of Materials Processing Technology. – 2003. – Vol. 133. – P. 195–198. – doi: 10.1016/S0924-0136(02)00232-7.
  11. Sustainability assessment of dry turning Ti-6Al-4V employing uncoated cemented carbide tools as clean manufacturing process / X. Liang, Z. Liu, W. Liu, X. Li // Journal of Cleaner Production. – 2019. – Vol. 214. – P. 279–289. – doi: 10.1016/j.jclepro.2018.12.196.
  12. Cutting performance and wear mechanism of zirconia toughened alumina ceramic cutting tools formed by vat photopolymerization-based 3D printing / W. Liu, H. Wu, Y. Xu, L. Lin, Y. Li, S. Wu // Ceramics International. – 2023. – Vol. 49 (14), pt. A. – P. 23238–23247. – doi: 10.1016/j.ceramint.2023.04.153.
  13. Optimizing woodcutting with zirconia-toughened alumina: processing, performance, and industrial insights / T. Thakur, S. Heinen, B. Ehrle, G. Blugan // Heliyon. – 2025. – Vol. 11 (2). – P. e41785. – doi: 10.1016/j.heliyon.2025.e41785.
  14. Cutting performance, failure mechanisms and tribological properties of MWCNT-reinforced ZTA-MgO ceramic inserts in high-speed machining of hardened AISI-4340 steel / P.K. Prajapati, C.O. Bapanapalle, P. Biswas, K. Kumar Sadhu, R. Ranjan Sahoo, N. Mandal // Diamond & Related Materials. – 2024. – Vol. 153. – P. 112094. – doi: 10.1016/j.diamond.2025.112094.
  15. Pressure-less sintering of molybdenum-reinforced ceramic cutting inserts with improved tool life / K. Ghosh, S. Goswami, P. Kumar Prajapati, P. Roy, N. Mandal // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2024. – Vol. 120. – P. 106619. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2024.106619.
  16. Performance evaluation of self lubricating CuO added ZTA ceramic inserts in dry turning application / B.K. Singh, S. Goswami, K. Ghosh, H. Roy, N. Mandal // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2021. – Vol. 98. – P. 105551. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2021.105551.
  17. Wang B., Liu Z. Influences of tool structure, tool material and tool wear on machined surface integrity during turning and milling of titanium and nickel alloys: a review // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 98 (5–8). – P. 1925–1975. – doi: 10.1007/s00170-018-2314-1.
  18. Wang Z.G., Wong Y.S., Rahman M. High-speed milling of titanium alloys using binderless CBN tools // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2005. – Vol. 45. – P. 105–114. – doi: 10.1016/j.ijmachtools.2004.06.021.
  19. Effects of cutting parameters on dry machining Ti-6Al-4V alloy with ultra-hard tools / F.J. Sun, S.G. Qu, Y.X. Pan, X.Q. Li, F.L. Li // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2015. – Vol. 79 (1–4). – P. 351–360. – doi: 10.1007/s00170-014-6717-3.
  20. Flash sintering incubation in Al2O3/TZP composites / E. Bichaud, J.M. Chaix, C. Carry, M. Kleitz, M.C. Steil // Journal of the European Ceramic Society. – 2015. – Vol. 35 (9). – P. 2587–2592. – doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2015.02.033.
  21. Muccillo R., Muccillo E.N.S. Electric field-assisted flash sintering of tin dioxide // Journal of the European Ceramic Society. – 2014. – Vol. 34 (4). – P. 915–923. – doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2013.09.017.
  22. Densification behaviour and microstructural development in undoped yttria prepared by flash-sintering / H. Yoshida, Y. Sakka, T. Yamamoto, J.-M. Lebrun, R. Raj // Journal of the European Ceramic Society. – 2014. – Vol. 34 (4). – P. 991–1000. – doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2013.10.031.
  23. Srdic V.V., Winterer M., Hahn H. Sintering behavior of nanocrystalline zirconia doped with alumina prepared by chemical vapor synthesis // Journal of the American Ceramic Society. – 2000. – Vol. 83. – P. 1853. – doi: 10.1111/j.1151-2916.2000.tb01481.x.
  24. Colloidal processing and superplastic properties of zirconia-and alumina-based nanocomposites / Y. Sakka, T.S. Suzuki, K. Morita, K. Nakano, K. Hiraga // Scripta Materialia. – 2001. – Vol. 44. – P. 2075. – doi: 10.1016/S1359-6462(01)00889-2.
  25. Rana R.P., Pratihar S.K., Bhattacharyya S. Powder processing and densification behaviour of alumina–high zirconia nanocomposites using chloride precursor // Journal of Materials Processing Technology. – 2007. – Vol. 190 (1–3). – P. 350–357. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2007.02.009.
  26. Research of contact stresses distribution on plunge-cutting into a steel workpiece / V. Kozlov, J.Y. Zhang, Y.B. Guo, S.K. Sabavath // Key Engineering Materials. – 2018. – Vol. 769. – P. 284–289. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/KEM.769.284' target='_blank'>www.scientific.net/KEM.769.284.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».