Cutting performance of alumina-graphene oxide composites

ABSTRACT: This paper discusses the influence of graphene oxide (GO) addition to alumina matrix and its impact on mechanical and cutting performance of obtained composites. The composites were prepared via powder metallurgy processing using the SPS method to consolidate powder mixtures. Applied method due to lowering the sintering temperature and time (in comparison to conventional sintering methods) leads to limiting the grain growth of alumina matrix. It has great impact on physical properties of produced sinters. Physical properties of Al₂O₃-GO composites such as density, hardness, Young’s modulus and fracture toughness were analyzed. The maximum value of K_IC = 3.3 MPa*m^0.5 was reached for Al₂O₃+1 wt. % GO and for that sinter dry machining tests (performed on hardened 145Cr6 steel) were made. The results show that produced cutting tools are characterized with good cutting performance comparable with commercial cutting tool.

KEYWORDS: graphene oxide, alumina matrix composite, SPS method, sintering temperature, dry machining test, cutting tool, cutting performance.

STRESZCZENIE: W artykule omówiono wpływ dodatku tlenku grafenu (GO) do osnowy Al₂O₃ na właściwości wytrzymałościowe i skrawne otrzymanych kompozytów. Materiały zostały wytworzone metodą metalurgii proszków, z wykorzystaniem do konsolidacji mieszanin proszkowych metody spiekania SPS. Zastosowana metoda pozwala na obniżenie temperatury oraz czasu spiekania (w porównaniu do konwencjonalnych metod spiekania), co prowadzi do ograniczenia rozrostu ziarna osnowy kompozytu. Ma to istotny wpływ na właściwości wytworzonych spieków.
Właściwości fizyczne kompozytów Al₂O₃-GO, takie jak gęstość, twardość, moduł Younga i odporność na kruche pękanie zostały zbadane. Maksymalną wartość K_IC = 3,3 MPa*m^0.5 osiągnięto dla kompozytu Al₂O₃ + 1 wag.% GO i ten materiał został poddany próbom skrawania. Wyniki prób skrawania pokazują, że wytworzone kompozyty charakteryzują się właściwościami skrawnymi porównywalnymi z tymi otrzymanymi dla narzędzi komercyjnych.

SŁOWA KLUCZOWE: tlenek grafenu, kompozyt o osnowie tlenku glinu, metoda SPS, temperatura spiekania, test obróbki na sucho, narzędzie skrawające, wydajność skrawania.

BIBLIOGRAFIA / BIBLIOGRAPHY:

• ALLEN M.J., TUNG V.C., KANER R.B., Honeycomb carbon: a review of grapheme, Chem. Rev. 2010, 110, 132–145.
• BRONISZEWSKI K., WOŹNIAK J., CZECHOWSKI K., JAWORSKA L., OLSZYNA A., Al₂O₃-Mo cutting tools for machining hardened steinless steel, Wear 2013 303 87-91.
• CHOI W., LAHIRI I., SEELABOYINA R., KANG Y.S., Synthesis of graphene and its applications: a review, Crit. Rev. Solid. State. Mater. Sci.2010, 35,52–71.
• FAN Y.C., WANG L.J., LI J.L., LI J.Q., SUN S.K., CHEN F., CHEN L.D., JIANG W., Preparation and electrical properties of graphene nanosheet/Al₂O₃ composites, Carbon, 2010, 48 (6) 1743–1749.
• LI X., CHEN X., YAO Y., LI N., CHEN X., High-stability quartz crystal microbalance ammonia sensor utilizing graphene oxide isolation layer, Sensors and Actuators B, 2014 196183-8.
• NOVOSELOV K.S., GEIM A.K., MOROZOV S.V., JIANG D., ZHANG Y., DUBONOS S.V., GRIGORIEVA I.V., FIRSOV A.A., Electric field effect in atomically thin carbonfilms, Science 2004 306 666–9.
• TAPASZTO O., TAPASZTO L., MARKO M., KERN F., GADOW R., BALAZSI C., Dispersion patterns of graphene and carbon nanotubes in ceramic matrix composites, Chem. Phys. Lett., 2011, 511 (4–6) 340–343.
• WALKER L.S., MAROTTO V.R., RAFIEE M.A., KORATKAR N., CORRAL E.L., Toughening in graphene ceramic composites, ACS Nano 2011 5 (4) 3182–90.
• YEON Y., YUN J., KIM D., NA S., KIM S., High-performance polimer solar cells with moderate reduced graphene oxide as an efficient hole transporting layer, Solar Energy Materials & Solar Cells 2012 105 96-102.
• YU Y., KANG B., LEE Y., LEE S., JU B., Effect of fluorine plasma treatment with chemically reduced graphene oxide thin films as hole transport layer in organic solar cells, Applied Surface Science 2013 287 91-6.
• ZHANG Y.B., TAN Y.W., STORMER H.L., KIM P., Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene, Nature 2005 438 201–4.
• ZHU Y. et al., Graphene and graphene oxide: synthesis, properties, and applications, Adv. Mater. 2010, 22,3906–3924.

DOI: http://dx.doi.org/10.17814/mechanik.2015.2.100