專利名稱：梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷刀具材料及其制備方法，特別涉及一種梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
自潤(rùn)滑刀具作為切削加工中的有效潤(rùn)滑技術(shù)之一，已經(jīng)引起切削加工研究工作者的廣泛關(guān)注。所謂自潤(rùn)滑刀具是指刀具材料本身具有減摩、耐磨和潤(rùn)滑功能，可在無(wú)外加潤(rùn)滑液或潤(rùn)滑劑的條件下實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑切削加工。中國(guó)專利文件CN1583660A提供一種自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，其特征是將CaF2固體潤(rùn)滑劑添加到Al203/TiC陶瓷刀具材料中形成Al203/TiC/CaF2陶瓷復(fù)合刀具材料，利用固體潤(rùn)滑劑摩擦系數(shù)低的特點(diǎn)，使陶瓷刀具在切削加工時(shí)在刀具表面形成連續(xù)的固態(tài)潤(rùn)滑層，在刀具表面形成具有潤(rùn)滑作用的反應(yīng)膜，從而實(shí)現(xiàn)刀具本身的自潤(rùn)滑功能，可應(yīng)用于干式切削和難加工材料的切削加工。實(shí)際上，固體潤(rùn)滑劑對(duì)刀具性能的影響有兩個(gè)方面一方面固體潤(rùn)滑劑能在摩擦表面拖敷形成潤(rùn)滑膜，從而改善摩擦界面的接觸狀態(tài)，減小摩擦，提高刀具壽命；而另一方面固體潤(rùn)滑劑在刀具材料中的彌散會(huì)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能降低，從而導(dǎo)致耐磨性能下降，刀具壽命降低。這是目前自潤(rùn)滑刀具材料的弱點(diǎn)和難題，因此，如何兼顧固體潤(rùn)滑劑的減摩作用和刀具材料力學(xué)性能之間的平衡，使之既能具有高的減摩性能，又能具有良好的耐磨性能，這是關(guān)系自潤(rùn)滑刀具應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，也是目前自潤(rùn)滑刀具研究亟待解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供一種梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料及其制備方法，本發(fā)明提供的是一種兼具高減摩和高耐磨性能的新型梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具。本發(fā)明的陶瓷刀具材料，是一種以梯度方式添加固體潤(rùn)滑劑氟化鈣的碳化鈦-氧化鋁梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，是以α -Al2O3為基體，添加TiC作為增強(qiáng)相，以氟化鈣(CaF2)為固體潤(rùn)滑劑，以氧化鎂(MgO)作為燒結(jié)助劑，經(jīng)分層鋪填、熱壓燒結(jié)而成；各層的原料組分體積百分含量為TiC 20-70%, CaF20-20%, MgO 0. 2-1. 2%，余量為α -Al2O3 ；其中，以梯度方式添加固體潤(rùn)滑劑CaF2,使所述自潤(rùn)滑刀具材料各層組分以中間層對(duì)稱、具有On-I)層的梯度結(jié)構(gòu)，其中η為整數(shù)且3 6。相對(duì)中間層對(duì)稱的層中的組分及含量相同，且厚度對(duì)稱分布。當(dāng)中間層的CaF2含量為0時(shí)，由表面層到中間層所述CaF2的體積百分含量逐層以2-6%降低，所述α -Al2O3的體積百分含量逐層以1-3%增加，所述TiC的體積百分含量逐層以1-3%增加，MgO含量不變；
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當(dāng)中間層的CaF2含量為7-10%時(shí)，由表面層到中間層所述CaF2的體積百分含量逐層以2-4%降低，所述α -Al2O3的體積百分含量逐層以4-17%增加，所述TiC的體積百分含量逐層以2-13%降低，MgO含量不變。以上所述的由表面層到中間層組分含量逐層降低或增加均是等差降低或增加。當(dāng)η為3、4、5、6時(shí)，刀具材料的層數(shù)Qn-I)為5、7、9、11，參見(jiàn)圖1。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，各層的原料組分含量為優(yōu)選的，所述TiC的體積百分含量為30-60%。優(yōu)選的，所述CaF2的體積百分含量為0-15%。優(yōu)選的，所述MgO的體積百分含量為0. 4-1. 0%。優(yōu)選的，上述各組分中，所用的原料均為市售產(chǎn)品，其中α-Al2O3粉末、TiC粉末平均粒徑均為1 μ m, CaF2粉末平均粒徑為0. 5 μ m，純度均大于99%。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，各層的厚度范圍為0.4-1. 5mm。各層厚度相等或從中間層向外依次減小，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計(jì)需要確定。根據(jù)本發(fā)明，所述梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料的制備方法，依據(jù)各層的原料組分配比，分別配制On-I)組混合粉料，各層混合粉料的配制步驟如下(1)按比例稱取α-Al2O3粉末，加無(wú)水乙醇配成α-Al2O3懸浮液，充分?jǐn)嚢?、超聲分?20-30min ；(2)按比例稱取TiC粉末，加無(wú)水乙醇配成TiC懸浮液，充分?jǐn)嚢?、超聲分?0-30min ；(3)按比例稱取CaF2粉末，加無(wú)水乙醇配成CaF2懸浮液，充分?jǐn)嚢?、超聲分?0-30min ；配制中間層混合粉料時(shí)，CaF2為0，此步驟可省略；(4)將上述步驟(1)-(3)得到的相懸浮液，然后按比例添加燒結(jié)助劑MgO，超聲分散20-30min，混合均勻；(5)將步驟(4)所得混合物料倒入球磨罐中，以氮?dú)饣驓鍤鉃楸Ｗo(hù)氣氛，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，各組分原料總量與研磨球的料球重量比為1 10-12，球磨50-80h;然后在電熱真空干燥箱中100-110°C溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在惰性氣體氣流中過(guò)篩，得到混合粉料，密封備用；將所得的各層的混合粉料逐層裝入石墨模具先按照CaF2的體積百分含量從高到低的順序逐層鋪填混合粉料，至中間層，再按CaF2的體積百分含量從低到高的順序逐層鋪填混合粉料，形成各層關(guān)于中間層對(duì)稱的On-I)層梯度結(jié)構(gòu)。填充好的混合粉料預(yù)壓后進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，在真空熱壓爐中將粉料燒結(jié)成型。熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)為升溫速率15_30°C /min，保溫溫度1600-1700°C，熱壓壓力25-30MPa,保溫時(shí)間10_30min，然后降溫至室溫。上述步驟(1)-03)中所述的無(wú)水乙醇是作為配成懸浮液的分散介質(zhì)，用量按本領(lǐng)域常規(guī)選擇即可，本發(fā)明不做特別限定。優(yōu)選的，步驟(5)中球磨用的研磨球是YG類硬質(zhì)合金球。南京鑫明硬質(zhì)合金有限公司有售。本發(fā)明的優(yōu)良效果如下
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本發(fā)明將梯度功能材料的設(shè)計(jì)思想引入自潤(rùn)滑刀具的設(shè)計(jì)及制造過(guò)程，采用固體潤(rùn)滑劑的梯度復(fù)合技術(shù)對(duì)刀具材料復(fù)合體系進(jìn)行剪裁設(shè)計(jì)，控制固體潤(rùn)滑劑含量從刀具材料表面到內(nèi)部的逐漸降低，實(shí)現(xiàn)刀具材料從表面良好的自潤(rùn)滑性能到內(nèi)部良好的力學(xué)性能的梯度過(guò)渡，從而達(dá)到在添加減摩材料的同時(shí)不降低刀具材料力學(xué)性能的目的。此外研究顯示，表面殘余拉應(yīng)力可使材料硬度、強(qiáng)度和韌性下降，而殘余壓應(yīng)力可使材料硬度、強(qiáng)度和韌性提高。利用殘余應(yīng)力對(duì)材料力學(xué)性能的這種影響規(guī)律，通過(guò)合理設(shè)計(jì)各梯度層不同的組分，在材料表面形成殘余壓應(yīng)力，也可以提高刀具的耐磨性能；而且固體潤(rùn)滑劑與陶瓷增強(qiáng)相雙組分的梯度變化，有利于通過(guò)調(diào)整各梯度層的熱物理性能參數(shù)如熱膨脹系數(shù)、泊松比和彈性模量來(lái)調(diào)整熱脹失配特性，而達(dá)到調(diào)整材料表面應(yīng)力狀態(tài)、獲得殘余壓應(yīng)力的目的，從而最終發(fā)明一種兼具高減摩和高耐磨性能的新型梯度自潤(rùn)滑刀具。與已有Al2O3/TiC/CaF2自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料相比，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性顯著改善。本發(fā)明的梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具，可以有效解決目前自潤(rùn)滑刀具存在的減摩性能和耐磨性能不能合理兼顧的技術(shù)難題，顯著改善刀具的綜合力學(xué)性能與使用性能。這不僅為切削刀具的設(shè)計(jì)提供了新的思路和新的研究領(lǐng)域，為提高刀具性能開(kāi)拓了新的途徑，而且采用梯度自潤(rùn)滑刀具進(jìn)行干切削作為一種環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益俱佳的工藝選擇，還將有力地推動(dòng)我國(guó)切削技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具結(jié)構(gòu)示意圖，1.刀尖；2.前刀面；3.中間層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。各實(shí)施例的組分中，所用的原料均為市售產(chǎn)品，其中α -Al2O3粉末、TiC粉末平均粒徑均為1 μ m, CaF2粉末平均粒徑為0. 5 μ m，純度均大于99%。實(shí)施例1制備9層結(jié)構(gòu)的梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料(n = 5)(1)配料下表給出Cl、C2、C3、C4、C5共5組混合粉料的組分體積百分含量。
原料Ot-Al2O3TiCCaF2MgO組號(hào)^\(Vol%)(Vol%)(Vol%)(Vol%)Cl44.7854.7200.5C243.2552.853.40.5C341.7250.986.80.5C440.1949.1110.20.5C538.6647.2413.60.5 按以下步驟分別配制各組混合粉料按比例稱取α -Al2O3粉末、TiC粉末和CaF2粉末(Cl組混合粉料不稱取CaF2粉末)，分別加無(wú)水乙醇配成懸浮液，充分?jǐn)嚢?、超聲分?0min ；將上述各原料的懸浮液混合，得到復(fù)相懸浮液，然后按比例添加燒結(jié)助劑MgO，超聲分散30min，混合均勻；然后將其倒入球磨罐中，以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣氛，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，各
6組分原料總量與研磨球的料球重量比為1 10，球磨60h;然后在電熱真空干燥箱中100°C溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在氮?dú)鈿饬髦羞^(guò)篩，得到混合粉料，密封備用。(2)裝料分別按各梯度層設(shè)計(jì)厚度 1. 08mm、0. 756mm、0. 6477mm、0. 6045mm、0. 4518mm要求稱取混合粉料Cl 一份，C2、C3、C4、C5各二份。將稱取的混合粉料依次按照C5 — C4 — C3 — C2 — Cl — C2 — C3 — C4 — C5的順序疊層填充石墨模具，然后進(jìn)行預(yù)壓成型。(3)燒結(jié)對(duì)壓坯采用真空燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)，熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)為升溫速率15°C /min，保溫溫度1650°C，熱壓壓力30MPa，保溫時(shí)間30min，然后降溫至室溫。將制得的陶瓷材料試樣進(jìn)行切割加工，測(cè)得其力學(xué)性能參數(shù)為抗彎強(qiáng)度684MPa、斷裂韌性 4. 4MPa · m1/2、維氏硬度 14. 9GPa。通過(guò)上述過(guò)程制備的梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料具有9層對(duì)稱結(jié)構(gòu)，CaF2體積百分含量由兩表層向中間層逐層降低，由13. 6%降到0。CaF2的梯度分布使刀具材料的減摩性能呈梯度變化，同時(shí)保持了表面良好的耐磨性能。實(shí)施例2制備5層結(jié)構(gòu)的梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料(n = 3)(1)配料下表給出Cl、C2、C3共3組混合粉料的組分體積百分含量。
權(quán)利要求
1.一種梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，是以α-Al2O3為基體，添加TiC作為增強(qiáng)相，以氟化鈣(CaF2)為固體潤(rùn)滑劑，以氧化鎂(MgO)作為燒結(jié)助劑，經(jīng)分層鋪填、熱壓燒結(jié)而成；各層的原料組分體積百分含量為=TiC 20-70%, CaF20-20%, MgO 0. 2-1. 2%，余量為α -Al2O3 ；其中，以梯度方式添加固體潤(rùn)滑劑CaF2，使所述自潤(rùn)滑刀具材料各層組分以中間層對(duì)稱、具有On-I)層的梯度結(jié)構(gòu)，其中η為整數(shù)且3彡η彡6 ；相對(duì)中間層對(duì)稱的層中的組分及含量相同，且厚度對(duì)稱分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，其特征在于，當(dāng)中間層的CaF2含量為0時(shí)，由表面層到中間層所述CaF2的體積百分含量逐層以2-6%降低，所述α -Al2O3的體積百分含量逐層以1-3%增加，所述TiC的體積百分含量逐層以1-3%增加，MgO含量不變；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，其特征在于，當(dāng)中間層的CaF2含量為7-10%時(shí)，由表面層到中間層所述CaF2的體積百分含量逐層以2-4%降低，由表面層到中間層α -Al2O3的體積百分含量逐層以4-17%增加，TiC的體積百分含量逐層以2_13%降低，MgO含量不變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，其特征在于，各層的原料組分含量為所述TiC的體積百分含量為30-60%，所述CaF2的體積百分含量為0_15%，所述MgO的體積百分含量為0. 4-1.0%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，其特征在于，各層的厚度范圍為0. 4-1. 5mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，其特征在于，各層厚度相等或從中間層向外依次減小。
7.權(quán)利要求1所述的梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料的制備方法，依據(jù)各層的原料組分配比，分別配制On-I)組混合粉料，各層混合粉料的配制如下(1)按比例稱取α-Al2O3粉末，加無(wú)水乙醇配成α-Al2O3懸浮液，充分?jǐn)嚢琛⒊暦稚?0-30min ；(2)按比例稱取TiC粉末，加無(wú)水乙醇配成TiC懸浮液，充分?jǐn)嚢琛⒊暦稚?0-30min；(3)按比例稱取CaF2粉末，加無(wú)水乙醇配成CaF2懸浮液，充分?jǐn)嚢?、超聲分?0-30min ；配制中間層混合粉料時(shí)，CaF2為0，此步驟可省略；(4)將上述步驟(1)-(3)得到的相懸浮液，然后按比例添加燒結(jié)助劑MgO，超聲分散20-30min，混合均勻；(5)將步驟(4)所得混合物料倒入球磨罐中，以氮?dú)饣驓鍤鉃楸Ｗo(hù)氣氛，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，各組分原料總量與研磨球的料球重量比為1 10-12，球磨50-80h;然后在電熱真空干燥箱中100-110°C溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在惰性氣體氣流中過(guò)篩，得到混合粉料，密封備用；將所得的各層的混合粉料逐層裝入石墨模具先按照CaF2的體積百分含量從高到低的順序逐層鋪填混合粉料，至中間層，再按CaF2的體積百分含量從低到高的順序逐層鋪填混合粉料，形成各層關(guān)于中間層對(duì)稱的On-I)層梯度結(jié)構(gòu)；填充好的混合粉料預(yù)壓后進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，在真空熱壓爐中將粉料燒結(jié)成型。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，其特征在于，熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)為升溫速率15-30°C /min，保溫溫度1600-1700°C，熱壓壓力25_30MPa，保溫時(shí)間10-30min，然后降溫至室溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料及其制備方法。本發(fā)明的梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料是以梯度方式添加固體潤(rùn)滑劑CaF2，以α-Al2O3為基體，添加TiC作為增強(qiáng)相，以MgO作為燒結(jié)助劑，經(jīng)熱壓燒結(jié)而成。該自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料具有組分關(guān)于中間層對(duì)稱的(2n-1)層梯度結(jié)構(gòu)，固體潤(rùn)滑劑CaF2的體積百分含量從表面層到中間層逐層降低。所得梯度自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料兼具高減摩和高耐磨性能，可用于制作切削刀具以及減摩耐磨結(jié)構(gòu)件等。本發(fā)明具有制備方法簡(jiǎn)單、操作方便、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C04B35/10GK102390980SQ201110231610
公開(kāi)日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者吳光永, 張永蓮, 方斌, 衣明東, 許崇海, 魏高峰 申請(qǐng)人:山東輕工業(yè)學(xué)院