專利名稱：高性能納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料及其制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及切削刀具材料技術(shù)領域，尤其涉及高性能納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
自潤滑刀具是指刀具材料本身具有減摩、抗磨、潤滑功能，可在無外加潤滑液或潤滑劑的條件下實現(xiàn)自潤滑切削加工，減少設備投資，避免切削液造成的環(huán)境污染，實現(xiàn)清潔化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，因此自潤滑刀具是一種高效、潔凈的綠色刀具，在現(xiàn)代切削加工中具有廣闊的應用前景。目前陶瓷材料中常見的自潤滑體系包括Al2O3-石墨、Al2O3-CaF2和 TiB2-BN等，其中自潤滑陶瓷刀具材料體系中所添加的固體潤滑劑均為微米尺度。添加固體潤滑劑的自潤滑陶瓷材料盡管摩擦學性能得到了改善，但是由于固體潤滑劑的低強度和低硬度的特點，破壞了材料的力學性能，導致了陶瓷材料的耐用性降低。納米技術(shù)是改善陶瓷力學性能的重要途徑之一。在自潤滑陶瓷刀具材料中，以低粒度、高分散的納米固體潤滑劑CaF2代替?zhèn)鹘y(tǒng)的微米自潤滑粉體，在真空熱壓條件下燒結(jié)可以得到含有納米固體潤滑劑CaF2的新型納米自潤滑陶瓷刀具材料。本技術(shù)在采用納米制備技術(shù)獲得的低粒度、高分散的納米氟化鈣基礎上，選擇合適的基體材料配比以及適量的燒結(jié)助劑，并采用合理的燒結(jié)技術(shù)，提高自潤滑陶瓷刀具材料的力學性能，獲得能夠兼顧力學性能和摩擦學特性的新型納米復合自潤滑刀具材料。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有自潤滑陶瓷刀具材料力學性能和摩擦性能難以兼顧的缺陷，本發(fā)明提供一種高性能納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料及其制備方法。發(fā)明概述本發(fā)明通過采用納米級的固體潤滑劑CaF2、高力學性能的Al2O3和TiC以及燒結(jié)助劑MgO的納微米復合作用，通過特定的燒結(jié)工藝，得到添加納米固體潤滑劑的氧化鋁基自潤滑刀具材料，優(yōu)化了自潤滑刀具材料的力學性能，制備的自潤滑刀具材料具有較高的力學性能和摩擦磨損性能，在高速干切削領域具有良好的應用前景。發(fā)明詳述本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種高性能納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料，原料體積百分比組成如下碳化鈦25-55% ;納米氟化鈣5-15% ;氧化鎂0. 5-1. 5% ;氧化鋁余量；所述氧化鋁微米級粉體，球磨至平均粒徑為I 2 ii m ; 所述碳化鈦為微米級粉體，球磨至平均粒徑為I 2 m ;所述納米氟化鈣粒徑范圍為15_50nm。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述高性能納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料，原料體積百分比組成如下氧化鋁40-55% ;碳化鈦30-50% ;納米氟化鈣5-15% ;氧化鎂0. 5_1%。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述高性能納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料，原料體積百分比組成如下氧化招40% ;碳化鈦49. 5% ;納米氟化I丐10% ;氧化鎂0. 5%。根據(jù)本發(fā)明，一種高性能納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料的制備方法，包括步驟如下(I)按照1: 2.5的摩爾比稱取硝酸鈣和氟化銨，分別加入乙醇-蒸餾水混合溶液中，制得硝酸鈣含量為lmol/L的硝酸鈣溶液，氟化銨含量為2. 2-3. OmoI/L的氟化銨溶液。再將所述的硝酸鈣溶液和氟化銨溶液分別加入聚乙二醇-無水乙醇分散液中磁力攪拌40_80min、超聲分散10-30min,分別得硝酸I丐分散液和氟化銨分散液，將所述的硝酸I丐分散液和氟化銨分散液，在超聲和機械攪拌條件下混合反應3-5min，離心、清洗，得納米氟化鈣，將制得的納米氟化鈣加入聚乙二醇-無水乙醇分散液中得粒徑范圍15-50nm的納米氟化鈣分散液； (2)按配比，將稱量好的氧化鋁、碳化鈦和氧化鎂依次加入到步驟(I)的納米氟化鈣分散液中，混合分散40-60min后加入球磨罐中，采用硬質(zhì)合金球球磨48_72h，經(jīng)過真空干燥24-36h后，采用200目篩過篩，得復合粉料，備用；(3)將步驟(2)的復合粉料加入石墨模具中，采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)，在燒結(jié)溫度15500C -1700°C和保溫15-30min條件下燒結(jié)，燒結(jié)完成后自然冷卻。根據(jù)本發(fā)明的上述方法，優(yōu)選的，步驟(I)中乙醇-蒸餾水混合溶液中乙醇與蒸餾水的體積比為I 3 I 2。根據(jù)本發(fā)明的上述方法，優(yōu)選的，步驟(I)所述的聚乙二醇-無水乙醇分散液中聚乙二醇的含量為3. 5-4. 5g/L。根據(jù)本發(fā)明的上述方法，優(yōu)選的，步驟(I)中聚乙二醇-無水乙醇分散液分別是所述的硝酸鈣溶液、氟化銨溶液的4-8體積倍。根據(jù)本發(fā)明的上述方法，優(yōu)選的，步驟(I)所述的納米氟化鈣分散液中，納米氟化鈣的含量為6. 9-20. 7g/L。根據(jù)本發(fā)明的上述方法，優(yōu)選的，步驟(I)中所用的聚乙二醇為PEG6000。根據(jù)本發(fā)明的上述方法，優(yōu)選的，步驟(3)所述的燒結(jié)過程中，從開始升溫燒結(jié)到溫度升至燒結(jié)溫度從常壓逐漸加壓至24-36MPa。該加壓過程平均速率為0. 4 0. 6MPa/min，整個升溫過程持續(xù)I小時。本發(fā)明制備得到的高性能納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料中，納米CaF2主要位于基體晶粒內(nèi)部(晶內(nèi)型)，粒度在IOOnm以下。所得復合陶瓷刀具材料的抗彎強度為600-700MPa，斷裂韌性為 6-8. 5MPa m1/2，硬度為 16_19GPa。本發(fā)明將低硬度的固體潤滑劑引入陶瓷晶體內(nèi)部，解決了目前自潤滑陶瓷刀具材料綜合力學性能較低的難題。在不減少固體潤滑劑含量和保持良好的摩擦特性前提下，降低固體潤滑劑對刀具材料力學性能的損傷，同時在納米尺寸效應的作用下改善了自潤滑陶瓷刀具材料的抗彎強度和硬度，提高了斷裂韌性，制備得到高性能納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料。本發(fā)明在不減少固體潤滑劑含量和保持良好的摩擦特性前提下，通過納微米復合技術(shù)，選擇合適的燒結(jié)工藝，將納米固體潤滑劑CaF2成功引入陶瓷基體晶粒的內(nèi)部，陶瓷材料的斷裂方式主要是納米晶內(nèi)相引起的穿晶斷裂，消耗了大量的斷裂能，獲得了具有較高力學性能的自潤滑刀具材料。制備的納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料具有力學性能好、自潤滑特性好的特點，可較好地滿足切削加工的要求，而且該刀具具有原料便宜、工藝簡單、設備投入少等特點，易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。


圖1是實施例1的高性能納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料斷口的掃描電鏡照片。圖2是實施例1的高性能納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料的透射電鏡照片。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步說明。各實施例的原料組分中，所用的Al2O3和TiC粉末，球磨至平均粒徑均為1. 5 ii m，純度大于99% ；CaF2粒徑范圍為15_50nm。所用的聚乙二醇為聚乙二醇6000。 實施例1高性能納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料，原料組分的體積百分比為40%A1203，49. 5%TiC, 10%CaF2，0. 5%Mg0。制備方法如下( I)制備納米氟化鈣分散液按照摩爾比1: 2. 5的比例分別稱取硝酸鈣4. 72g和氟化銨1. 85g，各自放入燒杯中，分別各加入IOml蒸餾水和IOml無水乙醇，搖勻溶解，得預配好的硝酸鈣和氟化氨溶液；稱取0. 8g的PEG6000，加入200ml無水乙醇中，超聲分散20min，使其完全溶解，得到聚乙二醇和無水乙醇的復合溶劑。將該配好的復合溶劑等量分為兩份，分別加入預配好的硝酸鈣和氟化氨溶液中，磁力攪拌60min，超聲分散20min ;得分散好的硝酸鈣溶液和氟化氨溶液。在超聲和攪拌條件下，將分散好的硝酸鈣溶液倒入分散好的氟化銨溶液中，反應3min。取出反應后的溶液，放置陳化48h。在4000r/min條件下進行離心分離30min，用無水乙醇清洗5次，得平均粒徑為20. 4nm的CaF2，加入聚乙二醇的含量為4g/L聚乙二醇-無水乙醇分散液，制得CaF2含量為13. 8g/L的納米CaF2分散液。(2)按配比，將A1203、TiC和MgO依次加入CaF2分散液中，在超聲波和機械攪拌下混合分散40min,然后采用硬質(zhì)合金球球磨48h,真空干燥24h后采用200目分樣篩過篩；(3)將復合粉料加入石墨模具中，采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)，在燒結(jié)溫度1650°C和保溫15min條件下燒結(jié)，燒結(jié)開始后逐漸加壓，溫度升至燒結(jié)溫度時壓力達到30MPa，該加壓過程平均速率為0. 5MPa/min，整個升溫過程持續(xù)I小時。燒結(jié)完成后自然冷卻。將制得的陶瓷材料試樣進行切割加工，測得其力學性能參數(shù)為抗彎強度655MPa、斷裂韌性8. 25MPa m1/2、維氏硬度18. 68GPa。圖1的掃描電鏡照片顯示納米氟化鈣在陶瓷基體中分布均勻，無團聚，材料的斷裂方式以穿晶斷裂為主。圖2的透射電鏡照片顯示氟化鈣主要位于基體晶粒內(nèi)部，粒度在40-100nm之間，燒結(jié)后晶粒未發(fā)生明顯長大。實施例2高性能納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料，原料組分的體積百分比為59%A1203，30%TiC, 10%CaF2, l%MgO。制備方法如下
( I)制備納米氟化鈣分散液如實施例1。(2)將稱量好的Al203、TiC和MgO依次加入母液中，在超聲波和機械攪拌下混合分散60min,然后采用硬質(zhì)合金球球磨72h,真空干燥36h后采用200目分樣篩過篩；(3)將復合粉料加入石墨模具中，采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)，在燒結(jié)溫度1550°C和保溫30min條件下燒結(jié)，燒結(jié)過程中隨溫度升高逐漸調(diào)大壓力，溫度升至燒結(jié)溫度時壓力達到25MPa，該加壓過程平均速率約為0. 417MPa/min，整個升溫過程持續(xù)I小時。燒結(jié)完成后自然冷卻。將制得的陶瓷材料試樣進行切割加工，測得其力學性能參數(shù)為抗彎強度674MPa、斷裂韌性 6. 42MPa m1/2、維氏硬度 16. 16GPa。實施例3 高性能納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料，原料組分的體積百分比為42%A1203，42%TiC, 15%CaF2, l%MgO。制備方法如下( I)制備納米氟化鈣分散液按照摩爾比1: 2. 5的比例分別稱取硝酸鈣7. 08g和氟化銨2. 78g，各自放入燒杯中，分別各加入15ml蒸餾水和IOml無水乙醇，搖勻溶解，得預配好的硝酸鈣和氟化氨溶液；稱取0. 8g的PEG6000，加入200ml無水乙醇中，超聲分散20min，使其完全溶解，得到聚乙二醇和無水乙醇的復合溶劑。將該配好的復合溶劑等量分為兩份，分別加入預配好的硝酸鈣和氟化氨溶液中，磁力攪拌80min，超聲分散30min ;得分散好的硝酸鈣溶液和氟化氨溶液。在超聲和攪拌條件下，將分散好的硝酸鈣溶液倒入分散好的氟化銨溶液中，反應5min。取出反應后的溶液，放置陳化48h。在4000r/min條件下進行離心分離30min，用無水乙醇清洗5次，得平均粒徑為20. 4nm的CaF2，加入聚乙二醇的含量為5g/L聚乙二醇-無水乙醇分散液，制得CaF2含量為20. 7g/L的納米CaF2分散液。(2)將稱量好的Al203、TiC和MgO依次加入母液中，在超聲波和機械攪拌下混合分散40min,然后采用硬質(zhì)合金球球磨48h,真空干燥24h后采用200目分樣篩過篩；(3)將復合粉料加入石墨模具中，采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)，在燒結(jié)溫度1600°C和保溫20min條件下燒結(jié)，燒結(jié)過程中隨溫度升高逐漸調(diào)大壓力，燒結(jié)開始后逐漸加壓，溫度升至燒結(jié)溫度時壓力達到24MPa，該加壓過程平均速率約為0. 4MPa/min，整個升溫過程持續(xù)I小時。燒結(jié)完成后自然冷卻。將制得的陶瓷材料試樣進行切割加工，測得其力學性能參數(shù)為抗彎強度612MPa、斷裂韌性 6. 53MPa m1/2、維氏硬度 16. 2GPa。實施例4高性能納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料，原料組分的體積百分比為44. 5%A1203,49%TiC, 5%CaF2,1. 5%Mg0。制備方法如下按照摩爾比1: 2. 5的比例分別稱取硝酸鈣2. 36g和氟化銨0. 93g，制備納米氟化鈣分散液如實施例1，制得CaF2含量為6. 9g/L的納米CaF2分散液。將稱量好的Al2O3JiC和MgO依次加入納米氟化鈣分散液(實施例1步驟(I)制得)中，在超聲波和機械攪拌下混合分散50min,然后采用硬質(zhì)合金球球磨48h,真空干燥36h后采用200目分樣篩過篩；將復合粉料加入石墨模具中，采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)，在燒結(jié)溫度1650°C和保溫30min條件下燒結(jié)，燒結(jié)過程中隨溫度升高逐漸調(diào)大壓力，燒結(jié)開始后逐漸加壓，溫度升至燒結(jié)溫度時壓力達到36MPa，該加壓過程平均速率約為0. 6MPa/min,整個升溫過程持續(xù)I小時。燒結(jié)完成后自然冷卻。將制得的陶瓷材料試樣進行切割加工，測得其力學性能參數(shù)為抗彎強度688MPa、斷裂韌性6. 36MPa m1/2、維氏硬度18. 47GPa。對比例添加微米氟化鈣固體潤滑劑的氧化鋁基自潤滑刀具材料如實施例1的配方，所不同的是，采用市售微米級CaF2作為固體潤滑劑。添加微米氟化鈣固體潤滑劑的氧化鋁基自潤滑刀具材料，原料組分的體積百分比為40%A1203,49. 5%TiC, 10% 微米 CaF2,0. 5%Mg0。制備步驟如下按配比，將A1203、TiC、微米CaF2和MgO依次加入聚乙二醇分散液中，在超聲波和機械攪拌下混合分散40min,然后采用硬質(zhì)合金球球磨48h,真空干燥24h后采用200目分樣篩過篩；將所得復合粉料加入石墨模具中，采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)，在燒結(jié)溫度1650°C和保溫15min條件下燒結(jié)，燒結(jié)開始后逐漸加壓，溫度升至燒結(jié)溫度時壓力達到30MPa，該 加壓過程平均速率為0.5MPa/min，整個升溫過程持續(xù)I小時。燒結(jié)完成后自然冷卻。將制得的陶瓷材料試樣進行切割加工，測得其力學性能參數(shù)為抗彎強度528MPa、斷裂韌性4. 45MPa m1/2、維氏硬度 15. 2GPa。
權(quán)利要求
1.一種納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料，原料體積百分比組成如下 碳化鈦25-55% ;納米氟化鈣5-15% ;氧化鎂O. 5-1. 5% ;氧化鋁余量； 所述氧化鋁微米級粉體，球磨至平均粒徑為I 2 μ m ; 所述碳化鈦為微米級粉體，球磨至平均粒徑為I 2 μ m ; 所述納米氟化I丐粒徑范圍為15-50nm。
2.如權(quán)利要求1所述的納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料，其特征在于，原料體積百分比組成如下 氧化鋁40-55% ;碳化鈦30-50% ;納米氟化鈣5-15% ;氧化鎂O. 5_1%。
3.如權(quán)利要求1所述的納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料，其特征在于，原料體積百分比組成如下 氧化招40% ;碳化鈦49. 5% ;納米氟化韓10% ;氧化鎂O. 5%。
4.權(quán)利要求1 3任一項所述的納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料的制備方法，包括步驟如下 (1)按照1: 2.5的摩爾比稱取硝酸鈣和氟化銨，分別加入乙醇-蒸餾水混合溶液中，制得硝酸鈣含量為lmol/L的硝酸鈣溶液，氟化銨含量為2. 2-3. OmoI/L的氟化銨溶液。再將所述的硝酸鈣溶液和氟化銨溶液分別加入聚乙二醇-無水乙醇分散液中磁力攪拌40_80min、超聲分散10-30min,分別得硝酸|丐分散液和氟化銨分散液，將所述的硝酸1丐分散液和氟化銨分散液，在超聲和機械攪拌條件下混合反應3-5min，離心、清洗，得納米氟化鈣，將制得的納米氟化鈣加入聚乙二醇-無水乙醇分散液中得粒徑范圍15-50nm的納米氟化鈣分散液； (2)按配比，將稱量好的氧化鋁、碳化鈦和氧化鎂依次加入到步驟(I)的納米氟化鈣分散液中，混合分散40-60min后加入球磨罐中，采用硬質(zhì)合金球球磨48_72h，經(jīng)過真空干燥24-36h后，采用200目篩過篩，得復合粉料，備用； (3)將步驟(2)的復合粉料加入石墨模具中，采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)，在燒結(jié)溫度15500C -1700°C和保溫15-30min條件下燒結(jié)，燒結(jié)完成后自然冷卻。
5.如權(quán)利要求4所述的納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料的制備方法，其特征在于，步驟(I)中乙醇-蒸餾水混合溶液中乙醇與蒸餾水的體積比為I 3 I 2。
6.如權(quán)利要求4所述的納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料的制備方法，其特征在于，步驟(I)所述的聚乙二醇-無水乙醇分散液中聚乙二醇的含量為3. 5-4. 5g/L。
7.如權(quán)利要求4所述的納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料的制備方法，其特征在于，步驟(I)中聚乙二醇-無水乙醇分散液分別是所述的硝酸鈣溶液、氟化銨溶液的4-8體積倍。
8.如權(quán)利要求4所述的納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料的制備方法，其特征在于，步驟(I)所述的納米氟化鈣分散液中，納米氟化鈣的含量為6. 9-20. 7g/L。
9.如權(quán)利要求4所述的納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料的制備方法，其特征在于，步驟(I)中所用的聚乙二醇為PEG6000。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高性能納米復合氧化鋁基自潤滑刀具材料及其制備方法。該自潤滑刀具材料原料體積百分比組成如下碳化鈦25-55%；納米氟化鈣5-15%；氧化鎂0.5-1.5%；氧化鋁余量；制備方法包括先將納米氟化鈣制成分散液，再將MgO、Al2O3和TiC加入其中，混合分散、球磨、干燥、過篩后得到粉料，以真空熱壓法燒結(jié)。本發(fā)明將納米固體潤滑劑CaF2成功引入陶瓷基體晶粒的內(nèi)部，改善了自潤滑陶瓷刀具材料的抗彎強度和硬度，提高了斷裂韌性。該自潤滑刀具材料原料成本低，工藝簡單，設備投入小，易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
文檔編號C04B35/117GK103011784SQ20121054651
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月16日
發(fā)明者許崇海, 衣明東, 肖光春, 陳照強, 方斌, 魏高峰, 馮益華 申請人:山東輕工業(yè)學院