一种添加石墨烯的Si3N4基陶瓷刀具材料及其制备方法与流程

文档序号:11801390阅读:849来源:国知局
一种添加石墨烯的Si3N4基陶瓷刀具材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种陶瓷材料及其制备方法,特别涉及一种添加石墨烯的Si3N4基陶瓷刀具材料及其制备方法。



背景技术:

伴随着科技的进步及工业技术的不断发展,各种难加工材料及大型复杂件的需求日益增加,这对机械加工行业提出了越来越高的要求:不仅要有高硬度、高耐磨性,还要有良好的耐高温、耐腐蚀、适合连续及断续切削等要求。相比于传统的硬质合金刀具,陶瓷刀具具有高硬度,耐磨损,尤其是氮化硅陶瓷刀具,具有良好的化学稳定性并且耐热冲击,是理想的刀具材料。但氮化硅陶瓷刀具的断裂韧性较低,限制了其更为广泛的应用。因此,对氮化硅陶瓷进行增韧补强是研究的热点之一。例如,现有技术中有报道通过添加少量的Ti(C,N)纳米颗粒进行增韧补强,少量的Ti(C,N)纳米颗粒能阻止了部分Si3N4晶粒的长大,促使不同向径和不同长径比的β-Si3N4晶粒相互交错、紧密结合,从而达到了增强补韧的效果。Ti(C,N)材料与Si3N4基体的结合不紧密,容易产生气孔和缺陷,综合性能还有待提高。为改善氮化硅陶瓷刀具材料的综合力学性能,提高氮化硅陶瓷刀具材料的自润滑性能,特提出本发明。



技术实现要素:

针对现有技术不足,本发明提供了一种添加石墨烯的Si3N4基陶瓷刀具材料及其制备方法。本方法所制备的复合陶瓷刀具材料不但具有良好的综合力学性能,而且还有较好的自润滑性能。在本发明的Si3N4基陶瓷刀具材料的基体材料中,石墨烯形貌完整,无严重缺陷,石墨烯的添加提高了材料的综合力学性能和润滑性能。

术语说明:

石墨烯:是多层石墨烯的通用简写,单层氮原子以SP2杂化形成的平面正六边形结构为单层石墨烯,本文所用石墨烯为多层石墨烯,层数范围为2~100层。

最长向径:片状石墨烯的长轴尺寸。

Si3N4/石墨烯:是Si3N4和石墨烯复合陶瓷刀具材料的通用简写。

本发明技术方案如下:

一种添加石墨烯的Si3N4基陶瓷刀具材料,由以下质量百分比的原料经分散、混合、球磨、干燥后热压烧结而成:

石墨烯0.5~5%,MgO 0.5~5%,Y2O3 0.5~7%,A12O3 0.5~5%,其余为Si3N4;其中所述Si3N4平均粒径为0.05~1μm;

所述石墨烯平均厚度为0.2~34nm,石墨烯平均最长向径为1~10μm。

所述MgO平均粒径为0.1~2μm;

所述Y2O3和A12O3平均粒径为0.1~2μm;

根据本发明,优选的,所述MgO平均粒径为0.1~1μm;所述Y2O3和A12O3平均粒径为0.2~1μm。

根据本发明,优选的原料组分质量百分比为:石墨烯0.5~2%,MgO 0.5~2%,Y2O32~6%,A12O3 1~4%,其余为Si3N4

根据本发明,优选的,所述Si3N4为α相Si3N4

根据本发明,优选的,所述Si3N4平均粒径为0.05~0.8μm;进一步优选所述Si3N4平均粒径为0.4~0.6μm。

根据本发明,优选的,所述石墨烯平均厚度为0.2~20nm。

根据本发明,优选的,所述石墨烯平均最长向径为1~5μm。

根据本发明进一步优选的,所述MgO平均粒径为0.2~0.5μm。

根据本发明进一步优选的,所述Y2O3和A12O3平均粒径为0.2~0.8μm。

上述所用的原料均为市售产品,纯度均大于99.99%。

根据本发明,所述添加石墨烯的Si3N4基陶瓷刀具材料制备方法,原料组分配比如前所述,包括步骤:

将聚乙烯吡咯烷酮分别加入到异丙醇中,分散使完全溶解,分别得到:聚乙烯吡咯烷酮占Si3N4质量的0.5~2%的分散液A,聚乙烯吡咯烷酮占MgO、Y2O3和A12O3总质量的0.5~2%的分散液B,以及聚乙烯吡咯烷酮占石墨烯质量的50~200%的分散液C。

在上述分散液A中加入Si3N4,制成氮化硅分散液;在上述分散液B中依次加入MgO、Y2O3和A12O3,制成混合烧结助剂的分散液;在上述分散液C中加入石墨烯,制成石墨烯分散液。

将制得的氮化硅分散液与混合烧结助剂的分散液混合,在保护气氛下球磨,再加入所述的石墨烯分散液,球磨后得混合浆料;取上述混合浆料进行干燥、过筛,将所得粉体进行热压烧结。

更为详细的制备方法描述如下:

一种添加石墨烯的Si3N4基陶瓷刀具材料制备方法,原料组分配比如前所述,包括步骤如下:

(1)将聚乙烯吡咯烷酮加入到异丙醇中,超声分散并机械搅拌10~30min,待其完全溶解;加入Si3N4粉体,超声分散并机械搅拌10~30min,得到氮化硅分散液。聚乙烯吡咯烷酮占Si3N4质量的0.5~2%;

(2)将聚乙烯吡咯烷酮加入到异丙醇中,超声分散并机械搅拌10~30min,待其完全溶解;加入MgO粉体,超声分散并机械搅拌10~30min;加入Y2O3粉体,超声分散并机械搅拌10~30min;加入A12O3粉体,超声分散并机械搅拌10~30min,得到混合烧结助剂的分散液。聚乙烯吡咯烷酮占MgO、Y2O3和A12O3总质量的0.5~2%;

(3)将步骤(1)和步骤(2)所述的分散液混合,超声分散并机械搅拌10~30min,得到混合粉体的分散液。

(4)将步骤(3)所述的混合分散液倒入树脂球磨罐中,在惰性保护气氛下球磨48~60h,其中所述球磨所用球为硬质合金球,球料质量比为10~20:1。

(5)将聚乙烯吡咯烷酮加入到异丙醇中,超声分散并机械搅拌10~30min,待其完全溶解;加入石墨烯粉体,超声分散并机械搅拌10~30min,得到石墨烯分散液。聚乙烯吡咯烷酮占石墨烯质量的50~200%;

(6)将步骤(5)所制备的石墨烯分散液加入到步骤(4)的球磨罐中,保持所述保护气氛,继续球磨6~12h。

(7)待步骤(6)完成后,将混合浆料倒入托盘中,在真空干燥箱中干燥,干燥后粉体过200目筛,之后将粉体加入到石墨模具中进行热压烧结。

上述步骤(1)、(2)、(5)所用异丙醇为分析纯,其用量为粉体材料的溶解量,本发明不做特别限定。

根据本发明优选的,步骤(1)所用的聚乙烯吡咯烷酮为Si3N4质量的1~2%。

根据本发明优选的,步骤(2)所用的聚乙烯吡咯烷酮为MgO、Y2O3和A12O3总质量的1~2%。

根据本发明优选的,步骤(5)所用的聚乙烯吡咯烷酮为石墨烯质量的80~150%。聚乙烯吡咯烷酮的添加量不能过低或过高,否则石墨烯的分散效果不理想,容易团聚甚至团聚严重无法实现本发明。

根据本发明优选的,步骤(1)、(2)、(5)所述的聚乙烯吡咯烷酮的型号为K20~K35。其含义为聚乙烯吡咯烷酮K20、K21至K35型号之间的市售产品均可。最优选聚乙烯吡咯烷酮K30型(PVP,K30)。

根据本发明优选的,步骤(4)、(6)所述的球磨球是硬质合金球YG6或YG8。

根据本发明优选的,步骤(4)、(6)所述的保护气氛是氮气或氩气。

根据本发明优选的,步骤(7)所述干燥温度为80~120℃,干燥时间为24~48h。

根据本发明优选的,步骤(7)所述的烧结为真空热压烧结,优选的烧结参数为:烧结温度为1650~1750℃,保温时间为45~75min,压力为20~30MPa,升温速率为10~35℃/min。

本发明的技术特点及有益效果:

本发明所制备的Si3N4/石墨烯复合陶瓷刀具材料是以Si3N4为基体,石墨烯为增强相,以MgO、Y2O3和A12O3为复合烧结助剂,经原料的单独分散、复合分散、球磨、干燥过筛、冷压成型和热压烧结工艺制成。

在力学性能方面,添加石墨烯的复合陶瓷刀具材料的断裂韧性和抗弯强度分别为8.7MPa·m1/2和892MPa,比未添加石墨烯的材料分别提高38.1%和36.2%。石墨烯独特的片状结构和优异的杨氏模量对于Si3N4/石墨烯陶瓷刀具材料具有出人意料的良好效果。本发明人发现石墨烯的添加使陶瓷材料内部形成弱的结合面,增加断裂能从而起到对材料的增韧补强,并且由于石墨烯二维纳米结构的存在,刀具材料在承受载荷时会出现三维裂纹扩展方式,优于其他增韧材料。尤其是作为脆性材料的增强相,其增韧效果非常明显。除此之外,石墨烯加入到Si3N4材料中能提高Si3N4陶瓷刀具的润滑性能。经摩擦磨损实验研究发现,在转速为200r/min、法向载荷为80N的条件下,当石墨烯的质量百分比含量为2%时,复合材料的摩擦系数为0.37,比未添加石墨烯的材料降低了41.3%(0.63)。

与Ti(C,N)材料的颗粒弥散增韧机理不同,研究发现石墨烯的加入能促使裂纹发生偏转、分支,增加裂纹扩展路径,消耗裂纹扩展能。石墨烯是二维片状结构,比表面积大,杨氏模量1TPa,石墨烯与基体材料的结合紧密,石墨烯的拔出能消耗大量的裂纹扩展能。此外,石墨烯具有良好的润滑性能,将其加入到Si3N4材料中能提高Si3N4陶瓷刀具的润滑性能。

本发明所制备的Si3N4/石墨烯复合陶瓷刀具材料具有良好的综合力学性能和自润滑性能,能适应切削加工中的连续及断续切削。本发明具有制备简单实用,成本低廉等优点。

附图说明

图1为实施例2制得的Si3N4/石墨烯复合陶瓷刀具材料断面的扫描电子显微镜(SEM)照片。由图1可知,石墨烯形貌完整,与基体材料的结合紧密。

图2为实施例2中所制备材料的断面中石墨烯的放大图,由图可见,石墨烯位于基体晶粒的晶界处,阻止基体晶粒的长大。材料的断裂模式是以穿晶断裂为主的沿晶和穿晶混合断裂模式。

图3为实施例3中制得的Si3N4/石墨烯复合陶瓷刀具材料断面的扫描电子显微镜(SEM)照片。由图可知石墨烯之间存在团聚现象,石墨烯厚度较大。

图4为实施例4中材料的断面SEM照片。由图4可知,基体材料的结合较为致密,但晶粒的尺寸较大,存在异常长大现象。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明做进一步说明。实施例中所用石墨烯平均厚度为0.2~20nm,石墨烯平均最长向径为1~5μm;所述MgO平均粒径为0.2~0.5μm,A12O3和Y2O3平均粒径为0.2~1μm,Si3N4平均粒径为0.4~0.6μm。实施例中所用的聚乙烯吡咯烷酮均为聚乙烯吡咯烷酮K30型(PVP,K30)。

实施例1:

Si3N4/石墨烯复合陶瓷刀具材料,原料组成质量百分比为:石墨烯为0.5%,A12O3为2%,Y2O3为4%,MgO为2%,剩余为Si3N4

制备步骤如下:

按照Si3N4质量的0.5%称量聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K30)加入到70mL异丙醇中,超声分散并机械搅拌10min,待其完全溶解;称量Si3N4并加入到溶液中,超声分散并机械搅拌30min,得到Si3N4分散液。

按照A12O3,Y2O3和MgO总质量的0.5%称量聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K30)加入到50mL异丙醇中,超声分散并机械搅拌10min,待其完全溶解;称量A12O3加入到溶液中,超声分散并机械搅拌10min,称量Y2O3加入溶液中,超声分散并机械搅拌10min,称量MgO加入到溶液中,超声分散并机械搅拌10min,得到烧结助剂A12O3、Y2O3和MgO的混合分散液。将Si3N4分散液和烧结助剂A12O3、Y2O3和MgO的混合分散液混合后超声分散并机械搅拌30min,得到混合粉体的分散液。将混合粉体的分散液加入到树脂球磨罐中,按照球料比10:1加入硬质合金球,在氮气保护气氛下球磨48h。

按照石墨烯质量的50%称量聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K30)加入到异丙醇中,超声分散并机械搅拌10min,待其完全溶解;称量石墨烯加入到溶液中,超声分散并机械搅拌30min,得到石墨烯分散液。待混合粉体的球磨完成后,将石墨烯分散液加入其中,继续球磨6h,得到混合浆料。将混合浆料倒入托盘中,在真空干燥箱中干燥24h,干燥温度80℃;干燥后粉体过200目筛,然后加入到石墨模具中,冷压15min,然后加入到热压烧结炉中,烧结温度为1650℃,保温时间为75min,压力为25MPa,升温速率为20℃/min,随炉冷却。

所制得的Si3N4/石墨烯复合陶瓷刀具材料经过切割、粗磨、精磨、研磨和抛光后进行力学性能测试,其维氏硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为:14.3GPa,7.9MPa·m1/2,832MPa;在转速为200r/min、法向载荷为80N的条件下进行摩擦磨损测试,采用销-盘摩擦方式,对磨材料为45钢,其摩擦系数为0.54。

实施例2:

Si3N4/石墨烯复合陶瓷刀具材料,原料组成质量百分比为:石墨烯为1%,A12O3为2%,Y2O3为4%,MgO为2%,剩余为Si3N4

制备步骤如下:

按照Si3N4质量的1%称量聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K30)加入到70mL异丙醇中,超声分散并机械搅拌20min,待其完全溶解;称量Si3N4并加入到溶液中,超声分散并机械搅拌20min,得到Si3N4分散液。

按照A12O3,Y2O3和MgO总质量的1%称量聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K30)加入到50mL异丙醇中,超声分散并机械搅拌20min,待其完全溶解;称量A12O3加入到溶液中,超声分散并机械搅拌20min,称量Y2O3加入溶液中,超声分散并机械搅拌20min,称量MgO加入到溶液中,超声分散并机械搅拌20min,得到烧结助剂A12O3、Y2O3和MgO的混合分散液。将Si3N4分散液和烧结助剂A12O3、Y2O3和MgO的混合分散液混合后超声分散并机械搅拌20min,得到混合粉体的分散液。将混合粉体的分散液加入到树脂球磨罐中,按照球料比15:1加入硬质合金球,在氮气保护气氛下球磨56h。

按照石墨烯质量的100%称量聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K30)加入到异丙醇中,超声分散并机械搅拌20min,待其完全溶解;称量石墨烯加入到溶液中,超声分散并机械搅拌20min,得到石墨烯分散液。待混合粉体的球磨完成后,将石墨烯分散液加入其中,继续球磨8h,得到混合浆料。将混合浆料倒入托盘中,在真空干燥箱中干燥24h,干燥温度100℃;干燥后粉体过200目筛,然后加入到石墨模具中,冷压15min,然后加入到热压烧结炉中,其烧结温度为1700℃,保温时间为60min,压力为25MPa,升温速率为20℃/min,随炉冷却。

所制得的Si3N4/石墨烯复合陶瓷刀具材料经过切割、粗磨、精磨、研磨和抛光后进行力学性能测试,其维氏硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为:14.2GPa,8.7MPa·m1/2,892MPa;在转速为200r/min、法向载荷为80N的条件下进行摩擦磨损测试,采用销-盘摩擦方式,对磨材料为45钢,其摩擦系数为0.41。

实施例3:

Si3N4/石墨烯复合陶瓷刀具材料,原料组成质量比为:石墨烯为2%,A12O3为2%,Y2O3为4%,MgO为2%,剩余为Si3N4

制备方法步骤如下:

按照Si3N4质量的2%称量聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K30)加入到70mL异丙醇中,超声分散并机械搅拌30min,待其完全溶解;称量Si3N4并加入到溶液中,超声分散并机械搅拌10min,得到Si3N4分散液。

按照A12O3,Y2O3和MgO总质量的2%称量聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K30)加入到50mL异丙醇中,超声分散并机械搅拌30min,待其完全溶解;称量A12O3加入到溶液中,超声分散并机械搅拌10min,称量Y2O3加入溶液中,超声分散并机械搅拌10min,称量MgO加入到溶液中,超声分散并机械搅拌10min,得到烧结助剂A12O3,Y2O3和MgO的混合分散液。将Si3N4分散液和烧结助剂A12O3,Y2O3和MgO的混合分散液混合后超声分散并机械搅拌30min,得到混合粉体的分散液。将混合粉体的分散液加入到树脂球磨罐中,按照球料比20:1加入硬质合金球,在氮气保护气氛下球磨60h。

按照石墨烯质量的150%称量聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K30)加入到异丙醇中,超声分散并机械搅拌30min,待其完全溶解;称量石墨烯加入到溶液中,超声分散并机械搅拌30min,得到石墨烯分散液。待混合粉体的球磨完成后,将石墨烯分散液加入其中,继续球磨10h,得到混合浆料。将混合浆料倒入托盘中,在真空干燥箱中干燥24h,干燥温度110℃;干燥后粉体过200目筛,然后加入到石墨模具中,冷压15min,然后加入到热压烧结炉中,其烧结温度为1750℃,保温时间为45min,压力为25MPa,升温速率为20℃/min,随炉冷却。

所制得的Si3N4/石墨烯复合陶瓷刀具材料经过切割、粗磨、精磨、研磨和抛光后进行力学性能测试,其维氏硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为:14.0GPa,8.6MPa·m1/2,813MPa;在转速为200r/min、法向载荷为80N的条件下进行摩擦磨损测试,采用销-盘摩擦方式,对磨材料为45钢,其摩擦系数为0.37。

实施例4:未添加石墨烯的氮化硅陶瓷刀具材料

单相氮化硅陶瓷刀具材料,原料组成质量百分比为:A12O3为2%,Y2O3为4%,MgO为2%,剩余为Si3N4

制备方法步骤如下:

按照Si3N4质量的2%称量聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K30)加入到70mL异丙醇中,超声分散并机械搅拌10min,待其完全溶解;称量Si3N4并加入到溶液中,超声分散并机械搅拌20min,得到Si3N4分散液。按照A12O3,Y2O3和MgO总质量的2%称量聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K30)加入到50mL异丙醇中,超声分散并机械搅拌10min,待其完全溶解;称量A12O3加入到溶液中,超声分散并机械搅拌10min,称量Y2O3加入溶液中,超声分散并机械搅拌10min,称量MgO加入到溶液中,超声分散并机械搅拌10min,得到烧结助剂A12O3,Y2O3和MgO的混合分散液。将Si3N4分散液和烧结助剂A12O3,Y2O3和MgO的混合分散液混合后超声分散并机械搅拌30min,得到混合粉体的分散液。将混合粉体的分散液加入到树脂球磨罐中,按照球料比15:1加入硬质合金球,在氮气保护气氛下球磨48h。将球磨后混合浆料倒入托盘中,在真空干燥箱中干燥30h,干燥温度100℃;干燥后粉体过200目筛,然后加入到石墨模具中,冷压15min,然后加入到热压烧结炉中,其中烧结温度为1700℃,保温时间为60min,压力为25MPa,升温速率为20℃/min,随炉冷却。

所制得的Si3N4/石墨烯复合陶瓷刀具材料经过切割、粗磨、精磨、研磨和抛光后进行力学性能测试,包括维氏硬度、断裂韧性和抗弯强度,其值分别为:14.0GPa,6.3MPa·m1/2和655MPa;在转速为200r/min、法向载荷为80N的条件下进行摩擦磨损测试,采用销-盘摩擦方式,对磨材料为45钢,其摩擦系数为0.63。

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