一种硼化锆-氧化锆-氟化钙自润滑陶瓷材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种陶瓷材料，具体的说是一种硼化锆-氧化锆-氟化钙自润滑陶瓷材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]机械制造业在整个国民经济中占有及其重要的地位，而金属切削加工在制造业中占据主导地位。在切削加工中，使用切削液对提高加工效率与加工工件表面质量具有重要作用，但也是最大的污染源。切削液在制造、使用、处理和排放的各个时期均会对环境造成严重污染。在全球环保意识不断增强与环保立法日益严格的大趋势下，如何找到对环境无污染、可持续发展的现代制造模式已经成为我国制造业面临的最紧迫难题。在切削加工中合理、适当地选用干切削技术不仅可以在源头上解决切削液污染问题，而且能够降低生产成本，这无疑为众多制造企业指明了方向。其指导思想符合由高效大量生成型向低环境负荷型发展。
[0003]虽然采用干式切削已成为现代制造业发展的必然，但其实质并不是简单地停止使用切削液，而是在停止使用切削液的同时，保证高效率、高产品质量以及切削过程的可靠性，这就需要用性能优良的干切削刀具以及辅助设备替代传统切削中切削液的作用，来实现真正意义上的干切削加工。在实际的生产加工中，由于缺少切削液的润滑和冷却作用，因而不可避免地会使加工中产生的热量增加，导致切削温度升高，排肩不畅，极易引起刀具寿命下降及加工表面质量恶化。只有克服这些不利因素，才能使干切削具有湿切削的同样效果，从而使干切削得到成功应用。为此，国内外已投入大量人力和资金对干切削技术进行研宄，如从改进刀具性能着手开发干切削技术，研制适用于干切削的先进刀具材料，但由于干切削时摩擦条件异常严酷，切削温度极高，刀具热磨损十分严重，导致刀具寿命偏低，因此迫切需要研宄开发无污染的新型润滑方式。
【发明内容】
[0004]本发明目的是提供一种硼化锆-氧化锆-氟化钙自润滑陶瓷材料的制备方法，结合添加固体润滑剂和原位氧化反应的双重机制，粉末状的ZrB2作为基体材料并提供原位反应自润滑机制，ZrO2为增韧相，CaF 2为添加剂式自润滑配料，制备出一种不仅适合高速切削而且在在高低温均不受限制的自润滑陶瓷材料。
[0005]一种硼化锆-氧化锆-氟化钙自润滑陶瓷材料的制备方法，为了保证所制备出的双机制自润滑复合材料的力学与自润滑性能，ZrB2采用纳米粉，粒度为55~60nm ; ZrO2采用纳米粉，粒度为15~25nm ;CaF2采用纳米粉，粒度为110~120nm。其中所述ZrB 2纳米粉、ZrO 2纳米粉和 CaF2m米粉的体积百分比为:ZrB 2 60.0-69.0%、ZrO2 17.0-36.0%、CaF2 4.0%。
[0006]一种硼化锆-氧化锆-氟化钙自润滑陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤: 步骤一、原材料的预处理所述2池2纳米粉、Zr02m米粉和CaF 2纳米粉在制备和包装过程中可能混有杂质，为了提高其纯度，采用的氢氟酸水溶液进行清洗。由于纳米粉料的粒度较小，活性较大，为避免粉料受氢氟酸的腐蚀，氢氟酸的浓度应适当。清洗方法为:分别将2池2纳米粉、ZrO2纳米粉和CaF2纳米粉置于浓度为1.6wt%的氢氟酸水溶液中，然后60~80Hz超声波、80~150r/min搅拌处理50~70min，静置60~90min，倒出上层溶液及漂浮的杂质等，所得沉淀物加入去离子水进行洗涤，静置60~90min再次倒出上层溶液，再次加入去离子水进行洗涤，直至上层溶液PH值大于6.5为止，最终分别得到酸洗后2池2纳米粉、ZrO 2纳米粉和CaF 2纳米粉；将所得酸洗后2池2纳米粉、ZrO 2纳米粉和CaF 2纳米粉分别加入无水乙醇洗涤一次，然后真空干燥至水的含量质量百分比为50%，再次加入无水乙醇洗涤一次，然后抽真空分别进行保存，得到预处理后2池2纳米粉、ZrO 2纳米粉和CaF 2纳米粉，备用；
步骤二、配料、搅拌、分散及第一次球磨
按照2池2的体积百分比为60.0-69.0%、ZrO 2的体积百分比为17.0-36.0%分别取预处理后的2池2纳米粉和ZrO 2纳米粉，倒入装有ZrB 2纳米粉和ZrO 2纳米粉混合物体积7~8倍的去离子水的容器中，得到混合物A ;该容器设有温度传感器，可以随时测量容器内液体的温度；将容器置于超声波发生器中，120-170HZ超声波处理，同时对其进行180~220r/min搅拌；在超声搅拌过程中，将混合物A的温度快速升高至105°C，并保持不变。超声搅拌35min后，按照聚乙二醇和混合物A的质量比为1:80，取聚乙二醇加入到混合物A中，继续超声搅拌15~20min，得到混合物B ;将所得混合物B放入球磨罐中，以无水乙醇为介质，球磨180~220h，在140~160°C条件下真空干燥24~25h，过筛，得到细化粉末，备用；
步骤三、第二次球磨
按照上述步骤二所得细化粉末的体积百分比为96%、步骤一预处理得到的CaF2纳米粉的体积百分比为4%，取步骤二所得细化粉末和步骤一预处理得到的CaF2m米粉，倒入步骤二所得细化粉末和步骤一预处理得到的CaF2纳米粉总体积3~5倍的去离子水的容器中，得到混合物C ;所述容器配合有温度传感器，可以随时测量容器内液体的温度；将装有混合物C的容器置于超声波发生器中，80~100Hz超声分散，同时对其进行100~150r/min搅拌；在超声搅拌过程中，将混合物温度快速升高至100°C，维持该温度，继续超声搅拌30~40min，按照聚乙二醇和混合物的质量比为1:100加入聚乙二醇，然后继续超声搅拌分散10~20min，超声搅拌分散结束后，得到混合物D ;将所得混合物D放入球磨罐中，以无水乙醇为介质，球磨280~300h，在170~180°C条件下真空干燥20~22h，过筛，得到二次球磨细化粉末，备用；步骤四:放电等离子烧结
将步骤三所得二次球磨细化粉末装入石墨模具，置于真空环境中，然后均匀加压进行放电等离子烧结，烧结时，从室温上升至1700°C的过程中，环境压力平稳均匀的加至35MPa，之后在温度为1700°C、压力35MPa条件下保温15~28min，然后断电自然冷却至室温，即得到硼化锆-氧化锆-氟化钙自润滑陶瓷材料。
[0007]步骤二和步骤三中所述的球磨罐均为玛瑙球磨罐；
步骤二和步骤三中所述球磨的方法为湿式行星球磨。
[0008]有益效果是:
1、本发明硼化锆-氧化锆-氟化钙自润滑陶瓷材料的制备方法，采用粉末状的ZrB2作为基体材料并提供原位反应自润滑机制，ZrO2为增韧相，CaF2为添加剂式自润滑配料，并控制各组分的体积百分比为-.ZrB2 60.0-80.0%、ZrO2 15.0-35.0%、CaF2 5.0%，引入15.0-35.0%的ZrO2主要可以提高复合材料的强度和韧性，ZrB 2氧化后也可以生成的ZrO 2，使基体相ZrB2与新生成的ZrO2、增强相ZrOjg互穿插、包裹，形成较好的骨架结构，能够形成较好的相变增韧效果；引入5.0%的CaF2，主要是利用此高温润滑材料在低速切削或摩擦时提供良好的自润滑，同时利用2池2/21<)2陶瓷基体起到的支撑骨架作用，并依靠三次球磨技术，将CaF2固体润滑剂嵌入到连续的陶瓷骨架中，在低速切削或摩擦时可以析出，起到自润滑与减摩的作用。
[0009]2、本发明提供硼化锆-氧化锆-氟化钙自润滑陶瓷材料的制备方法，通过在ZrB2基体中添加ZrO2粉末和CaF2粉末，并控制各自的体积分数，采用真空环境，均匀加压的放电等离子烧结(SPS)工艺，此烧结工艺可以有效降低较难烧结硼化物复合材料的烧结温度，从而获得致密度更高的材料；在此工艺条件下制备的硼化锆-氧化锆-氟化钙自润滑陶瓷材料，适合于高低温，具有粒度细小且分布均匀、高硬度、高抗弯强度、高断裂韧性、良好的高低温稳定性等特点，适合于制成对高温及耐磨性要求较高的金属切削刀具、轴承、喷嘴等。
【附图说明】
[0010]图1为原料中各组分的体积百分比为！ZrB2 55.0%、Zr02 40.0%、CaF2 5.0%，其他条件按照本发明硼化锆-氧化锆-氟化钙自润滑陶瓷材料的制备方法中的不变，所制备的材料在700° C下摩擦磨损后图片；
图2为实施例二制备的硼化锆-氧化锆-氟化钙自润滑陶瓷材料在700° C下摩擦磨损后图片；
图3为原料中各组分的体积百分比为:ZrB2 85.0%、Zr02 10.0%、CaF2 5.0%，其他条件按照本发明硼化锆-氧化锆-氟化钙自润滑陶瓷材料在700° C下摩擦磨损后图片；
图4为高温摩擦磨损实验中摩擦温度与摩擦系数关系图；
图5为硼化锆-氧化锆-氟化钙自润滑陶瓷材料在摩擦过程中的自润滑机理-摩擦开始阶段示意图；
图6为硼化锆-氧化锆-氟化钙自润滑陶瓷材料在摩擦过程中的自润滑机理-ZrB2、CaF2颗粒逐渐析出示意图；
图7为硼化锆-氧化锆-氟化钙自润滑陶瓷材料在摩擦过程中的自润滑机理-B2O3,ZrO2, CaFjg滑膜在摩