专利名称：高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及切削刀具材料技术领域，尤其涉及高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料及其制备方法。
背景技术：
自润滑刀具是指刀具材料本身具有减摩、抗磨、润滑功能，可在无外加润滑液或润滑剂的条件下实现自润滑切削加工，减少设备投资，避免切削液造成的环境污染，实现清洁化生产，降低生产成本，因此自润滑刀具是一种高效、洁净的绿色刀具，在现代切削加工中具有广阔的应用前景。目前陶瓷材料中常见的自润滑体系包括Al2O3-石墨、Al2O3-CaF2和 TiB2-BN等，其中自润滑陶瓷刀具材料体系中所添加的固体润滑剂均为微米尺度。添加固体润滑剂的自润滑陶瓷材料尽管摩擦学性能得到了改善，但是由于固体润滑剂的低强度和低硬度的特点，破坏了材料的力学性能，导致了陶瓷材料的耐用性降低。纳米技术是改善陶瓷力学性能的重要途径之一。在自润滑陶瓷刀具材料中，以低粒度、高分散的纳米固体润滑剂CaF2代替传统的微米自润滑粉体，在真空热压条件下烧结可以得到含有纳米固体润滑剂CaF2的新型纳米自润滑陶瓷刀具材料。本技术在采用纳米制备技术获得的低粒度、高分散的纳米氟化钙基础上，选择合适的基体材料配比以及适量的烧结助剂，并采用合理的烧结技术，提高自润滑陶瓷刀具材料的力学性能，获得能够兼顾力学性能和摩擦学特性的新型纳米复合自润滑刀具材料。
发明内容
为了克服现有自润滑陶瓷刀具材料力学性能和摩擦性能难以兼顾的缺陷，本发明提供一种高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料及其制备方法。发明概述本发明通过采用纳米级的固体润滑剂CaF2、高力学性能的Al2O3和TiC以及烧结助剂MgO的纳微米复合作用，通过特定的烧结工艺，得到添加纳米固体润滑剂的氧化铝基自润滑刀具材料，优化了自润滑刀具材料的力学性能，制备的自润滑刀具材料具有较高的力学性能和摩擦磨损性能，在高速干切削领域具有良好的应用前景。发明详述本发明的技术方案如下一种高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料，原料体积百分比组成如下碳化钛25-55% ;纳米氟化钙5-15% ;氧化镁0. 5-1. 5% ;氧化铝余量；所述氧化铝微米级粉体，球磨至平均粒径为I 2 ii m ; 所述碳化钛为微米级粉体，球磨至平均粒径为I 2 m ;所述纳米氟化钙粒径范围为15_50nm。根据本发明优选的，所述高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料，原料体积百分比组成如下氧化铝40-55% ;碳化钛30-50% ;纳米氟化钙5-15% ;氧化镁0. 5_1%。
根据本发明优选的，所述高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料，原料体积百分比组成如下氧化招40% ;碳化钛49. 5% ;纳米氟化I丐10% ;氧化镁0. 5%。根据本发明，一种高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料的制备方法，包括步骤如下(I)按照1: 2.5的摩尔比称取硝酸钙和氟化铵，分别加入乙醇-蒸馏水混合溶液中，制得硝酸钙含量为lmol/L的硝酸钙溶液，氟化铵含量为2. 2-3. OmoI/L的氟化铵溶液。再将所述的硝酸钙溶液和氟化铵溶液分别加入聚乙二醇-无水乙醇分散液中磁力搅拌40_80min、超声分散10-30min,分别得硝酸I丐分散液和氟化铵分散液，将所述的硝酸I丐分散液和氟化铵分散液，在超声和机械搅拌条件下混合反应3-5min，离心、清洗，得纳米氟化钙，将制得的纳米氟化钙加入聚乙二醇-无水乙醇分散液中得粒径范围15-50nm的纳米氟化钙分散液； (2)按配比，将称量好的氧化铝、碳化钛和氧化镁依次加入到步骤(I)的纳米氟化钙分散液中，混合分散40-60min后加入球磨罐中，采用硬质合金球球磨48_72h，经过真空干燥24-36h后，采用200目筛过筛，得复合粉料，备用；(3)将步骤(2)的复合粉料加入石墨模具中，采用真空热压烧结技术，在烧结温度15500C -1700°C和保温15-30min条件下烧结，烧结完成后自然冷却。根据本发明的上述方法，优选的，步骤(I)中乙醇-蒸馏水混合溶液中乙醇与蒸馏水的体积比为I 3 I 2。根据本发明的上述方法，优选的，步骤(I)所述的聚乙二醇-无水乙醇分散液中聚乙二醇的含量为3. 5-4. 5g/L。根据本发明的上述方法，优选的，步骤(I)中聚乙二醇-无水乙醇分散液分别是所述的硝酸钙溶液、氟化铵溶液的4-8体积倍。根据本发明的上述方法，优选的，步骤(I)所述的纳米氟化钙分散液中，纳米氟化钙的含量为6. 9-20. 7g/L。根据本发明的上述方法，优选的，步骤(I)中所用的聚乙二醇为PEG6000。根据本发明的上述方法，优选的，步骤(3)所述的烧结过程中，从开始升温烧结到温度升至烧结温度从常压逐渐加压至24-36MPa。该加压过程平均速率为0. 4 0. 6MPa/min，整个升温过程持续I小时。本发明制备得到的高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料中，纳米CaF2主要位于基体晶粒内部(晶内型)，粒度在IOOnm以下。所得复合陶瓷刀具材料的抗弯强度为600-700MPa，断裂韧性为 6-8. 5MPa m1/2，硬度为 16_19GPa。本发明将低硬度的固体润滑剂引入陶瓷晶体内部，解决了目前自润滑陶瓷刀具材料综合力学性能较低的难题。在不减少固体润滑剂含量和保持良好的摩擦特性前提下，降低固体润滑剂对刀具材料力学性能的损伤，同时在纳米尺寸效应的作用下改善了自润滑陶瓷刀具材料的抗弯强度和硬度，提高了断裂韧性，制备得到高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料。本发明在不减少固体润滑剂含量和保持良好的摩擦特性前提下，通过纳微米复合技术，选择合适的烧结工艺，将纳米固体润滑剂CaF2成功引入陶瓷基体晶粒的内部，陶瓷材料的断裂方式主要是纳米晶内相引起的穿晶断裂，消耗了大量的断裂能，获得了具有较高力学性能的自润滑刀具材料。制备的纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料具有力学性能好、自润滑特性好的特点，可较好地满足切削加工的要求，而且该刀具具有原料便宜、工艺简单、设备投入少等特点，易于实现产业化。
图1是实施例1的高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料断口的扫描电镜照片。图2是实施例1的高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料的透射电镜照片。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步说明。各实施例的原料组分中，所用的Al2O3和TiC粉末，球磨至平均粒径均为1. 5 ii m，纯度大于99% ；CaF2粒径范围为15_50nm。所用的聚乙二醇为聚乙二醇6000。 实施例1高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料，原料组分的体积百分比为40%A1203，49. 5%TiC, 10%CaF2，0. 5%Mg0。制备方法如下( I)制备纳米氟化钙分散液按照摩尔比1: 2. 5的比例分别称取硝酸钙4. 72g和氟化铵1. 85g，各自放入烧杯中，分别各加入IOml蒸馏水和IOml无水乙醇，摇匀溶解，得预配好的硝酸钙和氟化氨溶液；称取0. 8g的PEG6000，加入200ml无水乙醇中，超声分散20min，使其完全溶解，得到聚乙二醇和无水乙醇的复合溶剂。将该配好的复合溶剂等量分为两份，分别加入预配好的硝酸钙和氟化氨溶液中，磁力搅拌60min，超声分散20min ;得分散好的硝酸钙溶液和氟化氨溶液。在超声和搅拌条件下，将分散好的硝酸钙溶液倒入分散好的氟化铵溶液中，反应3min。取出反应后的溶液，放置陈化48h。在4000r/min条件下进行离心分离30min，用无水乙醇清洗5次，得平均粒径为20. 4nm的CaF2，加入聚乙二醇的含量为4g/L聚乙二醇-无水乙醇分散液，制得CaF2含量为13. 8g/L的纳米CaF2分散液。(2)按配比，将A1203、TiC和MgO依次加入CaF2分散液中，在超声波和机械搅拌下混合分散40min,然后采用硬质合金球球磨48h,真空干燥24h后采用200目分样筛过筛；(3)将复合粉料加入石墨模具中，采用真空热压烧结技术，在烧结温度1650°C和保温15min条件下烧结，烧结开始后逐渐加压，温度升至烧结温度时压力达到30MPa，该加压过程平均速率为0. 5MPa/min，整个升温过程持续I小时。烧结完成后自然冷却。将制得的陶瓷材料试样进行切割加工，测得其力学性能参数为抗弯强度655MPa、断裂韧性8. 25MPa m1/2、维氏硬度18. 68GPa。图1的扫描电镜照片显示纳米氟化钙在陶瓷基体中分布均匀，无团聚，材料的断裂方式以穿晶断裂为主。图2的透射电镜照片显示氟化钙主要位于基体晶粒内部，粒度在40-100nm之间，烧结后晶粒未发生明显长大。实施例2高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料，原料组分的体积百分比为59%A1203，30%TiC, 10%CaF2, l%MgO。制备方法如下
( I)制备纳米氟化钙分散液如实施例1。(2)将称量好的Al203、TiC和MgO依次加入母液中，在超声波和机械搅拌下混合分散60min,然后采用硬质合金球球磨72h,真空干燥36h后采用200目分样筛过筛；(3)将复合粉料加入石墨模具中，采用真空热压烧结技术，在烧结温度1550°C和保温30min条件下烧结，烧结过程中随温度升高逐渐调大压力，温度升至烧结温度时压力达到25MPa，该加压过程平均速率约为0. 417MPa/min，整个升温过程持续I小时。烧结完成后自然冷却。将制得的陶瓷材料试样进行切割加工，测得其力学性能参数为抗弯强度674MPa、断裂韧性 6. 42MPa m1/2、维氏硬度 16. 16GPa。实施例3 高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料，原料组分的体积百分比为42%A1203，42%TiC, 15%CaF2, l%MgO。制备方法如下( I)制备纳米氟化钙分散液按照摩尔比1: 2. 5的比例分别称取硝酸钙7. 08g和氟化铵2. 78g，各自放入烧杯中，分别各加入15ml蒸馏水和IOml无水乙醇，摇匀溶解，得预配好的硝酸钙和氟化氨溶液；称取0. 8g的PEG6000，加入200ml无水乙醇中，超声分散20min，使其完全溶解，得到聚乙二醇和无水乙醇的复合溶剂。将该配好的复合溶剂等量分为两份，分别加入预配好的硝酸钙和氟化氨溶液中，磁力搅拌80min，超声分散30min ;得分散好的硝酸钙溶液和氟化氨溶液。在超声和搅拌条件下，将分散好的硝酸钙溶液倒入分散好的氟化铵溶液中，反应5min。取出反应后的溶液，放置陈化48h。在4000r/min条件下进行离心分离30min，用无水乙醇清洗5次，得平均粒径为20. 4nm的CaF2，加入聚乙二醇的含量为5g/L聚乙二醇-无水乙醇分散液，制得CaF2含量为20. 7g/L的纳米CaF2分散液。(2)将称量好的Al203、TiC和MgO依次加入母液中，在超声波和机械搅拌下混合分散40min,然后采用硬质合金球球磨48h,真空干燥24h后采用200目分样筛过筛；(3)将复合粉料加入石墨模具中，采用真空热压烧结技术，在烧结温度1600°C和保温20min条件下烧结，烧结过程中随温度升高逐渐调大压力，烧结开始后逐渐加压，温度升至烧结温度时压力达到24MPa，该加压过程平均速率约为0. 4MPa/min，整个升温过程持续I小时。烧结完成后自然冷却。将制得的陶瓷材料试样进行切割加工，测得其力学性能参数为抗弯强度612MPa、断裂韧性 6. 53MPa m1/2、维氏硬度 16. 2GPa。实施例4高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料，原料组分的体积百分比为44. 5%A1203,49%TiC, 5%CaF2,1. 5%Mg0。制备方法如下按照摩尔比1: 2. 5的比例分别称取硝酸钙2. 36g和氟化铵0. 93g，制备纳米氟化钙分散液如实施例1，制得CaF2含量为6. 9g/L的纳米CaF2分散液。将称量好的Al2O3JiC和MgO依次加入纳米氟化钙分散液(实施例1步骤(I)制得)中，在超声波和机械搅拌下混合分散50min,然后采用硬质合金球球磨48h,真空干燥36h后采用200目分样筛过筛；将复合粉料加入石墨模具中，采用真空热压烧结技术，在烧结温度1650°C和保温30min条件下烧结，烧结过程中随温度升高逐渐调大压力，烧结开始后逐渐加压，温度升至烧结温度时压力达到36MPa，该加压过程平均速率约为0. 6MPa/min,整个升温过程持续I小时。烧结完成后自然冷却。将制得的陶瓷材料试样进行切割加工，测得其力学性能参数为抗弯强度688MPa、断裂韧性6. 36MPa m1/2、维氏硬度18. 47GPa。对比例添加微米氟化钙固体润滑剂的氧化铝基自润滑刀具材料如实施例1的配方，所不同的是，采用市售微米级CaF2作为固体润滑剂。添加微米氟化钙固体润滑剂的氧化铝基自润滑刀具材料，原料组分的体积百分比为40%A1203,49. 5%TiC, 10% 微米 CaF2,0. 5%Mg0。制备步骤如下按配比，将A1203、TiC、微米CaF2和MgO依次加入聚乙二醇分散液中，在超声波和机械搅拌下混合分散40min,然后采用硬质合金球球磨48h,真空干燥24h后采用200目分样筛过筛；将所得复合粉料加入石墨模具中，采用真空热压烧结技术，在烧结温度1650°C和保温15min条件下烧结，烧结开始后逐渐加压，温度升至烧结温度时压力达到30MPa，该 加压过程平均速率为0.5MPa/min，整个升温过程持续I小时。烧结完成后自然冷却。将制得的陶瓷材料试样进行切割加工，测得其力学性能参数为抗弯强度528MPa、断裂韧性4. 45MPa m1/2、维氏硬度 15. 2GPa。
权利要求
1.一种纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料，原料体积百分比组成如下 碳化钛25-55% ;纳米氟化钙5-15% ;氧化镁O. 5-1. 5% ;氧化铝余量； 所述氧化铝微米级粉体，球磨至平均粒径为I 2 μ m ; 所述碳化钛为微米级粉体，球磨至平均粒径为I 2 μ m ; 所述纳米氟化I丐粒径范围为15-50nm。
2.如权利要求1所述的纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料，其特征在于，原料体积百分比组成如下 氧化铝40-55% ;碳化钛30-50% ;纳米氟化钙5-15% ;氧化镁O. 5_1%。
3.如权利要求1所述的纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料，其特征在于，原料体积百分比组成如下 氧化招40% ;碳化钛49. 5% ;纳米氟化韩10% ;氧化镁O. 5%。
4.权利要求1 3任一项所述的纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料的制备方法，包括步骤如下 (1)按照1: 2.5的摩尔比称取硝酸钙和氟化铵，分别加入乙醇-蒸馏水混合溶液中，制得硝酸钙含量为lmol/L的硝酸钙溶液，氟化铵含量为2. 2-3. OmoI/L的氟化铵溶液。再将所述的硝酸钙溶液和氟化铵溶液分别加入聚乙二醇-无水乙醇分散液中磁力搅拌40_80min、超声分散10-30min,分别得硝酸|丐分散液和氟化铵分散液，将所述的硝酸1丐分散液和氟化铵分散液，在超声和机械搅拌条件下混合反应3-5min，离心、清洗，得纳米氟化钙，将制得的纳米氟化钙加入聚乙二醇-无水乙醇分散液中得粒径范围15-50nm的纳米氟化钙分散液； (2)按配比，将称量好的氧化铝、碳化钛和氧化镁依次加入到步骤(I)的纳米氟化钙分散液中，混合分散40-60min后加入球磨罐中，采用硬质合金球球磨48_72h，经过真空干燥24-36h后，采用200目筛过筛，得复合粉料，备用； (3)将步骤(2)的复合粉料加入石墨模具中，采用真空热压烧结技术，在烧结温度15500C -1700°C和保温15-30min条件下烧结，烧结完成后自然冷却。
5.如权利要求4所述的纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(I)中乙醇-蒸馏水混合溶液中乙醇与蒸馏水的体积比为I 3 I 2。
6.如权利要求4所述的纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(I)所述的聚乙二醇-无水乙醇分散液中聚乙二醇的含量为3. 5-4. 5g/L。
7.如权利要求4所述的纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(I)中聚乙二醇-无水乙醇分散液分别是所述的硝酸钙溶液、氟化铵溶液的4-8体积倍。
8.如权利要求4所述的纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(I)所述的纳米氟化钙分散液中，纳米氟化钙的含量为6. 9-20. 7g/L。
9.如权利要求4所述的纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(I)中所用的聚乙二醇为PEG6000。
全文摘要
本发明涉及一种高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料及其制备方法。该自润滑刀具材料原料体积百分比组成如下碳化钛25-55%；纳米氟化钙5-15%；氧化镁0.5-1.5%；氧化铝余量；制备方法包括先将纳米氟化钙制成分散液，再将MgO、Al2O3和TiC加入其中，混合分散、球磨、干燥、过筛后得到粉料，以真空热压法烧结。本发明将纳米固体润滑剂CaF2成功引入陶瓷基体晶粒的内部，改善了自润滑陶瓷刀具材料的抗弯强度和硬度，提高了断裂韧性。该自润滑刀具材料原料成本低，工艺简单，设备投入小，易于实现产业化。
文档编号C04B35/117GK103011784SQ20121054651
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月16日 优先权日2012年12月16日
发明者许崇海, 衣明东, 肖光春, 陈照强, 方斌, 魏高峰, 冯益华 申请人:山东轻工业学院