本发明涉及一种陶瓷刀具材料及其制备方法，特别涉及一种以钇稳定四方相氧化锆为基体相，以纳米氧化铝作为颗粒增强相，以h-bn作为固体润滑相的梯度自润滑的一种氧化锆基梯度陶瓷刀具及其制备方法。
背景技术：
自润滑陶瓷刀具由于其自身的减摩抗磨作用，在没有外加润滑液的条件下，能够有效改善干切削过程中的摩擦润滑状态，在降低摩擦、减小磨损的同时，克服切削液造成的环境污染、实现清洁化生产。自润滑陶瓷刀具在干切削技术中的应用已受到国内外工业届和学术界的广泛关注。
刀具材料自润滑功能的实现主要有三种方式。(1)基于摩擦化学反应的自润滑刀具：利用刀具在切削高温作用下的摩擦化学反应，在刀具材料表面原位生成具有润滑作用的反应膜，从而实现刀具的自润滑；(2)自润滑涂层刀具：通过对刀具材料进行表面涂覆或表面离子注入，形成自润滑功能表面；(3)添加固体润滑剂的自润滑刀具：以固体润滑剂作为刀具材料添加剂，制备自润滑刀具材料。
添加固体润滑剂的自润滑刀具是向陶瓷相中引入具有低摩擦系数、低剪切、易拖敷的固体润滑剂。在切削过程中，固体润滑剂由于受到摩擦、挤压和高温作用而析出，拖敷于刀具前刀面，形成一层连续的润滑膜，可显著改善刀具与切屑间的黏着现象，实现切削过程的有效减摩，延长刀具的使用寿命。而另一方面，由于固体润滑剂普遍强度、硬度低，将其弥散分布于陶瓷刀具中会在实现减摩的同时，使得刀具的力学性能下降，耐磨性能降低。陶瓷刀具的减摩性能和耐磨性能之间的制约作用限制了自润滑陶瓷刀具的应用。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种氧化锆基梯度陶瓷刀具及其制备方法，以钇稳定四方相氧化锆为基体相，以纳米氧化铝作为颗粒增强相，以h-bn作为固体润滑相，固体润滑相在材料中呈对称型梯度分布，通过本发明的梯度层结构设计可在保证陶瓷刀具优异减摩性能的同时，有效提高自润滑陶瓷刀具的力学性能，延长刀具的使用寿命。
为达到以上目的，本发明所采用的具体的技术方案如下：
一种氧化锆基梯度陶瓷刀具，以钇稳定四方相氧化锆为基体相，以纳米氧化铝作为颗粒增强相，以h-bn作为固体润滑相，经逐层铺粉、干压成型、热压烧结得到；中间层为含有纳米氧化铝颗粒增强的钇稳定四方相氧化锆，厚度为1～3mm，氧化铝与钇稳定四方相氧化锆的体积比为1：(2.33-19)；梯度层以中间层为中心，向两个表面以对称型呈梯度分布，两侧梯度层厚度相等，各边梯度层总厚度为0.5～1.5mm，各梯度层中固体润滑相h-bn的含量遵循以下分布规律：
f(x)＝(x/n)p×f(s)
式中，f(x)表示各梯度层中固体润滑相h-bn的含量；x表示由中间层向表面层梯度层层数，为1～n；n表示由中间层向表面层各侧梯度层总层数，范围在3～11层；p为梯度指数，决定固体润滑相在梯度层的分布方式；f(s)表示两个表面层固体润滑相h-bn的含量，范围在5～20vol％；
各梯度层中氧化铝与钇稳定四方相氧化锆的含量比例与中间层保持一致，即在各梯度层中，氧化铝与钇稳定四方相氧化锆的体积比为1：(2.33-19)。
基于上述一种氧化锆基梯度陶瓷刀具的制备方法，步骤如下：
步骤一、按照公式中计算所得中间层以及各梯度层原料成分配比称量原料，将原料分散于无水乙醇介质中，然后在刚玉罐中混合球磨24h；置于干燥箱中，在80～90℃下将混合均匀的浆料进行烘干；将粉体进行过筛，得到混合粉体；
步骤二、将混合均匀的粉体依据中间层、梯度层润滑相分布方式逐层依次铺于钢模具中，轴向加压进行冷压成型，冷压压力为150～180mpa，保压时间5～8分钟，保压结束后缓慢卸压，脱模得到素坯；
步骤三、将素坯转移至石墨模具中，放在真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结温度为1350～1450℃，真空度为1～3×10-2pa，烧结时间1.5～2小时，并采用20～30mpa进行单轴施压，然后随炉冷却，室温脱模，得到氧化锆基梯度自润滑陶瓷刀具材料。
本发明的特点在于，片层状h-bn的引入提高的陶瓷刀具的减摩性能，同时，由于层状-梯度的结构设计提高了陶瓷刀具的抗弯强度和断裂韧性，能够有效延长刀具材料的使用寿命。
本发明的优点在于，在切削过程中，固体润滑剂h-bn由于受到摩擦、挤压和高温作用而析出，拖敷于刀具前刀面，形成一层连续的润滑膜，可实现切削过程的有效减摩，延长刀具的使用寿命。同时，通过本发明的梯度结构设计，能够从两方面有效解决由于固体润滑剂的引入带来的材料力学性能降低的问题。一方面，中间层氧化铝纳米颗粒增强的钇稳定四方相氧化锆起材料力学承载作用，其中钇稳定四方相氧化锆在材料受力破坏时发生t相向m相转变，相变过程体积膨胀对材料起增韧作用。而纳米第二相添加氧化铝颗粒的加入有效防止基体陶瓷相在烧结过程中晶粒的快速长大，为提高陶瓷材料力学性能起有力作用。另一方面，固体润滑相由里向外逐渐增多的分布方式，有效减小相邻层间组分含量的差异，使得层间界面相容性提高，极大减小在烧结冷却过程中，由于层间热膨胀系数的差异产生的残余应力。本发明使用的固体润滑剂h-bn具有较小的热膨胀系数，从材料中间层向两边h-bn含量逐渐减小，梯度层中热膨胀系数逐渐减小，表面层具有最小热膨胀系数，材料经烧结后由于热膨胀失配在材料表面产生残余压应力，压应力的存在能够进一步提高陶瓷材料的力学性能及耐磨性能。
本发明制备的氧化锆基梯度自润滑陶瓷刀具材料能够通过组分-结构设计有效实现刀具材料减摩抗磨性能的提高，为氧化锆陶瓷刀具材料的结构设计开辟了一条新的途径。
附图说明
图1为本发明氧化锆基梯度自润滑陶瓷刀具的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做详细叙述。
实施例一：
参照图1，本实施一种氧化锆基梯度陶瓷刀具，中间层氧化铝纳米颗粒增强的钇稳定四方相氧化锆，组成为al2o315vol％，3y-tzp85vol％，中间层厚度为2mm。梯度指数为1。梯度层数为5。各梯度层组分及梯度层厚度如下表所示：
本实施例的制备方法，步骤如下：
步骤一、按照公式中计算所得中间层以及各梯度层原料成分配比称量原料，将原料分散于无水乙醇介质中，然后在刚玉罐中混合球磨24h；置于干燥箱中，在80～90℃下将混合均匀的浆料进行烘干；将粉体进行过筛，得到混合粉体；
步骤二、将混合均匀的粉体依据中间层、梯度层润滑相分布方式逐层依次铺于钢模具中，铺层顺序为：层5-层4-层3-层2-层1-中间层-层1-层2-层3-层4-层5，轴向加压进行冷压成型，冷压压力为150～180mpa，保压时间5～8分钟，保压结束后缓慢卸压，脱模得到素坯；
步骤三、将素坯转移至石墨模具中，放在真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结温度为1350～1450℃，真空度为1～3×10-2pa，烧结时间1.5～2小时，并采用20～30mpa进行单轴施压，然后随炉冷却，室温脱模，得到氧化锆基梯度自润滑陶瓷刀具材料。
本实施例所得的材料性能分析：通过上述过程制备的氧化锆基梯度陶瓷刀具总层数为11层，两边梯度层中润滑相含量由中间层向表面层逐渐增多，材料表面固体润滑相含量为20vol％，因此材料具有较为优异的减摩性能。润滑相的梯度分布方式有利于提高刀具材料的力学性能，测得本实施例方法制备的氧化锆基梯度陶瓷刀具材料抗弯强度为639mpa。
实施例二：
本实施一种氧化锆基梯度陶瓷刀具，中间层氧化铝纳米颗粒增强的钇稳定四方相氧化锆，组成为al2o315vol％，3y-tzp85vol％，中间层厚度为2mm。梯度指数为2。梯度层数为5。各梯度层组分及梯度层厚度如下表所示：
本实施例的制备方法，步骤如下：
步骤一、按照公式中计算所得中间层以及各梯度层原料成分配比称量原料，将原料分散于无水乙醇介质中，然后在刚玉罐中混合球磨24h；置于干燥箱中，在80～90℃下将混合均匀的浆料进行烘干；将粉体进行过筛，得到混合粉体；
步骤二、将混合均匀的粉体依据中间层、梯度层润滑相分布方式逐层依次铺于钢模具中，铺层顺序为：层5-层4-层3-层2-层1-中间层-层1-层2-层3-层4-层5。，轴向加压进行冷压成型，冷压压力为150～180mpa，保压时间5～8分钟，保压结束后缓慢卸压，脱模得到素坯；
步骤三、将素坯转移至石墨模具中，放在真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结温度为1350～1450℃，真空度为1～3×10-2pa，烧结时间1.5～2小时，并采用20～30mpa进行单轴施压，然后随炉冷却，室温脱模，得到氧化锆基梯度自润滑陶瓷刀具材料。
本实施例所得的材料性能分析：通过上述过程制备的氧化锆基梯度陶瓷刀具总层数为11层，两边梯度层中润滑相含量由中间层向表面层逐渐增多，材料表面固体润滑相含量为20vol％，因此材料具有较为优异的减摩性能。通过调整梯度指数，能够改变润滑相在梯度层中的分布方式，进而调整材料内部残余应力大小，有利于提高刀具材料的力学性能，测得本实施例方法制备的氧化锆基梯度陶瓷刀具材料抗弯强度为686mpa。
实施例三：
本实施一种氧化锆基梯度陶瓷刀具，中间层氧化铝纳米颗粒增强的钇稳定四方相氧化锆，组成为al2o315vol％，3y-tzp85vol％，中间层厚度为2mm。梯度指数为1。梯度层数为7。各梯度层组分及梯度层厚度如下表所示：
本实施例的制备方法，步骤如下：
步骤一、按照公式中计算所得中间层以及各梯度层原料成分配比称量原料，将原料分散于无水乙醇介质中，然后在刚玉罐中混合球磨24h；置于干燥箱中，在80～90℃下将混合均匀的浆料进行烘干；将粉体进行过筛，得到混合粉体；
步骤二、将混合均匀的粉体依据中间层、梯度层润滑相分布方式逐层依次铺于钢模具中，铺层顺序为：层7-层6-层5-层4-层3-层2-层1-中间层-层1-层2-层3-层4-层5层6-层7，轴向加压进行冷压成型，冷压压力为150～180mpa，保压时间5～8分钟，保压结束后缓慢卸压，脱模得到素坯；
步骤三、将素坯转移至石墨模具中，放在真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结温度为1350～1450℃，真空度为1～3×10-2pa，烧结时间1.5～2小时，并采用20～30mpa进行单轴施压，然后随炉冷却，室温脱模，得到氧化锆基梯度自润滑陶瓷刀具材料。
本实施例所得的材料性能分析：通过上述过程制备的氧化锆基梯度陶瓷刀具总层数为15层，两边梯度层中润滑相含量由中间层向表面层逐渐增多，材料表面固体润滑相含量为20vol％，因此材料具有较为优异的减摩性能。梯度层数的增加有利于减小层间热膨胀系数的差异，进而减小材料内部残余应力，有利于提高刀具材料的力学性能，测得本实施例方法制备的氧化锆基梯度陶瓷刀具材料抗弯强度为723mpa。