碳化硅包覆六方氮化硼复合粉体改性的自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种陶瓷刀具材料，特别涉及一种添加碳化硅包覆六方氮化硼复合粉体改性的自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]六方氮化硼(h-BN)是一种摩擦性能优良的固体润滑剂，将其引入陶瓷或金属基体中可得到固体自润滑材料，使材料本身具有减磨、耐磨的自润滑功能，免除润滑油脂的使用。但由于h-BN本身力学性能较差，与基体结合不紧密、易团聚等缺陷的存在，直接将h-BN加入到陶瓷或金属基体在使材料获得自润滑功能的同时也使材料的力学性能明显下降，这无疑会限制了其在一些对力学性能要求较高场合的应用。因此，选择合适的方法来实现固体自润滑材料强度与润滑性能的统一，已成为研宄固体自润滑材料的重要方向。
[0003]利用粉体表面包覆技术在h-BN粉体表面包覆一层其他材料可用于提高其力学性能，例如CN102502535A公开了作为分散剂的炭包覆六方氮化硼的制备方法，是以马来酸酐乙烯辛烯接枝共聚物为碳源，通过搅拌、萃取、抽滤、干燥和高温碳化步骤，得到核壳结构的炭包覆六方氮化硼复合粉体；该材料添加到基础油或高分子树脂中表现出良好的分散性，且在高温、高压环境下能表现出良好的机械性能及耐磨性。但是该工艺较复杂，且由于需要将马来酸酐乙烯辛烯接枝共聚物进行高温热解碳化以实现碳在六方氮化硼表面的包覆，所以对设备要求也较高。由于有机物热解碳化过程中会产生气体，使碳包覆层存在气孔而降低致密性，所得碳包覆六方氮化硼不能用于加入到陶瓷材料或金属基体中。
[0004]韦小凤等为了改善六方氮化硼(h-BN)固体润滑剂和N1-Cr合金基体之间的润湿性，采用硝酸镍分解一氢还原法制备Ni包覆h-BN粉末，得到了组织更均匀，固体润滑剂与基体之间的界面结合良好的自润滑复合材料，参见韦小凤，王日初，冯艳等.六方氮化硼(h-BN)表面镀镍对N1-Cr/hBN固体自润滑材料性能的影响[J].粉末冶金材料科学与工程，2011，16(5):665-670o但是，该Ni包覆的复合材料适用于铁基合金(Fe-N1-Cu-Mo)自润滑复合材料和N1-Cr合金自润滑材料，不适于氧化铝基或TiB2基等自润滑陶瓷刀具材料。
【发明内容】
[0005]为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种具有自润滑功能与良好力学性能的自润滑陶瓷刀具材料，以及所述自润滑陶瓷刀具材料的制备方法。
[0006]术语说明:
[0007]h-BN@Si02复合粉体，是指球形纳米二氧化娃包覆六方氮化硼复合粉体。
[0008]h-BNiSiC复合粉体，是指碳化娃包覆六方氣化硼复合粉体。
[0009]本发明的技术方案如下:
[0010]一种添加碳化硅包覆六方氮化硼复合粉体改性的自润滑陶瓷刀具材料，其原料组成体积比如下:[0011 ] 氧化铝(Al2O3) 20-80 %，碳化钛(TiC) 10-80 %，碳化硅包覆的六方氮化硼(h_BN@SiC)复合粉体1-20% (以其中所含h-BN计)，烧结助剂氧化镁(MgO)0.2-5% ；
[0012]其中，所用碳化硅包覆六方氮化硼(h-BN@SiC)复合粉体是按以下方法制得的:
[0013]将h-BN分散于无水乙醇中，向分散液中添加适量蒸馏水与氨水，调节pH值为8-9.5，再逐滴缓慢滴加正硅酸乙酯(TEOS)，正硅酸乙酯在碱性条件催化下水解并与h-BN缩合反应，在h-BN表面键合包覆一层球形纳米S12，得到113_5102复合粉体；然后，以酚醛树脂作为碳源，将包覆在h-BN表面的S12S碳热还原反应转化为SiC。
[0014]所得的h-BN@SiC复合粉体中h_BN的质量占总质量的百分比为30-80%。通过控制正硅酸乙酯与h-BN的含量比可控制h-BN@Si02复合粉体中S12的含量，进而控制h_BN@SiC复合粉体中SiC的含量。
[0015]根据本发明优选的，所述的添加碳化硅包覆六方氮化硼复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料原料组成体积比如下:氧化铝(Al2O3) 30-70%，碳化钛(TiC) 20-50%，碳化硅包覆的六方氮化硼(h-BN@SiC) 2-15% (以其中所含h-BN计)，烧结助剂氧化镁(MgO) 0.2_3%。
[0016]进一步优选的，所述的添加碳化硅包覆六方氮化硼复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料其原料组成体积比如下:氧化铝(Al2O3) 55-70%，碳化钛(TiC) 20-30%，碳化硅包覆的六方氮化硼(h-BN@SiC)2-15%，烧结助剂氧化镁(MgO)0.4-2%。
[0017]根据本发明优选的，所述的h-BN@SiC复合粉体中h-BN的质量占总质量的百分比为55-65 %，进一步优选60 %。
[0018]根据本发明优选的，所用碳化硅包覆六方氮化硼(h-BN@SiC)复合粉体是按以下方法制得的:
[0019]①将粒径为1-15 μπι的h-BN粉体分散于无水乙醇中，h-BN与无水乙醇的质量体积比为0.5-10g:100-500mL，超声分散10_30min，然后加适量水并用质量分数23_28wt%的氨水调节pH值为8-9.5，将得到的混合液磁力搅拌并水浴加热，温度保持在30-70°C ;缓慢滴加正硅酸乙酯(TEOS)，h-BN与正硅酸乙酯的质量体积比为0.5-10g:6_50mL，正硅酸乙酯滴加速度为0.02-0.6mL/min，反应时间为2_24h ;将得到的悬浊液在1000_4000r/min条件下离心分离5-40min，用无水乙醇清洗2_5次，40-100°C条件下真空干燥，得到以微米h_BN为核、纳米S12S壳的球形二氧化硅包覆六方氮化硼(h-BN@Si02)复合粉体；
[0020]②将包覆后的h-BN@Si02复合粉体分散于酚醛树脂的乙醇溶液中，h-BN@Si02与酚醛树脂的质量比为1:1-8 ;加热40-90°C并搅拌以蒸发掉乙醇溶剂，得到h-BN@Si02与酚醛树脂的糊状混合物；将得到的糊状混合物在真空干燥箱中充分干燥，干燥温度为40-180°C ;干燥后的混合物在真空条件下加热到1400-1800°C，保温0.5-3h将包覆在h-BN表面的S12经碳热还原反应转化为SiC，将所得产物转移至马弗炉中，空气氛围下加热到500-800°C，反应l_4h去除残留碳，制得h-BN@SiC复合粉体。
[0021]通过反应前后粉体质量变化，可得到h-BN@SiC复合粉体中h_BN的含量。
[0022]根据本发明，一种添加碳化硅包覆六方氮化硼复合粉体改性的自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，包括下述的步骤:
[0023](I)按比例称取适量Al2O3和TiC粉末，分别分散于无水乙醇中，超声分散并机械搅拌15-30min，将所得悬浮液混合后加入烧结助剂再次超声分散并机械搅拌15_30min，得到混合均匀的复相悬浮液；
[0024](2)将上述复相悬浮液倒入球磨灌，加入硬质合金球，保证球料重量比为8-12:1，充入氮气或氩气作为保护气氛连续球磨36-72h ；
[0025](3)按比例加入h-BN@SiC复合粉体再次球磨l_3h后将悬浮液在真空干燥箱中100-120°C下连续干燥24-48h，然后过筛得到混合粉料，密封备用；
[0026](4)将步骤(3)所得干燥后混合粉料装入石墨模具中进行热压烧结，烧结温度1600-1700°C，热压压力 25-35MPa，保温时间 10_30min，升温速度 10_20°C /min。
[0027]根据本发明优选的，步骤⑴中所述的烧结助剂为MgO。
[0028]根据本发明优选的，步骤(2)中所述的硬质合金球为YG6或YG8，市场可购。
[0029]根据本发明优选的，步骤(2)中保护气氛为氮气或氩气。
[0030]本发明将SiC包覆在h-BN颗粒表面，制备出碳化硅包覆六方氮化硼复合粉体，可使得SiC与h-BN在对材料力学性能的影响上形成互补，即用SiC对材料力学性能的增强弥补h-BN对材料力学性能的减弱，同时改善h-BN与基体的润湿性，减少团聚。进而发现，通过在固体润滑剂h-BN颗粒表面包覆一层SiC，然后再将SiC包覆后的h-BN添加到陶瓷基体中可以减缓直接添加h-BN对材料力学性能的不利影响，特别是材料的断裂韧性有大幅度提尚。
[0031]本发明的有益效果是:利用h-BN@SiC代替h-BN作为固体润滑剂添加到陶瓷