CN102815929A - 表面具有残余压应力的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面具有残余压应力的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法。本发明的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料是应用多元梯度组成分布函数进行组分梯度设计，以α-Al₂O₃为基体，添加(W，Ti)C作为增强相，以氟化钙为固体润滑剂，以氧化镁和氧化镍作为烧结助剂，经分层铺填、热压烧结而成。该刀具材料具有组分关于中间层对称的（2K-1）层梯度结构；氟化钙的含量从表面层最高为8~12%降至中间层的氟化钙含量为0；该刀具材料的两表面层中存在残余压应力。该陶瓷刀具材料的各项力学性能指标均高于相同材料体系的均质自润滑陶瓷刀具材料，兼具高减摩和高耐磨性能，可用于干式切削和难加工材料的切削加工。

Description

表面具有残余压应力的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于表面残余压应力的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法，属于陶瓷刀具材料技术领域。

背景技术

自润滑陶瓷刀具是通过在陶瓷刀具基体内加入固体润滑剂制成，利用固体润滑剂摩擦系数低的特点，使陶瓷刀具在切削加工时在刀具表面形成连续的固体润滑膜，从而实现刀具本身的自润滑功能，参见曹同坤，自润滑陶瓷刀具的设计开发及其自润滑机理研究，山东大学博士学位论文，2005。添加的固体润滑剂一方面可从摩擦表面析出并拖敷形成固体润滑膜,使摩擦界面的接触状态得到改善，进而起到减摩的作用，另一方面会导致陶瓷刀具材料力学性能的降低，从而导致耐磨性能下降。因此，关系到自润滑刀具广泛应用的关键技术问题是如何兼顾固体润滑剂的减摩作用和刀具材料力学能之间的平衡。

将功能梯度材料的设计思想引入自润滑陶瓷刀具材料的研制过程，开发多元梯度自润滑陶瓷刀具材料，将有望缓解切削过程中刀具内的热应力，提高抗热震性，并能在刀具材料表层中形成残余压应力，部分抵消切削过程中外载造成的应力，进而实现自润滑陶瓷刀具减摩性能和耐磨性能的统一。然而，现有的梯度组成分布函数由于仅采用1个组成分布指数，多用于二元功能梯度材料的组分设计。在用于组元大于2种的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料设计时会遇到困难，导致组分设计很难进行。

发明内容

针对已有技术的不足，本发明提供一种表面具有残余压应力的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种多元梯度自润滑陶瓷刀具材料，是以α-Al₂O₃为基体，添加(W，Ti)C作为增强相，以氟化钙（CaF₂）为固体润滑剂，以氧化镁（MgO）和氧化镍（NiO）作为烧结助剂，经分层铺填、热压烧结而成；其特征为：该陶瓷刀具材料具有（2K-1）层的梯度结构，其中K为整数且3≤K≤6；相对中间层对称的层中组分及含量相同，且厚度对称分布；按体积百分比计，表面层的氟化钙含量最高，为8~12%，中间层的氟化钙含量为0，氟化钙的含量从表面层最高为8~12%降至中间层的氟化钙含量为0，(W，Ti)C的含量从表面层到中间层逐层降低；表面层的(W，Ti)C的含量最高，为45~60%，中间层的(W，Ti)C的含量最低，为25~35%；

α-Al₂O₃的含量从表面层到中间层逐层增加；表面层的α-Al₂O₃含量最低，为30~40%，中间层的α-Al₂O₃含量最高，为65~75%；

氧化镁（MgO）含量从表面层到中间层各层相同，为0.5~1%；

氧化镍（NiO）的含量从表面层到中间层各层相同，为0.5~1%；

各层的α-Al₂O₃、(W，Ti)C、氟化钙、氧化镁和氧化镍百分比组成之和为100%。

根据本发明优选的，氟化钙的含量从表面层到中间层逐层降低或者有1~2层是相等的；当氟化钙的含量逐层降低时相邻两层的氟化钙含量体积比差额为1-5%。

根据本发明优选的，从表面层到中间层，相邻两层的(W，Ti)C含量体积比差额为5-10%，相邻两层的α-Al₂O₃含量体积比差额为5-15%。

优选的，上述各组分中，所用的原料均为市售产品，其中α-Al₂O₃粉末和CaF₂粉末的平均粒径均为0.5μm，(W，Ti)C粉末的平均粒径为1μm，纯度均大于99%。

根据本发明优选的，所述各层的氧化镁、氧化镍的体积比含量均为0.5%。

根据本发明优选的，中间层厚度1~3mm，从中间层到表面层的厚度逐层减小，总厚度为3.5~4.5mm。

根据本发明优选方案之一，多元梯度自润滑陶瓷刀具材料为7层结构，各层的组分体积百分含量及厚度为：

第1、7层，α-Al₂O₃ 335.6%，(W，Ti)C 53.4%，CaF₂10%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度0.39~0.4mm；

第2、6层，α-Al₂O₃46.15%，(W，Ti)C 46.15%，CaF₂6.7%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度0.57~0.58mm；

第3、5层，α-Al₂O₃57.42%，(W，Ti)C 38.28%，CaF₂3.3%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度1.03~1.04mm；

第4层，α-Al₂O₃ 69.3%，(W，Ti)C 29.7%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度2.00mm。

根据本发明优选方案之二，多元梯度自润滑陶瓷刀具材料为9层结构，各层的组分体积百分含量及厚度为：

第1、9层，α-Al₂O₃35.6%，(W，Ti)C 53.4%，CaF₂10%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度0.38~0.40mm；

第2、8层，α-Al₂O₃42.28%，(W，Ti)C 46.72%，CaF₂10%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度0.80~0.85mm；

第3、7层，α-Al₂O₃51.7%，(W，Ti)C 42.3%，CaF₂5%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度0.35~0.39mm；

第4、6层，α-Al₂O₃58.75%，(W，Ti)C 35.25%，CaF₂5%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度0.80~0.85mm；

第5层，α-Al₂O₃69.3%，(W，Ti)C 29.7%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度1.20mm。

根据本发明，所述多元梯度自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，依据各层的原料组分配比，分别配制K组混合粉料，各组混合粉料的配制步骤如下：

（1）按比例称取α-Al₂O₃粉末，加无水乙醇配成α-Al₂O₃悬浮液，充分搅拌、超声分散20~30min；

（2）按比例称取(W，Ti)C粉末，加无水乙醇配成(W，Ti)C悬浮液，充分搅拌、超声分散20~30min；

（3）按比例称取氟化钙粉末，加无水乙醇配成氟化钙悬浮液，充分搅拌、超声分散20~30min；

配制中间层混合粉料时，氟化钙含量为0，省略该步骤。

（4）将上述步骤（1）~（3）得到的各相悬浮液混合，然后按比例添加烧结助剂氧化镁和氧化镍，超声分散20~30min，混合均匀；

（5）将步骤（4）所得混合物料倒入球磨罐中，以氮气或氩气为保护气氛，以无水乙醇为介质，各组分原料总量与研磨球的料球重量比为1：10~12，球磨48~80h；然后在电热真空干燥箱中100~110℃温度下连续干燥，完全干燥后在氮气或氩气气流中过筛，得到混合粉料，密封备用；

将所得的各层混合粉料逐层装入石墨模具，形成各层关于中间层对称的（2K-1）层梯度结构。填充好的混合粉料预压后在真空热压烧结炉中烧结成型。制得Al₂O₃/(W，Ti)C/CaF₂多元梯度自润滑陶瓷刀具材料。

热压烧结工艺参数为：升温速率15-30℃/min，保温温度1500~1650℃，热压压力25~30MPa，保温时间10~30min，然后降温至室温。

上述步骤（1）~（3）中所述的无水乙醇是作为配成悬浮液的分散介质，用量按本领域常规选择即可，本发明不做特别限定。

优选的，步骤（5）中球磨用的研磨球是市售的YG类硬质合金球。

本发明的设计原理：

本发明应用多元梯度组成分布函数进行梯度自润滑陶瓷刀具材料的组分梯度设计。现有的幂指数型组成分布函数只包含一个组成分布指数，本发明应用的多元梯度组成分布函数包含N-1个组成分布指数（N为组元个数且N>2）。

梯度自润滑陶瓷刀具材料一般由复相基体和固体润滑组元构成，而目前适用于两种组元以上的多元功能梯度材料的组成分布模型尚未有报道。本发明提出多元功能梯度材料的组成分布模型及分布函数。设功能梯度材料由K（K为大于2的自然数）种组元e₁、e₂、e₃、…、e_k组成，体积分数分别为则

将组元e₂、e₃、…、e_k看成基体m₁，e₁服从幂指数为n₁的梯度分布函数，即：

${\mathrm{\φ}}_{e_1}=f\left(\mathrm{\ξ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}{{\mathrm{\φ}}_0}^{e_1}& 0\≤\mathrm{\ξ}\≤{\mathrm{\ξ}}_0^{e_1}\\ ({{\mathrm{\φ}}_1}^{e_1}-{{\mathrm{\φ}}_0}^{e_1}){\left[\frac{\mathrm{\ξ}-{\mathrm{\ξ}}_0^{e_1}}{{\mathrm{\ξ}}_1^{e_1}-{\mathrm{\ξ}}_0^{e_1}}\right]}^{n_1}+{{\mathrm{\φ}}_0}^{e_1}& {\mathrm{\ξ}}_0^{e_1}\≤\mathrm{\ξ}\≤{\mathrm{\ξ}}_1^{e_1}\\ {{\mathrm{\φ}}_1}^{e_1}& {\mathrm{\ξ}}_1^{e_1}\≤\mathrm{\ξ}\≤1\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，

和分别为底层和顶层两非梯度层的量纲一厚度；

分别为底层和顶层中组元e₁在材料整体中的体积分数；n₁为组元e₁在材料整体中的梯度分布指数。基体m₁的梯度分布函数为：

${\mathrm{\φ}}_{m_1}=1-{\mathrm{\φ}}_{e_1}---\left(2\right)$

在基体m₁中，e₂服从幂指数为n₂的梯度分布函数，其表达式为：

${\mathrm{\φ}}_{e_2}^{*}=f\left(\mathrm{\ξ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}{{\mathrm{\φ}}_0}^{e_2}& 0\≤\mathrm{\ξ}\≤{\mathrm{\ξ}}_0^{e_2}\\ ({{\mathrm{\φ}}_1}^{e_2}-{{\mathrm{\φ}}_0}^{e_2}){\left[\frac{\mathrm{\ξ}-{\mathrm{\ξ}}_0^{e_2}}{{\mathrm{\ξ}}_1^{e_2}-{\mathrm{\ξ}}_0^{e_2}}\right]}^{n_2}+{{\mathrm{\φ}}_0}^{e_2}& {\mathrm{\ξ}}_0^{e_2}\≤\mathrm{\ξ}\≤{\mathrm{\ξ}}_1^{e_2}\\ {{\mathrm{\φ}}_1}^{e_2}& {\mathrm{\ξ}}_1^{e_2}\≤\mathrm{\ξ}\≤1\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，

和

分别为底层和顶层两非梯度层的量纲一厚度；

分别为底层和顶层中组元e₂在基体m₁中的体积分数；n₂为组元e₂在基体m₁中的梯度分布指数。

在梯度材料整体中，e₂的梯度分布函数为：

${\mathrm{\φ}}_{e_2}={\mathrm{\φ}}_{m_1}\×{\mathrm{\φ}}_{e_2}^{*}=(1-{\mathrm{\φ}}_{e_1}){\mathrm{\φ}}_{e_2}^{*}---\left(4\right)$

将组元e₃、e₄、…、e_k看成基体m₂，则

${\mathrm{\φ}}_{m_2}={\mathrm{\φ}}_{m_1}-{\mathrm{\φ}}_{e_2}=1-{\mathrm{\φ}}_{e_1}-{\mathrm{\φ}}_{e_2}---\left(5\right)$

在m₂中，e₃服从幂指数为n₃的梯度分布函数，其表达式为：

${\mathrm{\φ}}_{e_3}^{*}=f\left(\mathrm{\ξ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}{{\mathrm{\φ}}_0}^{e_3}& 0\≤\mathrm{\ξ}\≤{\mathrm{\ξ}}_0^{e_3}\\ ({{\mathrm{\φ}}_1}^{e_3}-{{\mathrm{\φ}}_0}^{e_3}){\left[\frac{\mathrm{\ξ}-{\mathrm{\ξ}}_0^{e_3}}{{\mathrm{\ξ}}_1^{e_3}-{\mathrm{\ξ}}_0^{e_3}}\right]}^{n_3}+{{\mathrm{\φ}}_0}^{e_3}& {\mathrm{\ξ}}_0^{e_3}\≤\mathrm{\ξ}\≤{\mathrm{\ξ}}_1^{e_3}\\ {{\mathrm{\φ}}_1}^{e_3}& {\mathrm{\ξ}}_1^{e_3}\≤\mathrm{\ξ}\≤1\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，

和

分别为底层和顶层两非梯度层的量纲一厚度；

分别为底层和顶层中组元e₃在基体m₂中的体积分数；n₃为组元e₃在基体m₂中的梯度分布指数。

在梯度材料整体中，e₃的组成分布函数为：

${\mathrm{\φ}}_{e_3}={\mathrm{\φ}}_{m_2}\×{\mathrm{\φ}}_{e_3}^{*}=(1-{\mathrm{\φ}}_{e_1}-{\mathrm{\φ}}_{e_2}){\mathrm{\φ}}_{e_3}^{*}---\left(7\right)$

然后将组元e₄、e₅、…、e_k看成基体m₃，按上述过程求出e₄在梯度材料整体中的组成分布函数。以此类推，最后将组元e_k-1、e_k看成基体m_k-2，e_k-1在基体m_k-2中的服从幂指数为n_k-1的组成分布函数。在梯度材料整体中，e_k-1和e_k的组成分布函数分别为：

${\mathrm{\φ}}_{e_{k-1}}={\mathrm{\φ}}_{m_{k-2}}\×{\mathrm{\φ}}_{e_{k-1}}^{*}=(1-{\mathrm{\φ}}_{e_1}-...-{\mathrm{\φ}}_{e_{k-2}}){\mathrm{\φ}}_{e_{k-1}}^{*}---\left(8\right)$

${\mathrm{\φ}}_{e_k}={\mathrm{\φ}}_{m_{k-2}}-{\mathrm{\φ}}_{e_{k-1}}=1-{\mathrm{\φ}}_{e_1}-{\mathrm{\φ}}_{e_2}-...-{\mathrm{\φ}}_{e_{k-1}}---\left(9\right)$

这样，K元功能梯度材料的组成分布函数中有e₁、e₂、e₃、…、e_k共K-1个自变量和n₁、n₂、n₃、…、n_k-1共K-1个梯度分布指数。n₁、n₂、n₃、…、n_k-1的取值范围分别是[0，+∞)，但至少有一个不为0，否则将成为K元均质材料。

为了简化处理分布函数，一般令

对于三元功能梯度材料，有两个梯度分布指数n₁和n₂。根据函数形状不同，n₁取值可分为4种情况：n₁=0；0<n₁<1；n₁=1和n₁>1。同理，n₂取值也可分为4种情况：n₂=0；0<n₂<1；n₂=1和n₂>1。除了同时取0的情况，n₁和n₂可分别在上述4种情况下任意组合取值。图1为三元功能梯度材料组成分布函数。

为使刀片的上下表面具有相同的切削性能及自润滑性能，本发明设计梯度自润滑陶瓷刀具材料时采用对称型分布函数。在设计过程中忽略气孔率的影响，假定梯度自润滑陶瓷刀具材料由基体组元A、B及固体润滑组元L组成，体积分数分别为φ_A、φ_B和φ_L，则固体润滑组元L的梯度分布函数为：

${\mathrm{\&phi;}}_L=f\left(\mathrm{\&xi;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}({{\mathrm{\&phi;}}_1}^L-{{\mathrm{\&phi;}}_0}^L){\left[\frac{0.5-\mathrm{\&xi;}}{0.5}\right]}^{n_1}+{{\mathrm{\&phi;}}_0}^L& 0\&le;\mathrm{\&xi;}\&le;0.5\\ ({{\mathrm{\&phi;}}_1}^L-{{\mathrm{\&phi;}}_0}^L){\left[\frac{\mathrm{\&xi;}-0.5}{0.5}\right]}^{n_1}+{{\mathrm{\&phi;}}_0}^L& 0.5\&le;\mathrm{\&xi;}\&le;1\end{array}\right.---\left(10\right)$

式中，φ₀ ^L、φ₁ ^L分别为中间层和两个表层中固体润滑组元L的体积分数；n₁为固体润滑组元L在材料整体中的梯度分布指数。陶瓷基体中A的梯度分布函数为：

${\mathrm{\&phi;}}_A^{*}=f\left(\mathrm{\&xi;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}({{\mathrm{\&phi;}}_1}^A-{{\mathrm{\&phi;}}_0}^A){\left[\frac{0.5-\mathrm{\&xi;}}{0.5}\right]}^{n_2}+{{\mathrm{\&phi;}}_0}^A& 0\&le;\mathrm{\&xi;}\&le;0.5\\ ({{\mathrm{\&phi;}}_1}^A-{{\mathrm{\&phi;}}_0}^A){\left[\frac{\mathrm{\&xi;}-0.5}{0.5}\right]}^{n_2}+{{\mathrm{\&phi;}}_0}^A& 0.5\&le;\mathrm{\&xi;}\&le;1\end{array}\right.---\left(11\right)$

式中，φ₀ ^A、φ₁ ^A分别为中间层和两个表层中组元A在基体中的体积分数；n₂为组元A在材料基体中的梯度分布指数。在梯度自润滑陶瓷刀具材料整体中，

${\mathrm{\&phi;}}_A=(1-{\mathrm{\&phi;}}_L){\mathrm{\&phi;}}_A^{*}$ ${\mathrm{\&phi;}}_B=(1-{\mathrm{\&phi;}}_L)(1-{\mathrm{\&phi;}}_A^{*})=1-{\mathrm{\&phi;}}_L-{\mathrm{\&phi;}}_A---\left(12\right)$

梯度自润滑陶瓷刀具材料的组成分布函数如图2所示，下边的“双子叶”形函数为固体润滑组元L在材料整体中的分布函数，上边的“双子叶”函数为基体组元A在材料整体中的分布函数。

为了使梯度自润滑陶瓷刀具材料具有尽可能高的强度，可使固体润滑剂含量在材料中间平面处为零，逐渐向表面梯度增加，并且适当增加中间层的厚度。此时式（10）和式（11）分别写成式（13）和式（14），其组成分布函数如图3所示。

${\mathrm{\&phi;}}_L=f\left(\mathrm{\&xi;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}{{\mathrm{\&phi;}}_1}^L{\left[\frac{{\mathrm{\&xi;}}_0-\mathrm{\&xi;}}{{\mathrm{\&xi;}}_0}\right]}^{n_1}& 0\&le;\mathrm{\&xi;}\&le;{\mathrm{\&xi;}}_0\\ 0& {\mathrm{\&xi;}}_0\&le;\mathrm{\&xi;}\&le;{\mathrm{\&xi;}}_1\\ {{\mathrm{\&phi;}}_1}^L{\left[\frac{{\mathrm{\&xi;}-\mathrm{\&xi;}}_1}{1-{\mathrm{\&xi;}}_1}\right]}^{n_1}& {\mathrm{\&xi;}}_1\&le;\mathrm{\&xi;}\&le;1\end{array}\right.---\left(13\right)$

${\mathrm{\&phi;}}_A^{*}=f\left(\mathrm{\&xi;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}({{\mathrm{\&phi;}}_1}^A-{{\mathrm{\&phi;}}_0}^A){\left[\frac{{\mathrm{\&xi;}}_0-\mathrm{\&xi;}}{{\mathrm{\&xi;}}_0}\right]}^{n_2}+{{\mathrm{\&phi;}}_0}^A& 0\&le;\mathrm{\&xi;}\&le;{\mathrm{\&xi;}}_0\\ {{\mathrm{\&phi;}}_0}^A& {\mathrm{\&xi;}}_0\&le;\mathrm{\&xi;}\&le;{\mathrm{\&xi;}}_1\\ ({{\mathrm{\&phi;}}_1}^A-{{\mathrm{\&phi;}}_0}^A){\left[\frac{{\mathrm{\&xi;}-\mathrm{\&xi;}}_1}{1-{\mathrm{\&xi;}}_1}\right]}^{n_2}+{{\mathrm{\&phi;}}_0}^A& {\mathrm{\&xi;}}_1\&le;\mathrm{\&xi;}\&le;1\end{array}\right.---\left(14\right)$

式中，ξ₀和1-ξ₁分别为上、下表面梯度层的量纲一厚度，且0.5-ξ₀=ξ₁-0.5。

综上，适宜的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料的组分梯度设计有以下三种主要类型：

（1）n₁≠0、n₂=0——润滑组元L的含量在材料整体中变化、基体组元A的含量在材料基体中不变；

（2）n₁=n₂≠0—润滑组元L的含量在材料整体中变化、基体组元A的含量在材料基体中也变化，且二者变化的快慢程度相同；

（3）n₁≠n₂≠0——润滑组元L的含量在材料整体中变化、基体组元A的含量在材料基体中也变化，但二者变化的快慢程度不同。

通过上述工艺步骤制备的Al₂O₃/(W，Ti)C/CaF₂多元梯度自润滑陶瓷刀具材料，通过控制CaF₂含量从材料表面到内部逐渐降低，在表面具有良好自润滑性能的同时使材料整体保持了较高的力学性能；通过控制(W，Ti)C含量由材料内部到表面逐渐升高，使材料烧结完成后在其表面层形成残余压应力，进而提高材料表面层的硬度及断裂韧性等力学性能。该多元梯度自润滑陶瓷刀具材料的力学性能明显高于相同材料体系的均质梯度自润滑陶瓷刀具材料。

附图说明

图1三元功能梯度材料组成分布函数图示。

图2梯度自润滑陶瓷刀具材料的组成分布函数，式（10）和式（11）图示。

图3为梯度自润滑陶瓷刀具材料的组成分布函数，式（13）和式（14）图示。

图4是三种分布指数取值类型下该刀具材料的线膨胀系数在材料厚度方向的变化曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。在实施例的组分中，所用的原料均为市售产品，其中α-Al₂O₃粉末和CaF₂粉末的平均粒径均为0.5μm，(W，Ti)C粉末的平均粒径为1μm，纯度均大于99%。

设CaF₂含量在多元梯度自润滑陶瓷刀具材料Al₂O₃/(W，Ti)C/CaF₂中的分布指数为n₁，(W，Ti)C含量在材料基体Al₂O₃/(W，Ti)C中的分布指数为n₂，图4为n₁、n₂在三种取值类型下该刀具材料的线膨胀系数在材料厚度方向的变化曲线。

对于Al₂O₃/(W，Ti)C/CaF₂多元梯度自润滑陶瓷刀具材料，当n₁≠0、n₂=0时，材料的线膨胀系数由内向外逐渐升高，不符合使材料表面层形成残余压应力的条件；当n₁=n₂≠0时，材料的线膨胀系数由内向外逐渐降低，符合使材料表面层形成残余压应力的条件；当n₁≠n₂≠0时，材料的线膨胀系数由内向外先升高后降低，可以使材料表面层形成残余压应力。

实施例1：取n₁=n₂≠0的分布指数类型，取n₁=n₂=2.0。

本实施例中的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料为7层结构，各层的组分体积百分含量及厚度列于表1。

表1.实施例1的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料各层的组分体积百分含量及厚度

按以下步骤分别配制各组混合粉料：

按比例称取α-Al₂O₃粉末、(W，Ti)C粉末和CaF₂粉末（L4层混合粉料不称取CaF₂粉末），分别加无水乙醇配成悬浮液，充分搅拌、超声分散20min；将上述各原料的悬浮液混合，得到复相悬浮液，然后按比例添加烧结助剂MgO和NiO（两者体积比1:1），超声分散30min，混合均匀；然后将其倒入球磨罐中，以氮气为保护气氛，以无水乙醇为介质，各组分原料总量与研磨球的料球重量比为1：10，球磨48h；然后在电热真空干燥箱中100℃温度下连续干燥，完全干燥后在氮气气流中过筛，得到混合粉料，密封备用。

分别按各梯度层设计厚度要求称取各层的混合粉料，按L1~L7的层号顺序叠层填充石墨模具，然后进行预压成型。

对压坯采用真空烧结炉进行烧结，热压烧结工艺参数为：升温速率15℃/min，保温温度1550℃，热压压力30MPa，保温时间20min，然后降温至室温。

对比例1：用实施例1表面层（L1/L7层）混合粉料在相同烧结工艺条件下制备均质自润滑陶瓷刀具材料。

经测试，多元梯度自润滑陶瓷刀具材料的表层存在180MPa的残余压应力。表2列出了多元梯度自润滑陶瓷刀具材料与对应的均质自润滑陶瓷刀具材料的力学性能，可以看出前者的抗弯强度、维氏硬度和断裂韧性分别比后者提高了24.6%、19.2%和5.5%。

表2.实施例1与对比例1的自润滑陶瓷刀具材料的力学性能对比

实施例2：取n₁≠n₂≠0的分布指数类型。

取n₁=1、n₂=3.5。本实施例中的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料为9层结构，各层的组分体积百分含量及厚度列于表3。

表3.实施例2的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料各层的组分体积百分含量及厚度

按以下步骤分别配制各组混合粉料：按比例称取α-Al₂O₃粉末、(W，Ti)C粉末和CaF₂粉末（L5层混合粉料不称取CaF₂粉末），分别加无水乙醇配成悬浮液，充分搅拌、超声分散30min；将上述各原料的悬浮液混合，得到复相悬浮液，然后按比例添加烧结助剂MgO和NiO（两者体积比1:1），超声分散25min，混合均匀；然后将其倒入球磨罐中，以氮气为保护气氛，以无水乙醇为介质，各组分原料总量与研磨球的料球重量比为1：12，球磨64h；然后在电热真空干燥箱中110℃温度下连续干燥，完全干燥后在氮气气流中过筛，得到混合粉料，密封备用。

分别按各梯度层设计厚度要求称取各层的混合粉料，按L1~L9的层号顺序叠层填充石墨模具，然后进行预压成型。

对压坯采用真空烧结炉进行烧结，热压烧结工艺参数为：升温速率20℃/min，保温温度1600℃，热压压力30MPa，保温时间15min，然后降温至室温。

对比例2：用实施例2表面层（L1/L9层）混合粉料在相同烧结工艺条件下制备均质自润滑陶瓷刀具材料。

经测试，多元梯度自润滑陶瓷刀具材料的表层存在126MPa的残余压应力。由表2可以看出，实施例2的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料的抗弯强度、维氏硬度和断裂韧性分别比对比例的均质材料提高了21.7%、15.4%和8.0%。

表4.实施例2与对比例2的自润滑陶瓷刀具材料的力学性能对比

抗弯强度的提高是因为陶瓷材料的强度随固体润滑剂含量的增加而降低，多元梯度自润滑陶瓷刀具材料中CaF₂含量由表及里梯度减少，使材料内部的强度提高，进而使材料整体强度提高。多元梯度自润滑陶瓷材料表层的硬度和断裂韧性较均质材料的提高归因于梯度材料表层存在的残余压应力。残余压应力对裂纹的萌生及扩展起到一定的抑制和屏蔽作用，进而提高了该梯度层的硬度和断裂韧性。

Claims (9)

1.一种多元梯度自润滑陶瓷刀具材料，是以α-Al₂O₃为基体，添加(W，Ti)C作为增强相，以氟化钙（CaF₂）为固体润滑剂，以氧化镁（MgO）和氧化镍（NiO）作为烧结助剂，经分层铺填、热压烧结而成；其特征在于：该陶瓷刀具材料具有（2K-1）层的梯度结构，其中K为整数且3≤K≤6；相对中间层对称的层中组分及含量相同，且厚度对称分布；按体积百分比计：氟化钙的含量从表面层最高为8~12%降至中间层的氟化钙含量为0；

(W，Ti)C的含量从表面层到中间层逐层降低；表面层的(W，Ti)C的含量最高，为45~60%，中间层的(W，Ti)C的含量最低，为25~35%；

α-Al₂O₃的含量从表面层到中间层逐层增加；表面层的α-Al₂O₃含量最低，为30~40%，中间层的α-Al₂O₃含量最高，为65~75%；

氧化镁（MgO）含量从表面层到中间层各层相同，为0.5~1%；

氧化镍（NiO）的含量从表面层到中间层各层相同，为0.5~1%；

各层的α-Al₂O₃、(W，Ti)C、氟化钙、氧化镁和氧化镍百分比组成之和为100%。

2.如权利要求1所述的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于，氟化钙的含量从表面层到中间层逐层降低或有1~2层相等；当氟化钙的含量逐层降低时相邻两层的氟化钙含量体积比差额为1-5%。

3.如权利要求1所述的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于，从表面层到中间层，相邻两层的(W，Ti)C含量体积比差额为5-10%，相邻两层的α-Al₂O₃含量体积比差额为5-15%。

4.如权利要求1所述的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于，所述各层的氧化镁、氧化镍的体积比含量均为0.5%。

5.如权利要求1所述的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于，多元梯度自润滑陶瓷刀具材料为7层结构，各层的组分体积百分含量及厚度为：

第1、7层，α-Al₂O₃35.6%，(W，Ti)C 53.4%，CaF₂10%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度0.39~0.4mm；

第2、6层，α-Al₂O₃46.15%，(W，Ti)C 46.15%，CaF₂6.7%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度0.57~0.58mm；

第3、5层，α-Al₂O₃57.42%，(W，Ti)C 38.28%，CaF₂3.3%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度1.03~1.04mm；

第4层，α-Al₂O₃69.3%，(W，Ti)C 29.7%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度2.00mm。

6.如权利要求1所述的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于，多元梯度自润滑陶瓷刀具材料为9层结构，各层的组分体积百分含量及厚度为：

第1、9层，α-Al₂O₃35.6%，(W，Ti)C 53.4%，CaF₂10%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度0.38~0.40mm；

第2、8层，α-Al₂O₃42.28%，(W，Ti)C 46.72%，CaF₂10%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度0.80~0.85mm；

第3、7层，α-Al₂O₃51.7%，(W，Ti)C 42.3%，CaF₂5%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度0.35~0.39mm；

第4、6层，α-Al₂O₃58.75%，(W，Ti)C 35.25%，CaF₂5%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度0.80~0.85mm；

第5层，α-Al₂O₃ 69.3%，(W，Ti)C 29.7%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度1.20mm。

7.如权利要求1~6任一项所述的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于，α-Al₂O₃粉末和CaF₂粉末的平均粒径均为0.5μm，(W，Ti)C粉末的平均粒径为1μm，纯度均大于99%。

8.权利要求1~7任一项所述多元梯度自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，依据各层的原料组分配比，分别配制K组混合粉料，各组混合粉料的配制步骤如下：

（1）按比例称取α-Al₂O₃粉末，加无水乙醇配成α-Al₂O₃悬浮液，充分搅拌、超声分散20~30min；

（2）按比例称取(W，Ti)C粉末，加无水乙醇配成(W，Ti)C悬浮液，充分搅拌、超声分散20~30min；

（3）按比例称取氟化钙粉末，加无水乙醇配成氟化钙悬浮液，充分搅拌、超声分散20~30min；

配制中间层混合粉料时，氟化钙含量为0，省略该步骤；

（4）将上述步骤（1）~（3）得到的各相悬浮液混合，然后按比例添加烧结助剂氧化镁和氧化镍，超声分散20~30min，混合均匀；

（5）将步骤（4）所得混合物料倒入球磨罐中，以氮气或氩气为保护气氛，以无水乙醇为介质，各组分原料总量与研磨球的料球重量比为1：10~12，球磨48~80h；然后在电热真空干燥箱中100~110℃温度下连续干燥，完全干燥后在氮气或氩气气流中过筛，得到混合粉料，密封备用；

将所得的各层混合粉料逐层装入石墨模具，形成各层关于中间层对称的（2K-1）层梯度结构；填充好的混合粉料预压后在真空热压烧结炉中烧结成型。

9.如权利要求8所述多元梯度自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于在真空热压烧结炉中，热压烧结工艺参数为：升温速率15-30℃/min，保温温度1500~1650℃，热压压力25~30MPa，保温时间10~30min，然后降温至室温。

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