CN102924086B - 添加六方氮化硼的硼化钛基自润滑陶瓷刀具材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种添加六方氮化硼的硼化钛基自润滑陶瓷刀具材料的制备方法。该材料是以微米TiB₂为基体，添加微米WC作为增强相，微米h-BN为固体润滑剂，微米Mo和微米Ni作为烧结助剂烧结而成。制备方法是先将微米TiB₂、微米WC和微米h-BN粉末分别分散，再经过球磨、干燥制得粉料，采用热压法烧结。该方法具有制备方法简单、操作方便等优点。所得自润滑陶瓷刀具材料具有良好的综合力学性能和减摩耐磨性能，可用于制作切削刀具、模具以及其他耐磨耐腐零部件。

Description

添加六方氮化硼的硼化钛基自润滑陶瓷刀具材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷刀具材料的制备方法，特别涉及一种添加六方氮化硼的硼化钛基自润滑陶瓷刀具材料的制备方法。

背景技术

绿色制造已成为21世纪机械制造业的发展趋势，随着社会可持续发展意识的提高和研究的不断深入，切削液使用所带来的负面效应越来越明显。而消除切削液带来的负面影响，最有效的方法就是取消切削液的使用，进行干式切削加工。但是干式切削加工对刀具提出了更严格的要求，高速干式切削加工过程中的摩擦非常严重，刀具磨损急剧增加、刀具耐用度较低。

CN1114103A(CN94190666.3)提供了一种含W和Co的、具有细的晶粒尺寸的、致密的二硼化钛基陶瓷组合物；一种用于第IVB族金属材料切削加工的金属切削刀具，包括：一个前倾面，在加工上述第IVB族金属材料时形成的切屑流过此面，一个侧面，和一条切削刃，它形成于上述前倾面和侧面的连接处，以高速切入上述第IVB族金属材料中；其中上述金属切削刀具为一种主要含第IVB族元素硼化物相的陶瓷组合物。其中组合物的平均晶粒尺寸为8μm或更小；第IVB族元素硼化物相是二硼化钛相。该组合物特别适合用作钛基合金高速加工的切削刀具。

CN102249697A（CN201010176966.2）一种反应助剂促进烧结硼化钛陶瓷的方法。本发明利用添加低温下可以反应的复合添加剂Ti和B/B₄C/C为烧结助剂，利用烧结助剂之间的原位反应生成新的具有较好烧结活性的二相粒子来促进TiB₂陶瓷的烧结，在1800～2000℃温度下热压制备相对密度大于97％的TiB₂陶瓷。采用这种方法所生成的第二相(硼化钛或碳化钛)具有和基体同样较高的熔点，保证了烧结助剂不会对材料的高温力学性能带来不利的影响。

自润滑材料的开发，改善了材料的减摩和抗热磨损性能，使材料具备自润滑功能。现在的固体复合自润滑材料按基体材料类型主要分为金属、陶瓷和高分子基三类。如Ni-Al/C、Bi2212/Ag、Al/TiC等金属基自润滑复合材料，Al₂O₃/TiC/CaF₂、Al₂O₃/TiB₂、Al₂O₃/PTFE等陶瓷基自润滑复合材料，PEEK/Si₃N₄、PTFE/Cu等高分子基自润滑复合材料。

CN1583660A(CN200410024226.1)提供一种自润滑陶瓷刀具材料，以Al₂O₃陶瓷作为基体材料，添加TiC强化相和CaF₂固体润滑剂。球磨80～120小时；将球磨后的料放置真空干燥箱中干燥，干燥后料在有氮气保护的橱中过筛；采用热压烧结工艺，以氮气作为烧结气氛，烧结温度范围为1700～1800℃，压力为30～36MPa，保温时间为8～20分钟，即可制备Al₂O₃/TiC/CaF₂自润滑陶瓷刀具材料。

陶瓷刀具材料具有很高的硬度、耐磨性能和良好的耐高温性能，与金属的亲和力小，不易与金属产生粘结，并且化学稳定好，适用于高速干切削。以Al₂O₃/TiC为基体，以CaF₂为固体润滑剂，采用热压工艺制备的Al₂O₃/TiC/CaF₂自润滑陶瓷刀具材料，在切削加工时，在自润滑陶瓷刀具的前刀面上形成了一层较完整的固体润滑膜。采用热压烧结的Si₃N₄/h-BN复合陶瓷在磨损表面形成一层含有B₂O₃、SiO₂和Fe₂O₃的摩擦膜，起到较好的减摩作用。

TiB₂陶瓷材料既有陶瓷材料的高硬度、高强度、高熔点等特性，又有金属材料的高导电、高导热等优点；既满足刀具材料的要求，又具有良好的可加工性能，获得广泛的应用。日本、英国、德国等已开展了TiB₂/TiC、TiB₂/TiN、TiB₂/TaB₂、TiB₂/Ti，以及TiB₂/TiC/SiC、TiB₂/TiC/Y₂O₃等二元和多元复合陶瓷材料的研究。但是，对TiB₂基自润滑陶瓷材料的研究很少，TiB₂基自润滑陶瓷材料的性能优势尚未能在切削刀具领域得到充分发挥。

发明内容

为适应高速干式切削加工技术的发展需要，弥补现有技术的不足，本发明提供一种具有低摩擦系数的自润滑陶瓷刀具材料的制备方法。

本发明的硼化钛基自润滑陶瓷刀具材料，是以微米二硼化钛（TiB₂）为基体，添加微米碳化钨（WC）作为增强相，微米六方氮化硼（h-BN）为固体润滑剂，以微米钼（Mo）和微米镍（Ni）作为烧结助剂，经热压烧结而成的自润滑陶瓷刀具材料。

本发明技术方案如下：

一种添加六方氮化硼的硼化钛基自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，原料组分体积百分比为：

微米碳化钨10-40%，微米六方氮化硼3-10%，微米钼1-3%，微米镍2-4%，其余为微米二硼化钛；包括步骤如下：

(1)微米二硼化钛原料（TiB₂粉末）在使用前，单独球磨80-120h，干燥过筛后密封备用。按比例称取TiB₂粉末，以适量无水乙醇为分散介质，配成TiB₂悬浮液，用搅拌器充分搅拌、超声分散20-30min；

(2)按比例称取微米碳化钨（WC粉末），以适量无水乙醇为分散介质，配成WC悬浮液，用搅拌器充分搅拌、超声分散20-30min；

(3)按比例称取微米六方氮化硼（h-BN粉末），以适量无水乙醇为分散介质，配成h-BN悬浮液，用搅拌器充分搅拌、超声分散20-30min；

(4)将以上所得TiB₂悬浮液、WC悬浮液和h-BN悬浮混合，得到复相悬浮液，然后按比例添加烧结助剂微米钼（Mo）和微米镍（Ni），超声分散20-30min，混合均匀；

(5)将步骤(4)所得混合物倒入球磨罐中，以氮气或者氩气为保护气氛，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36-72h；然后在电热真空干燥箱中110-120℃温度下连续干燥40-60h，完全干燥后在惰性气体气流中过筛，得到混合粉料，密封备用；

(6)采用热压法烧结，在真空热压炉中将步骤（5）所得的粉料压模烧结成型。

根据本发明优选的，所述的微米二硼化钛的体积百分比为65-70%。

根据本发明优选的，所述微米碳化钨的体积百分比为20-30%。

根据本发明优选的，所述微米六方氮化硼的体积百分比为4-7%。

根据本发明优选的，所述微米钼的体积百分比为2%，所述微米镍的体积百分比为3%。

根据本发明优选的，上述各组分中，所用的原料均为市售产品，其中微米二硼化钛、微米碳化钨、微米六方氮化硼分别是市售的TiB₂粉末、WC粉末和h-BN粉末，平均粒径分别为2μm、1μm和1.5μm，纯度均大于99%。

最优选的，本发明的自润滑陶瓷刀具材料的原料组分体积百分比如下：

微米二硼化钛65%，微米碳化钨25%，微米六方氮化硼5%，微米钼2%，微米镍3%。此时的陶瓷刀具材料综合力学性能和减摩耐磨性能最好。

根据本发明自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，上述步骤(1)、(2)、(3)和(4)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。

根据本发明优选的，步骤(5)中球磨用的研磨球是硬质合金（YG8）球。

根据本发明优选的，上述步骤（6）热压法烧结的操作步骤如下：

先将步骤(5)所得的粉料装入石墨模具，然后进行真空热压烧结，热压烧结工艺参数为：保温温度1600-1700℃，热压压力25-35MPa，保温时间20-45min，升温速率5-20℃/min。

本发明的优良效果如下：

本发明的添加六方氮化硼的硼化钛基自润滑陶瓷刀具材料，通过在TiB₂微米陶瓷基体中添加微米级WC作为增强相，h-BN作为固体润滑剂，可在材料内部形成典型的晶间型结构，由此导致沿晶/穿晶混合型断裂模式。由于h-BN的层状结构，可以抑制材料内部晶粒的生长。裂纹偏转、裂纹分支、裂纹桥联等多种机理协同作用，共同改善材料的断裂韧性。TiB₂陶瓷具有很高的硬度，其显微硬度达到30GPa以上。另外，针对TiB₂陶瓷韧性偏低的不足，通过WC的加入，可有效改善复合材料的力学性能。由此制得的陶瓷材料中，观察到不同长径比的TiB₂柱状晶结构，这种结构的形成对改善材料的力学性能特别是抗弯强度和断裂韧性有明显效果。此外，TiB₂陶瓷的高导电特性，可以方便地采用线切割技术进行加工。固体润滑剂h-BN的添加，可在复合陶瓷磨损表面形成一层含有B₂O₃、SiO₂和Fe₂O₃的摩擦膜，起到较好的减摩作用，显著降低了刀具材料的摩擦系数，改善了材料的摩擦磨损性能。此外，h-BN在空气中的氧化温度为900℃，相对于其他种类的固体润滑剂，其抗高温氧化性能更好，因而可以在直到900℃的温度范围内仍然具有良好的自润滑性能。与已有的自润滑陶瓷刀具材料相比，该自润滑陶瓷刀具材料在保持良好的摩擦磨损性能的同时，具有更高的力学性能，可用于制作切削刀具等陶瓷工模具以及其他耐磨耐腐零部件。

附图说明

图1是实施例1制得的添加六方氮化硼的硼化钛基自润滑陶瓷刀具材料的扫描电子显微镜（SEM）照片，显示材料内部典型的晶间型结构，材料的断裂模式是沿晶/穿晶混合型断裂模式。从图1中可以清晰地看到，TiB₂多为柱状结构，h-BN均匀分布在TiB₂和WC晶界处，成层状结构。

具体实施方式

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，微米二硼化钛、微米碳化钨、微米六方氮化硼分别是市售的TiB₂粉末、WC粉末和h-BN粉末，所用的TiB₂粉末平均粒径均为2μm，纯度大于99%；WC微米粉末平均粒径分别为1μm，纯度均大于99%；h-BN微米粉末平均粒径分别为1.5μm，纯度均大于99%。均为市售产品。

实施例1

添加六方氮化硼的硼化钛基自润滑陶瓷刀具材料，原料组分的体积百分比为：

微米二硼化钛（TiB₂）65%，微米碳化钨（WC）25%，微米六方氮化硼（h-BN）5%，微米钼（Mo）2%，微米镍（Ni）3%。

制备方法如下：

按比例称取TiB₂粉末，以适量无水乙醇为分散介质，配成TiB₂悬浮液，用搅拌器充分搅拌、超声波分散20min；按比例称取WC粉末和h-BN粉末，加无水乙醇配成混合悬浮液，充分搅拌、超声分散20min；将所得TiB₂、WC和h-BN悬浮液混合，得到复相悬浮液，然后按比例添加烧结助剂Mo和Ni，经过超声分散20min，混合均匀；将混合物倒入球磨罐中，以氮气为保护气氛，以无水乙醇为介质，以硬质合金球为研磨体，料球重量比为1：10，球磨48h；然后在电热真空干燥箱中在设定温度110℃下连续干燥48h，完全干燥后在氮气流中过筛，然后将粉料装入石墨模具，进行真空热压烧结。热压工艺参数为：保温温度1650℃，热压压力30MPa，保温时间30min，升温速率10℃/min。得自润滑陶瓷刀具材料。

将制得的陶瓷材料坯体进行线切割加工，粗磨、精磨、研磨、抛光，制得测试试样，测得其力学性能参数为：抗弯强度652MPa、断裂韧性4.9MPa·m^1/2、维氏硬度15GPa。摩擦系数为0.31。

实施例1制得的添加六方氮化硼的硼化钛基自润滑陶瓷刀具材料的微观结构形貌如图1所示。从图1中可以清晰地看到，TiB₂多为柱状结构，h-BN均匀分布在TiB₂和WC晶界处，成层状结构。

实施例2

添加六方氮化硼的硼化钛基自润滑陶瓷刀具材料，原料组分的体积百分比为：70%TiB₂，18%WC，8%h-BN，2%Mo，2%Ni。制备方法如下：

按比例称取TiB₂粉末，以适量无水乙醇为分散介质，配成TiB₂悬浮液，用搅拌器充分搅拌、超声分散25min；按比例称取制得的WC粉末和h-BN粉末，加无水乙醇配成混合悬浮液，充分搅拌、超声分散25min；将所得TiB₂、WC和h-BN悬浮液混合，得到复相悬浮液，然后按比例添加烧结助剂Mo和Ni，经过超声分散30min，混合均匀；将混合物倒入球磨罐中，以氮气为保护气氛，以无水乙醇为介质，以硬质合金球为研磨体，料球重量比为1：12，球磨60h；然后在电热真空干燥箱中在设定温度120℃下连续干燥40h，完全干燥后在氮气流中过筛，然后将粉料装入石墨模具，进行真空热压烧结。热压工艺参数为：保温温度1600℃，热压压力25MPa，保温时间40min，升温速率15℃/min。得自润滑陶瓷刀具材料。

将制得的陶瓷材料坯体进行线切割加工，粗磨、精磨、研磨、抛光，制得测试试样，测得其力学性能参数为：抗弯强度566MPa、断裂韧性5.2MPa·m^1/2、维氏硬度14.1GPa。摩擦系数为0.3。

实施例3

添加六方氮化硼的硼化钛基自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，原料组分的体积百分比为：微米二硼化钛60%，微米碳化钨30%，微米六方氮化硼5%，微米钼2%，微米镍3%。操作步骤及工艺条件同实施例1。

所得陶瓷刀具材料进行线切割加工，粗磨、精磨、研磨、抛光，制得测试试样，测得其力学性能参数为：抗弯强度627MPa、断裂韧性5.1MPa·m^1/2、维氏硬度14.7GPa。摩擦系数为0.34。

实施例4

添加六方氮化硼的硼化钛基自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，原料组分的体积百分比为：微米二硼化钛75%，微米碳化钨10%，微米六方氮化硼10%，微米钼3%，微米镍2%。操作步骤及工艺条件同实施例1。

所得陶瓷刀具材料进行线切割加工，粗磨、精磨、研磨、抛光，制得测试试样，测得其力学性能参数为：抗弯强度615MPa、断裂韧性4.9MPa·m^1/2、维氏硬度14.6GPa。摩擦系数为0.28。

对照例：不添加微米六方氮化硼的陶瓷刀具材料

陶瓷刀具材料原料组分的体积百分比为：微米二硼化钛（TiB₂）70%，微米碳化钨（WC）25%，微米钼（Mo）2%，微米镍（Ni）3%。操作步骤及工艺条件、产品加工测试均与实施例1相同。

所得不添加微米六方氮化硼的陶瓷刀具材料，力学性能参数为：抗弯强度670MPa、断裂韧性5.11MPa·m^1/2、维氏硬度15.1GPa。摩擦系数为0.52。

Claims (1)

1. 一种添加六方氮化硼的硼化钛基自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，原料组分体积百分比为：

微米碳化钨10-40%，微米六方氮化硼3-10%，微米钼1-3%，微米镍 2-4% ，其余为微米二硼化钛；包括步骤如下：

(1) 微米二硼化钛原料在使用前，单独球磨80-120h，干燥过筛后密封备用，按比例称取TiB₂粉末，以适量无水乙醇为分散介质，配成TiB₂悬浮液，用搅拌器充分搅拌、超声分散20-30min；

(2)按比例称取微米碳化钨，以适量无水乙醇为分散介质，配成WC悬浮液，用搅拌器充分搅拌、超声分散20-30min；

(3)按比例称取微米六方氮化硼，以适量无水乙醇为分散介质，配成h-BN悬浮液，用搅拌器充分搅拌、超声分散20-30min；

(4)将以上所得TiB₂悬浮液、WC悬浮液和h-BN悬浮液混合，得到复相悬浮液，然后按比例添加烧结助剂微米钼和微米镍，超声分散20-30min，混合均匀；

(5)将步骤(4)所得混合物倒入球磨罐中，以氮气或者氩气为保护气氛，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36-72h；然后在电热真空干燥箱中110-120℃温度下连续干燥40-60h，完全干燥后在惰性气体气流中过筛，得到混合粉料，密封备用；

(6)采用热压法烧结，在真空热压炉中将步骤（5）所得的粉料压模烧结成型。

2．根据权利要求1所述的自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，所述微米二硼化钛的体积百分比为65-70%。

3．根据权利要求1所述的自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，所述微米碳化钨的体积百分比为20-30%。

4．根据权利要求1所述的自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，所述微米六方氮化硼的体积百分比为4-7%。

5．根据权利要求1所述的自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，所述微米钼的体积百分比为2-3%，所述微米镍的体积百分比为2-4%。

6．根据权利要求1所述的自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，原料组分体积百分比如下：

微米二硼化钛65%，微米碳化钨25%，微米六方氮化硼5%，微米钼2%，微米镍3%。

7．根据权利要求1所述的自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤（6）热压法烧结的操作步骤如下：

先将步骤(5)所得的粉料装入石墨模具，然后进行真空热压烧结，热压烧结工艺参数为：保温温度1600-1700℃，热压压力25-35MPa，保温时间20-45min，升温速率5-20℃/min。

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