CN103145423B - 纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法。纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料是以纳米TiB₂和微米TiB₂基体，添加微米WC作为增强相，以微米h-BN为固体润滑剂，以微米Mo和微米Ni作为烧结助剂烧结而成。制备方法是先将纳米TiB₂、微米TiB₂、微米WC和微米h-BN粉末分别分散成悬浮液，再经过混合球磨、干燥制得粉料，采用热压法烧结。该纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料具有组分关于中间层对称的(2m-1)层梯度结构，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

纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷刀具材料及其制备方法，特别涉及一种纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法。

背景技术

纳米复合陶瓷刀具材料是通过在陶瓷基体中添加纳米材料，利用纳米材料的特性，使材料的力学性能有较大的提高。CN101265079A提供了一种纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法。该发明通过向微米级Al₂O₃中添加纳米级TiC颗粒和微米级WC颗粒，并控制纳米级TiC颗粒和微米级WC颗粒的体积含量，以MgO和NiO作为助烧结剂和晶粒生长抑制剂，制备出高力学性能纳米复合陶瓷刀具材料。尽管该类刀具材料力学性能较微米级刀具材料有明显的改善，但刀具在切削过程中由于摩擦系数较高，致使切削温度较高，刀具磨损较快，刀具使用寿命的提高受限。添加固体润滑剂制备的自润滑陶瓷刀具材料作为切削加工中的有效润滑技术之一，已经引起切削加工研究工作者的广泛关注。

六方氮化硼(h-BN)的热膨胀系数低，热导率高，抗热震性优良，具有良好的化学稳定性和电绝缘性，是良好的高温固体润滑剂。一些学者分别研究了Al₂O₃/h-BN、Si₃N₄/h-BN、AlN/h-BN、SiC/h-BN、SiO₂/h-BN、TiB₂/h-BN、B₄C/h-BN、ZrO₂/h-BN等复合陶瓷，发现h-BN的添加，可以有效地提高陶瓷材料的润滑性能和抗热震性能，但是其负面作用是降低了陶瓷材料耐磨性等的力学性能。这是目前自润滑陶瓷刀具减摩性能和耐磨性能不能合理兼顾的难题。

发明内容

为了克服普通自润滑陶瓷刀具材料的不足之处，本发明提供一种兼具高减摩和高耐磨性能的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法。

本发明的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料，通过采用微米二硼化钛（TiB₂）和纳米二硼化钛（TiB₂）作为复合陶瓷基体，且以梯度方式添加固体润滑剂六方氮化硼（h-BN），得到兼具高减摩和高耐磨性能的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料。

术语解释：组分分布指数n是描述功能梯度材料组分梯度分布幂函数中的一个参数，本发明采用对称型双指数分布，使刀片的上下表面具有相同的切削性能；组分分布指数n值的不同，梯度材料的分布规律发生变化。梯度材料中某组分B的分布规律由下式表示：

${\mathrm{\φ}}_B=f\left(\mathrm{\ξ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_m){\left[\frac{0.5-\mathrm{\ξ}}{0.5}\right]}^n+{\mathrm{\φ}}_m& 0\≤\mathrm{\ξ}\≤0.5\\ ({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_m){\left[\frac{\mathrm{\ξ}-0.5}{0.5}\right]}^n+{\mathrm{\φ}}_m& 0.5\≤\mathrm{\ξ}\≤1\end{array}\right.$

式中，φ_m|和φ₁|分别为中间层和两个表层中组分B的体积分数；n为组分分布指数；ξ为量纲—坐标。该公式是现有技术。

本发明的技术方案如下：

一种纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料，是以微米TiB₂和纳米TiB₂为基体，添加微米碳化钨(WC)作为增强相，以微米h-BN为固体润滑剂，以微米钼(Mo)和微米镍(Ni)作为烧结助剂，经分层铺填、真空热压烧结而成；各层的原料组分体积百分含量为：

纳米TiB₂20%，微米TiB₂50-65%，WC10-15%，h-BN0-10%，Mo2%，Ni3%；其中，添加h-BN固体润滑剂是由表层到中间层逐渐减少的梯度分布方式，使所述纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料各层组分以中间层对称、具有（2m-1）层的梯度结构，各层厚度相对中间层对称分布，其中m为整数且3≤m≤5；纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料组分分布指数n分别为1.0、1.1或1.2。

由表层到中间层，微米h-BN的体积含量由10%逐层减少到0%，微米TiB₂的体积含量由50%逐层增加到65%，微米WC的体积含量由15%逐层减少到10%，纳米TiB₂、微米Mo和微米Ni体积含量各层相等不变。所述增加或减少的数据均是按数值增加或减少。

以上所述的微米h-BN的体积含量由表面层到中间层组分含量逐层降低是等差降低。

当m为3、4、5时，刀具材料的层数（2m-1）为5、7、9，参见图1。

根据本发明优选的，纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料层数为5层，组分分布指数n为1.1，各层的原料组分体积百分含量为：

第一层组分的体积百分含量为：微米TiB₂50%，微米WC15%，微米h-BN10%；

第二层组分的体积百分含量为：微米TiB₂58%，微米WC12%，微米h-BN5%；

第三层组分的体积百分含量为：微米TiB₂65%，微米WC10%，微米h-BN0%；

第四层组分的体积百分含量为：微米TiB₂58%，微米WC12%，微米h-BN5%；

第五层组分的体积百分含量为：微米TiB₂50%，微米WC15%，微米h-BN10%；

所述的各层其它组分的体积百分含量不变：纳米TiB₂20%，微米Mo2%，微米Ni3%。

优选的，上述各组分中，所用的原料均为市售产品，其中纳米TiB₂粉末、微米TiB₂粉末、微米WC粉末和微米h-BN粉末平均粒径分别为40～60nm、5～8μm、1μm和1.5μm，纯度均大于99%。所述微米Mo、微米Ni平均粒径均为10～50μm。

根据本发明优选的，各层的厚度范围为0.3～1.5mm。各层厚度相等或从中间层向外逐层减小，本领域技术人员根据设计需要确定。

根据本发明，所述纳微米复合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（2m-1）组混合粉料，各层混合粉料的配制步骤如下：

(1)按比例称取纳米TiB₂粉末，以分子量为4000的聚乙二醇（PEG4000）为分散剂，适量无水乙醇为分散介质，配成纳米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TiB₂粉末，以适量无水乙醇为分散介质，配成微米TiB₂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；

(4)按比例称取微米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；

(5)将以上所得纳米TiB₂悬浮液、微米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Ni和Mo，超声分散20～30min，混合均匀；

(6)将步骤(5)所得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，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110～120℃温度下连续干燥40～48h，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；

(7)将步骤(6)所得的粉料逐层装入石墨模具，在热压炉中进行真空热压烧结成型。

优选的，上述步骤(7)中粉料逐层装入石墨模具是：先按照微米h-BN的体积百分含量从高到低的顺序逐层铺填各层混合粉料，至中间层，再按微米h-BN的体积百分含量从低到高的顺序逐层铺填各层混合粉料，形成各层关于中间层对称的（2m-1）层梯度结构，然后在热压炉中进行真空热压烧结成型。本发明纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料组分分布是对称型结构。

优选的，上述步骤(7)热压法烧结的工艺参数为：升温速率10～25℃/min，保温温度1600～1700℃，进一步优选1650℃，热压压力25～35MPa，保温时间15～30min。然后降温至室温。

上述步骤(1)、(2)、(3)、(4)和(5)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(6)中球磨用的研磨球是硬质合金球。

本发明的优良效果如下：

本发明将纳微米复合与梯度复合同时引入自润滑刀具的组分及制造过程，采用纳微米复合技术与固体润滑剂的梯度复合技术对陶瓷刀具材料复合体系进行协同改性：一方面通过采用固体润滑剂的梯度复合技术对陶瓷刀具材料复合体系进行剪裁设计，控制固体润滑剂含量从刀具材料表面到内部的逐渐降低，实现刀具材料从表面良好的自润滑性能到内部良好的力学性能的梯度过渡，并通过残余应力设计改善刀具材料表层的残余应力状态，改善表层材料的力学性能；另一方面通过添加适当的纳米颗粒，借助纳米复合陶瓷的强韧化机制改善刀具材料的力学性能。二者协同作用，共同改善刀具的摩擦磨损性能，从而得到兼具高减摩和高耐磨性能的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具。与已有自润滑陶瓷刀具材料相比，其抗弯强度和断裂韧性得到显著改善。

本发明的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具，可以有效解决目前自润滑刀具存在的减摩性能和耐磨性能不能合理兼顾的技术难题，显著改善刀具的综合力学性能与使用性能，为切削刀具的设计提供了新的思路和新的研究领域，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是实施例2的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料表面的扫描电镜照片，其中：a,b,c,d,e分别表示刀具材料的五层，1,2,3,4分别表示刀具材料层间的4个界面。

图2是实施例2的刀具材料的表层形貌电镜照片；

图3是实施例2的刀具材料中与表层相邻的层的形貌电镜照片；

图4是实施例2的刀具材料的中间层形貌电镜照片；

图5是实施例2的刀具材料的表层高倍形貌（梯度层数为5层），显示纳米TiB₂晶粒的分布情况。

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，所用的纳米TiB₂粉末平均粒径均为50nm，纯度大于99%；微米TiB₂粉末平均粒径均为5-8μm，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：层数为5层、组分分布指数n为1.0的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料，各层组分如表1。L1-L5代表第1-5层。

表1层数为5层的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料的各层组分

实施例2～3：各层组分与实施例1相同，如表1所示。所不同的组分分布指数n分别为1.1、1.2。实例2和3各层的厚度如表2。

表2实施例2和实施例3各层的厚度

实施例4：层数为7层、组分分布指数n为1.1的的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料，各层组分和厚度如表3。L1-L7代表第1-7层。

表3层数为7层的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料的各层组分

实施例5：层数为9层、组分分布指数n为1.1的的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料，各层组分和厚度如表4。L1-L9代表第1-9层。

表4层数为9层的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料的各层组分

实施例6：制备方法实施例1-5通用，步骤如下：

（1）配料：分别按表1、表2、表3、表4中各层组分比例称取纳米TiB₂粉末，以分子量为4000的聚乙二醇（PEG4000）为分散剂，适量无水乙醇为分散介质，配成纳米TiB₂悬浮液，用搅拌器充分搅拌、超声波分散20min；按比例称取微米TiB₂粉末，加无水乙醇配成微米TiB₂混合悬浮液，充分搅拌、超声分散20min；按比例称取微米WC粉末加无水乙醇配成混合悬浮液，充分搅拌、超声分散20min；按比例称取微米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。将所得纳米TiB₂悬浮液、微米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Mo和Ni，经过超声分散25min，混合均匀；将混合物倒入球磨罐中，以惰性气体为保护气氛，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，完全干燥后在惰性气体气流中过筛，得到各层所需要的混合粉料，密封保存备用。

（2）装料：分别按各梯度层设计厚度要求称取混合粉料各一份。将称取的混合粉料依次叠层填充石墨模具，先按照微米h-BN的体积百分含量从高到低的顺序逐层铺填各层混合粉料，至中间层，再按微米h-BN的体积百分含量从低到高的顺序逐层铺填各层混合粉料，形成各层关于中间层对称的（2m-1）层梯度结构，然后进行预压成型为压坯。

（3）烧结：对压坯采用真空热压烧结，热压工艺参数为：保温温度1650℃，热压压力35MPa，保温时间30min，升温速率10℃/min。

测试：将制得的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料试样进行线切割加工，粗精磨、研磨、抛光，测得其力学性能如表5所示。

表5纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料的力学性能

Claims (6)

1.一种纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料，是以微米TiB₂和纳米TiB₂为基体，添加微米WC作为增强相，以微米h-BN为固体润滑剂，以微米Mo和微米Ni作为烧结助剂，经分层铺填、真空热压烧结而成；各层的原料组分体积百分含量为：

纳米TiB₂ 20%，微米TiB₂ 50~65%，微米WC 10~15%，微米h-BN 0~10%，微米Mo 2%，微米Ni 3%；其中，h-BN添加固体润滑剂是由表层到中间层逐渐减少的梯度分布方式，使所述纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料各层组分以中间层对称、具有（2m-1）层的梯度结构，各层厚度相对中间层对称分布，其中m为整数且3≤m≤5；纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料组分分布指数n分别为1.0、1.1或1.2；

所述微米h-BN的体积含量由表层到中间层组分含量逐层降低是等差降低；

各层的厚度范围为0.3-1.5mm。

2.如权利要求1所述的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于由表层到中间层，微米h-BN的体积含量由10%逐层减少到0%，微米TiB₂ 的体积含量由50%逐层增加到65%，微米WC的体积含量由15%逐层减少到10%，纳米TiB₂、微米Mo 和微米Ni体积含量各层相等不变。

3.如权利要求1所述的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料层数为5层，组分分布指数n为1.1，各层的原料组分体积百分含量为： 

第一层组分的体积百分含量为：微米TiB₂ 50%，微米WC15%，微米h-BN 10%；

第二层组分的体积百分含量为：微米TiB₂ 58%，微米WC12%，微米h-BN 5%；

第三层组分的体积百分含量为：微米TiB₂ 65%，微米WC10%，微米h-BN 0%；

第四层组分的体积百分含量为：微米TiB₂ 58%，微米WC12%，微米h-BN 5%；

第五层组分的体积百分含量为：微米TiB₂ 50%，微米WC15%，微米h-BN 10%；

所述的各层其它组分：纳米TiB₂ 20%，微米Mo 2%，微米Ni 3%。

4.如权利要求1所述的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于各组分中，纳米TiB₂粉末、微米TiB₂粉末、微米WC粉末和微米h-BN粉末平均粒径分别为40~60nm、5-8μm、1μm和1.5μm，所述微米Mo 、微米Ni平均粒径均为10~50μm。 

5.权利要求1~4任一项所述的纳微米复合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（2 m -1）组混合粉料，各层混合粉料的配制步骤如下： 

(1)按比例称取纳米TiB₂粉末，以分子量为4000的聚乙二醇（PEG4000）为分散剂，适量无水乙醇为分散介质，配成纳米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TiB₂粉末，以适量无水乙醇为分散介质，配成微米TiB₂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；

(4)按比例称取微米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；

(5)将以上所得纳米TiB₂悬浮液、微米TiB₂悬浮液、微米WC悬浮液和微米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Ni和Mo，超声分散20~30min，混合均匀；

(6)将步骤(5)所得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，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110~120℃温度下连续干燥48h，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；

(7) 将步骤(6)所得的粉料逐层装入石墨模具，在热压炉中进行真空热压烧结成型。

6.如权利要求5所述的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(7)热压法烧结的工艺参数为：升温速率10~25℃/min，保温温度1600~1700℃，热压压力25~35MPa，保温时间10~30min。