CN104045325A - 添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料的制备方法。该方法是以碳化钨钛、表面包覆氢氧化铝的氟化钙、氧化镁、氧化镍和氧化铝为原料，先将氧化铝和碳化钨钛粉末分别分散后混合，加入表面包覆氢氧化铝的氟化钙粉末、氧化镍、氧化镁分散，再经球磨、干燥制得粉料，采用热压法烧结。本发明将表面包覆氢氧化铝的固体润滑剂氟化钙成功引入刀具材料基体中，得到了良好的综合力学性能和减摩耐磨性能。该刀具材料制备工艺简单，原料成本低，利于工业化生产。

Description

添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种自润滑刀具材料，特别涉及一种添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料及其制备方法。

背景技术

自润滑刀具是指刀具材料本身具有减摩、抗磨和润滑功能，可在无外加润滑液或润滑剂的条件下实现自润滑切削加工。由于自润滑刀具的应用可减小摩擦与磨损，省去冷却润滑系统，减少设备投资，避免切削液造成的环境污染，实现清洁化生产，因此自润滑刀具是一种高效、洁净的绿色切削刀具，在现代切削加工中具有广阔的应用前景。

添加固体润滑剂的自润滑刀具是将固体润滑剂直接添加到刀具材料中，制备成含有固体润滑剂的复合刀具。随着固体润滑剂含量的增加，自润滑材料的机械性能一般随润滑剂含量的增加而降低。研究发现，Al₂O₃/TiC/CaF₂自润滑陶瓷材料的摩擦磨损性能相对于没有添加CaF₂的陶瓷材料得到了大幅度改善，但其主要力学性能指标却随之下降了20％以上。参见：曹同坤等，添加固体润滑剂的Al₂O₃/TiC陶瓷材料的力学性能和显微结构，机械工程学报,2006,14(1):5-8。因此，如何使得所制备的陶瓷刀具材料既具有良好的自润滑性能，又具有良好的力学性能，是当前自润滑刀具领域亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，为了使自润滑刀具既保持良好的减摩耐磨功能又具备较高的力学性能，本发明提供一种添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料的制备方法。

本发明技术方案如下：

.一种添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料的制备方法，原料组分体积百分比为：

碳化钨钛36％-41％，表面包覆氢氧化铝的氟化钙5％-15％，氧化镁2％-3％，氧化镍2％-3％，其余为氧化铝；碳化钨钛、氧化镁、氧化镍、氧化铝原料均为微米级粉末；

包括步骤如下：

(1)按比例，分别称取氧化铝、碳化钨钛，以适量无水乙醇为分散介质，充分搅拌的同时超声分散30min；分别配成氧化铝悬浮液、碳化钨钛悬浮液；将所得氧化铝悬浮液、碳化钨钛悬浮液混合，得复相悬浮液，充分搅拌的同时超声分散20-30min；

(2)将步骤(1)所得复相悬浮液倒入球磨罐中，以氮气或者氩气为保护气氛，以无水乙醇为分散介质，各组分原料总量与研磨球的料球重量比为1：10，球磨24-48h后取出备用；

(3)配制0.12-15mol/L的CaF₂溶液，加入质量分数为3-4％的聚乙二醇作为表面分散剂，加入质量分数为22-26％的醋酸钠-醋酸缓冲液，超声分散搅拌均匀，加热到70-80℃，缓慢滴加Al³⁺浓度为0.1-0.2mol/L的硝酸铝溶液，同时滴加氨水控制pH值为7.2-8，滴加完毕保持温度70-80℃反应30-40min，然后静置陈化，经清洗、离心、真空干燥得到表面包覆氢氧化铝的氟化钙粉末；所述CaF₂溶液与所述硝酸铝溶液的体积比为1：1。

(4)按比例，称取步骤(3)所得表面包覆氢氧化铝的氟化钙粉末，加入适量无水乙醇作为分散介质，配成氟化钙悬浮液，按比例加入微米氧化镁和微米氧化镍，超声分散20-30min，混合均匀；得混合物悬浮液；

(5)将步骤(4)所得的混合物悬浮液加入步骤(2)球磨后的复相悬浮液中，以氮气或者氩气为保护气氛，球磨12-24h；然后在100-120℃温度下连续干燥40-60h，完全干燥后在氮气或者氩气气氛中过200目筛，得混合粉料，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，所述步骤(3)中所用原料CaF₂的粒径为3-5μm。配制0.13mol/L的CaF₂溶液；所述硝酸铝溶液是Al³⁺浓度为0.15mol/L的硝酸铝溶液。所述硝酸铝溶液的滴加速度为2-4mL/min。

根据本发明优选的，所述步骤(3)中所述的控制pH值为7.5。反应温度为75℃。

根据本发明优选的，所述步骤(3)中的清洗是先用蒸馏水清洗2-3次，再用无水乙醇清洗2～3次。

根据本发明优选的，所述步骤(5)中的连续干燥是在电热真空干燥箱中进行。

根据本发明优选的，步骤(3)中制备的所述表面包覆氢氧化铝的CaF₂粉末的粒径为4-8μm。

本发明中所用微米氧化铝、微米碳化钨钛分别是市售的平均粒径为2μm Al₂O₃粉末、平均粒径为3μm(W，C)Ti粉末，纯度均大于99％。其余原料均为市售产品。

根据本发明优选的，步骤(1)、(2)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，本发明不做特定限定。

根据本发明优选的，步骤(2)、(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)热压烧结方法如下：先将粉料装入石墨模具，然后进行真空热压烧结，热压烧结工艺参数为：保温温度1550-1650℃，热压压力25-35MPa，保温时间20-40min，升温速率为10-20℃/min。

根据本发明优选的，所述自润滑刀具材料的原料组分体积百分比为：

氧化铝为44％-49％；碳化钨钛为36％-41％；表面包覆氢氧化铝的氟化钙的为5％-15％；氧化镁的为2％-3％，氧化镍的体积百分比为2％-3％。各组分体积百分比之和为100％。

进一步优选的，本发明的自润滑刀具材料的原料组分体积百分比如下：

微米氧化铝46％，微米碳化钨钛39％，表面包覆氢氧化铝的氟化钙10％，微米氧化镁2％，微米氧化镍3％。采用该配比制备的刀具材料综合力学性能和减摩耐磨性能最好。

本发明的添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料，是以微米氧化铝为基体，添加微米碳化钨钛作为增强相，表面包覆氢氧化铝的氟化钙为固体润滑剂，以微米氧化镁和微米氧化镍作为烧结助剂，经热压烧结而成的自润滑刀具材料。本发明通过对固体润滑剂的表面改性处理，使得所制备的陶瓷刀具材料既具有良好的自润滑性能，又具有良好的力学性能。

与现有技术相比，本发明将粉体颗粒表面包覆技术引入到自润滑刀具材料的设计中，为切削刀具的设计提供了新的思路和新的研究方向。通过包覆型固体润滑剂氟化钙的加入，可同时提高刀具材料的硬度、断裂韧性和抗弯强度，而且具有制备简单，成本较低的优点。与添加未经表面包覆处理的CaF₂的Al₂O₃/(W,Ti)C/CaF₂自润滑刀具材料相比，其力学性能显著改善。其中，与相应添加未经表面包覆处理的CaF₂的自润滑刀具材料相比，添加10vol％包覆型固体润滑剂CaF₂的Al₂O₃/(W,Ti)C/CaF₂自润滑刀具材料在硬度、断裂韧性和抗弯强度等方面分别提高了21.7％、8％和10.7％。本发明的刀具材料为穿晶和沿晶的复合断裂模式，有利于提高材料的强度。如图2中试样抛光面SEM形貌所示，刀具材料各组分分布较为均匀，晶粒排列有致密性，颗粒之间相互包裹，结构为空间网状或者空间骨架。通过图3中试样断面SEM形貌观察断口处可发现有孔洞，此为晶粒拔出后留下，此现象为典型的沿晶断裂；同时一些波纹状或条状组织形态出现，此为晶粒断裂后形成，即为典型的穿晶断裂。

附图说明

图1是实施例所用的表面包覆氢氧化铝的氟化钙的SEM形貌。

图2是实施例1添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料测试试样抛光面SEM形貌。

图3是实施例1添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料测试试样断面SEM形貌。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。各实施例的原料氧化铝、碳化钨钛分别是市售的Al₂O₃粉末、(W,Ti)C粉末，所用的Al₂O₃粉末平均粒径分别为2μm，纯度大于99％；(W,Ti)C粉末平均粒径分别为3μm，纯度大于99％。氧化镁、氧化镍粉末平均粒径分别为5μm、3μm。

各实施例的原料组分中，所用表面包覆氢氧化铝的氟化钙是按以下方法制得：

将Al(NO₃)₃·9H₂O加入一定量蒸馏水，配制Al³⁺浓度为0.15mol/L的硝酸铝溶液；

取平均粒径为2μm的氟化钙配制成0.13mol/L的CaF₂溶液100mL，加入质量分数为4％聚乙二醇100mL所为表面分散剂，同时加入15mL质量分数为25％的NaAc-HAc缓冲溶液以保持溶液pH值的恒定，超声分散30min，并在DF-Ⅱ数显集热式磁力搅拌器中加热到75℃；以3mL/min的速度缓慢滴加上述配制的硝酸铝溶液，同时在75℃水浴槽中搅拌，同时以2mL/min的速度缓慢滴加质量分数为28％的氨水使pH值保持在7.5，所述硝酸铝溶液100mL全部滴加完毕，保温30min；用蒸馏水清洗3次，再用无水乙醇清洗2遍，用高速离心机2000rad/min离心10min，离心后将滤饼放入真空干燥箱100℃下烘干12h。得表面包覆氢氧化铝的氟化钙粉末，形貌如图1所示，平均粒径为3μm。

实施例产品摩擦实验用45钢配副是指采用45#碳素结构钢与所制备的刀具材料试样形成摩擦副。

实施例1、添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料，原料组分的体积百分比为：

氧化铝46％，碳化钨钛39％，表面包覆氢氧化铝的氟化钙10％，氧化镁2％，氧化镍3％。制备步骤如下：

按比例称取氧化铝粉末，以适量无水乙醇为分散介质，配成氧化铝悬浮液，用搅拌器充分搅拌的同时超声分散30min；按比例称取碳化钨钛粉末，以适量无水乙醇为分散介质，配成氧化铝悬浮液，用搅拌器充分搅拌的同时超声分散30min；将以上所得氧化铝悬浮液、碳化钨钛悬浮液混合，得到复相悬浮液，用搅拌器充分搅拌的同时超声分散20min。将所得混合物倒入球磨罐中，以氮气或者氩气为保护气氛，以无水乙醇为分散介质，各组分原料总量与研磨球的料球重量比为1：10，球磨36h后取出。按比例称取表面包覆氢氧化铝的氟化钙粉末，加入适量无水乙醇作为分散介质配成氟化钙悬浮液，然后按比例称取添加烧结助剂微米氧化镁和微米氧化镍，超声分散20min，混合均匀；将上述所得的混合物悬浮液加入球磨后得到的混合物中，以氮气或者氩气为保护气氛，球磨12h；然后在电热真空干燥箱中120℃温度下连续干燥40h，完全干燥后在惰性气体气流中过200目筛，得到混合粉料装入石墨模具，进行真空热压烧结。热压烧结工艺参数为：保温温度1650℃，热压压力25MPa，保温时间30min，升温速率为15℃/min。得到自润滑刀具材料。

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607MPa、断裂韧性4.12MPa·m^1/2、维氏硬度16.03GPa。与45钢配副时，摩擦系数为0.27。

实施例2、添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料，原料组分的体积百分比为：

氧化铝49％，碳化钨钛41％，表面包覆氢氧化铝的氟化钙5％，氧化镁3％，氧化镍2％。制备步骤如下：

按比例称取氧化铝粉末，以适量无水乙醇为分散介质，配成氧化铝悬浮液，用搅拌器充分搅拌的同时超声分散30min；按比例称取碳化钨钛粉末，以适量无水乙醇为分散介质，配成氧化铝悬浮液，用搅拌器充分搅拌的同时超声分散30min；将以上所得氧化铝悬浮液、碳化钨钛悬浮液混合，得到复相悬浮液，用搅拌器充分搅拌的同时超声分散20min。将所得混合物倒入球磨罐中，以氮气或者氩气为保护气氛，以无水乙醇为分散介质，各组分原料总量与研磨球的料球重量比为1：10，球磨36h后取出。按比例称取表面包覆氢氧化铝的氟化钙粉末，加入适量无水乙醇作为分散介质，配成氟化钙悬浮液，然后按比例称取添加烧结助剂微米氧化镁和微米氧化镍，超声分散20min，混合均匀；将上述所得的混合物悬浮液加入球磨后得到的混合物中，以氮气或者氩气为保护气氛，球磨12h；然后在电热真空干燥箱中120℃温度下连续干燥40h，完全干燥后在惰性气体气流中过200目筛，得到混合粉料装入石墨模具，进行真空热压烧结。热压烧结工艺参数为：保温温度1650℃，热压压力25MPa，保温时间30min，升温速率为15℃/min。得到自润滑刀具材料。

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658MPa、断裂韧性3.96MPa·m^1/2、维氏硬度16.98GPa。与45钢配副时，摩擦系数为0.39。

实施例3、添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料，原料组分的体积百分比为：

氧化铝47.5％，碳化钨钛40％，表面包覆氢氧化铝的氟化钙7.5％，氧化镁2％，氧化镍3％。制备步骤如下：

按比例称取氧化铝粉末，以适量无水乙醇为分散介质，配成氧化铝悬浮液，用搅拌器充分搅拌的同时超声分散30min；按比例称取碳化钨钛粉末，以适量无水乙醇为分散介质，配成氧化铝悬浮液，用搅拌器充分搅拌的同时超声分散30min；将以上所得氧化铝悬浮液、碳化钨钛悬浮液混合，得到复相悬浮液，用搅拌器充分搅拌的同时超声分散20min。将所得混合物倒入球磨罐中，以氮气或者氩气为保护气氛，以无水乙醇为分散介质，各组分原料总量与研磨球的料球重量比为1：10，球磨36h后取出。按比例称取表面包覆氢氧化铝的氟化钙粉末，加入适量无水乙醇作为分散介质，配成氟化钙悬浮液，然后按比例称取添加烧结助剂微米氧化镁和微米氧化镍，超声分散20min，混合均匀；将上述所得的混合物悬浮液加入球磨后得到的混合物中，以氮气或者氩气为保护气氛，球磨12h；然后在电热真空干燥箱中120℃温度下连续干燥40h，完全干燥后在惰性气体气流中过200目筛，得到混合粉料装入石墨模具，进行真空热压烧结。热压烧结工艺参数为：保温温度1650℃，热压压力25MPa，保温时间30min，升温速率为15℃/min。得到自润滑刀具材料。

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629MPa、断裂韧性4.06MPa·m^1/2、维氏硬度16.47GPa。与45钢配副时,摩擦系数为0.34。

对照例：添加微米氟化钙的氧化铝基自润滑刀具材料，其中碳化钨钛、氧化镁、氧化镍、氧化铝原料与实施例1相同，所不同的是固体润滑剂是未经表面处理的氟化钙；原料组分的体积百分比为：氧化铝46％，碳化钨钛39％，平均粒径为3μm的氟化钙10％，氧化镁2％，氧化镍3％。操作步骤及工艺条件、产品加工测试均与实施例1相同。所得添加微米氟化钙的氧化铝基自润滑刀具材料，力学性能参数为：抗弯强度548MPa、断裂韧性3.87MPa·m^1/2、维氏硬度13.17GPa。

Claims (10)

1.一种自润滑刀具材料的制备方法，原料组分体积百分比为：

碳化钨钛36％-41％，表面包覆氢氧化铝的氟化钙5％-15％，氧化镁2％-3％，氧化镍2％-3％，其余为氧化铝；碳化钨钛、氧化镁、氧化镍、氧化铝原料均为微米级粉末；

制备步骤如下：

(1)按比例，分别称取氧化铝、碳化钨钛，以适量无水乙醇为分散介质，充分搅拌的同时超声分散30min；分别配成氧化铝悬浮液、碳化钨钛悬浮液；将所得氧化铝悬浮液、碳化钨钛悬浮液混合，得复相悬浮液，充分搅拌的同时超声分散20-30min；

(2)将步骤(1)所得复相悬浮液倒入球磨罐中，以氮气或者氩气为保护气氛，以无水乙醇为分散介质，各组分原料总量与研磨球的料球重量比为1：10，球磨24-48h后取出备用；

(3)配制0.12-15mol/L的CaF₂溶液，加入质量分数为3-4％的聚乙二醇作为表面分散剂，加入质量分数为22-26％的醋酸钠-醋酸缓冲液，超声分散搅拌均匀，加热到70-80℃，缓慢滴加Al³⁺浓度为0.1-0.2mol/L的硝酸铝溶液，同时滴加氨水控制pH值为7.2-8，滴加完毕保持温度70-80℃反应30-40min，然后静置陈化，经清洗、离心、真空干燥得到表面包覆氢氧化铝的氟化钙粉末；所述CaF₂溶液与所述硝酸铝溶液的体积比为1：1。

(4)按比例，称取步骤(3)所得表面包覆氢氧化铝的氟化钙粉末，加入适量无水乙醇作为分散介质，配成氟化钙悬浮液，按比例加入微米氧化镁和微米氧化镍，超声分散20-30min，混合均匀；得混合物悬浮液；

(5).将步骤(4)所得的混合物悬浮液加入步骤(2)球磨后的复相悬浮液中，以氮气或者氩气为保护气氛，球磨12-24h；然后在100-120℃温度下连续干燥40-60h，完全干燥后在氮气或者氩气气氛中过200目筛，得混合粉料，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所述的自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所用原料CaF₂的粒径为3-5μm，配制0.13mol/L的CaF₂溶液。

3.根据权利要求1所述的自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述硝酸铝溶液是Al³⁺浓度为0.15mol/L的硝酸铝溶液。

4.根据权利要求1所述的自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述硝酸铝溶液的滴加速度为2-4mL/min。

5.根据权利要求1所述的自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的控制pH值为7.5；反应温度为75℃。

6.根据权利要求1所述的自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的清洗是先用蒸馏水清洗2-3次，再用无水乙醇清洗2～3次。

7.根据权利要求1所述的自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中的连续干燥是在电热真空干燥箱中进行。

8.根据权利要求1所述的自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(6)热压烧结方法如下：先将粉料装入石墨模具，然后进行真空热压烧结，热压烧结工艺参数为：保温温度1550-1650℃，热压压力25-35MPa，保温时间20-40min，升温速率为10-20℃/min。

9.根据权利要求1所述的自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，原料组分体积百分比为：氧化铝为44％-49％；碳化钨钛为36％-41％；表面包覆氢氧化铝的氟化钙的为5％-15％；氧化镁的为2％-3％，氧化镍的体积百分比为2％-3％；各组分体积百分比之和为100％。

10.根据权利要求1所述的自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，原料组分体积百分比为：微米氧化铝46％，微米碳化钨钛39％，表面包覆氢氧化铝的氟化钙10％，微米氧化镁2％，微米氧化镍3％。