CN104045351B - 一种用于自润滑刀具材料的氧化铝包覆氟化钙粉末及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于自润滑刀具材料的氧化铝包覆氟化钙粉末及其制备方法。本发明是采用非均匀成核法和真空煅烧法，以硝酸铝和CaF2为原料，各自配成一定浓度的溶液，加入聚乙二醇和NaAc-HAc溶液，超声分散，然后将分散好的硝酸铝溶液和CaF2溶液在搅拌条件下滴定，反应，陈化，离心，清洗，干燥，真空煅烧。所制得的氧化铝包覆CaF2粉末尺寸为4-8μm，粉末表面包覆效果好，尺寸分布均匀，包覆后的粉末可应用到自润滑刀具材料中。本发明工艺简单，操作方便，设备要求低。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于包覆粉末材料技术领域及其制备方法，具体是涉及一种氧化铝包覆氟化钙粉末材料及其制备方法。
背景技术
氟化钙(CaF2)是一种具有优异摩擦学性能和良好工业应用前景的高温固体润滑材料，其熔点高、性能稳定、良好的润滑效果常作为自润滑刀具的固体润滑剂使用。
随着高速干切削技术的飞速发展和应用，对刀具材料提出了更高的要求。作为润滑领域最具有前景的发展方向，无环境污染、使用寿命长、低摩擦、自修复的固体润滑材料应用的越来越广泛，备受世人关注。通过在氧化铝(A12O3)陶瓷基体中引入CaF2等固体润滑剂，可制备性能优异的自润滑刀具材料。但是，这类自润滑刀具材料存在着固体润滑剂与基体的物化相容性差、混料不均匀、界面结合强度低等问题，在降低摩擦系数、改善润滑的同时，也会导致刀具材料的力学性能乃至耐磨性能下降，使得刀具寿命提高有限。为了实现自润滑刀具强度与润滑性能的统一，现有技术通过对整体自润滑复合刀具材料研究，提出的现有解决该问题的方法是对烧结制备后的刀具材料进行处理，以此达到刀具本身所具有的力学性能。这种后处理方式提高刀具力学性能的工艺较为复杂，势必增加工序，加大成本。如果采用表面包覆工艺，从固体润滑剂粉末材料表面改性的角度来研究刀具材料，可有效实现自润滑刀具材料力学性能的进一步改善。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种用于自润滑刀具材料的氧化铝包覆氟化钙粉末及其制备方法，
本发明的技术方案如下：
一种用于自润滑刀具材料的氧化铝包覆CaF2粉末，由CaF2颗粒和包覆在所述CaF2颗粒上的氧化铝组成；是将CaF2加水和聚乙二醇分散均匀，在醋酸钠-醋酸(NaAc-HAc)缓冲液中、pH值7.2-8条件下与硝酸铝反应，通过非均匀成核法在CaF2表面包覆一层氢氧化铝粉末；再煅烧制成氧化铝包覆的CaF2粉末。
所述的氧化铝包覆CaF2粉末中，氧化铝占比为35-40wt％。
所述的氧化铝包覆CaF2粉末的粒径为4-8μm。
根据本发明，一种氧化铝包覆CaF2粉末及其制备方法，包括步骤如下：
(1)取CaF2颗粒加水配制0.10～0.15mol/L的CaF2溶液，加入质量分数为3-4％的聚乙二醇和适量的醋酸钠-醋酸缓冲液，超声分散搅拌均匀，加热到70-80℃，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，所述硝酸铝溶液滴加完毕后于70-80℃保温反应30-40min，然后静置陈化，经清洗、离心、真空干燥得到包覆氢氧化铝的CaF2粉末；所述CaF2溶液与所述硝酸铝溶液的体积比为1：1；
(2)将步骤(1)制得的包覆氢氧化铝的CaF2粉末置于坩埚中,采用真空热压烧结炉煅烧，煅烧温度为1150-1250℃；煅烧的保温时间为2-3小时，煅烧后氢氧化铝完全转化为氧化铝包覆层，即得氧化铝包覆的CaF2粉末。
根据本发明优选的，所述步骤(1)中，所述CaF2水溶液的浓度为0.13mol/L，硝酸铝溶液的Al3+浓度为0.15mol/L。所述醋酸钠-醋酸缓冲液的质量分数为22-26％，优选质量分数为25％的醋酸钠-醋酸缓冲液。
根据本发明优选的，所述步骤(1)中，调节pH用的氨水溶液的质量分数为25-30％。优选pH值为7.5。
根据本发明优选的，步骤(1)中，所述CaF2颗粒的粒径为3-5μm。
根据本发明优选的，步骤(1)中，所述反应温度为75℃。
根据本发明优选的，步骤(1)中，所述硝酸铝溶液的滴加速度为2-4mL/min。
根据本发明优选的，步骤(1)中，所述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，步骤(2)中所述坩埚的材料为Al2O3或SiO2。
根据本发明优选的，步骤(2)中所述煅烧时的升温速度为8-12℃/min。进一步优选煅烧时的升温速度为10℃/min。
本发明步骤(1)中，所述的聚乙二醇作为表面分散剂，所述聚乙二醇的加量与所述CaF2溶液体积比为1～1.2：1，优选所述聚乙二醇的加量与所述CaF2溶液体积相同。
本发明步骤(1)中添加醋酸钠-醋酸缓冲液是使溶液pH值的恒定。一般优选加量为所述CaF2溶液体积的12-16％v/v。
本发明步骤(2)中煅烧后氧化铝包覆CaF2的颗粒大小为4-8μm。
本发明所制备的氧化铝包覆氟化钙粉末材料具有良好的力学性能，可作为固体润滑剂用于自润滑刀具材料中。该包覆粉末材料是以非均匀成核法用氧化铝包覆CaF2粉末，通过CaF2粉末表面包覆氧化铝粉末来得到特殊的界面层，实现增强CaF2性能的效果。界面层的选择和设计对于优化高性能复合材料最终的性能起关键作用。由于氧化铝复合材料的界面对其力学性能的影响显著，采用CaF2颗粒表面包覆氧化铝粉末可以获得良好的界面反应阻挡层，使其在添加入刀具材料基体中后具有良好的力学性能。与现有技术相比，本发明氧化铝包覆CaF2粉末材料，从改善固体润滑剂粉末材料性能的角度来增强刀具材料的力学性能，是前所未有的创新。
本发明的制备工艺简单易控，所得粉末表面包覆效果好，尺寸分布均匀，颗粒大小为4-8μm；工艺操作方便，设备要求低，工业生产成本低，制备的氧化铝包覆CaF2粉末包覆率在80％以上。
附图说明
图1是CaF2颗粒的原始形貌的扫描电镜图片。图中CaF2颗粒的大小比较均匀，表面较光滑。
图2是实施例1制得的氧化铝包覆CaF2粉末材料的扫描电镜图片。煅烧温度1150℃，图中CaF2表层的包覆粉体氧化铝的颗粒细小且致密度较好。
图3是实施例2制得的氧化铝包覆CaF2粉末材料的扫描电镜图片。煅烧温度1250℃，CaF2表面包覆层氧化铝颗粒变大。
图4是实施例3制得的氧化铝包覆CaF2粉末材料的扫描电镜图片。煅烧温度1200℃，图中CaF2表面包覆层颗粒生长较为均匀。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例中所用CaF2颗粒的粒径为3-4μm，形貌如图1所示。
实施例中所用坩埚为Al2O3材质，所用加热器为DF-Ⅱ数显集热式磁力搅拌器。
实施例1、氧化铝包覆CaF2粉末及其制备方法，步骤如下：氧化铝包覆CaF2粉末及其制备方法，步骤如下：
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，备用。
(1)取粒径为3-4μm的CaF2颗粒加水配制0.13mol/L的CaF2溶液100mL，加入100mL质量分数为4％聚乙二醇作为表面分散剂，同时加入质量分数为25％的NaAc-HAc缓冲液15mL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℃；
(2)以3mL/min的速度向步骤(1)的体系中缓慢滴加配制的Al3+浓度为0.15mol/L的硝酸铝溶液共计100mL，在75℃水浴槽中搅拌，同时缓慢滴加质量分数为28％的氨水溶液使pH值保持在7.5，所述硝酸铝溶液全部滴加完毕，于75℃保温30min，形成澄清透明的溶胶体；
将所得的溶胶体用蒸馏水清洗2-3次，再用无水乙醇清洗2～3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；
(3)将步骤(2)所得的滤饼放置于坩埚中在真空热压烧结炉中，按9℃/min缓慢升温至1150℃，保温3小时，得到氧化铝包覆的CaF2粉末。CaF2表层的包覆粉体氧化铝的颗粒细小且致密度较好，颗粒大小为4-8μm，所得产品的电镜照片如图2所示。CaF2表面包覆层颗粒生长均匀，包覆率为85％。产品中氧化铝占比为38wt％。
实施例2、氧化铝包覆CaF2粉末及其制备方法，步骤如下：
将Al(NO3)3·9H2O加入一定量蒸馏水，配制Al3+浓度为0.17mol/L的硝酸铝溶液，备用；
1、取粒径为3-4μm的CaF2颗粒加水配制0.13mol/L的氟化钙溶液100mL，加入质量分数为4％聚乙二醇100mL，同时加入质量分数为26％的NaAc-HAc缓冲液14mL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85℃；
2、以3mL/min的速度缓慢滴加配制的Al3+浓度为0.17mol/L的硝酸铝溶液共计100mL，同时在85℃水浴槽中搅拌，同时缓慢滴加氨水使pH值保持在7.5，滴加完毕85℃保温30min，形成澄清透明的溶胶体，用蒸馏水反复清洗2～3遍后，再用无水乙醇清洗2～3遍，用高速离心机在2000rad/min离心10min，将滤饼放入真空干燥箱100℃下烘干12h；
3、将步骤2所得滤饼放置于坩埚中在真空热压烧结炉中，升温速度为10℃/min，缓慢升温至1250℃，保温2小时，得到包覆氧化铝的CaF2粉末。颗粒大小为4-8μm；所得产品的电镜照片如图3所示，包覆率为82％。CaF2表面包覆层氧化铝颗粒略微变大，此为氧化铝颗粒生长所致。产品中氧化铝占比为36wt％。
实施例3、氧化铝包覆CaF2粉末及其制备方法，步骤如下：
将Al(NO3)3·9H2O加入一定量蒸馏水，配制Al3+浓度为0.13mol/L的硝酸铝溶液备用。
1、配制0.13mol/L的CaF2溶液100mL，加入质量分数为4％聚乙二醇100mL，同时加入质量分数为25％的NaAc-HAc缓冲液15mL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℃；
2、以3mL/min缓慢滴加Al3+浓度为0.13mol/L的硝酸铝溶液共计100mL，同时在75℃水浴槽中搅拌，同时缓慢滴加氨水使pH值保持在8，滴加完毕保温30min，形成澄清透明的溶胶体；用蒸馏水反复清洗2～3遍，再用无水乙醇清洗2～3遍，用高速离心机于2000rad/min离心10min，然后将滤饼放入真空干燥箱100℃下烘干12h；
3、将烘干的滤饼放置于坩埚中在真空热压烧结炉中，按11℃/min缓慢升温至1200℃，保温2小时，得到包覆氧化铝的CaF2颗粒。颗粒大小为4-8μm；所得产品的电镜照片如图4所示。图中CaF2表面包覆层颗粒生长均匀，包覆率为90％。产品中氧化铝占比为40wt％。
Claims (10)
1.一种用于自润滑刀具材料的氧化铝包覆CaF2粉末，由CaF2颗粒和包覆在所述CaF2颗粒上的氧化铝组成；是将CaF2加水配成0.10~0.15mol/L的CaF2溶液，加入质量分数为3-4%的聚乙二醇分散均匀，在醋酸钠-醋酸缓冲液中、pH值7.2-8条件下滴加Al3+浓度为0.1~0.2mol/L的硝酸铝反应，于70-80℃保温反应30-40min，通过非均匀成核法在CaF2表面包覆一层氢氧化铝粉末；再在1150-1250℃下煅烧制成氧化铝包覆的CaF2粉末；粒径为4-8μm。
2.一种氧化铝包覆CaF2粉末的制备方法，包括步骤如下：
（1）取CaF2颗粒加水配制0.10~0.15mol/L的CaF2溶液，加入质量分数为3-4%的聚乙二醇和适量的醋酸钠-醋酸缓冲液，超声分散搅拌均匀，加热到70-80℃，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，所述硝酸铝溶液滴加完毕后于70-80℃保温反应30-40min，然后静置陈化，经清洗、离心、真空干燥得到包覆氢氧化铝的CaF2粉末；所述CaF2溶液与所述硝酸铝溶液的体积比为1：1；
(2)将步骤(1)制得的包覆氢氧化铝的CaF2粉末置于坩埚中,采用真空热压烧结炉煅烧，煅烧温度为1150-1250℃；煅烧的保温时间为2-3小时，煅烧后氢氧化铝完全转化为氧化铝包覆层，即得氧化铝包覆的CaF2粉末。
3.如权利要求2所述的氧化铝包覆CaF2粉末的制备方法，其特征在于步骤（1）中，所述CaF2溶液的浓度为0.13mol/L，硝酸铝溶液的Al3+浓度为0.15mol/L。
4.如权利要求2所述的氧化铝包覆CaF2粉末的制备方法，其特征在于步骤（1）中，所述醋酸钠-醋酸缓冲液的质量分数为22-26%。
5.如权利要求2所述的氧化铝包覆CaF2粉末的制备方法，其特征在于步骤（1）中，调节pH用的氨水溶液的质量分数为25-30%。
6.如权利要求2所述的氧化铝包覆CaF2粉末的制备方法，其特征在于步骤（1）中，所述CaF2颗粒的粒径为3-5μm。
7.如权利要求2所述的氧化铝包覆CaF2粉末的制备方法，其特征在于步骤（1）中，所述硝酸铝溶液的滴加速度为2-4mL/min。
8.如权利要求2所述的氧化铝包覆CaF2粉末的制备方法，其特征在于步骤（1）中，所述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。
9.如权利要求2所述的氧化铝包覆CaF2粉末的制备方法，其特征在于步骤（2）中所述坩埚的材料为Al2O3或SiO2。
10.如权利要求2所述的氧化铝包覆CaF2粉末的制备方法，其特征在于步骤（2）中所述煅烧时的升温速度为8-12℃/min。
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