CN106007680A - 石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法 - Google Patents

石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106007680A
CN106007680A CN201610345303.6A CN201610345303A CN106007680A CN 106007680 A CN106007680 A CN 106007680A CN 201610345303 A CN201610345303 A CN 201610345303A CN 106007680 A CN106007680 A CN 106007680A
Authority
CN
China
Prior art keywords
graphene
nano composite
ceramic cutter
polyethylene glycol
composite ceramic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201610345303.6A
Other languages
English (en)
Inventor
许崇海
孟祥龙
肖光春
衣明东
陈照强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qilu University of Technology
Original Assignee
Qilu University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qilu University of Technology filed Critical Qilu University of Technology
Priority to CN201610345303.6A priority Critical patent/CN106007680A/zh
Publication of CN106007680A publication Critical patent/CN106007680A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • C04B35/645—Pressure sintering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3206—Magnesium oxides or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
    • C04B2235/3225—Yttrium oxide or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/40—Metallic constituents or additives not added as binding phase
    • C04B2235/404—Refractory metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/42—Non metallic elements added as constituents or additives, e.g. sulfur, phosphor, selenium or tellurium
    • C04B2235/422—Carbon
    • C04B2235/425—Graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)

Abstract

本发明涉及一种石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法。该陶瓷刀具材料是以A12O3与Ti(C,N)为基体，石墨烯纳米片为增强相，MgO与Y2O3为烧结助剂。该陶瓷刀具材料经原料分散、复合粉体制备、干燥过筛、冷压装模和热压烧结而成。在本发明所制备的石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料中，石墨烯对A12O3/Ti(C,N)基体增韧补强效果明显，该陶瓷刀具材料的综合力学性能良好。经切削试验可知，与未添加石墨烯的纳米复合陶瓷刀具相比，石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料具有的更长的刀具寿命、更好的加工质量和更优异的减磨耐磨特性。

Description

石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合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，特别涉及一种石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法。
背景技术
随着高速切削加工技术的普遍应用以及难加工材料的大量涌现。在实际切削过程中，切削力与切削热大大增加，加剧了刀具材料的磨损。因此，要求刀具材料不仅具有良好的综合力学性能，还应兼具减摩耐磨特性。陶瓷刀具材料因其具有硬度高、耐磨损、耐高温、化学性质稳定等特点，而得到广泛的研究与应用。当前，陶瓷刀具材料正朝着由低纯度到高纯度、微米尺度到纳米尺度和单相材料到复相材料的方向发展。纳米复合陶瓷刀具材料便是其中的代表。因纳米添加相在材料中形成晶内型、晶间型与晶内/晶间复合型等纳米复合结构有效的改善了陶瓷刀具材料的力学性能。因此，纳米复合陶瓷刀具材料得到了广泛的应用。例如，CN103641456A提供了一种由纳米ZrO2、TiC、BN、B4C以及亚微米Al2O3组成的高强度纳米复合陶瓷材料。
Ti(C,N)(碳氮化钛)是一种性能优良的金属陶瓷材料。CN1632150A公开了一种用于制造陶瓷轴承套圈的Ti(C,N)基陶瓷材料。氧化铝碳氮化钛复合陶瓷，简写为A12O3/Ti(C,N)，兼具氧化铝基陶瓷与碳氮化钛基陶瓷的特点，是一种新型复合陶瓷材料。CN105112756A公开了一种由Ti(C,N)与超细Al2O3组成的Ti(C,N)复合Al2O3金属陶瓷刀具材料，其所制备的陶瓷刀具材料的HV50提高到了2050-2200，从而提高了刀具的耐磨性和使用寿命。然而，在这些公开的专利报道中仅仅改善了材料的硬度，而断裂韧性与抗弯强度未得到提高，致使刀具材料的综合力学性能仍然不理想。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法。本发明所述石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料具有综合力学性能高、切削距离长和良好的减摩耐磨特性。
术语说明：
石墨烯：是石墨烯纳米片的通用简写，是一种具有蜂窝状结构的二维材料，在本发明中用作增强相。
最长向径：是指石墨烯片的长轴长度。
Ti(C,N)：是碳氮化钛的通用简写，是一种由碳化钛(TiC)与氮化钛(TiN)按照不同碳氮比(C:N的重量比)组成的固溶体。在本发明中用作基体材料之一。
A12O3/Ti(C,N)：是氧化铝碳氮化钛复合材料的通用简写。
本发明技术方案如下：
一种石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，是由以下体积百分比的原料经热压烧结而成：
石墨烯0.25～5％，Ti(C,N)5～50％，MgO 0.1～5％，Y2O3 0.5～5％，其余为A12O3；其中：
所述A12O3平均粒径为100～500nm；
所述Ti(C,N)平均粒径为50～500nm；
所述石墨烯平均厚度为0.34～50nm，石墨烯平均最长向径为1～50μm；
所述MgO和Y2O3的平均粒径为0.5～5μm。
根据本发明，优选的，原料组分体积百分比为：石墨烯0.25～1％，Ti(C,N)5～30％，MgO0.25～2％，Y2O3 0.1～2％，A12O3余量。
最优选的，原料组分体积百分比为：石墨烯0.75％，Ti(C,N)15％，MgO 0.5％，Y2O30.2％，其余为Al2O3。
根据本发明，优选的，所述A12O3为α相Al2O3。
根据本发明，优选的，所述Al2O3平均粒径为200～400nm。
根据本发明，优选的，所述Ti(C,N)的碳氮比按重量比C:N为1～2.5:1；优选所述Ti(C,N)平均粒径为60～200nm。
根据本发明，优选的，所述石墨烯平均厚度为0.34～30nm。
根据本发明，优选的，所述石墨烯平均最长向径为1～20μm。
根据本发明，优选的，所述MgO和Y2O3的平均粒径为1～3μm。
上述所用的原料均为市售产品，纯度均大于99.99％。
根据本发明，所述石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料制备方法，原料组分比例如前所述，包括步骤如下：
(1)将聚乙二醇加入无水乙醇，使其完全溶解，超声分散并机械搅拌10～30min；加入A12O3，继续超声分散并机械搅拌10～30min；得A12O3-聚乙二醇分散液；
(2)将聚乙二醇加入无水乙醇，使其完全溶解，超声分散并机械搅拌10～30min；加入Ti(C,N)，继续超声分散并机械搅拌10～30min；得Ti(C,N)-聚乙二醇分散液；
(3)将步骤(1)所述的A12O3-聚乙二醇分散液与步骤(2)所述的Ti(C,N)-聚乙二醇分散液混合，超声分散并机械搅拌10～30min；得A12O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液；
(4)将步骤(3)所述的A12O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液倒入球磨罐中，在保护气氛下球磨24～48h，球料质量比为5～15:1；
(5)将聚乙烯吡咯烷酮加入无水乙醇，使其完全溶解，超声分散并机械搅拌10～30min；加入石墨烯，继续超声分散并机械搅拌10～30min；得石墨烯-聚乙烯吡咯烷酮分散液；
(6)将步骤(5)所述的石墨烯-聚乙烯吡咯烷酮分散液倒入步骤(4)的球磨罐中，并保持所述的保护气氛，继续球磨1～12h；
(7)待步骤(6)完成后，将球磨罐中的液体进行真空干燥，干燥完全的粉体过100～200目筛，装入石墨套筒中，冷压10～30min，然后进行热压烧结。
上述步骤(1)、(2)、(5)中所述的无水乙醇是作为配成悬浮液的分散介质，用量为溶解量，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(1)所述的聚乙二醇的质量为A12O3质量的1～5％。
根据本发明优选的，步骤(2)所述的聚乙二醇的质量为Ti(C,N)质量的1～5％。
根据本发明优选的，步骤(1)、步骤(2)所述的聚乙二醇分子量在2000～10000之间(数均分子量)，例如聚乙二醇2000、聚乙二醇4000、聚乙二醇6000、聚乙二醇10000之任一型号的市售产品均可。最优选聚乙二醇4000(PEG4000)。
根据本发明优选的，步骤(5)所述的聚乙烯吡咯烷酮质量为石墨烯质量的50～90％。
根据本发明优选的，步骤(5)所述的聚乙烯吡咯烷酮的规格为K15～K40。其含义为聚乙烯吡咯烷酮K15、K16、K17直至K40型之间的任一型号的市售产品均可。最优选聚乙烯吡咯烷酮-K30型(PVP，K30)。
根据本发明优选的，步骤(4)、(6)所述的球磨球是硬质合金球YG6或YG8。
根据本发明优选的，步骤(4)、(6)所述的保护气氛是氮气或氩气。
根据本发明优选的，步骤(7)所述干燥温度为90～130℃，干燥时间为12～60h。
根据本发明优选的，步骤(7)所述的热压烧结，优选的，烧结温度为1550～1750℃，保温时间为5～50min，压力为20～35MPa，升温速率为10～35℃/min。
本发明的技术特点及有益效果：
本发明的石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，是以A12O3/Ti(C,N)为基体，石墨烯为增强相，MgO、Y2O3为烧结助剂，经热压烧结而成。与现有A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料相比，本发明制备的石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料具有更高的综合力学性能，在切削过程中表现出了良好的减摩耐磨特性。
经试验证明，添加石墨烯含量为体积分数为0.75％时，A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷材料刀具材料的断裂韧性和抗弯强度分别达到7.1MPa·m1/2和663MPa，较未添加石墨烯的A12O3/Ti(C,N)陶瓷刀具材料分别提高了31％和15％。
本发明热压烧结的石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，在微观结构观察中发现，石墨烯呈现出明显的取向性，即石墨烯片层之间相互平行且垂直于热压方向。
经切削试验，本发明石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料得到如下结果：最大切削距离达到7000m；工件已加工表面粗糙度约为1.1μm；刀具前刀面摩擦系数为0.52；刀具的主要磨损形式为磨粒磨损并伴有轻微沟槽磨损。未添加石墨烯的A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料作为对比例，切削试验结果如下：最大切削距离为5500m；工件已加工表面粗糙度为1.5μm；刀具前刀面摩擦系数为0.67；刀具的主要磨损形式为沟槽磨损和磨粒磨损，且沟槽磨损较为严重。与未添加石墨烯的A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料相比，石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料具有更长的刀具寿命、更好的加工表面质量、和更加优异良好的减磨耐磨特性。
本发明所制备的一种石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料具有良好的综合力学性能和减摩耐磨特性，可用于制作金属切削刀具以及拉拔模等结构陶瓷应用。本发明具有制备方法简单，操作方便，制作成本低等优点。
附图说明
图1为实施例3制得的石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料的后刀面磨损超景深显微镜照片。
图2为对比例所制得的A12O3Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料的后刀面磨损超景深显微镜照片。
图3为实施例3制得的石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料断口处的扫描电子显微镜(SEM)照片。
图4为图3中单个石墨烯片层伸出状态的SEM照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。实施例中所用石墨烯平均厚度为0.34～30nm，石墨烯平均最长向径为1～20μm；所述MgO和Y2O3平均粒径为1～3μm，A12O3平均粒径为200～400nm；Ti(C,N)平均粒径为80～150nm，其C:N为7:3。
实施例中所用的聚乙二醇均为聚乙二醇4000(PEG4000)，聚乙烯吡咯烷酮均为聚乙烯吡咯烷酮K30型(PVP，K30)。
实施例1：
石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，原料组分的体积百分比为：石墨烯0.25％，Ti(C,N)15％，MgO 0.5％，Y2O3 0.2％，其余为Al2O3。
制备方法如下：
按照Al2O3质量的2％称量聚乙二醇(PEG4000)，使其完全溶解于无水乙醇中，超声分散并机械搅拌10min；称量A12O3并倒入已溶解完全的聚乙二醇分散液中，超声分散并机械搅拌10min，得A12O3-聚乙二醇分散液；按照Ti(C,N)质量的1％称量聚乙二醇(PEG4000)，使其完全溶解于无水乙醇中，超声分散并机械搅拌10min；称量Ti(C,N)并倒入已溶解完全的聚乙二醇分散液中，超声分散并机械搅拌10min，得Ti(C,N)-聚乙二醇分散液，；将A12O3-聚乙二醇分散液与Ti(C,N)-聚乙二醇分散液混合，超声分散并机械搅拌10min，得A12O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液；将A12O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液倒入球磨罐中，采用硬质合金球YG6在氮气保护气氛下球磨24h，球料质量比为10:1；按照石墨烯质量的70％称量聚乙烯吡咯烷酮(PVP，K30)，使其溶于无水乙醇中，超声分散并机械搅拌10min；称量石墨烯并倒入已溶解完全的聚乙烯吡咯烷酮分散液中，超声分散并机械搅拌10min，得石墨烯-聚乙烯吡咯烷酮分散液；当Al2O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液球磨完成时，将已配置完成的石墨烯-聚乙烯吡咯烷酮分散液倒入Al2O3-Ti(C,N)-P聚乙二醇分散液的球磨罐中，并保持保护气氛，继续球磨2h；待混合分散液球磨完成后，将球磨罐中分散液进行真空干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为24h；将干燥完全的粉体过120目筛，装入石墨套筒中，冷压10min，而后进行热压烧结。其中烧结温度为1550℃，保温时间为20min，压力为25MPa，升温速率为15℃/min。
所制得的石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料经过切割、粗磨、精磨、研磨和抛光后进行力学性能测试，其中力学性能包括维氏硬度、断裂韧性和抗弯强度。其硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为20.3GPa、6.5MPa·m1/2和579MPa。
实施例2：
石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，原料组分的体积百分比为：石墨烯0.5％，Ti(C,N)15％，MgO 0.5％，Y2O3 0.2％，其余为Al2O3。
制备方法如下：
按照Al2O3质量的3％称量聚乙二醇(PEG4000)，使其完全溶解于无水乙醇中，超声分散并机械搅拌15min；称量A12O3并倒入已溶解完全的聚乙二醇分散液中，超声分散并机械搅拌15min，得A12O3-聚乙二醇分散液；按照Ti(C,N)质量的2％称量聚乙二醇(PEG4000)，使其完全溶解于无水乙醇中，超声分散并机械搅拌15min；称量Ti(C,N)并倒入已溶解完全的聚乙二醇分散液中，超声分散并机械搅拌15min，得Ti(C,N)-聚乙二醇分散液，；将A12O3-聚乙二醇分散液与Ti(C,N)-聚乙二醇分散液混合，超声分散并机械搅拌15min，得A12O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液；将A12O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液倒入球磨罐中，采用硬质合金球YG6在氮气保护气氛下球磨30h，球料质量比为15:1；按照石墨烯质量的50％称量聚乙烯吡咯烷酮(PVP，K30)，使其溶于无水乙醇中，超声分散并机械搅拌15min；称量石墨烯并倒入已溶解完全的聚乙烯吡咯烷酮分散液中，超声分散并机械搅拌15min，得石墨烯-聚乙烯吡咯烷酮分散液；当Al2O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液球磨完成时，将已配置完成的石墨烯-聚乙烯吡咯烷酮分散液倒入Al2O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液的球磨罐中，并保持保护气氛，继续球磨4h；待混合分散液球磨完成后，将球磨罐中分散液进行真空干燥，干燥温度为90℃，干燥时间为26h；将干燥完全的粉体过120目筛，装入石墨套筒中，冷压15min，而后进行热压烧结。其中烧结温度为1600℃，保温时间为25min，压力为25MPa，升温速率为20℃/min。
所制得的石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料经过切割、粗磨、精磨、研磨和抛光后进行力学性能测试，其中力学性能包括维氏硬度、断裂韧性和抗弯强度。其硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为19.8GPa、6.7MPa·m1/2和612MPa
实施例3：
石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，原料组分的体积百分比为：石墨烯0.75％，Ti(C,N)15％，MgO 0.5％，Y2O3 0.2％，其余为Al2O3。
制备方法如下：
按照Al2O3质量的2％称量聚乙二醇(PEG4000)，使其完全溶解于无水乙醇中，超声分散并机械搅拌30min；称量A12O3并倒入已溶解完全的聚乙二醇分散液中，超声分散并机械搅拌30min，得A12O3-聚乙二醇分散液；按照Ti(C,N)质量的1.5％称量聚乙二醇(PEG4000)，使其完全溶解于无水乙醇中，超声分散并机械搅拌30min；称量Ti(C,N)并倒入已溶解完全的聚乙二醇分散液中，超声分散并机械搅拌30min，得Ti(C,N)-聚乙二醇分散液，；将A12O3-聚乙二醇分散液与Ti(C,N)-聚乙二醇分散液混合，超声分散并机械搅拌30min，得A12O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液；将A12O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液倒入球磨罐中，采用硬质合金球YG6在氮气保护气氛下球磨36h，球料质量比为10:1；按照石墨烯质量的90％称量聚乙烯吡咯烷酮(PVP，K30)，使其溶于无水乙醇中，超声分散并机械搅拌30min；称量石墨烯并倒入已溶解完全的聚乙烯吡咯烷酮分散液中，超声分散并机械搅拌30min，得石墨烯-聚乙烯吡咯烷酮分散液；当Al2O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液球磨完成时，将已配置完成的石墨烯-聚乙烯吡咯烷酮分散液倒入Al2O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液的球磨罐中，并保持保护气氛，继续球磨6h；待混合分散液球磨完成后，将球磨罐中分散液进行真空干燥，干燥温度为120℃，干燥时间为30h；将干燥完全的粉体过120目筛，装入石墨套筒中，冷压30min，而后进行热压烧结。其中烧结温度为1650℃，保温时间为30min，压力为30MPa，升温速率为20℃/min。
所制得的石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料经过切割、粗磨、精磨、研磨和抛光后进行力学性能测试，其中力学性能包括维氏硬度、断裂韧性和抗弯强度。其硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为19.2GPa、7.1MPa·m1/2和663MPa。经切削试验可得：最大切削距离为7000m；工件已加工表面粗糙度为1.1μm；经过计算前刀面摩擦系数可知，其摩擦系数为0.52。
实施例3制得的石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具的后刀面磨损超景深显微镜照片如图1所示，由图1可以看出刀具的主要磨损形式为磨粒磨损和轻微的沟槽磨损。
实施例3制得的石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料断口处的扫描电子显微镜(SEM)照片如图3所示，可见石墨烯均匀弥散在由A12O3/Ti(C,N)组成的基体材料中。图4为单个石墨烯片层伸出状态，可见石墨烯片层卷曲现象明显，材料的断裂模式为穿晶断裂为主的沿晶/穿晶混合模式。
对比例：
未添加石墨烯的Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，作为对比例。
Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，原料组分的体积百分比为：Ti(C,N)15％，MgO0.5％，Y2O30.2％，其余为Al2O3。
制备方法如下：
按照Al2O3质量的4％称量聚乙二醇(PEG4000)，使其完全溶解于无水乙醇中，超声分散并机械搅拌20min；称量A12O3并倒入已溶解完全的聚乙二醇分散液中，超声分散并机械搅拌10min，得A12O3-聚乙二醇分散液；按照Ti(C,N)质量的3.5％称量聚乙二醇(PEG4000)，使其完全溶解于无水乙醇中，超声分散并机械搅拌25min；称量Ti(C,N)并倒入已溶解完全的聚乙二醇分散液中，超声分散并机械搅拌15min，得Ti(C,N)-聚乙二醇分散液；将A12O3-聚乙二醇分散液与Ti(C,N)-聚乙二醇分散液混合，超声分散并机械搅拌15min，得A12O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液；将A12O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液倒入球磨罐中，采用硬质合金球YG6在氮气保护气氛下球磨24h，球料质量比为12:1；待混合分散液球磨完成后，将球磨罐中分散液进行真空干燥，干燥温度为115℃，干燥时间为50h；将干燥完全的粉体过120目筛，装入石墨套筒中，冷压22min，而后进行热压烧结。其中烧结温度为1650℃，保温时间为30min，压力为35MPa，升温速率为20℃/min。
所制得的Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料经过切割、粗磨、精磨、研磨和抛光后进行力学性能测试，其中力学性能包括维氏硬度、断裂韧性和抗弯强度。其硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为20.4GPa、5.4MPa·m1/2和576MPa。经切削试验可得：最大切削距离为5500m；工件已加工表面粗糙度为1.5μm。经过计算前刀面摩擦系数可知，其摩擦系数为0.67。
所制得的Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具的后刀面磨损超景深显微镜照片如图2所示，可见刀具的主要磨损形貌为沟槽磨损和磨粒磨损，且沟槽磨损较为严重。
通过对比图1与图2可知，本发明石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料在耐磨损性能方面显现出明显的优势。

Claims (10)

1.一种石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，是由以下体积百分比的原料组分经热压烧结而成：
石墨烯0.25～5％，Ti(C,N)5～50％，MgO 0.1～5％，Y2O3 0.5～5％，其余为Al2O3；其中：
所述Al2O3平均粒径为100～500nm；
所述Ti(C,N)平均粒径为50～500nm；
所述石墨烯平均厚度为0.34～50nm，石墨烯平均最长向径为1～50μm；
所述MgO和Y2O3的平均粒径为0.5～5μm。
2.根据权利要求1所述石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，其特征在于原料组分体积百分比为：
石墨烯0.25～1％，Ti(C,N)5～30％，MgO 0.25～2％，Y2O3 0.1～2％，Al2O3余量；或者，
石墨烯0.75％，Ti(C,N)15％，MgO 0.5％，Y2O3 0.2％，其余为Al2O3。
3.根据权利要求1或2所述石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，其特征在于所述Al2O3平均粒径为200～400nm；优选的，所述Al2O3为α相Al2O3。
4.根据权利要求1或2所述石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，其特征在于所述Ti(C,N)的碳氮比按重量比C:N为1～2.5:1；优选所述Ti(C,N)平均粒径为60～200nm。
5.根据权利要求1或2所述石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，其特征在于所述石墨烯平均厚度为0.34～30nm；优选的所述石墨烯平均最长向径为1～20μm；优选的所述MgO平均粒径为1～3μm；所述Y2O3平均粒径为1～3μm。
6.根据权利要求1～5任一项所述石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料的制备方法，包括步骤如下：
(1)将聚乙二醇加入无水乙醇，使其完全溶解，超声分散并机械搅拌10～30min；加入Al2O3，继续超声分散并机械搅拌10～30min；得Al2O3-聚乙二醇分散液；
(2)将聚乙二醇加入无水乙醇，使其完全溶解，超声分散并机械搅拌10～30min；加入Ti(C,N)，继续超声分散并机械搅拌10～30min；得Ti(C,N)-聚乙二醇分散液；
(3)将步骤(1)所述的Al2O3-聚乙二醇分散液与步骤(2)所述的Ti(C,N)-聚乙二醇分散液混合，超声分散病机械搅拌10～30min；Al2O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液；
(4)将步骤(3)所述的Al2O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液倒入球磨罐中，在保护气氛下球磨24～48h，其中球磨球为硬质合金材质，球料质量比为5～15:1；
(5)将聚乙烯吡咯烷酮加入无水乙醇，使其完全溶解，超声分散并机械搅拌10～30min；加入石墨烯，继续超声分散并机械搅拌10～30min；得石墨烯-聚乙烯吡咯烷酮分散液；
(6)将步骤(5)制得的石墨烯-聚乙烯吡咯烷酮分散液倒入步骤(3)的球磨罐中，并保持所述的保护气氛，继续球磨1～12h；
(7)待步骤(6)完成后，将球磨罐中的液体进行真空干燥，干燥完全的粉体过100～200目筛，装入石墨套筒中，冷压10～30min，然后进行热压烧结。
7.根据权利要求6所述的石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的聚乙二醇分子量在2000～10000之间；优选聚乙二醇4000。
8.根据权利要求6所述的石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的聚乙二醇的质量为Al2O3质量的1～5％；步骤(5)所述的聚乙烯吡咯烷酮质量为石墨烯质量的50～90％。
9.根据权利要求6所述的石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述的聚乙烯吡咯烷酮的规格为K15～K40；优选聚乙烯吡咯烷酮-K30型。
10.根据权利要求6所述的石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(7)所述干燥温度为90～130℃，干燥时间为12～60h；
步骤(7)所述的热压烧结，烧结温度为1550～1750℃，保温时间为5～50min，压力为20～35MPa，升温速率为10～35℃/min。
CN201610345303.6A 2016-05-23 2016-05-23 石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法 Pending CN106007680A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610345303.6A CN106007680A (zh) 2016-05-23 2016-05-23 石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610345303.6A CN106007680A (zh) 2016-05-23 2016-05-23 石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106007680A true CN106007680A (zh) 2016-10-12

Family

ID=57095806

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610345303.6A Pending CN106007680A (zh) 2016-05-23 2016-05-23 石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106007680A (zh)

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106431361A (zh) * 2016-10-31 2017-02-22 东南大学 一种添加氧化铝包覆石墨烯的自润滑陶瓷刀具材料
CN106699140A (zh) * 2017-02-08 2017-05-24 无锡工艺职业技术学院 一种高硬度陶瓷切削头
CN106830900A (zh) * 2017-02-08 2017-06-13 无锡工艺职业技术学院 一种高硬度陶瓷刀具
CN106892664A (zh) * 2017-04-07 2017-06-27 广东工业大学 一种TiCN基复合陶瓷及其制备方法
CN106914612A (zh) * 2017-03-09 2017-07-04 洛阳理工学院 石墨烯‑铬钛铝复合材料的制备方法及其在刀具上的应用
CN107602097A (zh) * 2017-10-31 2018-01-19 齐鲁工业大学 一种添加纳米包覆型固体润滑剂的Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法
CN108424161A (zh) * 2018-04-13 2018-08-21 山东大学 一种石墨烯强韧化的复相陶瓷材料的制备方法
CN109956754A (zh) * 2017-12-25 2019-07-02 南京理工大学 石墨烯纳米片增韧TiB2基陶瓷刀具材料及其制备工艺
CN110204347A (zh) * 2019-07-10 2019-09-06 山东大学 一种石墨烯和纳米氧化锆协同增韧陶瓷材料的方法及其应用
CN110483059A (zh) * 2019-09-02 2019-11-22 山东大学 一种表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料及其制备方法
CN112456987A (zh) * 2020-12-14 2021-03-09 齐鲁工业大学 仿生叠层石墨烯复合陶瓷刀具及其制备方法
CN112707736A (zh) * 2020-12-31 2021-04-27 北京石墨烯技术研究院有限公司 石墨烯改性陶瓷复合材料、制备方法以及制件
CN114273659A (zh) * 2021-12-23 2022-04-05 湘潭大学 一种石墨烯/纳米Al2O3增韧Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101164963A (zh) * 2007-09-26 2008-04-23 山东轻工业学院 一种微纳米复合陶瓷模具材料及其制备方法
CN103044014A (zh) * 2013-01-17 2013-04-17 山东大学 一种石墨烯纳米片增强的氧化铝陶瓷的制备方法
CN103757513A (zh) * 2013-12-30 2014-04-30 沈阳理工大学 一种Al2O3/Ti(C,N)纳米复合金属陶瓷模具材料及制备方法
EP2749542A1 (en) * 2012-12-28 2014-07-02 AGC Ceramics Co., Ltd. High zirconia fused cast refractory

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101164963A (zh) * 2007-09-26 2008-04-23 山东轻工业学院 一种微纳米复合陶瓷模具材料及其制备方法
EP2749542A1 (en) * 2012-12-28 2014-07-02 AGC Ceramics Co., Ltd. High zirconia fused cast refractory
CN103044014A (zh) * 2013-01-17 2013-04-17 山东大学 一种石墨烯纳米片增强的氧化铝陶瓷的制备方法
CN103757513A (zh) * 2013-12-30 2014-04-30 沈阳理工大学 一种Al2O3/Ti(C,N)纳米复合金属陶瓷模具材料及制备方法

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106431361B (zh) * 2016-10-31 2019-03-05 东南大学 一种添加氧化铝包覆石墨烯的自润滑陶瓷刀具材料
CN106431361A (zh) * 2016-10-31 2017-02-22 东南大学 一种添加氧化铝包覆石墨烯的自润滑陶瓷刀具材料
CN106699140A (zh) * 2017-02-08 2017-05-24 无锡工艺职业技术学院 一种高硬度陶瓷切削头
CN106830900A (zh) * 2017-02-08 2017-06-13 无锡工艺职业技术学院 一种高硬度陶瓷刀具
CN106914612B (zh) * 2017-03-09 2019-05-10 洛阳理工学院 石墨烯-铬钛铝复合材料的制备方法及其在刀具上的应用
CN106914612A (zh) * 2017-03-09 2017-07-04 洛阳理工学院 石墨烯‑铬钛铝复合材料的制备方法及其在刀具上的应用
CN106892664A (zh) * 2017-04-07 2017-06-27 广东工业大学 一种TiCN基复合陶瓷及其制备方法
CN107602097A (zh) * 2017-10-31 2018-01-19 齐鲁工业大学 一种添加纳米包覆型固体润滑剂的Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法
CN109956754A (zh) * 2017-12-25 2019-07-02 南京理工大学 石墨烯纳米片增韧TiB2基陶瓷刀具材料及其制备工艺
CN108424161A (zh) * 2018-04-13 2018-08-21 山东大学 一种石墨烯强韧化的复相陶瓷材料的制备方法
CN110204347A (zh) * 2019-07-10 2019-09-06 山东大学 一种石墨烯和纳米氧化锆协同增韧陶瓷材料的方法及其应用
CN110483059A (zh) * 2019-09-02 2019-11-22 山东大学 一种表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料及其制备方法
CN112456987A (zh) * 2020-12-14 2021-03-09 齐鲁工业大学 仿生叠层石墨烯复合陶瓷刀具及其制备方法
CN112456987B (zh) * 2020-12-14 2022-07-12 齐鲁工业大学 仿生叠层石墨烯复合陶瓷刀具及其制备方法
CN112707736A (zh) * 2020-12-31 2021-04-27 北京石墨烯技术研究院有限公司 石墨烯改性陶瓷复合材料、制备方法以及制件
CN114273659A (zh) * 2021-12-23 2022-04-05 湘潭大学 一种石墨烯/纳米Al2O3增韧Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料及其制备方法
CN114273659B (zh) * 2021-12-23 2023-10-13 湘潭大学 一种石墨烯/纳米Al2O3增韧Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106007680A (zh) 石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法
KR100348772B1 (ko) 위스커강화 알루미나복합체의 상압소결방법
KR100792190B1 (ko) 유심구조가 없는 고용체 분말, 그 제조 방법, 상기 고용체분말을 포함하는 서멧트용 분말, 그 제조 방법, 상기고용체 분말 및 서멧트용 분말을 이용한 유심구조가 없는세라믹스 소결체 및 서멧트
CN106007762B (zh) 具有各向异性的石墨烯增韧a12o3纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法
CN106145958B (zh) 具有力学各向异性的Si3N4/TiC/石墨烯复合陶瓷刀具材料及其制备方法
AU676153B2 (en) Pressureless sintering of whisker reinforced alumina composites
WO2017191744A1 (ja) 超硬合金、及び切削工具
JP5732663B2 (ja) 立方晶窒化硼素焼結体工具
CN101070577A (zh) 超细TiC0.7N0.3基金属陶瓷及其制备方法
CN107460391B (zh) 一种添加石墨烯的梯度硬质合金刀具材料及其快速制备方法
TW201111321A (en) Tough coated hard particles consolidated in a tough matrix material
CN104609865A (zh) 一种氮化硅基导电陶瓷的制备方法及氮化硅基导电陶瓷刀具的成型方法
CN107523710A (zh) 一种抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法
CN101255520A (zh) 纳米WC-Co复合粉改性的Ti(CN)基金属陶瓷及其制备方法
Yin et al. Preparation and properties of an Al2O3/Ti (C, N) micro-nano-composite ceramic tool material by microwave sintering
CN102320170B (zh) 一种梯度纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法
CN106145957A (zh) 一种添加石墨烯的Si3N4基陶瓷刀具材料及其制备方法
CN107673772A (zh) 一种添加氧化锆晶须的Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法
CN104496429B (zh) Al2O3‑Ti(C,N)‑cBN陶瓷刀具材料及其制备方法
Acchar et al. Properties of sintered alumina reinforced with niobium carbide
CN106216687A (zh) 一种梯度碳化钨基微纳复合刀具材料及其制备方法
Zhang et al. Experimental study on cutting performance of microwave sintered Ti (C, N)/Al2O3 cermet tool in the dry machining of hardened steel
CN107164679B (zh) 一种超细晶高性能Ti(C，N)-TiB2-WC复合金属陶瓷刀具及制备方法
Yuan et al. Effects of ultrafine refractory carbides on microstructure and mechanical properties of hot-pressing sintered TiB2-ZrC cermet composites at different temperatures
CN103979942B (zh) 一种碳纳米管-氧化铝复合材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20161012