CN107602097A

CN107602097A - 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

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Publication number: CN107602097A
Application number: CN201711049282.4A
Authority: CN
Inventors: 陈照强; 郭润鑫; 许崇海; 衣明东; 季良刚
Original assignee: Qilu University of Technology
Current assignee: Qilu University of Technology
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2018-01-19
Anticipated expiration: 2037-10-31
Also published as: CN107602097B

Abstract

本发明公开了一种添加纳米包覆型固体润滑剂的Al₂O₃/Ti(C,N)纳米基陶瓷刀具材料及其制备方法，由以下组分组成：纳米CaF₂@Al₂O₃粉体1～30％，MgO 0.1～3％，Ti(C,N)1～55％，余量为Al₂O₃，％为体积百分数；其中，Ti(C,N)的平均粒径为50～200nm；A1₂O₃的平均粒径为50～500nm；MgO的平均粒径为0.1～5μm；纳米CaF₂@Al₂O₃粉体的平均直径为20～100nm。本发明所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制备的刀具有高硬度、高断裂韧性和高强度的特点，有效的改善了自润滑的陶瓷刀具力学性能较差的缺点。

Description

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

技术领域

本发明涉及一种陶瓷刀具材料及其制备方法，特别涉及一种添加纳米包覆型固体润滑剂的Al₂O₃/Ti(C,N)纳米基陶瓷刀具材料及其制备方法。

技术背景

陶瓷刀具因其固有的高硬度、较好的稳定性使得它在切削加工领域具有重要的地位。而自润滑陶瓷刀具材料因其在整个刀具切削寿命内都具有较低的摩擦系数，尤其是在高速干切削领域，自润滑陶瓷刀具材料有着得天独厚的优势。而通过合理的设计可以实现自润滑刀具减摩和耐磨的统一。氟化钙是一种可应用于自润滑刀具的固体润滑剂，可以使刀具达到一定切削温度时具较低的摩擦系数，在切削过程中表现出较好的润滑效果。但是如果直接添加固体氟化钙材料，刀具材料的机械性能会受到严重损害，因此，寻求一种合理的设计方法来提高自润滑刀具的性能成为目前的研究热点，这也是自润滑刀具迫切需要解决的问题。

中国专利文件CN1583660A提供一种自润滑陶瓷刀具，其采用固体润滑剂直接加入到陶瓷刀具基体，使刀具材料获得较低的摩擦系数，但刀具材料的硬度等机械性能有了较大的降低，整体性能不尽如人意。CN104962110A采用镍硼包覆氟化钙复合粉体，将该粉体应用于自润滑陶瓷刀具，获得了较好的断裂韧性和抗弯强度。中国专利文件CN104045325A涉及一种添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料，其采用的是微米级氟化钙，核壳结构使刀具性能有了一定的提高。但微米润滑相的添加仍然在一定程度上影响了刀具的整体性能。中国专利文件CN103011784A将纳米固体润滑剂CaF₂成功引入陶瓷基体晶粒的内部，改善了自润滑陶瓷刀具的性能，获得了高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料，但在刀具烧结过程中，纳米氟化钙又存在着团聚和生长过大的情况，并且存在于晶界的纳米氟化钙会一定程度上影响刀具的性能。

采取合适的研究思路使纳米相在刀具烧结的过程中不至于团聚和严重生长，使纳米相均匀弥散到刀具基体的晶体内部，使烧结后的纳米复合陶瓷刀具材料具有优异的机械性能，这是纳米复合陶瓷刀具研究的关键问题之一。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种添加纳米包覆型固体润滑剂的Al₂O₃/Ti(C,N)纳米基陶瓷刀具材料及其制备方法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种添加纳米包覆型固体润滑剂的Al₂O₃/Ti(C,N)纳米基陶瓷刀具材料，由以下组分组成：

纳米CaF₂@Al₂O₃粉体1～30％，MgO 0.1～3％，Ti(C,N)1～55％，余量为Al₂O₃，％为体积百分数；

其中，Ti(C,N)的平均粒径为50～200nm；A1₂O₃的平均粒径为50～500nm；MgO的平均粒径为0.1～5μm；纳米CaF₂@Al₂O₃粉体的平均直径为20～100nm。

CaF₂@Al₂O₃为纳米氧化铝包覆氟化钙的简称。Ti(C,N)：是一种金属陶瓷材料，为TiN和TiC组成的固溶体，具有较好的力学性能。

优选的，所述纳米基陶瓷刀具材料，由以下组分组成：纳米CaF₂@Al₂O₃粉体1～20％，MgO 0.1～1％，Ti(C,N)30～55％，余量为Al₂O₃，％为体积百分数。

进一步优选的，所述纳米基陶瓷刀具材料，由以下组分组成：纳米CaF₂@Al₂O₃粉体5％，MgO 0.5％，Ti(C,N)23.4％，余量为Al₂O₃，％为体积百分数。

优选的，所述Ti(C,N)的平均粒径为50～200nm，碳氮比按重量比为1～3:1。

优选的，所述MgO的平均粒径为0.1～1μm；所述A1₂O₃的平均粒径为0.1～1μm。

优选的，所述A1₂O₃为α相A1₂O₃。

上述添加纳米包覆型固体润滑剂的Al₂O₃/Ti(C,N)纳米基陶瓷刀具材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将CaF₂@Al₂O₃的聚乙烯吡咯烷酮与无水乙醇的分散液、A1₂O₃的聚乙二醇与乙醇的分散液、Ti(C,N)的聚乙二醇与乙醇的分散液和MgO的聚乙二醇与乙醇的分散液混合，超声分散，制得混合粉体的分散液；

2)将步骤1)中制得的混合粉体的分散液进行球磨；

3)将球磨完成后的混合浆料进行干燥，干燥后粉体过200目筛，即得。

优选的，步骤1)中，所述聚乙烯吡咯烷酮为K30型(PVP，K30)。

优选的，步骤1)中，CaF₂@Al₂O₃粉体的制备方法，包括如下步骤：

1)将聚乙烯吡咯烷酮与乙醇按一定比例混合，并在搅拌条件下加入二甲苯，混合均匀后，分为两份，分别为B溶液和C溶液；

2)将纳米氟化钙粉体搅拌条件下加入到B溶液中，分散均匀，得到B’溶液；并将硝酸铝加入到所述C溶液中，混合均匀，得到C’溶液；

3)将所述B’溶液和C’溶液混合后，向其中缓慢加入氨水与乙醇的混合液，至溶液的pH值为7～12，持续搅拌至反应结束，将所得产物静置陈化，将固体产物离心分离后，加热脱水，制得氧化铝包覆氟化钙的纳米复合材料。

优选的，步骤1)中，超声分散的时间为20～40min。

优选的，步骤1)中，A1₂O₃的聚乙二醇与乙醇的分散液中聚乙二醇的浓度为2～8g/L。

优选的，步骤1)中，Ti(C,N)的聚乙二醇与乙醇的分散液中聚乙二醇的浓度为2～6g/L。

进一步优选的，所述聚乙二醇的分子量为200～8000，优选为1000～7000，进一步优选为4000～6500，再进一步优选为5000～6000，最优选为6000。

优选的，步骤2)中，球磨的时间为40～60h。

优选的，步骤2)中，球磨所用球为硬质合金球，球料质量比为10～15:1。

进一步优选的，球磨所用球为硬质合金球YG6或YG8。

优选的，步骤3)中，干燥的温度为80～110℃，干燥时间为24～72h。

一种纳米基陶瓷刀具，由上述添加纳米包覆型固体润滑剂的Al₂O₃/Ti(C,N)纳米基陶瓷刀具材料经过冷压、烧结制备而成。

优选的，冷压为放置于石墨模具中冷压，冷压的时间为10～30min。

优选的，烧结为真空热压烧结，烧结过程中，压力逐渐增加至压力为15～45MPa。

进一步优选的，步骤3)中，烧结的温度为1450～1750℃，烧结保温时间为5～30min，升温过程持续45～90min。

本发明的有益技术效果为：

本发明所制备的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良好的综合力学性能。本发明采用包覆性纳米氟化钙作为陶瓷刀具的添加相，使陶瓷刀具材料具有自润滑能力，氧化铝作为包覆粉体的外壳，与刀具基体材料相容性大幅提高，同时又有效的避免了纳米氟化钙在烧结过程中的异常长大，使纳米氟化钙均匀弥散到基体的晶粒内部，极大地降低了氟化钙的添加对刀具的力学性能的损害。得到了具有优异性能的纳米复合陶瓷刀具，明显提高了自润滑陶瓷刀具材料的力学性能。

本发明所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制备的刀具有高硬度、高断裂韧性和高强度的特点，有效的改善了自润滑的陶瓷刀具力学性能较差的缺点。而且本发明的制备方法简单，成本较低。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是实施例1的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断面的扫描电子显微镜(SEM)照片。

图2是实施例1的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断面的EDS能谱分析图片；其中a和c表示的是Al和Ti元素的分布，b表示的是Ca元素的分布情况。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

所用原料A1₂O₃、Ti(C,N)、氧化镁均为市售产品，纯度均大于99％。

实施例中所用CaF₂@Al₂O₃直径为40～100nm；Ti(C,N)平均粒径为50～100nm，所述MgO平均粒径为0.1～0.5μm、A1₂O₃平均粒径为0.1～0.2μm。

实施例1：添加纳米CaF₂@Al₂O₃粉体的Al₂O₃/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具

Al₂O₃/Ti(C,N)基陶瓷刀具，原料组成体积含量比为：Ti(C,N)为22.16％，MgO为0.5％，纳米CaF₂@Al₂O₃粉体为10％，余量为Al₂O₃。

首先进行原料称取，将聚乙烯吡咯烷酮加入到无水乙醇中，超声分散并机械搅拌20～30min，加入纳米CaF₂@Al₂O₃粉体，继续超声分散并机械搅拌60～120min，得到分散液。将聚乙二醇分别加入到无水乙醇中，超声分散并机械搅拌20～30min，加入A1₂O₃粉体，继续超声分散并机械搅拌20～30min，得到A1₂O₃分散液。将聚乙二醇加入到无水乙醇中，超声分散并机械搅拌20～30min，待其完全溶解；加入MgO粉体，超声分散并机械搅拌10～20min得到含烧结助剂MgO的分散液。将聚乙二醇加入到无水乙醇中，超声分散并机械搅拌20～30min，待其完全溶解；加入Ti(C,N)粉体，超声分散并机械搅拌10～30min得到Ti(C,N)分散液。将上述分散液混合，超声分散并机械搅拌40～60min，得到混合粉体的复相悬浮液，以球料质量比10：1称取硬质合金球，与混合均匀的复相悬浮液一同倒入球磨罐中，充入氮气作为保护气体，连续球磨48h。将球磨后得到的复相悬浮液置于真空干燥箱中90℃温度下真空干燥36h以上。经过过筛和密封保存：干燥后的粉料经200目筛子过筛，密封保存，防止粉料受潮；称取适量过筛后的复合粉料装入石墨模具，用千斤顶进行预压后得到盘状坯体，预压时间为25min；将冷压成型后的石墨模具放入石墨套筒，在真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结温度为1620℃，保温时间15min，升温速度15℃/min，热压压力30MPa。

所制得Al₂O₃/Ti(C,N)基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，包括维氏硬度、断裂韧性，其值分别为：18.58GPa、6.50MPa·m^1/2。

制备得到的刀具断面的扫描电子显微镜照片如图1所示，材料具有较好的致密度，各相材料间分布均匀。图2纳米复合陶瓷刀具材料断面的EDS能谱分析图片，a和c表示的是Al和Ti元素的分布，b表示的是Ca元素的分布情况。从图中可以看出穿晶断裂的Al₂O₃位于正中位置，Ti(C,N)均匀的分布在Al₂O₃晶粒的四周，而代表CaF₂的Ca元素均匀的分布在整个断面上，说明CaF₂分布较为均匀，且没有发现团聚和异常长大的情况。

实施例2：添加纳米CaF₂@Al₂O₃粉体的Al₂O₃/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具

Al₂O₃/Ti(C,N)基陶瓷刀具，原料组成体积含量比为：Ti(C,N)为23.4％，MgO为0.5％，纳米CaF₂@Al₂O₃粉体为5％，余量为Al₂O₃。

所制得Al₂O₃/Ti(C,N)基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，包括维氏硬度、断裂韧性，其值分别为：19.58GPa、6.21MPa·m^1/2。

实施例3：添加纳米CaF₂@Al₂O₃粉体的Al₂O₃/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具

Al₂O₃/Ti(C,N)基陶瓷刀具，原料组成体积含量比为：Ti(C,N)为20.92％，MgO为0.5％，纳米CaF₂@Al₂O₃粉体为15％，余量为Al₂O₃为63.58％。

所制得Al₂O₃/Ti(C,N)基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，包括维氏硬度、断裂韧性，其值分别为：17.05GPa、6.64MPa·m^1/2。

对比例1：添加纳米CaF₂的Al₂O₃/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具

Al₂O₃/Ti(C,N)基陶瓷刀具，原料组成体积含量比为：Ti(C,N)为22.16％，MgO为0.5％，纳米CaF₂粉体为10％，余量为Al₂O₃。

首先进行原料称取，将聚乙烯吡咯烷酮加入到无水乙醇中，超声分散并机械搅拌20～30min，加入纳米CaF₂粉体，继续超声分散并机械搅拌60～120min，得到分散液。将聚乙二醇分别加入到无水乙醇中，超声分散并机械搅拌20～30min，加入A1₂O₃粉体，继续超声分散并机械搅拌20～30min，得到A1₂O₃分散液。将聚乙二醇加入到无水乙醇中，超声分散并机械搅拌20～30min，待其完全溶解；加入MgO粉体，超声分散并机械搅拌10～20min得到含烧结助剂MgO的分散液。将聚乙二醇加入到无水乙醇中，超声分散并机械搅拌20～30min，待其完全溶解；加入Ti(C,N)粉体，超声分散并机械搅拌10～30min，得到Ti(C,N)分散液。将上述分散液混合，超声分散并机械搅拌40～60min，得到混合粉体的复相悬浮液，以球料质量比10：1称取硬质合金球，与混合均匀的复相悬浮液一同倒入球磨罐中，充入氮气作为保护气体，连续球磨48h。将球磨后得到的复相悬浮液置于真空干燥箱中90℃温度下真空干燥36h以上。经过过筛和密封保存：干燥后的粉料经200目筛子过筛，密封保存，防止粉料受潮；称取适量过筛后的复合粉料装入石墨模具，用千斤顶进行预压后得到盘状坯体，预压时间为25min；将冷压成型后的石墨模具放入石墨套筒，在真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结温度为1620℃，保温时间15min，升温速度15℃/min，热压压力30MPa。

所制得Al₂O₃/Ti(C,N)基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，包括维氏硬度、断裂韧性和抗弯强度，其值分别为：17.91GPa、6.01MPa·m^1/2。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种添加纳米包覆型固体润滑剂的Al₂O₃/Ti(C,N)纳米基陶瓷刀具材料，其特征在于：由以下组分组成：

其中，Ti(C,N)的平均粒径为50～200nm；Al₂O₃的平均粒径为50～500nm；MgO的平均粒径为0.1～5μm；纳米CaF₂@Al₂O₃粉体的平均直径为20～100nm。

2.根据权利要求1所述的纳米基陶瓷刀具材料，其特征在于：由以下组分组成：纳米CaF₂@Al₂O₃粉体1～20％，MgO 0.1～1％，Ti(C,N)30～55％，余量为Al₂O₃，％为体积百分数；

优选的，所述纳米基陶瓷刀具材料，由以下组分组成：纳米CaF₂@Al₂O₃粉体5％，MgO0.5％，Ti(C,N)23.4％，余量为Al₂O₃，％为体积百分数。

3.根据权利要求1或2所述的纳米基陶瓷刀具材料，其特征在于：所述Ti(C,N)的平均粒径为50～200nm，碳氮比按重量比为1～3:1。

优选的，所述MgO的平均粒径为0.1～1μm；所述Al₂O₃的平均粒径为0.1～1μm。

优选的，所述Al₂O₃为α相Al₂O₃。

4.权利要求1～3任一所述添加纳米包覆型固体润滑剂的Al₂O₃/Ti(C,N)纳米基陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将CaF₂@Al₂O₃的聚乙烯吡咯烷酮与无水乙醇的分散液、Al₂O₃的聚乙二醇与乙醇的分散液、Ti(C,N)的聚乙二醇与乙醇的分散液和MgO的聚乙二醇与乙醇的分散液混合，超声分散，制得混合粉体的分散液；

2)将步骤1)中制得的混合粉体的分散液进行球磨；

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述聚乙烯吡咯烷酮为K30型；

优选的，步骤1)中，超声分散的时间为20～40min；

优选的，步骤1)中，Al₂O₃的聚乙二醇与乙醇的分散液中聚乙二醇的浓度为2～8g/L；

优选的，步骤1)中，Ti(C,N)的聚乙二醇与乙醇的分散液中聚乙二醇的浓度为2～6g/L；

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中，球磨的时间为40～60h；

优选的，步骤2)中，球磨所用球为硬质合金球，球料质量比为10～15:1；

进一步优选的，球磨所用球为硬质合金球YG6或YG8。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中，干燥的温度为80～110℃，干燥时间为24～72h。

8.一种纳米基陶瓷刀具，其特征在于：由权利要求1～3任一所述添加纳米包覆型固体润滑剂的Al₂O₃/Ti(C,N)纳米基陶瓷刀具材料经过冷压、烧结制备而成。

9.根据权利要求8所述的纳米基陶瓷刀具，其特征在于：冷压为放置于石墨模具中冷压，冷压的时间为10～30min。

10.根据权利要求8所述的纳米基陶瓷刀具，其特征在于：烧结为真空热压烧结，烧结过程中，压力逐渐增加至压力为15～45MPa；

优选的，步骤3)中，烧结的温度为1450～1750℃，烧结保温时间为5～30min，升温过程持续45～90min。