CN110483059B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料的制备方法。本发明以梯度方式添加纳米氧化锆，添加石墨烯作为增韧相和润滑相，并添加微量烧结助剂和稳定剂，经高真空温热压烧结而成。该梯度自润滑陶瓷刀具具有对称性分布结构。纳米氧化锆的体积含量从表层到中间层逐层减少。所得的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料具有高的断裂韧性和自润滑性能，且表面具有压应力，大大提高了刀具材料的耐磨性能和抗破损能力，适用于一些难加工材料的高速干式切削加工。该陶瓷刀具材料具有制备简单，成本低，绿色环保等优点，是一种可以工业化生产的新型陶瓷刀具材料。

Description

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
技术领域
本发明属于机械制造和硅酸盐材料的交叉领域，特别是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。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
为了提高陶瓷刀具在高速切削镍基合金、淬硬钢等难加工材料时的寿命，增强陶瓷刀具材料的断裂韧性、抗破损能力以及减摩抗磨性能是切削领域亟需解决的一个难题。传统强韧化方式是向陶瓷基体中添加强韧化相如碳化钛、碳化钨钛、碳氮化钛、硼化钛、氧化锆或氮化硅晶须，并取得了很好的效果，但是为了满足难加工材料的高速加工，陶瓷材料的性能仍需提升。
现有技术中有通过润滑剂梯度分布，实现自润滑梯度的技术，但其刀具表面的抗破损能力仍有待提高。
发明内容
为克服陶瓷刀具材料在高速切削加工过程中的断裂韧性、抗破损能力以及减摩抗磨性能，本发明提出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。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料，所述陶瓷刀具材料包括多层，各层原料组分和厚度成对称型分布，在厚度方向上以中心层为对称面，纳米氧化锆的体积含量从表层到中间层逐层减少。
研究发现：氧化锆体积含量由表层至中间层逐层减少，再由中间层到表层逐层增多的对称型梯度结构会使表面产生压应力，在切削过程中可以抵消一部分拉应力，从而提高刀具材料的抗破损能力。
与目前具有自润滑梯度的陶瓷刀具相比，本申请是通过氧化锆梯度分布形成压应力，加入石墨烯实现自润滑，而石墨烯作为润滑剂并没有梯度分布。其优势是引入新材料石墨烯作为润滑剂，提高减摩耐磨性能；利用氧化锆梯度分布在刀具表面形成压应力，从而提高抗破损能力。
在一些实施例中，所述各层的组分体积分数为：碳氮化钛30-60％，纳米氧化锆0-5％，氧化镁0.2-1％，石墨烯0.2-0.8％，氧化钇0-0.5％，其余为亚微米氧化铝，其中，纳米氧化锆、氧化钇的含量不为零。石墨烯由于其超高的力学性能和特殊的二维结构，作为强韧化相，石墨烯可以提高陶瓷材料力学性能，如抗弯强度、断裂韧性，且由于其具有自润滑性能，又可以在切削过程中形成连续润滑膜，起到减摩作用，提高刀具寿命。
本发明还提供了一种表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料的制备方法，包括：
将石墨烯和至少2种不同体积分数的纳米氧化锆分散在醇溶液中，得到含有不同氧化锆体积分数、分散均匀的石墨烯/纳米氧化锆混合液；
将含有不同氧化锆体积分数的石墨烯/纳米氧化锆混合液加入氧化铝、碳氮化钛、烧结助剂和稳定剂的混合粉末中，球磨，干燥，过筛，得到至少2种含有不同纳米氧化锆体积分数的混合原料粉末；
按照纳米氧化锆体积含量从高到低，再从低到高的顺序在模具中逐层填铺并预压；
将模具真空烧结，保温结束后，冷却，即得。
本申请对不同体积分数的纳米氧化锆的数量并不作特殊的限定，在一些实施例中，不同体积分数的纳米氧化锆为2～3种，以有效地形成梯度结构会使表面产生压应力，提高陶瓷刀具的性能。
超声分散的原理是将声波放大后发射到渗入在微粒的溶液中，产生空化冲击效应，激发介质里的微粒产生剧烈振动。因此，在一些实施例中，所述分散采用超声条件下进行，分散时间为2-3小时，提高了石墨烯/纳米氧化锆的分散均匀性和效率。
研究发现：利用下落的研磨体的冲击作用以及研磨体与球磨内壁的研磨作用而将物料粉碎并混合，可以有效地将物料粉碎。因此，在一些实施例中，所述球磨的时间为48-72小时，提高了物料的粉碎效率，球磨效果好。
烧结可以有效地提高使陶瓷刀具材料的表面积减少、孔隙率降低、机械性能提高。因此，在一些实施例中，所述烧结的条件为在1650℃-1750℃下保温10-20分钟，烧结压力为30-50MPa，提高了陶瓷刀具材料的致密性和机械性能。
升温速率对陶瓷刀具材料的微观形貌有较大的影响，若升温速率过快，不利于陶瓷刀具材料性能的提升，因此，在一些实施例中，升温速率为40～42℃/min，制备的陶瓷刀具材料的微观形貌良好，尺寸均一。
本发明还提供了任一上述的方法制备的表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料。
本发明还提供了上述的陶瓷刀具在机械、治金、矿山、高速列车、风电、汽车、拖拉机、轴承、水泵、交通、能源、精密仪器或航空航天领域的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明由采用各层氧化锆体积含量呈对称梯度分布梯度结构，在刀具表面形成压应力，同时采用具有优异性能的石墨烯作为润滑相和强韧化相，大大提高了陶瓷刀具材料的断裂韧性、减摩抗磨作用，延长了陶瓷刀具材料在高速切削加工难加工材料时的刀具寿命。此外，该陶瓷刀具材料具有制备方法简单、需要劳动力少等优点，是一种可以工业化生产的新型陶瓷刀具材料。
(2)本申请的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。
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，本申请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。
正如背景技术所介绍的，针对目前陶瓷刀具在高速切削镍基合金、淬硬钢等难加工材料时的寿命短，陶瓷刀具材料的断裂韧性、抗破损能力以及减摩抗磨性能差的问题。因此，本发明提出一种表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料，是以梯度方式添加纳米氧化锆，添加石墨烯作为增韧相和润滑相，并添加微量烧结助剂和稳定剂，经高真空温热压烧结而成。刀具材料各层原料组分和厚度都成对称型分布，各层的组分体积分数为:碳氮化钛30-60％,纳米氧化锆0-5％，氧化镁0.2-1％，石墨烯0.2-0.8％，氧化钇0-0.5％，其余为亚微米氧化铝。纳米氧化锆的含量从表层到中心层逐渐减少。
上述的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)将石墨烯和至少2种体积分数的纳米氧化锆在无水乙醇中超声分散2-3小时，得到含有不同氧化锆体积分数分散均匀的石墨烯/纳米氧化锆混合液。
(2)将含有不同氧化锆体积分数的石墨烯/纳米氧化锆混合液分别倒入装有氧化铝、碳氮化钛和微量烧结助剂氧化镁、稳定剂氧化钇的球磨筒中进行球磨48-72小时，经干燥、过筛后得到至少2种含有不同纳米氧化锆体积分数的原料粉末。
(3)按照纳米氧化锆体积含量从高到低，再从低到高的顺序在高强石墨模具中逐层填铺并预压。
(4)将模具放入真空热压烧结炉中，以40℃/min的升温速率将炉内温度升至1650-1750℃，在最高温度下保温10-20分钟，烧结压力为30-50MPa，保温结束后，随炉冷却至室温。
以下通过具体的实施例对本申请的技术方案进行说明。
实施例1：
制备3层结构的表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料
(1)将0.8vol％的石墨烯分别和0.5vol％、5vol％的纳米氧化锆在无水乙醇中超声分散2小时，得到两种分散均匀的石墨烯/纳米氧化锆混合液。
(2)将石墨烯/纳米氧化锆混合液倒入装有60vol％氮化钛,1vol％氧化镁，0.5vol％氧化钇，其余为亚微米氧化铝的球磨筒中进行高能球磨72小时，经干燥、过筛得到两种不同纳米氧化锆含量的复合原料粉末，编号为0.5C和5C。
(3)按照材料总质量的31wt％称取复合原料粉末0.5C一份，按38wt％称取复合粉末5C两份。
(4)按照5C、0.5C、5C的顺序在高强石墨模具中分层填铺，并进行预压。
(5)将模具放入真空热压烧结炉中进行烧结，以42℃/min的速率升温至最高烧结温度1750℃，烧结压力为50MPa，在最高温度保温10分钟，然后随炉冷却至室温，得到表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料。
通过上述过程制备的表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料的力学性能为：断裂韧性：7.2MPa m1/2、维氏硬度18.2GPa、残余应力–327MPa。
实施例2：
制备3层结构的表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料
(1)将0.2vol％的石墨烯分别和2vol％、4vol％的纳米氧化锆在无水乙醇中超声分散2小时，得到两种分散均匀的石墨烯/纳米氧化锆混合液。
(2)将石墨烯/纳米氧化锆混合液倒入装有30vol％氮化钛，0.4vol％氧化镁，0.2vol％氧化钇，其余为亚微米氧化铝的球磨筒中进行高能球磨48小时，经干燥、过筛得到两种不同纳米氧化锆含量的复合原料粉末，编号为2C和4C。
(3)按照材料总质量的31wt％称取复合原料粉末2C一份，按38wt％称取复合粉末4C两份。
(4)按照4C、2C、4C的顺序在高强石墨模具中分层填铺，并进行预压。
(5)将模具放入真空热压烧结炉中进行烧结，以40℃/min的速率升温至最高烧结温度1650℃，烧结压力为30MPa，在最高温度保温10分钟，然后随炉冷却至室温，得到表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料。
通过上述过程制备的表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料的力学性能为：断裂韧性：7.9MPa m1/2、维氏硬度18.5GPa、残余应力–244MPa。
实施例3：
制备3层结构的表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料
(1)将0.4vol％的石墨烯分别和1vol％、4vol％的纳米氧化锆在无水乙醇中超声分散2-3小时，得到两种分散均匀的石墨烯/纳米氧化锆混合液。
(2)将石墨烯/纳米氧化锆混合液倒入装有40vol％氮化钛,0.6vol％氧化镁，0.4vol％氧化钇，其余为亚微米氧化铝的球磨筒中进行高能球磨56小时，经干燥、过筛得到两种不同纳米氧化锆含量的复合原料粉末，编号为1C和4C。
(3)按照材料总质量的31wt％称取复合原料粉末1C一份，按38wt％称取复合粉末4C两份。
(4)按照4C、1C、4C的顺序在高强石墨模具中分层填铺，并进行预压。
(5)将模具放入真空热压烧结炉中进行烧结，以41℃/min的速率升温至最高烧结温度1700℃，烧结压力为40MPa，在最高温度保温10分钟，然后随炉冷却至室温，得到表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料。
通过上述过程制备的表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料的力学性能为：断裂韧性：8.3MPa m1/2、维氏硬度18.9GPa、残余应力–289MPa。
实施例4：
制备5层结构的表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料
(1)将0.6vol％的石墨烯分别和2vol％、3vol％的纳米氧化锆在无水乙醇中超声分散2-3小时，得到两种分散均匀的石墨烯/纳米氧化锆混合液。
(2)将石墨烯/纳米氧化锆混合液倒入装有50vol％氮化钛,0.8vol％氧化镁，0.5vol％氧化钇，其余为亚微米氧化铝的球磨筒中进行高能球磨64小时，经干燥、过筛得到两种不同纳米氧化锆含量的复合原料粉末，编号为2C和3C。
(3)按照材料总质量的31wt％称取复合原料粉末2C一份，按38wt％称取复合粉末3C两份。
(4)按照3C、2C、3C的顺序在高强石墨模具中分层填铺，并进行预压。
(5)将模具放入真空热压烧结炉中进行烧结，以40℃/min的速率升温至最高烧结温度1650℃，烧结压力为30MPa，在最高温度保温10分钟，然后随炉冷却至室温，得到表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料。
通过上述过程制备的表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料的力学性能为：断裂韧性：9.3MPa m1/2、维氏硬度20.2GPa、残余应力–187MPa。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，所述陶瓷刀具材料包括多层，各层原料组分和厚度成对称型分布，在厚度方向上以中心层为对称面，纳米氧化锆的体积含量从表层到中间层逐层减少；
所述各层的组分体积分数为：碳氮化钛30-60％，纳米氧化锆0-5％，氧化镁0.2-1％，石墨烯0.2-0.8％，氧化钇0-0.5％，其余为亚微米氧化铝，其中，纳米氧化锆、氧化钇的含量不为零；
制备方法包括：
将石墨烯和至少2种不同体积分数的纳米氧化锆分散在醇溶液中，得到含有不同氧化锆体积分数、分散均匀的石墨烯/纳米氧化锆混合液；
将含有不同氧化锆体积分数的石墨烯/纳米氧化锆混合液加入氧化铝、碳氮化钛、烧结助剂和稳定剂的混合粉末中，球磨，干燥，过筛，得到至少2种含有不同纳米氧化锆体积分数的混合原料粉末；
按照纳米氧化锆体积含量从高到低，再从低到高的顺序在模具中逐层填铺并预压；
将模具真空烧结，保温结束后，冷却，即得；
不同体积分数的纳米氧化锆为2～3种。
2.如权利要求1所述的表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，所述分散采用超声条件下进行，分散时间为2-3小时。
3.如权利要求2所述的表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，所述球磨的时间为48-72小时。
4.如权利要求1所述的表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，所述烧结的条件为在1650℃-1750℃下保温10-20分钟，烧结压力为30-50MPa。
5.如权利要求1所述的表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，所述烧结过程中，升温速率为40～42℃/min。
6.权利要求1-5任一项所述的方法制备的表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料。
7.权利要求6所述的陶瓷刀具在机械、治金、矿山、高速列车、风电、汽车、拖拉机、轴承、水泵、交通、能源、精密仪器或航空航天领域的应用。
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