專利名稱：二硼化鈦基納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷刀具材料研究領(lǐng)域，特別涉及一種納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
陶瓷刀具材料具有很高的硬度、耐磨性能和良好的耐高溫性能。向陶瓷材料中添加固體潤(rùn)滑劑制備的自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料可以有效地改善陶瓷刀具材料的摩擦性能，使陶瓷刀具材料具備自潤(rùn)滑功能。但是，固體潤(rùn)滑劑對(duì)陶瓷刀具材料性能的影響具有兩面性一方面固體潤(rùn)滑劑能在摩擦表面拖敷形成潤(rùn)滑膜，可以改善陶瓷刀具材料的摩擦性能；而另一方面在陶瓷刀具材料中添加固體潤(rùn)滑劑會(huì)降低陶瓷刀具材料的力學(xué)性能，從而導(dǎo)致其耐磨性能下降。這是目前自潤(rùn)滑陶瓷刀具減摩性能和耐磨性能不能合理兼顧的難題。納米復(fù)合陶瓷刀具材料是通過(guò)在陶瓷基體中添加納米材料，利用納米材料的特性，使材料的力學(xué)性能有較大的提高 。CN101265079A提供了一種納米復(fù)合陶瓷刀具材料及其制備方法。該納米復(fù)合陶瓷刀具材料按體積百分比包括54% 64%的微米Al203、21% 40. 5%的納米TiC、3. 5% 18%的微米WC、0. 5%的微米MgO和0. 5%的微米NiO。本發(fā)明通過(guò)向微米級(jí)Al2O3中添加納米級(jí)TiC顆粒和微米級(jí)WC顆粒,并控制納米級(jí)TiC顆粒和微米級(jí)WC顆粒的體積含量，以MgO和NiO作為助燒結(jié)劑和晶粒生長(zhǎng)抑制劑，制備出高力學(xué)性能納米復(fù)合陶瓷刀具材料。盡管該類刀具材料力學(xué)性能較微米級(jí)刀具材料有明顯的改善，但刀具在切削過(guò)程中由于摩擦系數(shù)較高，致使切削溫度較高，刀具磨損較快，刀具使用壽命的提聞受限。

發(fā)明內(nèi)容
為了兼顧自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料的減摩性能和耐磨性能，本發(fā)明提供一種二硼化鈦基納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料及其制備方法。術(shù)語(yǔ)說(shuō)明h_BN，六方氮化硼。具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)，本發(fā)明中作為固體潤(rùn)滑劑。本發(fā)明的技術(shù)方案如下—種二硼化鈦基納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，原料組分體積百分比為納米TiB210-40%，微米 WC5-15%，微米 h_BN6_12%，微米 Mol_3%，微米 Ni2_5%，其余為微米TiB2 ;其中，所述納米TiB2平均粒徑為4(T80nm，微米TiB2平均粒徑為1_5 y m ;所述微米WC、微米h-BN平均粒徑均為f1. 5um ；所述微米Mo、微米Ni平均粒徑均為25 45iim ；經(jīng)熱壓燒結(jié)而成。其中，優(yōu)選的，所述納米TiB2與微米TiB2的用量比為1:2 3體積比。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，原料組分體積百分比為
所述納米TiB2的體積百分比為15-25% ;所述微米WC的體積百分比為8-12% ;所述微米h-BN的體積百分比為8-10% ;所述微米Mo的體積百分比為1-2% ;所述微米Ni的體積百分比為3-4% ;微米TiB2余量。根據(jù)本發(fā)明，進(jìn)一步優(yōu)選的，所述二硼化鈦基納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，原料組分體積百分比為納米TiB220%，微米TiB255%，微米WC10%，微米h_BN10%，微米Mo2%，微米Ni3%o其中，納米TiB2、微米TiB2、微米WC和微米h_BN平均粒徑分別為50nm、3_4 u mU U m和1. 5 iim，微米Mo、微米Ni平均粒徑均為38iim (400目)。上述各組分中，所用的原料均為市售產(chǎn)品，純度均大于99%。本發(fā)明的二硼化鈦基納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料的制備方法，原料組分比例如上所述，包括步驟如下(I)按比例稱取納米TiB2粉末，以分子量為4000的聚乙二醇(PEG4000)為分散劑，適量無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)，配成TiB2懸浮液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲分?0-30min ；(2)按比例稱取微米TiB2粉末、微米WC粉末、微米h-BN粉末分別以適量無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)，配成TiB2懸浮液、WC懸浮液、h-BN懸浮液，再分別用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲分?15-30min ； (3)將以上所得TiB2懸浮液、WC懸浮液和h-BN懸浮液混合，得到復(fù)相懸浮液，然后按比例添加微米Mo和微米Ni作為燒結(jié)助劑，超聲分散15-30min，混合均勻；(4)將步驟(3)所得混合物倒入球磨罐中，在保護(hù)氣氛下，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，各組分原料總量與研磨球的料球重量比為1:10-12,球磨48-72h ;然后在電熱真空干燥箱中110-120°C溫度下連續(xù)干燥36-48h，然后在保護(hù)氣氛中過(guò)篩，得到混合粉料，密封備用；

(5)將步驟(4)所得的粉料裝入石墨模具，然后進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，熱壓工藝參數(shù)為保溫溫度1600-1700°C，熱壓壓力25-35MPa，保溫時(shí)間20_40min，升溫速率10_15°C /min。上述步驟(I)、(2)中所述的無(wú)水乙醇是作為配成懸浮液的分散介質(zhì)，用量按本領(lǐng)域常規(guī)選擇即可，本發(fā)明不做特別限定。根據(jù)本發(fā)明的方法，優(yōu)選的，步驟(I)所述的TiB2懸浮液中，聚乙二醇PEG4000的含量為3-5. 5g/L。根據(jù)本發(fā)明的方法，優(yōu)選的，步驟(4)所述的保護(hù)氣氛是氮?dú)饣驓鍤?。根?jù)本發(fā)明的方法，優(yōu)選的，步驟⑷中球磨用的研磨球是硬質(zhì)合金球YG6或YG8。也稱鎢鋼球，市場(chǎng)可購(gòu)。本發(fā)明的二硼化鈦基納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，是以納米二硼化鈦(TiB2)和微米二硼化鈦(TiB2)為基體，微米六方氮化硼(h-BN)為固體潤(rùn)滑劑的納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料。本發(fā)明的納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，是以納米二硼化鈦(TiB2)和微米二硼化鈦(TiB2)為基體，添加微米碳化鎢(WC)作為增強(qiáng)相，微米六方氮化硼(h-BN)為固體潤(rùn)滑劑，以微米鑰(Mo)和微米鎳(Ni)作為燒結(jié)助劑，經(jīng)熱壓燒結(jié)而成。優(yōu)良效果如下1、通過(guò)添加納米TiB2作為基體材料，可在材料內(nèi)部形成典型的晶內(nèi)/晶間型結(jié)構(gòu)，由此導(dǎo)致沿晶/穿晶混合型斷裂模式。由于納米TiB2材料具有小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，可以抑制基體晶粒的生長(zhǎng)，通過(guò)控制各原料組分粒徑大小合適的匹配，利用其協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)提高材料的力學(xué)性能的目標(biāo)。2、通過(guò)添加h-BN作固體潤(rùn)滑劑，可在切削過(guò)程中在復(fù)合陶瓷磨損表面形成一層含有B203、SiO2和Fe2O3的摩擦膜，顯著降低刀具材料的摩擦系數(shù)，改善材料的摩擦磨損性能。由于h-BN的層狀結(jié)構(gòu)，可以抑制材料內(nèi)部晶粒的生長(zhǎng)；裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋分支、裂紋橋聯(lián)等多種機(jī)理協(xié)同作用，共同改善材料的斷裂韌性。此外，h-BN其抗高溫氧化性能更好，可在直到900°C的溫度范圍內(nèi)仍然具有良好的自潤(rùn)滑性能。3、與已有技術(shù)的微米自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料相比，該納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料具有更高的力學(xué)性能，可用于制作切削刀具、模具以及其他耐磨耐腐零部件。


圖1-4分別依次是實(shí)施例1-4制得的二硼化鈦基納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料的掃描電子顯微鏡(SEM)照片，顯示材料的斷裂模式是沿晶/穿晶混合型。圖5是實(shí)施例2制得的二硼化鈦基納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料的高倍掃描電子顯微鏡(SEM)照片，顯示材料內(nèi)部典型的晶內(nèi)/晶間型結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。各實(shí)施例的原料組分中，納米TiB2、微米TiB2、微米WC和微米h-BN平均粒徑分別為50nm、3-4 u mU U m1. 5 u m,微米Mo、微米Ni均為400目；純度均大于99%，均為市售產(chǎn)品。實(shí)施例中的研磨球是硬質(zhì)合金球YG8。實(shí)施例1納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，原料組分的體積百分比為納米TiB220%，微米TiB255%，微米WC10%， 微米h-BN10%，微米Mo2%，微米Ni3%。制備方法如下按比例稱取納米TiB2粉末，以PEG4000為分散劑，適量無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)，配成TiB2懸浮液(PEG4000含量為3g/L懸浮液)，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲波分?5min ;按比例稱取微米TiB2粉末,加無(wú)水乙醇配成混合懸浮液,充分?jǐn)嚢?、超聲分?0min ;按比例稱取微米WC粉末加無(wú)水乙醇配成混合懸浮液,充分?jǐn)嚢?、超聲分?0min ;按比例稱取微米h_BN粉末加無(wú)水乙醇配成混合懸浮液，充分?jǐn)嚢?、超聲分?5min ;將所得TiB2、WC和h_BN懸浮液混合，得到復(fù)相懸浮液，然后按比例添加燒結(jié)助劑Mo和Ni，經(jīng)過(guò)超聲分散25min，混合均勻；將混合物倒入球磨罐中，以惰性氣體為保護(hù)氣氛，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw，料球重量比為1:11，球磨54h ;然后在電熱真空干燥箱中在設(shè)定溫度110°C下連續(xù)干燥42h，完全干燥后在惰性氣體氣流中過(guò)篩，然后將粉料裝入石墨模具，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)。熱壓工藝參數(shù)為保溫溫度1650°C，熱壓壓力35MPa，保溫時(shí)間30min，升溫速率10°C /min。得納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料。將制得的納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料試樣進(jìn)行線切割加工，粗精磨、研磨、拋光，測(cè)得其力學(xué)性能參數(shù)為抗彎強(qiáng)度750MPa、斷裂韌性5. OMPa m1/2、維氏硬度15. 5GPa。摩擦系數(shù)為0. 29。實(shí)施例2納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，原料組分的體積百分比為納米TiB210%，微米TiB265%, WC8%,微米h-BN12%，微米Mo2. 5%,微米Ni2. 5%。制備方法如下
按比例稱取納米TiB2粉末，適量無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)，添加分子量為4000的聚乙二醇(PEG4000)為分散劑，分散劑PEG4000含量為4. 5g/L懸浮液，配成TiB2懸浮液。用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲波分?0min ;按比例稱取微米TiB2粉末，加無(wú)水乙醇配成混合懸浮液，充分?jǐn)嚢?、超聲分?5min ;按比例稱取微米WC粉末加無(wú)水乙醇配成混合懸浮液,充分?jǐn)嚢?、超聲分?5min ;按比例稱取微米h_BN粉末加無(wú)水乙醇配成混合懸浮液,充分?jǐn)嚢琛⒊暦稚?0min ;將所得TiB2、WC和h_BN懸浮液混合，得到復(fù)相懸浮液，然后按比例添加燒結(jié)助劑微米Mo和微米Ni，經(jīng)超聲分散20min，混合均勻；將混合物倒入球磨罐中，以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣氛，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw，料球重量比為1:10,球磨48h ;然后在電熱真空干燥箱中在設(shè)定溫度110°C下連續(xù)干燥48h，完全干燥后在惰性氣體氣流中過(guò)篩，然后將粉料裝入石墨模具，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)。熱壓工藝參數(shù)為保溫溫度160(TC，熱壓壓力28MPa，保溫時(shí)間40min，升溫速率10°C /min。得納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料。將制得的納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料試樣進(jìn)行線切割加工，粗精磨、研磨、拋光，測(cè)得其力學(xué)性能參數(shù)為抗彎強(qiáng)度690MPa、斷裂韌性4. 9MPa m1/2、維氏硬度15. 6GPa。摩擦系數(shù)為0. 3。實(shí)施例3納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，原料組分的體積百分比為納米TiB230%，微米TiB245%，微米WC12%，微米h-BN8%，微米Mo3%，微米Ni2%。制備方法如下按比例稱取納米TiB2粉末，以PEG4000為分散劑(含量為3. 5g/L懸浮液)，適量無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)，配成TiB2懸浮液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲波分?0min ;按比例稱取微米TiB2粉末,加無(wú)水乙醇 配成混合懸浮液,充分?jǐn)嚢琛⒊暦稚?5min ;按比例稱取微米WC粉末加無(wú)水乙醇配成混合懸浮液,充分?jǐn)嚢?、超聲分?5min ;按比例稱取微米h_BN粉末加無(wú)水乙醇配成混合懸浮液，充分?jǐn)嚢?、超聲分?0min ;將所得TiB2、WC和h_BN懸浮液混合，得到復(fù)相懸浮液，然后按比例添加燒結(jié)助劑Mo和Ni，經(jīng)過(guò)超聲分散30min，混合均勻；將混合物倒入球磨罐中，以惰性氣體為保護(hù)氣氛，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw，料球重量比為1:12，球磨60h ;然后在電熱真空干燥箱中在設(shè)定溫度120°C下連續(xù)干燥36h，完全干燥后在惰性氣體氣流中過(guò)篩，然后將粉料裝入石墨模具，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)。熱壓工藝參數(shù)為保溫溫度1680°C，熱壓壓力32MPa，保溫時(shí)間25min，升溫速率14°C /min。得納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料。將制得的納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料試樣進(jìn)行線切割加工，粗精磨、研磨、拋光，測(cè)得其力學(xué)性能參數(shù)為抗彎強(qiáng)度678MPa、斷裂韌性5.1MPa m1/2、維氏硬度15. 4GPa ；摩擦系數(shù)為0. 31。實(shí)施例4納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，原料組分的體積百分比為納米TiB240%，微米TiB235%，微米WC10%，微米h-BN9%，微米Mol. 5%，微米Ni4. 5%。制備方法如下按比例稱取納米TiB2粉末，以PEG4000為分散劑(PEG4000含量為4g/L懸浮液)，適量無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)，配成TiB2懸浮液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲波分?0min ;按比例稱取微米TiB2粉末,加無(wú)水乙醇配成混合懸浮液,充分?jǐn)嚢?、超聲分?0min ;按比例稱取微米WC粉末加無(wú)水乙醇配成混合懸浮液,充分?jǐn)嚢?、超聲分?5min ;按比例稱取微米h_BN粉末加無(wú)水乙醇配成混合懸浮液，充分?jǐn)嚢?、超聲分?5min ;將所得TiB2、WC和h_BN懸浮液混合，得到復(fù)相懸浮液，然后按比例添加燒結(jié)助劑Mo和Ni，經(jīng)過(guò)超聲分散20min，混合均勻；將混合物倒入球磨罐中，以惰性氣體為保護(hù)氣氛，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw，料球重量比為1:10，球磨66h ;然后在電熱真空干燥箱中在設(shè)定溫度110°C下連續(xù)干燥40h，完全干燥后在惰性氣體氣流中過(guò)篩，然后將粉料裝入石墨模具，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)。熱壓工藝參數(shù)為保溫溫度1620°C，熱壓壓力30MPa，保溫時(shí)間35min，升溫速率12°C /min。得納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料。 將制得的納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料試樣進(jìn)行線切割加工，粗精磨、研磨、拋光，測(cè)得其力學(xué)性能參數(shù)為抗彎強(qiáng)度659MPa、斷裂韌性5. 2MPa m1/2、維氏硬度15.1GPa ；摩擦系數(shù)為0. 32。
權(quán)利要求
1.一種二硼化鈦基納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，其特征在于，原料組分體積百分比為 納米 TiB210-40%，微米 WC5-15%，微米 h_BN6_12%，微米 Mol_3%，微米 Ni2_5%，其余為微米TiB2 ;其中， 所述納米TiB2平均粒徑為4(T80nm，微米TiB2平均粒徑為1_5 y m ; 所述微米WC、微米h-BN平均粒徑均為f1. 5 ii m ; 所述微米Mo、微米Ni平均粒徑均為25 45 u m ； 經(jīng)熱壓燒結(jié)而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二硼化鈦基納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，其特征在于，所述納米TiB2與微米TiB2的用量比為1:2 3體積比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二硼化鈦基納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，其特征在于，原料組分體積百分比為 所述納米TiB2的體積百分比為15-25% ;所述微米WC的體積百分比為8-12% ;所述微米h-BN的體積百分比為8-10% ;所述微米Mo的體積百分比為1-2% ;所述微米Ni的體積百分比為3-4% ;微米TiB2余量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二硼化鈦基納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，其特征在于，所述原料組分體積百分比為納米TiB220%，微米TiB255%，微米WC10%，微米h_BN10%，微米Mo2%，微米Ni3% ;其中，納米TiB2、微米TiB2、微米WC和微米h_BN平均粒徑分別為50nm、3-4 u m、I u m和1. 5 u m,微米Mo、微米Ni平均粒徑均為38 u m。
5.權(quán)利要求r4任一項(xiàng)所述的二硼化鈦基納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料的制備方法，包括步驟如下 (1)按比例稱取納米TiB2粉末，以分子量為4000的聚乙二醇為分散劑，適量無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)，配成TiB2懸浮液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲分?0-30min ； (2)按比例稱取微米TiB2粉末、微米WC粉末、微米h-BN粉末分別以適量無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)，配成TiB2懸浮液、WC懸浮液、h-BN懸浮液，再分別用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲分?5_30min ； (3)將以上所得TiB2懸浮液、WC懸浮液和h-BN懸浮液混合，得到復(fù)相懸浮液，然后按比例添加微米Mo和微米Ni作為燒結(jié)助劑，超聲分散15-30min，混合均勻； (4)將步驟(3)所得混合物倒入球磨罐中，在保護(hù)氣氛下，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，各組分原料總量與研磨球的料球重量比為1:10-12，球磨48-7211 ;然后在電熱真空干燥箱中110-120°C溫度下連續(xù)干燥36-48h，然后在保護(hù)氣氛中過(guò)篩，得到混合粉料，密封備用； (5)將步驟(4)所得的粉料裝入石墨模具，然后進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，熱壓工藝參數(shù)為保溫溫度1600-1700°C，熱壓壓力25-35MPa，保溫時(shí)間20_40min，升溫速率10_15°C /min。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)所述的TiB2懸浮液中，聚乙二醇PEG4000的含量為3-5. 5g/L。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種二硼化鈦基納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料及其制備方法。該陶瓷刀具材料是以納米TiB2和微米TiB2為基體，添加微米WC作為增強(qiáng)相，以微米h-BN為固體潤(rùn)滑劑，微米Mo和微米Ni作為燒結(jié)助劑經(jīng)熱壓燒結(jié)而成。制備方法包括先將納米TiB2、微米TiB2、微米WC和微米h-BN粉末分別分散，加入微米Mo和微米Ni，再經(jīng)過(guò)球磨、干燥制得粉料，采用熱壓法燒結(jié)。本發(fā)明所得自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料具有良好的綜合力學(xué)性能和減摩耐磨性能，可用于制作切削刀具、模具以及其他耐磨耐腐零部件。
文檔編號(hào)C04B35/622GK103058662SQ20131003837
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月31日
發(fā)明者許崇海, 徐秀國(guó), 方斌, 王春林, 衣明東, 李明, 肖光春 申請(qǐng)人:山東輕工業(yè)學(xué)院