二硼化钛基纳米复合自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法.pdf

本发明涉及一种二硼化钛基纳米复合自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法。该陶瓷刀具材料是以纳米TiB2和微米TiB2为基体，添加微米WC作为增强相，以微米h-BN为固体润滑剂，微米Mo和微米Ni作为烧结助剂经热压烧结而成。制备方法包括：先将纳米TiB2、微米TiB2、微米WC和微米h-BN粉末分别分散，加入微米Mo和微米Ni，再经过球磨、干燥制得粉料，采用热压法烧结。本发明所得自润滑陶瓷刀具材料具有良好的综合力学性能和减摩耐磨性能，可用于制作切削刀具、模具以及其他耐磨耐腐零部件。

权利要求书一种二硼化钛基纳米复合自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于,原料组分体积百分比为：
纳米TiB210‑40%，微米WC5‑15%，微米h‑BN6‑12%，微米Mo1‑3%，微米Ni2‑5%，其余为微米TiB2；其中，
所述纳米TiB2平均粒径为40~80nm，微米TiB2平均粒径为1‑5μm；
所述微米WC、微米h‑BN平均粒径均为1~1.5μm；
所述微米Mo、微米Ni平均粒径均为25~45μm；
经热压烧结而成。
根据权利要求1所述的二硼化钛基纳米复合自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于，所述纳米TiB2与微米TiB2的用量比为1:2~3体积比。
根据权利要求1所述的二硼化钛基纳米复合自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于，原料组分体积百分比为：
所述纳米TiB2的体积百分比为15‑25%；所述微米WC的体积百分比为8‑12%；所述微米h‑BN的体积百分比为8‑10%；所述微米Mo的体积百分比为1‑2%；所述微米Ni的体积百分比为3‑4%；微米TiB2余量。
根据权利要求1所述的二硼化钛基纳米复合自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于，所述原料组分体积百分比为：纳米TiB220%，微米TiB255%，微米WC10%，微米h‑BN10%，微米Mo2%，微米Ni3%；其中，纳米TiB2、微米TiB2、微米WC和微米h‑BN平均粒径分别为50nm、3‑4μm、1μm和1.5μm，微米Mo、微米Ni平均粒径均为38μm。
权利要求1~4任一项所述的二硼化钛基纳米复合自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，包括步骤如下：
(1)按比例称取纳米TiB2粉末，以分子量为4000的聚乙二醇为分散剂，适量无水乙醇为分散介质，配成TiB2悬浮液，用搅拌器充分搅拌、超声分散20‑30min；
(2)按比例称取微米TiB2粉末、微米WC粉末、微米h‑BN粉末分别以适量无水乙醇为分散介质，配成TiB2悬浮液、WC悬浮液、h‑BN悬浮液，再分别用搅拌器充分搅拌、超声分散15‑30min；
(3)将以上所得TiB2悬浮液、WC悬浮液和h‑BN悬浮液混合，得到复相悬浮液，然后按比例添加微米Mo和微米Ni作为烧结助剂，超声分散15‑30min，混合均匀；
(4)将步骤(3)所得混合物倒入球磨罐中，在保护气氛下，以无水乙醇为介质，各组分原料总量与研磨球的料球重量比为1:10‑12，球磨48‑72h；然后在电热真空干燥箱中110‑120℃温度下连续干燥36‑48h，然后在保护气氛中过筛，得到混合粉料，密封备用；
(5)将步骤(4)所得的粉料装入石墨模具，然后进行真空热压烧结，热压工艺参数为：保温温度1600‑1700℃，热压压力25‑35MPa，保温时间20‑40min，升温速率10‑15℃/min。
根据权利要求5所述的纳米复合自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的TiB2悬浮液中，聚乙二醇PEG4000的含量为3‑5.5g/L。

说明书二硼化钛基纳米复合自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷刀具材料研究领域，特别涉及一种纳米复合自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法。
背景技术
陶瓷刀具材料具有很高的硬度、耐磨性能和良好的耐高温性能。向陶瓷材料中添加固体润滑剂制备的自润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，使陶瓷刀具材料具备自润滑功能。但是，固体润滑剂对陶瓷刀具材料性能的影响具有两面性：一方面固体润滑剂能在摩擦表面拖敷形成润滑膜，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体润滑剂会降低陶瓷刀具材料的力学性能，从而导致其耐磨性能下降。这是目前自润滑陶瓷刀具减摩性能和耐磨性能不能合理兼顾的难题。
纳米复合陶瓷刀具材料是通过在陶瓷基体中添加纳米材料，利用纳米材料的特性，使材料的力学性能有较大的提高。CN101265079A提供了一种纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法。该纳米复合陶瓷刀具材料按体积百分比包括54％～64％的微米Al2O3、21％～40.5％的纳米TiC、3.5％～18％的微米WC、0.5％的微米MgO和0.5％的微米NiO。本发明通过向微米级Al2O3中添加纳米级TiC颗粒和微米级WC颗粒，并控制纳米级TiC颗粒和微米级WC颗粒的体积含量，以MgO和NiO作为助烧结剂和晶粒生长抑制剂，制备出高力学性能纳米复合陶瓷刀具材料。尽管该类刀具材料力学性能较微米级刀具材料有明显的改善，但刀具在切削过程中由于摩擦系数较高，致使切削温度较高，刀具磨损较快，刀具使用寿命的提高受限。
发明内容
为了兼顾自润滑陶瓷刀具材料的减摩性能和耐磨性能，本发明提供一种二硼化钛基纳米复合自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法。
术语说明：h‑BN，六方氮化硼。具有类似石墨的层状结构，本发明中作为固体润滑剂。
本发明的技术方案如下：
一种二硼化钛基纳米复合自润滑陶瓷刀具材料，原料组分体积百分比为：
纳米TiB210‑40%，微米WC5‑15%，微米h‑BN6‑12%，微米Mo1‑3%，微米Ni2‑5%，其余为微米TiB2；其中，
所述纳米TiB2平均粒径为40~80nm，微米TiB2平均粒径为1‑5μm；
所述微米WC、微米h‑BN平均粒径均为1~1.5μm；
所述微米Mo、微米Ni平均粒径均为25~45μm；
经热压烧结而成。
其中，优选的，所述纳米TiB2与微米TiB2的用量比为1:2~3体积比。
根据本发明，优选的，原料组分体积百分比为：
所述纳米TiB2的体积百分比为15‑25%；所述微米WC的体积百分比为8‑12%；所述微米h‑BN的体积百分比为8‑10%；所述微米Mo的体积百分比为1‑2%；所述微米Ni的体积百分比为3‑4%；微米TiB2余量。
根据本发明，进一步优选的，所述二硼化钛基纳米复合自润滑陶瓷刀具材料，原料组分体积百分比为：纳米TiB220%，微米TiB255%，微米WC10%，微米h‑BN10%，微米Mo2%，微米Ni3%。其中，纳米TiB2、微米TiB2、微米WC和微米h‑BN平均粒径分别为50nm、3‑4μm、1μm和1.5μm，微米Mo、微米Ni平均粒径均为38μm（400目）。
上述各组分中，所用的原料均为市售产品，纯度均大于99%。
本发明的二硼化钛基纳米复合自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，原料组分比例如上所述，包括步骤如下：
(1)按比例称取纳米TiB2粉末，以分子量为4000的聚乙二醇（PEG4000）为分散剂，适量无水乙醇为分散介质，配成TiB2悬浮液，用搅拌器充分搅拌、超声分散20‑30min；
(2)按比例称取微米TiB2粉末、微米WC粉末、微米h‑BN粉末分别以适量无水乙醇为分散介质，配成TiB2悬浮液、WC悬浮液、h‑BN悬浮液，再分别用搅拌器充分搅拌、超声分散15‑30min；
(3)将以上所得TiB2悬浮液、WC悬浮液和h‑BN悬浮液混合，得到复相悬浮液，然后按比例添加微米Mo和微米Ni作为烧结助剂，超声分散15‑30min，混合均匀；
(4)将步骤(3)所得混合物倒入球磨罐中，在保护气氛下，以无水乙醇为介质，各组分原料总量与研磨球的料球重量比为1:10‑12，球磨48‑72h；然后在电热真空干燥箱中110‑120℃温度下连续干燥36‑48h，然后在保护气氛中过筛，得到混合粉料，密封备用；
(5)将步骤(4)所得的粉料装入石墨模具，然后进行真空热压烧结，热压工艺参数为：保温温度1600‑1700℃，热压压力25‑35MPa，保温时间20‑40min，升温速率10‑15℃/min。
上述步骤(1)、(2)中所述的无水乙醇是作为配成悬浮液的分散介质，用量按本领域常规选择即可，本发明不做特别限定。
根据本发明的方法，优选的，步骤（1）所述的TiB2悬浮液中，聚乙二醇PEG4000的含量为3‑5.5g/L。
根据本发明的方法，优选的，步骤（4）所述的保护气氛是氮气或氩气。
根据本发明的方法，优选的，步骤(4)中球磨用的研磨球是硬质合金球YG6或YG8。也称钨钢球，市场可购。
本发明的二硼化钛基纳米复合自润滑陶瓷刀具材料，是以纳米二硼化钛（TiB2）和微米二硼化钛（TiB2）为基体，微米六方氮化硼（h‑BN）为固体润滑剂的纳米复合自润滑陶瓷刀具材料。
本发明的纳米复合自润滑陶瓷刀具材料，是以纳米二硼化钛（TiB2）和微米二硼化钛（TiB2）为基体，添加微米碳化钨（WC）作为增强相，微米六方氮化硼（h‑BN）为固体润滑剂，以微米钼（Mo）和微米镍（Ni）作为烧结助剂，经热压烧结而成。优良效果如下：
1、通过添加纳米TiB2作为基体材料，可在材料内部形成典型的晶内/晶间型结构，由此导致沿晶/穿晶混合型断裂模式。由于纳米TiB2材料具有小尺寸效应、表面界面效应和量子尺寸效应，可以抑制基体晶粒的生长，通过控制各原料组分粒径大小合适的匹配，利用其协同作用，实现提高材料的力学性能的目标。
2、通过添加h‑BN作固体润滑剂，可在切削过程中在复合陶瓷磨损表面形成一层含有B2O3、SiO2和Fe2O3的摩擦膜，显著降低刀具材料的摩擦系数，改善材料的摩擦磨损性能。由于h‑BN的层状结构，可以抑制材料内部晶粒的生长；裂纹偏转、裂纹分支、裂纹桥联等多种机理协同作用，共同改善材料的断裂韧性。此外，h‑BN其抗高温氧化性能更好，可在直到900℃的温度范围内仍然具有良好的自润滑性能。
3、与已有技术的微米自润滑陶瓷刀具材料相比，该纳米复合自润滑陶瓷刀具材料具有更高的力学性能，可用于制作切削刀具、模具以及其他耐磨耐腐零部件。
附图说明
图1‑4分别依次是实施例1‑4制得的二硼化钛基纳米复合自润滑陶瓷刀具材料的扫描电子显微镜（SEM）照片，显示材料的断裂模式是沿晶/穿晶混合型。
图5是实施例2制得的二硼化钛基纳米复合自润滑陶瓷刀具材料的高倍扫描电子显微镜（SEM）照片，显示材料内部典型的晶内/晶间型结构。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。各实施例的原料组分中，纳米TiB2、微米TiB2、微米WC和微米h‑BN平均粒径分别为50nm、3‑4μm、1μm和1.5μm，微米Mo、微米Ni均为400目；纯度均大于99%，均为市售产品。实施例中的研磨球是硬质合金球YG8。
实施例1
纳米复合自润滑陶瓷刀具材料，原料组分的体积百分比为：纳米TiB220%，微米TiB255%，微米WC10%，微米h‑BN10%，微米Mo2%，微米Ni3%。制备方法如下：
按比例称取纳米TiB2粉末，以PEG4000为分散剂，适量无水乙醇为分散介质，配成TiB2悬浮液（PEG4000含量为3g/L悬浮液），用搅拌器充分搅拌、超声波分散25min；按比例称取微米TiB2粉末，加无水乙醇配成混合悬浮液，充分搅拌、超声分散20min；按比例称取微米WC粉末加无水乙醇配成混合悬浮液，充分搅拌、超声分散20min；按比例称取微米h‑BN粉末加无水乙醇配成混合悬浮液，充分搅拌、超声分散15min；将所得TiB2、WC和h‑BN悬浮液混合，得到复相悬浮液，然后按比例添加烧结助剂Mo和Ni，经过超声分散25min，混合均匀；将混合物倒入球磨罐中，以惰性气体为保护气氛，以无水乙醇为介质，以硬质合金球为研磨体，料球重量比为1：11，球磨54h；然后在电热真空干燥箱中在设定温度110℃下连续干燥42h，完全干燥后在惰性气体气流中过筛，然后将粉料装入石墨模具，进行真空热压烧结。热压工艺参数为：保温温度1650℃，热压压力35MPa，保温时间30min，升温速率10℃/min。得纳米复合自润滑陶瓷刀具材料。
将制得的纳米复合自润滑陶瓷刀具材料试样进行线切割加工，粗精磨、研磨、抛光，测得其力学性能参数为：抗弯强度750MPa、断裂韧性5.0MPa·m1/2、维氏硬度15.5GPa。摩擦系数为0.29。
实施例2
纳米复合自润滑陶瓷刀具材料，原料组分的体积百分比为：纳米TiB210%，微米TiB265%，WC8%，微米h‑BN12%，微米Mo2.5%，微米Ni2.5%。制备方法如下：
按比例称取纳米TiB2粉末，适量无水乙醇为分散介质，添加分子量为4000的聚乙二醇（PEG4000）为分散剂，分散剂PEG4000含量为4.5g/L悬浮液，配成TiB2悬浮液。用搅拌器充分搅拌、超声波分散20min；按比例称取微米TiB2粉末，加无水乙醇配成混合悬浮液，充分搅拌、超声分散15min；按比例称取微米WC粉末加无水乙醇配成混合悬浮液，充分搅拌、超声分散15min；按比例称取微米h‑BN粉末加无水乙醇配成混合悬浮液，充分搅拌、超声分散20min；将所得TiB2、WC和h‑BN悬浮液混合，得到复相悬浮液，然后按比例添加烧结助剂微米Mo和微米Ni，经超声分散20min，混合均匀；将混合物倒入球磨罐中，以氮气为保护气氛，以无水乙醇为介质，以硬质合金球为研磨体，料球重量比为1：10，球磨48h；然后在电热真空干燥箱中在设定温度110℃下连续干燥48h，完全干燥后在惰性气体气流中过筛，然后将粉料装入石墨模具，进行真空热压烧结。热压工艺参数为：保温温度1600℃，热压压力28MPa，保温时间40min，升温速率10℃/min。得纳米复合自润滑陶瓷刀具材料。
将制得的纳米复合自润滑陶瓷刀具材料试样进行线切割加工，粗精磨、研磨、抛光，测得其力学性能参数为：抗弯强度690MPa、断裂韧性4.9MPa·m1/2、维氏硬度15.6GPa。摩擦系数为0.3。
实施例3
纳米复合自润滑陶瓷刀具材料，原料组分的体积百分比为：纳米TiB230%，微米TiB245%，微米WC12%，微米h‑BN8%，微米Mo3%，微米Ni2%。制备方法如下：
按比例称取纳米TiB2粉末，以PEG4000为分散剂（含量为3.5g/L悬浮液），适量无水乙醇为分散介质，配成TiB2悬浮液，用搅拌器充分搅拌、超声波分散30min；按比例称取微米TiB2粉末，加无水乙醇配成混合悬浮液，充分搅拌、超声分散15min；按比例称取微米WC粉末加无水乙醇配成混合悬浮液，充分搅拌、超声分散25min；按比例称取微米h‑BN粉末加无水乙醇配成混合悬浮液，充分搅拌、超声分散20min；将所得TiB2、WC和h‑BN悬浮液混合，得到复相悬浮液，然后按比例添加烧结助剂Mo和Ni，经过超声分散30min，混合均匀；将混合物倒入球磨罐中，以惰性气体为保护气氛，以无水乙醇为介质，以硬质合金球为研磨体，料球重量比为1：12，球磨60h；然后在电热真空干燥箱中在设定温度120℃下连续干燥36h，完全干燥后在惰性气体气流中过筛，然后将粉料装入石墨模具，进行真空热压烧结。热压工艺参数为：保温温度1680℃，热压压力32MPa，保温时间25min，升温速率14℃/min。得纳米复合自润滑陶瓷刀具材料。
将制得的纳米复合自润滑陶瓷刀具材料试样进行线切割加工，粗精磨、研磨、抛光，测得其力学性能参数为：抗弯强度678MPa、断裂韧性5.1MPa·m1/2、维氏硬度15.4GPa；摩擦系数为0.31。
实施例4
纳米复合自润滑陶瓷刀具材料，原料组分的体积百分比为：纳米TiB240%，微米TiB235%，微米WC10%，微米h‑BN9%，微米Mo1.5%，微米Ni4.5%。制备方法如下：
按比例称取纳米TiB2粉末，以PEG4000为分散剂（PEG4000含量为4g/L悬浮液），适量无水乙醇为分散介质，配成TiB2悬浮液，用搅拌器充分搅拌、超声波分散30min；按比例称取微米TiB2粉末，加无水乙醇配成混合悬浮液，充分搅拌、超声分散20min；按比例称取微米WC粉末加无水乙醇配成混合悬浮液，充分搅拌、超声分散25min；按比例称取微米h‑BN粉末加无水乙醇配成混合悬浮液，充分搅拌、超声分散25min；将所得TiB2、WC和h‑BN悬浮液混合，得到复相悬浮液，然后按比例添加烧结助剂Mo和Ni，经过超声分散20min，混合均匀；将混合物倒入球磨罐中，以惰性气体为保护气氛，以无水乙醇为介质，以硬质合金球为研磨体，料球重量比为1：10，球磨66h；然后在电热真空干燥箱中在设定温度110℃下连续干燥40h，完全干燥后在惰性气体气流中过筛，然后将粉料装入石墨模具，进行真空热压烧结。热压工艺参数为：保温温度1620℃，热压压力30MPa，保温时间35min，升温速率12℃/min。得纳米复合自润滑陶瓷刀具材料。
将制得的纳米复合自润滑陶瓷刀具材料试样进行线切割加工，粗精磨、研磨、抛光，测得其力学性能参数为：抗弯强度659MPa、断裂韧性5.2MPa·m1/2、维氏硬度15.1GPa；摩擦系数为0.32。