[发明专利]高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及切削刀具材料技术领域，尤其涉及高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料及其制备方法。

背景技术

自润滑刀具是指刀具材料本身具有减摩、抗磨、润滑功能，可在无外加润滑液或润滑剂的条件下实现自润滑切削加工，减少设备投资，避免切削液造成的环境污染，实现清洁化生产，降低生产成本，因此自润滑刀具是一种高效、洁净的绿色刀具，在现代切削加工中具有广阔的应用前景。目前陶瓷材料中常见的自润滑体系包括Al₂O₃-石墨、Al₂O₃-CaF₂和TiB₂-BN等，其中自润滑陶瓷刀具材料体系中所添加的固体润滑剂均为微米尺度。添加固体润滑剂的自润滑陶瓷材料尽管摩擦学性能得到了改善，但是由于固体润滑剂的低强度和低硬度的特点，破坏了材料的力学性能，导致了陶瓷材料的耐用性降低。

纳米技术是改善陶瓷力学性能的重要途径之一。在自润滑陶瓷刀具材料中，以低粒度、高分散的纳米固体润滑剂CaF₂代替传统的微米自润滑粉体，在真空热压条件下烧结可以得到含有纳米固体润滑剂CaF₂的新型纳米自润滑陶瓷刀具材料。本技术在采用纳米制备技术获得的低粒度、高分散的纳米氟化钙基础上，选择合适的基体材料配比以及适量的烧结助剂，并采用合理的烧结技术，提高自润滑陶瓷刀具材料的力学性能，获得能够兼顾力学性能和摩擦学特性的新型纳米复合自润滑刀具材料。

发明内容

为了克服现有自润滑陶瓷刀具材料力学性能和摩擦性能难以兼顾的缺陷，本发明提供一种高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料及其制备方法。

发明概述：本发明通过采用纳米级的固体润滑剂CaF₂、高力学性能的Al₂O₃和TiC以及烧结助剂MgO的纳微米复合作用，通过特定的烧结工艺，得到添加纳米固体润滑剂的氧化铝基自润滑刀具材料，优化了自润滑刀具材料的力学性能，制备的自润滑刀具材料具有较高的力学性能和摩擦磨损性能，在高速干切削领域具有良好的应用前景。

发明详述：

本发明的技术方案如下：

一种高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料，原料体积百分比组成如下：

碳化钛25-55%；纳米氟化钙5-15%；氧化镁0.5-1.5%；氧化铝余量；

所述氧化铝微米级粉体，球磨至平均粒径为1～2μm；

所述碳化钛为微米级粉体，球磨至平均粒径为1～2μm；

所述纳米氟化钙粒径范围为15-50nm。

根据本发明优选的，所述高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料，原料体积百分比组成如下：

氧化铝40-55%；碳化钛30-50%；纳米氟化钙5-15%；氧化镁0.5-1%。

根据本发明优选的，所述高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料，原料体积百分比组成如下：

氧化铝40%；碳化钛49.5%；纳米氟化钙10%；氧化镁0.5%。

根据本发明，一种高性能纳米复合氧化铝基自润滑刀具材料的制备方法，包括步骤如下：

（1）按照1∶2.5的摩尔比称取硝酸钙和氟化铵，分别加入乙醇-蒸馏水混合溶液中，制得硝酸钙含量为1mol/L的硝酸钙溶液，氟化铵含量为2.2-3.0mol/L的氟化铵溶液。再将所述的硝酸钙溶液和氟化铵溶液分别加入聚乙二醇-无水乙醇分散液中磁力搅拌40-80min、超声分散10-30min，分别得硝酸钙分散液和氟化铵分散液，将所述的硝酸钙分散液和氟化铵分散液，在超声和机械搅拌条件下混合反应3-5min，离心、清洗，得纳米氟化钙，将制得的纳米氟化钙加入聚乙二醇-无水乙醇分散液中得粒径范围15-50nm的纳米氟化钙分散液；

（2）按配比，将称量好的氧化铝、碳化钛和氧化镁依次加入到步骤（1）的纳米氟化钙分散液中，混合分散40-60min后加入球磨罐中，采用硬质合金球球磨48-72h，经过真空干燥24-36h后，采用200目筛过筛，得复合粉料，备用；

（3）将步骤（2）的复合粉料加入石墨模具中，采用真空热压烧结技术，在烧结温度1550℃-1700℃和保温15-30min条件下烧结，烧结完成后自然冷却。

根据本发明的上述方法，优选的，步骤（1）中乙醇-蒸馏水混合溶液中乙醇与蒸馏水的体积比为1～3∶1～2。