添加镍磷合金包覆氟化钙复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种添加镍磷合金包覆氟化钙复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法。所述自润滑陶瓷刀具材料的组分为：α‑Al

【技术实现步骤摘要】
添加镍磷合金包覆氟化钙复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法
本专利技术涉及一种添加镍磷合金包覆氟化钙复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法,属于陶瓷刀具材料

技术介绍
随着工业制造技术的进步，机械加工技术正朝着高效率、高精度和绿色化等方向发展。刀具是影响机械加工的效率、精度和成本的关键因素之一。与高速钢和硬质合金等传统刀具材料相比，陶瓷刀具材料具有高硬度、耐磨损、耐高温和化学稳定性好等优点。然而由于陶瓷材料固有的低韧性和低抗热震性，在高速切削加工过程中对陶瓷刀具不宜采用切削液进行冷却润滑，导致切削温度很高，刀具热磨损严重，致使刀具寿命偏低。开发和应用自润滑陶瓷刀具材料是解决这一问题的有效途径。传统的自润滑陶瓷刀具材料的制备工艺是将陶瓷粉体和固体润滑剂粉体直接混合，再通过一定的成型和烧结工艺制成块状材料。直接添加固体润滑剂会对陶瓷刀具材料产生两方面的影响：一方面，在切削过程中，刀具材料中的固体润滑剂可在刀具表面形成自润滑膜，从而减小刀具与切屑之间的摩擦系数；另一方面，固体润滑剂的强度和硬度低，在刀具材料中的弥散导致其力学性能下降，进而降低刀具的抗磨损性能。有文献报道了分别添加MoS2、h-BN、CaF2三种固体润滑剂的Al2O3/TiC基自润滑陶瓷材料。对于Al2O3/TiC/MoS2自润滑陶瓷材料，MoS2在热压过程中发生分解，并使材料产生较多的气孔，导致了很低的力学性能；对于Al2O3/TiC/h-BN自润滑陶瓷材料，h-BN在热压过程中与Al2O3发生化学反应生成AlN，导致大量裂纹的产生，大大降低了材料的力学性能；对于Al2O3/TiC/CaF2自润滑陶瓷材料，CaF2在烧结过程中没有发生明显的化学反应，但其力学性能仍比未添加固体润滑剂的Al2O3/TiC陶瓷材料有较大幅度降低。参见材料科学与工艺，2006,14(1):5-8。由此可见，直接添加固体润滑剂的传统自润滑陶瓷刀具材料难以实现自润滑性能和力学性能的统一。为了克服固体润滑剂的缺陷，近年来对于包覆的氟化钙固体润滑剂材料的改进研究也不断有披露，例如CN104045351A公开了用于自润滑刀具材料的氧化铝包覆氟化钙粉末，是以硝酸铝和CaF2为原料，采用非均匀成核法和真空煅烧法制备，用于制备自润滑刀具材料；CN104045325A公开了一种添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料，是将表面包覆氢氧化铝的氟化钙粉末与氧化铝、碳化钨钛、氧化镍和氧化镁粉末球磨混合并热压烧结制成的Al2O3/(W,Ti)C/CaF2自润滑刀具材料。然而，以上的CN104045351A和CN104045325A公开的包覆型氟化钙粉末的包覆层材料是陶瓷，对所制备的自润滑陶瓷刀具的硬度和抗弯强度的改善作用较大(分别提高21.7％和10.7％)，对断裂韧性的改善作用较小(提高8％)。而相比抗弯强度和硬度，陶瓷刀具材料的断裂韧性是制约其推广应用的更重要因素，提高陶瓷刀具材料的断裂韧性已成为本行业的一大技术难题。中国专利文件CN104962110A提供了一种用于自润滑刀具材料的镍硼包覆氟化钙复合粉末，用于制备Al2O3/TiB2/CaF2自润滑刀具材料。该专利技术虽然实现了陶瓷刀具材料的断裂韧性提高，但其抗弯强度和硬度的改善却不理想。另外，该专利文件采用超声化学镀的方法制备镍硼包覆氟化钙复合粉末还存在以下不足之处：其一，化学镀前的氟化钙敏化、活化过程采用了两步法，操作比较繁复，且敏化后的清洗次数对后续的活化和化学镀效果影响较大，难以控制不同批次产品的质量一致性，不适合大批量生产。其二，其化学镀还原剂硼氢化钠价格高，需要保持镀液的pH值在12以上，否则会分解失效，致使镀液维护存在困难、生产成本较高；其三，其化学镀液的pH值在13-14之间，化学镀温度在55-75℃之间，镀液高pH值和高温度使得操作环境较劣、化学镀后的废液处理比较困难，不利于人员健康和环保。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种添加镍磷合金包覆氟化钙复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种添加镍磷合金包覆氟化钙复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料，是以α相氧化铝(α-Al2O3)作为基体，以碳化钨钛((W,Ti)C)作为增强相，以镍磷合金包覆氟化钙(CaF2@Ni-P)复合粉体作为固体润滑剂，以氧化镁(MgO)作为烧结助剂，经球磨混料、热压烧结制成；各组分的质量百分含量为：α-Al2O330-48％，(W,Ti)C42-66.5％，CaF2@Ni-P按复合粉体中CaF2的质量计3-12％，MgO0.4-1.5％；其中，镍磷合金包覆氟化钙是按以下方法制备的：CaF2粉体用氢氧化钠溶液清洗后加入氢氟酸与氟化铵的混合溶液进行粗化，粗化后的CaF2粉体加入敏化-活化液超声震荡，所述敏化-活化液的组分为：氯化钯(PdCl2)0.5-1g/L、二水氯化亚锡(SnCl2·2H2O)30-60g/L、氯化钠(NaCl)160-250g/L、质量分数35-37％的浓盐酸60-100ml/L、余量为蒸馏水；敏化-活化后的CaF2粉体加入化学镀液中，于35-45℃超声震荡条件下施镀，并随时滴加质量分数25-28％的浓氨水使镀液的pH值保持为8.5-9.5；所述化学镀液的组分为：六水硫酸镍(NiSO4·6H2O)20-30g/L、二水柠檬酸钠(Na3C6H5O7·2H2O)40-60g/L、氯化铵(NH4Cl)25-40g/L、一水次亚磷酸钠(NaH2PO2·H2O)25-35g/L、质量分数25-28％的浓氨水调pH值为8.5-9.5、余量为蒸馏水；施镀后进行分离、清洗、干燥，制得镍磷合金包覆氟化钙(CaF2@Ni-P)。根据本专利技术优选的，上述各组分的原料粉体均为市售产品，α-Al2O3粉体、(W,Ti)C粉体、CaF2粉体和MgO粉体的平均粒径分别为0.5-1μm、1-3μm、1-5μm和1-2μm，纯度均大于99％。根据本专利技术优选的，上述添加镍磷合金包覆氟化钙复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料，各组分的质量百分含量为：α-Al2O331-45％，(W,Ti)C45-64％，CaF2@Ni-P按复合粉体中CaF2的质量计3-9％，MgO0.5-1％；各组分之和为100％。进一步优选的，所述添加镍磷合金包覆氟化钙复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料，各组分的质量百分含量为：α-Al2O331-32％，(W,Ti)C62-63％，CaF2@Ni-P按复合粉体中CaF2的质量计5-5.5％，MgO0.5％；各组分之和为100％。一种添加镍磷合金包覆氟化钙复合粉体的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α-Al2O3和(W,Ti)C粉体，分别加入适量无水乙醇中，超声分散并机械搅拌20-30min，配成α-Al2O3悬浮液和(W,Ti)C悬浮液；(2)将上述两种悬浮液混合，然后按比例添加MgO粉体，超声分散并机械搅拌20-30min，得到复相悬浮液；(3)将步骤(2)所得的复相悬浮液倒入球磨罐，按球料重量比为8-10:1加入硬质合金研磨球，以氮气或氩气为保护气氛进行球磨45-50h；(4)按比例称取CaF2原料粉体加入氢氧化钠溶液中清洗，超声震荡5-10min，离心分离并用蒸馏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种添加镍磷合金包覆氟化钙复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于是以α相氧化铝(α‑Al

【技术特征摘要】
1.一种添加镍磷合金包覆氟化钙复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于是以α相氧化铝(α-Al2O3)作为基体，以碳化钨钛((W,Ti)C)作为增强相，以镍磷合金包覆氟化钙(CaF2@Ni-P)复合粉体作为固体润滑剂，以氧化镁(MgO)作为烧结助剂，经球磨混料、热压烧结制成；各组分的质量百分含量为：α-Al2O330-48％，(W,Ti)C42-66.5％，CaF2@Ni-P按复合粉体中CaF2的质量计3-12％，MgO0.4-1.5％；其中，镍磷合金包覆氟化钙是按以下方法制备的：CaF2粉体用氢氧化钠溶液清洗后加入氢氟酸与氟化铵的混合溶液进行粗化，粗化后的CaF2粉体加入敏化-活化液超声震荡，所述敏化-活化液的组分为：氯化钯(PdCl2)0.5-1g/L、二水氯化亚锡(SnCl2·2H2O)30-60g/L、氯化钠(NaCl)160-250g/L、质量分数35-37％的浓盐酸60-100ml/L、余量为蒸馏水；敏化-活化后的CaF2粉体加入化学镀液中，于35-45℃超声震荡条件下施镀，并随时滴加质量分数25-28％的浓氨水使镀液的pH值保持为8.5-9.5；所述化学镀液的组分为：六水硫酸镍(NiSO4·6H2O)20-30g/L、二水柠檬酸钠(Na3C6H5O7·2H2O)40-60g/L、氯化铵(NH4Cl)25-40g/L、一水次亚磷酸钠(NaH2PO2·H2O)25-35g/L、质量分数25-28％的浓氨水调pH值为8.5-9.5、余量为蒸馏水；施镀后进行分离、清洗、干燥，制得镍磷合金包覆氟化钙。2.如权利要求1所述的添加镍磷合金包覆氟化钙复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于，α-Al2O3粉体、(W,Ti)C粉体、CaF2粉体和MgO粉体的平均粒径分别为0.5-1μm、1-3μm、1-5μm和1-2μm，纯度均大于99％。3.如权利要求1所述的添加镍磷合金包覆氟化钙复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于，各组分的质量百分含量为：α-Al2O331-45％，(W,Ti)C45-64％，CaF2@Ni-P按复合粉体中CaF2的质量计3-9％，MgO0.5-1％；各组分之和为100％。4.权利要求1-3任一项所述的一种添加镍磷合金包覆氟化钙复合粉体的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α-Al2O3和(W,Ti)C粉体，分别加入适量无水乙醇中，超声分散并机械搅拌20-30min，配成α-Al2O3悬浮液和(W,Ti)C悬浮液；(2)将上述两种悬浮液混合，然后按比例添加MgO粉体，超声分散并机械搅拌20-30min，得到复相悬浮液；(3)将步骤(2)所得的复相悬浮液倒入球磨罐，按球料重量比为8-10:1加入硬质合金研磨球，以氮气或氩气为保护气氛进行球磨45-50h；(4)按比例称取CaF2原料粉体加入氢氧化钠溶液中清洗，超声震荡5-10min，离心分离并用蒸馏水清洗至中性；(5)将清洗后的CaF2粉体加入氢氟酸-氟化铵粗化液中进行粗化，超声震荡10-20min，离心分离并用蒸馏水清洗至中性；(6)将粗化后的CaF2粉体加入敏化-活化液中，超声震荡10-20min，离心分离并用蒸馏水清洗至中性，在真空干燥箱中100-110℃下干燥5-8h；所述敏化-活化液的组分为：氯化钯(PdCl2)0.5-1g/L、二水氯化亚锡(SnCl2·2...

【专利技术属性】
技术研发人员：许崇海，吴光永，衣明东，肖光春，陈照强，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：山东,37