添加h-BN@Ni核壳结构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添加h‑BN@Ni核壳结构复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法。所述的自润滑陶瓷刀具材料的各组分质量百分含量为：α‑Al2O325‑45％，(W,Ti)C 50‑70％，镍包覆六方氮化硼复合粉体按h‑BN的质量计2‑10％，MgO 0.4‑1.5％。所述制备方法为：h‑BN粉体的敏化、活化以及化学镀制备h‑BN@Ni复合粉体，分别配制α‑Al2O3、(W,Ti)C、h‑BN@Ni悬浮液，经球磨后真空干燥，将得到的混合粉料装入模具，经冷压成型后进行热压烧结。本发明专利技术可大幅提高自润滑陶瓷刀具材料的断裂韧性，降低陶瓷刀具材料的烧结温度，节约能源、利于环保。

Self-lubricating ceramic tool material and its preparation method of adding h BN@Ni core-shell composite powder

The present invention relates to a self-lubricating ceramic tool material and its preparation method of adding h BN@Ni core-shell composite powder. The self-lubricating ceramic tool material components by weight percent: alpha Al

【技术实现步骤摘要】
添加h-BN@Ni核壳结构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包覆六方氮化硼(h-BN@Ni)核壳结构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
在现代机械加工技术中，随着各种难加工材料的出现和效率、精度和环保要求的提高，刀具技术越来越成为影响机械制造产业发展的关键因素之一。陶瓷刀具材料与高速钢和硬质合金等传统刀具材料相比，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能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。研制自润滑陶瓷刀具材料是解决这一问题的有效途径。用于制备自润滑陶瓷刀具材料的固体润滑剂应满足两个基本要求：其一，在刀具材料的烧结温度(一般为1500-1800℃)下，固体润滑剂不发生分解也不与陶瓷基体发生明显的化学反应；其二，在刀具的切削温度(一般为500-1000℃)下，固体润滑剂不与空气和工件材料发生明显的化学反应而失去润滑作用。在常用的固体润滑剂石墨、二硫化钼、六方氮化硼、聚四氟乙烯中，二硫化钼和聚四氟乙烯的分解温度分别为1370℃和415℃，均低于陶瓷刀具材料烧结温度。石墨和六方氮化硼在刀具材料的烧结温度下不发生分解或升华，但石墨在空气中从450℃开始氧化，且随着温度的升高而加剧；六方氮化硼在空气中开始氧化的温度为1000-1100℃。可见，六方氮化硼是用于制备自润滑陶瓷刀具材料比较理想的固体润滑剂。但是，直接添加六方氮化硼对陶瓷刀具材料的力学性能会有不利影响。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。直接添加六方氮化硼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，刀具材料中的六方氮化硼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，六方氮化硼的强度和硬度低，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。此外，六方氮化硼是一种共价键化合物，在高温下的固相扩散系数低，是一种难以烧结的材料。有文献指出片状的六方氮化硼交叉堆砌形成的卡片房式结构是妨碍含六方氮化硼的复合陶瓷致密化的主要因素，采用适当工艺消除卡片房式结构才能使其获得高致密度，进而使其具有较高的力学性能。在相关工艺中，添加能在烧结过程中产生液相的组分可以促进含六方氮化硼的复合陶瓷的颗粒重排和物质的扩散迁移,有利于消除六方氮化硼的卡片房式结构，故能促进复合陶瓷的致密化。参见硅酸盐学报，1998，26(2)：265-269。为了克服直接添加六方氮化硼的陶瓷刀具材料的力学性能较低的缺陷，近年来对于添加包覆型六方氮化硼的陶瓷刀具材料的研究陆续有披露。中国专利文件CN104892005A公开了一种添加氧化铝包覆六方氮化硼复合粉末的氮化硅基自润滑陶瓷刀具材料；CN104844178A提供了一种添加二氧化硅包覆六方氮化硼复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料；CN104844225A公开了一种添加碳化硅包覆六方氮化硼复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料。通过上述专利文件公开的技术制备的添加包覆型六方氮化硼的陶瓷刀具材料的力学性能比添加未包覆六方氮化硼粉体制备的陶瓷刀具材料有所提高。然而，上述技术仍有不足之处：其一，包覆六方氮化硼粉体的氧化铝、二氧化硅和碳化硅都是陶瓷材料，在烧结过程中不能或很少产生液相，对六方氮化硼的卡片房式结构的消除作用甚微，进而对所制备的陶瓷刀具材料致密化的促进作用较小。其二，较低的断裂韧性已成为制约陶瓷刀具材料广泛应用的瓶颈，所以应着重开发相应技术来提升陶瓷刀具材料的断裂韧性。由于陶瓷材料固有的低断裂韧性的特性，添加陶瓷材料作为包覆层的包覆型六方氮化硼主要提高了自润滑陶瓷刀具材料的硬度和抗弯强度，对其断裂韧性的改善作用较小。
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包覆六方氮化硼核壳结构复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法。在提高自润滑陶瓷刀具材料的硬度和抗弯强度的同时，对其断裂韧性也有显著改善。术语说明：h-BN：六方氮化硼；h-BN@Ni：镍包覆六方氮化硼。本专利技术的技术方案如下：一种添加镍包覆六方氮化硼核壳结构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，以镍包覆六方氮化硼(h-BN@Ni)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-Al2O325-45％，(W,Ti)C50-70％，镍包覆六方氮化硼复合粉体按h-BN的质量计2-10％，MgO0.4-1.5％；其中，所述镍包覆六方氮化硼(h-BN@Ni)复合粉体具有核壳结构，其中，h-BN为核，Ni为壳。该复合粉体是按以下方法制备的：取h-BN粉体加入敏化液中敏化后，再加入活化液中活化处理，得到活化的h-BN粉体；所述敏化液的组分为：二水氯化亚锡(SnCl2·2H2O)20-30g/L、余量为无水乙醇；所述活化液的组分为：氯化钯(PdCl2)0.5-1g/L、质量分数35-37％的浓盐酸10-20mL/L、余量为蒸馏水；将活化的h-BN粉体加入化学镀液中，在70-85℃、超声震荡条件下施镀，施镀过程中滴加pH值调节剂使化学镀液pH值保持为11-12，施镀后进行分离、清洗、干燥，制得h-BN@Ni复合粉体；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)50-70g/L、硼酸(H3BO3)30-40g/L、质量分数50-80％的水合肼(N2H4·H2O)50-100mL/L，适量pH值调节剂使化学镀液pH值为11-12，余量为蒸馏水。根据本专利技术优选的，所述pH值调节剂为60-80g/L的NaOH溶液。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，h-BN粉体、α-Al2O3粉体、(W,Ti)C粉体和MgO粉体的平均粒径分别为1-3μm、0.2-0.5μm、1-1.5μm和1-2μm，纯度均大于99％。根据本专利技术优选的，上述添加镍包覆六方氮化硼核壳结构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-Al2O331-41％，(W,Ti)C52-66％，h-BN@Ni按复合粉体中h-BN的质量计2-6％，MgO0.5-1％；各组分之和为100％。进一步优选的，所述添加镍包覆六方氮化硼核壳结构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-Al2O336-38％，(W,Ti)C58-59％，h-BN@Ni按复合粉体中h-BN的质量计3.5-4.5％，MgO0.5％；各组分之和为100％。根据本专利技术，一种添加镍包覆六方氮化硼核壳结构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)h-BN粉体的敏化、活化按比例称取h-BN粉体加入所述的敏化液中，超声震荡，离心分离后清洗；将敏化后的h-BN粉体加入所述的活化液中，超声震荡，离心分离并清洗、干燥，备用；(2)化学镀制备h-BN@Ni复合粉体将步骤(1)活化后的h-BN粉体加入所述的化学镀液中，在7本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种添加镍包覆六方氮化硼核壳结构复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料，是以α相氧化铝(α‑Al

【技术特征摘要】
1.一种添加镍包覆六方氮化硼核壳结构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，以镍包覆六方氮化硼(h-BN@Ni)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-Al2O325-45％，(W,Ti)C50-70％，镍包覆六方氮化硼复合粉体按h-BN的质量计2-10％，MgO0.4-1.5％；其中，所述镍包覆六方氮化硼(h-BN@Ni)复合粉体具有核壳结构，其中，h-BN为核，Ni为壳；该复合粉体是按以下方法制备的：取h-BN粉体加入敏化液中敏化后，再加入活化液中活化处理，得到活化的h-BN粉体；所述敏化液的组分为：二水氯化亚锡(SnCl2·2H2O)20-30g/L、余量为无水乙醇；所述活化液的组分为：氯化钯(PdCl2)0.5-1g/L、质量分数35-37％的浓盐酸10-20mL/L、余量为蒸馏水；将活化的h-BN粉体加入化学镀液中，在70-85℃、超声震荡条件下施镀，施镀过程中滴加pH值调节剂使化学镀液pH值保持为11-12，施镀后进行分离、清洗、干燥，制得h-BN@Ni复合粉体；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)50-70g/L、硼酸(H3BO3)30-40g/L、质量分数50-80％的水合肼(N2H4·H2O)50-100mL/L，适量pH值调节剂使化学镀液pH值为11-12，余量为蒸馏水。2.如权利要求1所述的添加镍包覆六方氮化硼核壳结构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-Al2O331-41％，(W,Ti)C52-66％，h-BN@Ni按复合粉体中h-BN的质量计2-6％，MgO0.5-1％；优选的，各组分的质量百分含量为：α-Al2O336-38％，(W,Ti)C58-59％，h-BN@Ni按复合粉体中h-BN的质量计3.5-4.5％，MgO0.5％；所述各组分之和为100％。3.如权利要求1或2所述的添加镍包覆六方氮化硼核壳结构复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料其特征在于，所述pH值调节剂为60-80g/L的NaOH溶液。4.如权利要求1-3任一项所述的添加镍包覆六方氮化硼核壳结构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)h-BN粉体的敏化、活化按比例称取h-BN粉体加入所述的敏化液中，超声震荡，离心分离后清洗；将敏化后的h-BN粉体加入所述的活化液中，超声震荡，离心分离并清洗、干燥，备用；(2)化学镀制备h-BN@Ni复合粉体将步骤(1)活化后的h-BN粉体加入所述的化学镀液中，在70-85℃的恒温水浴中施镀；在施镀过程中保持超声震荡并随时滴加pH值调节剂使化学镀液的pH值保持为11-12；施镀完毕后，分离出固态颗粒并用蒸馏水清洗至中性，再用无水乙醇清洗2-3次，然后在真空干燥箱中40-60℃下干燥7-10h，得到h-BN@Ni复合粉体；(3)悬浮液的配制按比例称取α-Al2O3粉体，加入到适量聚乙二醇-无水乙醇溶液中，超声分散并搅拌，配成α-Al2O3悬浮液；按比例称取(W,Ti)C粉体，加入适量无水乙醇中，超声分散并搅拌，配成(W,Ti)C悬浮液；按比例称取步骤(2)得到的h-BN@Ni复合粉体，加入适量无水乙醇中，超声分散并搅拌，配成h-BN@Ni悬浮液；(4)复相悬浮液的配制、球磨将步骤(3)得到的α-Al2O3悬浮液和(W,Ti)C悬浮液混合，然后按比例添加MgO粉体，超声分散并搅拌20-30min，将得到的复相悬浮液倒入球磨罐球磨40-50h；然后加入步骤(3)得到的h-BN@Ni悬浮液，继续球磨，得球磨液；(5)将步骤(4)得到的球磨液真空干燥，过筛，得到混合粉料，密封备用；(6)将步骤(5)得到的混合粉料装入石墨模具，经冷压成型后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结。5.如权利要求4所述的添加镍包覆六方氮化硼核壳结构复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于步骤(1)所述h-BN敏化时，按每升敏化液计，h-BN粉体的加入量为10-20g/L；优选h-BN敏化时超声震荡2-5min；离心分离后先用无水乙醇清洗1次，然后用蒸馏水清洗1次。6.如权利要求4所述的添加镍包覆六方氮化硼核壳结构复合粉体...

【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