本发明专利技术涉及一种石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法。该陶瓷刀具材料是以A12O3与Ti(C,N)为基体，石墨烯纳米片为增强相，MgO与Y2O3为烧结助剂。该陶瓷刀具材料经原料分散、复合粉体制备、干燥过筛、冷压装模和热压烧结而成。在本发明专利技术所制备的石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料中，石墨烯对A12O3/Ti(C,N)基体增韧补强效果明显，该陶瓷刀具材料的综合力学性能良好。经切削试验可知，与未添加石墨烯的纳米复合陶瓷刀具相比，石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料具有的更长的刀具寿命、更好的加工质量和更优异的减磨耐磨特性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种陶瓷刀具材料及其制备方法，特别涉及一种石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法。
技术介绍
随着高速切削加工技术的普遍应用以及难加工材料的大量涌现。在实际切削过程中，切削力与切削热大大增加，加剧了刀具材料的磨损。因此，要求刀具材料不仅具有良好的综合力学性能，还应兼具减摩耐磨特性。陶瓷刀具材料因其具有硬度高、耐磨损、耐高温、化学性质稳定等特点，而得到广泛的研究与应用。当前，陶瓷刀具材料正朝着由低纯度到高纯度、微米尺度到纳米尺度和单相材料到复相材料的方向发展。纳米复合陶瓷刀具材料便是其中的代表。因纳米添加相在材料中形成晶内型、晶间型与晶内/晶间复合型等纳米复合结构有效的改善了陶瓷刀具材料的力学性能。因此，纳米复合陶瓷刀具材料得到了广泛的应用。例如，CN103641456A提供了一种由纳米ZrO2、TiC、BN、B4C以及亚微米Al2O3组成的高强度纳米复合陶瓷材料。Ti(C,N)(碳氮化钛)是一种性能优良的金属陶瓷材料。CN1632150A公开了一种用于制造陶瓷轴承套圈的Ti(C,N)基陶瓷材料。氧化铝碳氮化钛复合陶瓷，简写为A12O3/Ti(C,N)，兼具氧化铝基陶瓷与碳氮化钛基陶瓷的特点，是一种新型复合陶瓷材料。CN105112756A公开了一种由Ti(C,N)与超细Al2O3组成的Ti(C,N)复合Al2O3金属陶瓷刀具材料，其所制备的陶瓷刀具材料的HV50提高到了2050-2200，从而提高了刀具的耐磨性和使用寿命。然而，在这些公开的专利报道中仅仅改善了材料的硬度，而断裂韧性与抗弯强度未得到提高，致使刀具材料的综合力学性能仍然不理想。
技术实现思路
针对现有技术不足，本专利技术提供了一种石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法。本专利技术所述石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料具有综合力学性能高、切削距离长和良好的减摩耐磨特性。术语说明：石墨烯：是石墨烯纳米片的通用简写，是一种具有蜂窝状结构的二维材料，在本专利技术中用作增强相。最长向径：是指石墨烯片的长轴长度。Ti(C,N)：是碳氮化钛的通用简写，是一种由碳化钛(TiC)与氮化钛(TiN)按照不同碳氮比(C:N的重量比)组成的固溶体。在本专利技术中用作基体材料之一。A12O3/Ti(C,N)：是氧化铝碳氮化钛复合材料的通用简写。本专利技术技术方案如下：一种石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，是由以下体积百分比的原料经热压烧结而成：石墨烯0.25～5％，Ti(C,N)5～50％，MgO 0.1～5％，Y2O3 0.5～5％，其余为A12O3；其中：所述A12O3平均粒径为100～500nm；所述Ti(C,N)平均粒径为50～500nm；所述石墨烯平均厚度为0.34～50nm，石墨烯平均最长向径为1～50μm；所述MgO和Y2O3的平均粒径为0.5～5μm。根据本专利技术，优选的，原料组分体积百分比为：石墨烯0.25～1％，Ti(C,N)5～30％，MgO0.25～2％，Y2O3 0.1～2％，A12O3余量。最优选的，原料组分体积百分比为：石墨烯0.75％，Ti(C,N)15％，MgO 0.5％，Y2O30.2％，其余为Al2O3。根据本专利技术，优选的，所述A12O3为α相Al2O3。根据本专利技术，优选的，所述Al2O3平均粒径为200～400nm。根据本专利技术，优选的，所述Ti(C,N)的碳氮比按重量比C:N为1～2.5:1；优选所述Ti(C,N)平均粒径为60～200nm。根据本专利技术，优选的，所述石墨烯平均厚度为0.34～30nm。根据本专利技术，优选的，所述石墨烯平均最长向径为1～20μm。根据本专利技术，优选的，所述MgO和Y2O3的平均粒径为1～3μm。上述所用的原料均为市售产品，纯度均大于99.99％。根据本专利技术，所述石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料制备方法，原料组分比例如前所述，包括步骤如下：(1)将聚乙二醇加入无水乙醇，使其完全溶解，超声分散并机械搅拌10～30min；加入A12O3，继续超声分散并机械搅拌10～30min；得A12O3-聚乙二醇分散液；(2)将聚乙二醇加入无水乙醇，使其完全溶解，超声分散并机械搅拌10～30min；加入Ti(C,N)，继续超声分散并机械搅拌10～30min；得Ti(C,N)-聚乙二醇分散液；(3)将步骤(1)所述的A12O3-聚乙二醇分散液与步骤(2)所述的Ti(C,N)-聚乙二醇分散液混合，超声分散并机械搅拌10～30min；得A12O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液；(4)将步骤(3)所述的A12O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液倒入球磨罐中，在保护气氛下球磨24～48h，球料质量比为5～15:1；(5)将聚乙烯吡咯烷酮加入无水乙醇，使其完全溶解，超声分散并机械搅拌10～30min；加入石墨烯，继续超声分散并机械搅拌10～30min；得石墨烯-聚乙烯吡咯烷酮分散液；(6)将步骤(5)所述的石墨烯-聚乙烯吡咯烷酮分散液倒入步骤(4)的球磨罐中，并保持所述的保护气氛，继续球磨1～12h；(7)待步骤(6)完成后，将球磨罐中的液体进行真空干燥，干燥完全的粉体过100～200目筛，装入石墨套筒中，冷压10～30min，然后进行热压烧结。上述步骤(1)、(2)、(5)中所述的无水乙醇是作为配成悬浮液的分散介质，用量为溶解量，按本领域常规选择即可，本专利技术不做特别限定。根据本专利技术优选的，步骤(1)所述的聚乙二醇的质量为A12O3质量的1～5％。根据本专利技术优选的，步骤(2)所述的聚乙二醇的质量为Ti(C,N)质量的1～5％。根据本专利技术优选的，步骤(1)、步骤(2)所述的聚乙二醇分子量在2000～10000之间(数均分子量)，例如聚乙二醇2000、聚乙二醇4000、聚乙二醇6000、聚乙二醇10000之任一型号的市售产品均可。最优选聚乙二醇4000(PEG4000)。根据本专利技术优选的，步骤(5)所述的聚乙烯吡咯烷酮质量为石墨烯质量的50～90％。根据本专利技术优选的，步骤(5)所述的聚乙烯吡咯烷酮的规格为K15～K40。其含义为聚乙烯吡咯烷酮K15、K16、K17直至K40型之间的任一型号的市售产品均可。最优选聚乙烯吡咯烷酮-K30型(PVP，K30)。根据本专利技术优选的，步骤(4)、(6)所述的球磨球是硬质合金球YG6或YG8。根据本专利技术优选的，步骤(4)、(6)所述的保护气氛是氮气或氩气。根据本专利技术优选的，步骤(7)所述干燥温度为90～130℃，干燥时间为12～60h。根据本专利技术优选的，步骤(7)所述的热压烧结，优选的，烧结温度为1550～1750℃，保温时间为5～50min，压力为20～35MPa，升温速率为10～35℃/min。本专利技术的技术特点及有益效果：本专利技术的石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，是以A12O3/Ti(C,N)为基体，石墨烯为增强相，MgO、Y2O3为烧结助剂，经热压烧结而成。与现有A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料相比，本专利技术制备的石墨烯增韧A12O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料具有更高的综合力学性能，在切削过程本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，是由以下体积百分比的原料组分经热压烧结而成：石墨烯0.25～5％，Ti(C,N)5～50％，MgO 0.1～5％，Y2O3 0.5～5％，其余为Al2O3；其中：所述Al2O3平均粒径为100～500nm；所述Ti(C,N)平均粒径为50～500nm；所述石墨烯平均厚度为0.34～50nm，石墨烯平均最长向径为1～50μm；所述MgO和Y2O3的平均粒径为0.5～5μm。
【技术特征摘要】
1.一种石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，是由以下体积百分比的原料组分经热压烧结而成：石墨烯0.25～5％，Ti(C,N)5～50％，MgO 0.1～5％，Y2O3 0.5～5％，其余为Al2O3；其中：所述Al2O3平均粒径为100～500nm；所述Ti(C,N)平均粒径为50～500nm；所述石墨烯平均厚度为0.34～50nm，石墨烯平均最长向径为1～50μm；所述MgO和Y2O3的平均粒径为0.5～5μm。2.根据权利要求1所述石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，其特征在于原料组分体积百分比为：石墨烯0.25～1％，Ti(C,N)5～30％，MgO 0.25～2％，Y2O3 0.1～2％，Al2O3余量；或者，石墨烯0.75％，Ti(C,N)15％，MgO 0.5％，Y2O3 0.2％，其余为Al2O3。3.根据权利要求1或2所述石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，其特征在于所述Al2O3平均粒径为200～400nm；优选的，所述Al2O3为α相Al2O3。4.根据权利要求1或2所述石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，其特征在于所述Ti(C,N)的碳氮比按重量比C:N为1～2.5:1；优选所述Ti(C,N)平均粒径为60～200nm。5.根据权利要求1或2所述石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料，其特征在于所述石墨烯平均厚度为0.34～30nm；优选的所述石墨烯平均最长向径为1～20μm；优选的所述MgO平均粒径为1～3μm；所述Y2O3平均粒径为1～3μm。6.根据权利要求1～5任一项所述石墨烯增韧Al2O3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料的制备方法，包括步骤如下：(1)将聚乙二醇加入无水乙醇，使其完全溶解，超声分散并机械搅拌10～30min；加入Al2O3，继续超声分散并机械搅拌10～30min；得Al2O3-聚乙二醇分散液；(2)将聚乙二醇加入无水乙醇，使其完全溶解，超声分散并机械搅拌10～30min；加入Ti(C...
【专利技术属性】
技术研发人员：许崇海，孟祥龙，肖光春，衣明东，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
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