添加金属包覆纳米固体润滑剂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金属包覆纳米固体润滑剂复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法。该自润滑陶瓷刀具材料是以h‑BNn@Ni复合粉体作为固体润滑剂，以α‑Al2O3作为基体，(W,Ti)C作为增强相，以氧化镁和氧化钇作为烧结助剂，经过湿法球磨混料和真空热压烧结制成；其中，h‑BNn@Ni复合粉体是将h‑BNn粉体在粗化液中进行粗化，然后在敏化‑活化液中处理，再在化学镀液中施镀制得。本发明专利技术的自润滑陶瓷刀具材料烧结致密度好，h‑BNn与陶瓷基体的结合强度高，能对自润滑陶瓷刀具材料增韧补强，协同作用提高自润滑陶瓷刀具材料的力学性能和耐磨性能。

Self-lubricating Ceramic Tool Material with Metal-coated Nano-solid Lubricant Composite Powder and Its Preparation Method

The invention relates to a self-lubricating ceramic tool material with metal-coated nano-solid lubricant composite powder and a preparation method thereof. The self-lubricating ceramic tool material is made by using H BNn@Ni composite powder as solid lubricant, a Al2O3 as matrix, (W, Ti) C as reinforcement phase, magnesium oxide and yttrium oxide as sintering aids, wet ball milling mixture and vacuum hot pressing sintering, in which h BNn@Ni composite powder is coarsened in coarsening solution and then in sensitizing activating solution. It is prepared by electroless plating. The Self-lubricating Ceramic Tool Material of the invention has good sintering density, high bonding strength between h_BNn and ceramic matrix, can toughen and strengthen the Self-lubricating Ceramic Tool material, and synergistically improve the mechanical properties and wear resistance of the Self-lubricating Ceramic Tool material.

【技术实现步骤摘要】
添加金属包覆纳米固体润滑剂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金属包覆纳米固体润滑剂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
与高速钢和硬质合金等传统刀具材料相比，陶瓷刀具材料具有硬度高、耐磨性好、耐高温和化学惰性好等优点，适用于切削加工高硬度、高强度等难加工材料，被称为21世纪最有应用前途的刀具材料之一。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，产生的大量切削热致使刀具热磨损严重、缩短了其使用寿命。而自润滑陶瓷刀具材料无疑是解决这一问题的有效途径。传统的自润滑陶瓷刀具材料是将固体润滑剂粉体和陶瓷粉体直接混合，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、减小刀具热磨损；另一方面，固体润滑剂的强度和硬度低，使得自润滑陶瓷刀具材料的力学性能与未添加固体润滑剂的陶瓷刀具材料相比有大幅下降，不能满足切削高硬度的难加工材料的要求。因此，传统的自润滑陶瓷刀具材料存在着自润滑性能和力学性能不能统一的矛盾,这已成为制约自润滑陶瓷刀具推广应用的瓶颈。针对上述矛盾，近年来研究者开发了添加金属包覆固体润滑剂复合粉体的新型自润滑陶瓷刀具材料。氟化钙和六方氮化硼是制备自润滑陶瓷材料常用的两种固体润滑剂。中国专利文件CN104962110A公开了一种添加镍硼包覆氟化钙复合粉末的自润滑陶瓷刀具材料；CN106810259A提供了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；CN106904947A公开了一种添加镍包覆六方氮化硼复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料。上述专利申请中制备的添加金属包覆固体润滑剂复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料的力学性能显著高于相应的添加未包覆的固体润滑剂的自润滑陶瓷刀具材料。然而，上述专利也存在一定的不足，例如微米氟化钙或微米六方氮化硼固体润滑剂对陶瓷基体力学性能的有损，所制备的自润滑陶瓷刀具材料的力学性能仍有待进一步提高。另一方面，包覆金属镍硼和镍磷合金，在自润滑陶瓷刀具材料的烧结过程中，包覆层金属中会产生脆硬的金属间化合物Ni3B或Ni3P，导致包覆层金属增韧作用的降低，进而削弱对自润滑陶瓷刀具材料断裂韧性的提高。参见电镀与涂饰，2014,33(20):870-873。虽然包覆金属纯镍不含对包覆层金属增韧作用有害的硼和磷等元素，但是在自润滑陶瓷刀具材料的热压烧结过程中，微米六方氮化硼由于其片状结构而在压力作用下产生定向排列，即其片径平面垂直于热压方向，使得垂直于热压方向的刀具材料表面(S⊥)的减摩和耐磨性能优于平行于热压方向的表面(S∥)。参见InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2018,72:276-285。在用自润滑陶瓷刀具材料制作刀具时，一般以S⊥作为前刀面、以S∥作为后刀面，或者以S∥作为前刀面、以S⊥作为后刀面。因此，微米六方氮化硼的定向排列导致自润滑陶瓷刀具的前、后刀面的减摩耐磨性能相差较大，进而减弱了自润滑陶瓷刀具的切削性能。
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金属包覆纳米固体润滑剂复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法。本专利技术通过添加金属包覆纳米固体润滑剂复合粉体制备的自润滑陶瓷刀具材料烧结致密度好，h-BNn与陶瓷基体的结合强度高，能对自润滑陶瓷刀具材料增韧补强，协同作用提高自润滑陶瓷刀具材料的力学性能和耐磨性能。术语说明：h-BN：六方氮化硼；h-BNn：纳米六方氮化硼；h-BNμ：微米六方氮化硼；h-BNn@Ni：镍包覆纳米六方氮化硼；h-BNμ@Ni：镍包覆微米六方氮化硼。本专利技术采用的技术方案如下：一种添加金属包覆纳米固体润滑剂复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料，是以h-BNn@Ni复合粉体作为固体润滑剂，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，以氧化镁(MgO)和氧化钇(Y2O3)作为烧结助剂，经过湿法球磨混料和真空热压烧结制成；各组分的质量百分含量为：α-Al2O330-50％，(W,Ti)C45-65％，h-BNn@Ni复合粉体按h-BNn的质量计1-8％，MgO0.5-2％，Y2O30.5-2％；其中，所述h-BNn@Ni复合粉体是以h-BNn为核、Ni为壳的核-壳结构复合粉体，按以下方法制备：将h-BNn粉体在粗化液中进行粗化，所述粗化液的组分为：氟化铵(NH4F)10-20g/L、浓硝酸150-250mL/L、聚乙烯吡咯烷酮((C6H9NO)n,简称PVP)10-20mg/L、余量为蒸馏水；将粗化的h-BNn粉体在敏化-活化液中处理，得活化的h-BNn粉体；所述敏化-活化液的组分为：二水氯化亚锡(SnCl2·2H2O)60-90g/L、三水锡酸钠(Na2SnO3·3H2O)10-20g/L、氯化钯(PdCl2)1-2g/L、氯化钠(NaCl)200-300g/L、浓盐酸100-150mL/L、聚乙烯吡咯烷酮10-20mg/L、余量为蒸馏水；将活化的h-BNn粉体在化学镀液中施镀，得到h-BNn@Ni复合粉体；所述化学镀液的组分为：六水硫酸镍(NiSO4·6H2O)25-35g/L、二水柠檬酸钠(Na3C6H5O7·2H2O)30-40g/L、四水酒石酸钾钠(KNaC4H4O6·4H2O)30-40g/L、硼酸(H3BO3)25-35g/L、水合肼(N2H4·H2O)40-70mL/L、聚乙烯吡咯烷酮5-10mg/L、碘化钾(KI)0.2-0.5mg/L，浓氨水调pH值为10-11、余量为蒸馏水。根据以上所述，优选的，浓硝酸的浓度为质量分数65-68％，浓盐酸的浓度为质量分数35-37％，水合肼的浓度为质量分数50-80％，浓氨水的浓度为质量分数25-28％。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-BNn粉体平均粒径为20-150nm，进一步优选50-100nm；α-Al2O3粉体平均粒径为0.2-1μm、(W,Ti)C粉体平均粒径为1-2μm，MgO粉体平均粒径为1-2μm，Y2O3粉体平均粒径为0.5-1μm；各原料粉体纯度均大于99％。根据本专利技术优选的，上述添加金属包覆纳米固体润滑剂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-Al2O335-45％，(W,Ti)C48-62％，h-BNn@Ni按复合粉体中h-BNn的质量计1-6％，MgO0.5-1.5％，Y2O30.5-1.5％；各组分之和为100％。进一步优选的，所述添加金属包覆纳米固体润滑剂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)C60-61％，h-BNn@Ni按复合粉体中h-BNn的质量计1-2％，MgO0.5％,Y2O30.5％；各组分之和为100％。根据本专利技术，一种添加金属包覆纳米固体润滑剂复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，包括步骤：(1)按比例称取h-BNn粉体加入所述的粗化液中，超声震荡30-50mi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种添加金属包覆纳米固体润滑剂复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于是以h‑BNn@Ni复合粉体作为固体润滑剂，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，以氧化镁(MgO)和氧化钇(Y2O3)作为烧结助剂，经过湿法球磨混料和真空热压烧结制成；各组分的质量百分含量为：α‑Al2O3 30‑50％，(W,Ti)C 45‑65％，h‑BNn@Ni复合粉体按h‑BNn的质量计1‑8％，MgO 0.5‑2％，Y2O3 0.5‑2％；其中，所述h‑BNn@Ni复合粉体是以h‑BNn为核、Ni为壳的核‑壳结构复合粉体，按以下方法制备：将h‑BNn粉体在粗化液中进行粗化，所述粗化液的组分为：氟化铵(NH4F)10‑20g/L、浓硝酸150‑250mL/L、聚乙烯吡咯烷酮((C6H9NO)n,简称PVP)10‑20mg/L、余量为蒸馏水；将粗化的h‑BNn粉体在敏化‑活化液中处理，得活化的h‑BNn粉体；所述敏化‑活化液的组分为：二水氯化亚锡(SnCl2·2H2O)60‑90g/L、三水锡酸钠(Na2SnO3·3H2O)10‑20g/L、氯化钯(PdCl2)1‑2g/L、氯化钠(NaCl)200‑300g/L、浓盐酸100‑150mL/L、聚乙烯吡咯烷酮10‑20mg/L、余量为蒸馏水；将活化的h‑BNn粉体在化学镀液中施镀，得到h‑BNn@Ni复合粉体；所述化学镀液的组分为：六水硫酸镍(NiSO4·6H2O)25‑35g/L、二水柠檬酸钠(Na3C6H5O7·2H2O)30‑40g/L、四水酒石酸钾钠(KNaC4H4O6·4H2O)30‑40g/L、硼酸(H3BO3)25‑35g/L、水合肼(N2H4·H2O)40‑70mL/L、聚乙烯吡咯烷酮5‑10mg/L、碘化钾(KI)0.2‑0.5mg/L，浓氨水调pH值为10‑11、余量为蒸馏水。...

【技术特征摘要】
1.一种添加金属包覆纳米固体润滑剂复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于是以h-BNn@Ni复合粉体作为固体润滑剂，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，以氧化镁(MgO)和氧化钇(Y2O3)作为烧结助剂，经过湿法球磨混料和真空热压烧结制成；各组分的质量百分含量为：α-Al2O330-50％，(W,Ti)C45-65％，h-BNn@Ni复合粉体按h-BNn的质量计1-8％，MgO0.5-2％，Y2O30.5-2％；其中，所述h-BNn@Ni复合粉体是以h-BNn为核、Ni为壳的核-壳结构复合粉体，按以下方法制备：将h-BNn粉体在粗化液中进行粗化，所述粗化液的组分为：氟化铵(NH4F)10-20g/L、浓硝酸150-250mL/L、聚乙烯吡咯烷酮((C6H9NO)n,简称PVP)10-20mg/L、余量为蒸馏水；将粗化的h-BNn粉体在敏化-活化液中处理，得活化的h-BNn粉体；所述敏化-活化液的组分为：二水氯化亚锡(SnCl2·2H2O)60-90g/L、三水锡酸钠(Na2SnO3·3H2O)10-20g/L、氯化钯(PdCl2)1-2g/L、氯化钠(NaCl)200-300g/L、浓盐酸100-150mL/L、聚乙烯吡咯烷酮10-20mg/L、余量为蒸馏水；将活化的h-BNn粉体在化学镀液中施镀，得到h-BNn@Ni复合粉体；所述化学镀液的组分为：六水硫酸镍(NiSO4·6H2O)25-35g/L、二水柠檬酸钠(Na3C6H5O7·2H2O)30-40g/L、四水酒石酸钾钠(KNaC4H4O6·4H2O)30-40g/L、硼酸(H3BO3)25-35g/L、水合肼(N2H4·H2O)40-70mL/L、聚乙烯吡咯烷酮5-10mg/L、碘化钾(KI)0.2-0.5mg/L，浓氨水调pH值为10-11、余量为蒸馏水。2.如权利要求1所述的添加金属包覆纳米固体润滑剂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-Al2O335-45％，(W,Ti)C48-62％，h-BNn@Ni按复合粉体中h-BNn的质量计1-6％，MgO0.5-1.5％，Y2O30.5-1.5％；或者，各组分的质量百分含量为：α-Al2O336-38％，(W,Ti)C60-61％，h-BNn@Ni按复合粉体中h-BNn的质量计1-2％，MgO0.5％,Y2O30.5％；各组分之和为100％。3.如权利要求1或2所述的添加金属包覆纳米固体润滑剂复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料，其特征在于所述h-BNn粉体平均粒径为20-150nm；α-Al2O3粉体平均粒径为0.2-1μm、(W,Ti)C粉体平均粒径为1-2μm，MgO粉体平均粒径为1-2μm，Y2O3粉体平均粒径为0.5-1μm。4.权利要求1-3任一项所述添加金属包覆纳米固体润滑剂复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料的制备方法，包括步骤：(1)按比例称取h-BNn粉体加入所述的粗化液中，超声震荡30-50min，离心分离后用蒸馏水清洗至中性，得到粗化的h-BNn粉体；(2)将步骤(1)得到的粗化的h-BNn粉体加入所述的敏化-活化液中，超声震荡10-15min，离心分离后用蒸馏水清洗至中性，得到活化的h-BNn粉体；(3)将步骤(2)得到的活化的h-BNn粉体加入所述的化学镀液中，在70-80℃的恒温水浴中和超声震荡条件下施镀，并随时滴加浓氨水使化学镀液的pH值保持为10-11；施镀完毕后，将固态颗粒离心分离并用蒸馏水清洗至中性，再用无水乙醇清洗1-2次，得到h-BNn@Ni复合粉体，然后将复合粉体加入适量聚乙二醇-无水乙醇溶液中，超声震荡5-10min，制成h-BNn@Ni悬浮液，密封备用；(4)按比例称取α-Al2O3粉体和(W,Ti)C粉体，分别加入适量无水乙醇中，超声分散并搅拌10-15min，配成α-Al2...

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