一种可适应高低温的自润滑刀具材料的制备方法，涉及一种刀具材料；该方法采用ZrB2纳米粉、纳米粉ZrO2 和CaF2纳米粉为原料进行制备，首先原料采用氢氟酸水溶液进行清洗，然后再去离子水、无水乙醇进行洗涤；按照ZrB2的体积百分比为60.0~80.0%、ZrO2的体积百分比为15.0~35.0%、CaF2 5.0%分别取预处理后的ZrB2纳米粉和ZrO2纳米粉取预处理后原料，然后进行配料、搅拌、分散及第一次球磨，得到细化粉末；取细化粉CaF2纳米粉加入到去离子水的容器中，超声搅拌等，然后再进行第二次球磨，最后再进行放电等离子烧结，得到本发明专利技术的刀具材料。所制备刀具材料，适合于高低温，具有粒度细小且分布均匀、高硬度、高抗弯强度、高断裂韧性、良好的高低温稳定性等特点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种材料，具体的说是一种可适应高低温的自润滑刀具材料的制备方法。
技术介绍
机械制造业在整个国民经济中占有及其重要的地位，而金属切削加工在制造业中占据主导地位。在切削加工中，使用切削液对提高加工效率与加工工件表面质量具有重要作用，但也是最大的污染源。切削液在制造、使用、处理和排放的各个时期均会对环境造成严重污染。在全球环保意识不断增强与环保立法日益严格的大趋势下，如何找到对环境无污染、可持续发展的现代制造模式已经成为我国制造业面临的最紧迫难题。按刀具自润滑机理分类，可将自润滑刀具材料分为润滑剂式自润滑材料和原位反应自润滑材料。前者主要是将某些润滑剂，尤其是固体润滑剂，作为添加剂加到基体材料中，通过烧结或者其他手段制成。固体润滑剂改善了刀具材料的摩擦磨损性能，但是其加入使得刀具材料的机械性能降低，在实际工程应用中受到一定限制。原位反应自润滑方式则是靠材料本身的摩擦反应在接触表面原位生成一层润滑膜，此润滑膜在特定的工作条件下能够保持较低的剪切强度和摩擦系数，达到自润滑的目的，同时本身的力学性能也可以达到工程应用的要求。固体润滑剂改善了刀具材料的摩擦磨损性能，但是其加入使得刀具材料的机械性能降低，在实际工程应用中受到一定限制，比较适合低速切削。原位反应自润滑刀具非常适用于高速干切削，但是由于切削过程中的高温氧化反应较难控制，且必须在特定高温下才能发生反应，在低速切削或温度不够时，刀具仍然处于干切削而未润滑的工作环境。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种可适应高低温的自润滑刀具材料的制备方法，结合添加固体润滑剂和原位氧化反应的双重机制，粉末状的ZrB2作为基体材料并提供原位反应自润滑机制，ZrO2为增韧相，CaF2为添加剂式自润滑配料，制备出一种不仅适合高速切削而且在在高低温均不受限制的自润滑刀具材料。一种可适应高低温的自润滑刀具材料的制备方法，为了保证所制备出的双机制自润滑复合材料的力学与自润滑性能，ZrB2采用纳米粉，粒度为30~50nm；，ZrO2采用纳米粉，粒度为10~30nm；CaF2采用纳米粉，粒度为140~160nm。其中所述ZrB2纳米粉、ZrO2纳米粉和CaF2纳米粉的体积百分比为：ZrB2 60.0~80.0%、ZrO2 15.0~35.0%、CaF2 5.0%。一种可适应高低温的自润滑刀具材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、原材料的预处理所述ZrB2纳米粉、ZrO2纳米粉和CaF2纳米粉在制备和包装过程中可能混有杂质，为了提高其纯度，采用的氢氟酸水溶液进行清洗。由于纳米粉料的粒度较小，活性较大，为避免粉料受氢氟酸的腐蚀，氢氟酸的浓度应适当。清洗方法为：分别将ZrB2纳米粉、ZrO2纳米粉和CaF2纳米粉置于浓度为1.0~2.0wt%的氢氟酸水溶液中，然后50~100Hz超声波、80~150r/min搅拌处理90~120min，静置60~90min，倒出上层溶液及漂浮的杂质等，所得沉淀物加入去离子水进行洗涤，静置60~90min再次倒出上层溶液，再次加入去离子水进行洗涤，直至上层溶液pH值大于6.5为止，最终分别得到酸洗后ZrB2纳米粉、ZrO2纳米粉和CaF2纳米粉；将所得酸洗后ZrB2纳米粉、ZrO2纳米粉和CaF2纳米粉分别加入无水乙醇洗涤一次，然后真空干燥至水的含量质量百分比为50%，再次加入无水乙醇洗涤一次，然后抽真空分别进行保存，得到预处理后ZrB2纳米粉、ZrO2纳米粉和CaF2纳米粉，备用；步骤二、配料、搅拌、分散及第一次球磨按照ZrB2的体积百分比为60.0~80.0%、ZrO2的体积百分比为15.0~35.0%分别取预处理后的ZrB2纳米粉和ZrO2纳米粉，倒入装有ZrB2纳米粉和ZrO2纳米粉混合物体积3~5倍的去离子水的容器中，得到混合物A；该容器配合有温度传感器，可以随时测量容器内液体的温度；将容器置于超声波发生器中，50~100Hz超声波处理，同时对其进行100~150r/min搅拌；在超声搅拌过程中，将混合物A的温度快速升高至100℃，并保持不变。超声搅拌30~40min后，按照聚乙二醇和混合物A的质量比为1:100，取聚乙二醇加入到混合物A中，继续超声搅拌10~20min，得到混合物B；将所得混合物B放入球磨罐中，以无水乙醇为介质，球磨180~220h，在140~160℃条件下真空干燥22~26h，过筛，得到细化粉末，备用；步骤三、第二次球磨按照上述步骤二所得细化粉末的体积百分比为95%、步骤一预处理得到的CaF2纳米粉的体积百分比为5%，取步骤二所得细化粉末和步骤一预处理得到的CaF2纳米粉，倒入步骤二所得细化粉末和步骤一预处理得到的CaF2纳米粉总体积3~5倍的去离子水的容器中，得到混合物C；所述容器配合有温度传感器，可以随时测量容器内液体的温度；将装有混合物C的容器置于超声波发生器中，80~100Hz超声分散，同时对其进行100~150r/min搅拌；在超声搅拌过程中，将混合物温度快速升高至100℃，维持该温度，继续超声搅拌30~40min，按照聚乙二醇和混合物的质量比为1:100加入聚乙二醇，然后继续超声搅拌分散10~20min，超声搅拌分散结束后，得到混合物D；将所得混合物D放入球磨罐中，以无水乙醇为介质，球磨180~220h，在140~160℃条件下真空干燥22~26h，过筛，得到二次球磨细化粉末，备用；步骤四：放电等离子烧结将步骤三所得二次球磨细化粉末装入石墨模具，置于真空环境中，然后均匀加压进行放电等离子烧结，烧结时，从室温上升至1700℃的过程中，环境压力平稳均匀的加至40MPa，之后在温度为1700℃、压力40MPa条件下保温5~20 min，然后断电自然冷却至室温，即得到可适应高低温的自润滑刀具材料。步骤二和步骤三中所述的球磨罐均为玛瑙球磨罐；步骤二和步骤三中所述球磨的方法为湿式行星球磨。有益效果是：1、本专利技术可适应高低温的自润滑刀具材料的制备方法，采用粉末状的ZrB2作为基体材料并提供原位反应自润滑机制，ZrO2为增韧相，CaF2为添加剂式自润滑配料，并控制各组分的体积百分比为：ZrB2 60.0~80.0%、ZrO2 15.0~35.0%、CaF2 5.0%，引入15.0~35.0%的ZrO2主要可以提高复合材料的强度和韧性，ZrB2氧化后也可以生成的ZrO2，使基体相ZrB2与新生成的ZrO2、增强相ZrO2相互穿插、包裹，形成较好的骨架结构，能够形成较好的相变增韧效果；引入5.0%的CaF2，主要是利用此高温润滑材料在低速切削或摩擦时提供良好的自润滑，同时利用ZrB2/ZrO2陶瓷基体起到的支撑骨架作用，并依靠三次球磨技术，将CaF2固体润滑剂嵌入到连续的陶瓷骨架中，在低速切削或摩擦时可以析出，起到自润滑与减摩的作用。2、本专利技术提供可适应高低温的自润滑刀具材料的制备方法，通过在ZrB2基体中添加ZrO2粉末和CaF2粉末，并控制各自的体积分数，采用真空环境，均匀加压的放电等离子烧结（SPS）工艺，此烧结工艺可以有效降本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种可适应高低温的自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、原材料的预处理分别将ZrB2纳米粉、ZrO2纳米粉和CaF2纳米粉置于浓度为1.0~2.0wt%的氢氟酸水溶液中，然后50~100Hz超声波、80~150r/min搅拌处理90~120min，静置60~90min，倒出上层溶液及漂浮的杂质，所得沉淀物加入去离子水进行洗涤，静置60~90min再次倒出上层溶液，再次加入去离子水进行洗涤，直至上层溶液pH值大于6.5为止，分别得到酸洗后ZrB2纳米粉、ZrO2纳米粉和CaF2纳米粉；将所得酸洗后ZrB2纳米粉、ZrO2纳米粉和CaF2纳米粉分别采用无水乙醇洗涤，得到预处理后ZrB2纳米粉、ZrO2纳米粉和CaF2纳米粉，备用；步骤二、配料、搅拌、分散及第一次球磨按照预处理后的ZrB2纳米粉的体积百分比为60.0~80.0%、预处理后的ZrO2纳米粉的体积百分比为15.0~35.0%，分别取预处理后的ZrB2纳米粉和ZrO2纳米粉，倒入装有ZrB2纳米粉和ZrO2纳米粉混合物体积3~5倍的去离子水、且设有设有温度传感器的容器中，得到混合物A；将装有混合物A的容器置于超声波发生器中，50~100Hz超声波处理，同时对其进行100~150r/min搅拌；在超声搅拌过程中，将混合物A的温度升高至100℃，保持该温度，并继续超声搅拌30~40min；然后按照聚乙二醇和混合物A的质量比为1:100取聚乙二醇，加入到混合物A中，继续超声搅拌10~20min后得到混合物B；将所得混合物B放入球磨罐中，以无水乙醇为介质，球磨180~220h，之后在140~160℃条件下真空干燥22~26h，过筛，得到细化粉末，备用；步骤三、第二次球磨按照上述步骤二所得细化粉末的体积百分比为95%、步骤一预处理得到的CaF2纳米粉的体积百分比为5%，取步骤二所得细化粉末和步骤一预处理得到的CaF2纳米粉，倒入装有步骤二所得细化粉末和步骤一预处理得到的CaF2纳米粉总体积3~5倍的去离子水、且设有温度传感器的容器中，得到混合物C；将容器置于超声波发生器中，80~100Hz超声波处理，同时对其进行80~100r/min搅拌；在超声搅拌过程中，将混合物温度升高至120℃，保持该温度，并继续超声搅拌30~40min；然后按照聚乙二醇和混合物C的质量比为1:100取聚乙二醇，加入到混合物C中，继续超声搅拌10~20min后得到混合物D；将所得混合物D放入球磨罐中，以无水乙醇为介质，球磨200~220h，之后在140~160℃条件下真空干燥22~26h，过筛，得到二次球磨细化粉末，备用；步骤四：放电等离子烧结将步骤三所得二次球磨细化粉末装入石墨模具，置于真空环境中，然后均匀加压进行放电等离子烧结，烧结时，从室温上升至1700℃的过程中，环境压力平稳均匀的加至40MPa，之后在温度为1700℃、压力40MPa条件下保温5~20 min，然后断电自然冷却至室温，即得到可适应高低温的自润滑刀具材料。...
【技术特征摘要】
1.一种可适应高低温的自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、原材料的预处理
分别将ZrB2纳米粉、ZrO2纳米粉和CaF2纳米粉置于浓度为1.0~2.0wt%的氢氟酸水溶液中，然后50~100Hz超声波、80~150r/min搅拌处理90~120min，
静置60~90min，倒出上层溶液及漂浮的杂质，所得沉淀物加入去离子水进行洗涤，静置60~90min再次倒出上层溶液，再次加入去离子水进行洗涤，直至上层溶液pH值大于6.5为止，分别得到酸洗后ZrB2纳米粉、ZrO2纳米粉和CaF2纳米粉；将所得酸洗后ZrB2纳米粉、ZrO2纳米粉和CaF2纳米粉分别采用无水乙醇洗涤，得到预处理后ZrB2纳米粉、ZrO2纳米粉和CaF2纳米粉，备用；
步骤二、配料、搅拌、分散及第一次球磨
按照预处理后的ZrB2纳米粉的体积百分比为60.0~80.0%、预处理后的ZrO2纳米粉的体积百分比为15.0~35.0%，分别取预处理后的ZrB2纳米粉和ZrO2纳米粉，倒入装有ZrB2纳米粉和ZrO2纳米粉混合物体积3~5倍的去离子水、且设有设有温度传感器的容器中，得到混合物A；将装有混合物A的容器置于超声波发生器中，50~100Hz超声波处理，同时对其进行100~150r/min搅拌；在超声搅拌过程中，将混合物A的温度升高至100℃，保持该温度，并继续超声搅拌30~40min；然后按照聚乙二醇和混合物A的质量比为1:100取聚乙二醇，加入到混合物A中，继续超声搅拌10~20min后得到混合物B；将所得混合物B放入球磨罐中，以无水乙醇为介质，球磨180~220h，之后在140~160℃条件下真空干燥22~26h，过筛，得到细化粉末，备用；
步骤三、第二次球磨
按照上述步骤二所得细化粉末的体积百分比为95%、步骤一预处理得到的CaF2纳米粉的体积百分比为5%，取步骤二所得细化粉末和步骤一预处理得到的CaF2纳米粉，倒入装有步骤二所得细化粉末和步骤一预处理得到的CaF2纳米粉总体积3~5倍的去离子水、且设有温度传感器的容器...
【专利技术属性】
技术研发人员：李彬，
申请(专利权)人：洛阳理工学院，
类型：发明
国别省市：河南;41
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