添加氧化鋁包覆六方氮化硼復合粉末的氮化硅基自潤滑陶瓷刀具材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種氮化硅基自潤滑陶瓷刀具材料的制備方法，特別是添加氧化鋁包覆六方氮化硼復合粉末的氮化硅基自潤滑陶瓷刀具材料制備方法，屬于自潤滑刀具材料技術領域。
【背景技術】
[0002]在金屬切削加工過程中，切削液的使用所帶來的負面效應越來越明顯，污染環境、危害工人身體健康、切削液的處理增加企業的生產成本等，因此，取消切削液代之以干式切削加工可很好地解決上述問題。由此人們提出了自潤滑刀具的概念，即將固體潤滑劑添加到刀具中，讓固體潤滑劑在刀具中彌散分布，使刀具具有自潤滑性能，降低摩擦系數，并減少刀具的磨損，提高刀具的使用壽命。研宄發現制備成含有固體潤滑劑的復合自潤滑刀具材料，隨著固體潤滑劑含量的增加，自潤滑刀具材料的機械性能一般隨潤滑劑含量的增加而降低。
[0003]六方氮化硼(h-BN)具有十分優異的化學穩定性，在惰性氣氛中2800°C的溫度下仍很穩定，還具有良好的潤滑性能，是一種優良的固體潤滑劑。在陶瓷刀具材料中添加h-BN，可以有效地提高陶瓷材料的潤滑性能和抗熱震性能，實現減摩抗磨的作用，避免了使用潤滑液帶來的環境和成本問題。然而h-BN的力學性能較低，在刀具中彌散分布有可能使刀具的機械性能變差。為克服這個缺點，人們研制出微池自潤滑刀具，涂層自潤滑刀具和原位反應自潤滑刀具。但該三種方法均沒有能從根本上解決直接在刀具中添加固體潤滑劑導致刀具力學性能降低的問題。CN102502535A公開了一種制備炭包覆六方氮化硼的方法，是以硼酸和尿素為原料制備六方氮化硼，再以馬來酸酐乙烯辛烯接枝共聚物為碳源，通過攪拌、萃取、抽濾、干燥和高溫碳化步驟，得到核殼結構的炭包覆六方氮化硼；添加到基礎油或高分子樹脂中表現出良好的分散性，且在高溫、高壓等極端環境下依然能表現出良好的機械性能以及良好的耐磨性能。然而該炭包覆六方氮化硼方法并不適用于氮化硅基自潤滑陶瓷刀具材料。

【發明內容】

[0004]為了彌補現有技術的不足，提供一種添加氧化鋁包覆六方氮化硼復合粉末的氮化硅基自潤滑陶瓷刀具材料的制備方法，既保證自潤滑刀具的力學性能并兼顧其自潤滑性能，使刀具材料的維氏硬度、斷裂韌性、抗彎強度提高且減磨耐磨性能較好。
[0005]本發明的技術方案如下:
[0006]一種添加氧化鋁包覆六方氮化硼復合粉末的氮化硅基自潤滑陶瓷刀具材料的制備方法，原料組分體積百分比為:微米氮化娃(a -Si3N4) 57-70 %,納米氮化娃(a -Si3N4) 5-15%，微米碳化鈦5-15%，氧化鋁3.2%，氧化釔4.8%，氧化鋁包覆六方氮化硼 2-15% ；
[0007]包括步驟如下:
[0008](I)取粒徑3-10 μπι的六方氮化硼粉末和分散劑聚乙二醇混合于蒸餾水配成3_8g/L的六方氮化硼懸浮液，分散劑添加量為六方氮化硼質量的3-5%。加入pH值為
4.5的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液，超聲分散并攪拌加熱到30°C -40°C，緩慢滴加Al3+濃度為
0.1-0.2mol/L的硝酸鋁溶液，所述硝酸鋁溶液的加入量按照摩爾比BN: Al = I: 0.5-1計，再緩慢滴加氨水至反應液PH值為7.0-7.5，滴加完畢保持溫度30 °C -40°C反應
1.5-2.5h，然后靜置陳化，沉淀過濾、清洗、離心、真空干燥得到表面包覆氫氧化鋁的六方氮化硼復合粉末，經過真空煅燒，制得粒徑4-12 μπι的氧化鋁包覆六方氮化硼復合粉末；
[0009](2)按比例，分別稱取微米氮化硅，納米氮化硅，微米碳化鈦，以適量無水乙醇為分散介質，分別配置成微米氮化硅、微米碳化鈦懸浮液和納米氮化硅懸浮液，充分攪拌的同時超聲分散15-20min ;將分散好的微米氮化娃、微米碳化鈦懸浮液和納米氮化娃懸浮液混合，再按比例加入所述的氧化鋁、氧化釔，充分攪拌并超聲分散15-20min ;得復相懸浮液；
[0010](3)將上述復相懸浮液倒入球磨罐中，充入氬氣或者氮氣作為保護氣體，加入球磨球，球磨36-48h，得球磨后混合物，按比例稱取步驟(I)的氧化鋁包覆六方氮化硼復合粉末，以無水乙醇為分散介質，配成懸浮液，超聲分散1min ;將所得懸浮液加入球磨后的混合物中，充入氬氣或者氮氣作為保護氣體，加入球磨球，繼續球磨8-12h。然后取出球磨液置于干燥箱中，在100-120°C條件下真空干燥24-36h ;干燥完全后將所得混合粉料過200目篩，得混合粉料，密封備用；
[0011](4)采用真空熱壓燒結工藝，將步驟(3)制得的混合粉料壓模燒結成型。
[0012]根據本發明所優選的，所述原料組分體積百分比為微米氮化硅62-67%，納米氮化娃10%，微米碳化鈦10%，氧化銷3.2%，氧化紀4.8%,氧化銷包覆六方氮化硼5-10%。采用該配比制備出的刀具材料綜合力學性能和減摩耐磨性能最好。
[0013]根據本發明優選的，步驟(I)中所述的攪拌加熱是在數顯集熱式磁力攪拌器中磁力攪拌并加熱，使懸浮液分散均勻。
[0014]根據本發明優選的，步驟(I)中所述硝酸鋁溶液是九水硝酸鋁加水配制；最優選Al3+濃度為0.15mol/L的硝酸鋁溶液。
[0015]根據本發明優選的，步驟(I)中所述pH緩沖溶液添加量為8-15mL/100mL蒸餾水，進一步優選PH緩沖溶液添加量為10-1 ImL/1OOmL蒸餾水。
[0016]根據本發明優選的，步驟⑴中所述的氨水，是用質量百分比為28%的濃氨水用蒸餾水稀釋5-10倍，得到pH值為6.5-8.5的氨水溶液。
[0017]根據本發明優選的，步驟⑴所述的懸浮液靜置陳化，是將懸浮液進行靜置10-12小時，使反應物充分沉淀；所述洗滌是分別用蒸餾水洗滌2-3次、無水乙醇洗滌2-3次。
[0018]根據本發明優選的，步驟(I)所述的真空煅燒，是將干燥完全的氫氧化鋁包覆六方氮化硼復合粉末置于氧化鋁坩禍中，在真空熱壓燒結爐中真空煅燒，升溫速率為8-12°C /min，燒結溫度為1100-1200°C，保溫時間為1.5-2.5h，制得氧化鋁包覆六方氮化硼復合粉末。
[0019]根據本發明優選的，步驟(2)中微米氮化硅平均粒徑(D50)為0.5 μπι，納米氮化硅平均粒徑(D50)為50nm，微米碳化鈦平均粒徑(D50)為0.5 μ m，氧化鋁平均粒徑(D50)為I μ m，氧化紀平均粒徑(D50)為I μ m，原料均為市售產品。
[0020]根據本發明優選的，步驟(3)中所述的球磨球為硬質合金(YG8)球。球磨球的添加量為各組分原料總質量的10倍。步驟(3)中所述干燥箱是電熱真空干燥箱。
[0021]根據本發明優選的，所述步驟(4)中真空熱壓燒結工藝，是先將粉末裝入石墨模具中，冷壓成型15min再進行熱壓燒結。進一步優選熱壓燒結參數為:熱壓燒結溫度1650-1700°C，保溫時間 45-75min，壓力 25_30MPa，升溫速率 10_20°C /min。
[0022]所述步驟(4)熱壓燒結制備出的陶瓷坯體，經過切割加工一粗磨一精磨一研磨一拋光步驟制備成3mm X 4mm X 30mm的陶瓷樣條。
[0023]本發明采用非均勻成核法，先將氫氧化鋁包覆到六方氮化硼顆粒表面，制成氫氧化鋁包覆六方氮化硼復合粉末，然后通過真空煅燒制備氧化鋁包覆六方氮化硼復合粉末。將該氧化鋁包覆六方氮化硼復合粉末添加到氮化硅基自潤滑陶瓷刀具材料中，以微米氮化硅為基體，添加微米碳化鈦和納米氮化硅作為增強相，以微米氧化鋁和微米氧化釔為燒結助劑，氧化鋁包覆六方氮化硼復合粉末作為自潤滑相，經真空熱壓燒結制成自潤滑陶瓷刀具材料，既能改善陶瓷刀具的力學性能，同時能兼顧其自潤滑作用。與添加未經表面包覆處理的h-BN的氮化硅基自潤滑刀具材料相比，添加1vol.%包覆型固體潤滑劑h-BN的氮化硅基自潤滑陶瓷刀具材料在維氏硬度、斷裂韌性和抗彎強度上分別提高27%、22.2%和
5.9%，力學性能得到顯著改善